6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 16-1 May 2011, Elazığ, Turkey Retrogresyon İşleminin 707 Alüminyum Alaşımının Aşınma Davranışına Etkisi H. Durmuş 1, R.O. Uzun 2, S. Şahin 3 1 Celal Bayar Üniversitesi, Turgutlu MYO, Makine ve Metal Teknolojileri Bölümü, Turgutlu/Manisa. 2 Celal Bayar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Muradiye/Manisa. 3 Celal Bayar Üniversitesi, Metalurji Mühendisliği Bölümü, Muradiye/Manisa. E-mail: hulya.kacar@bayar.edu.tr Abstract The RRA process can be made to increase Mechanical and corrosion properties of 707 aluminum alloys. In this study, the wear test was applied to 707 aluminum alloy. Retregrasyon temperature is 170 C. retregression time was used as, 40 and 0 min. Re-aging time is 20 hours and the temperature is 12 C. Minimum wear was obtained at 0 min retragression time. Keywords RRA, 707 Al alloy, wear. 1. GİRİŞ Malzeme bilimi alanında, yüksek aşınma direnci, yüksek dayanım/yoğunluk, iyi korozyon dayanımı sergileyen hafif malzemelerin geliştirilmesi için çok sayıda çalışma yapılmaktadır. Önemli endüstri dallarından otomotiv, elektronik, spor, havacılık ve uzay gibi uygulama alanlarında malzeme performansının arttırılmasına yönelik bu özellikler önem kazanmaktadır [1,2,3]. Malzeme bilimi alanında en önemli özellikleri kendi bünyesinde bulunduran mühendislik malzemelerinden birisi de alüminyum ve alaşımlarıdır. Alüminyum ve alaşımlarının en önemli avantajları kolay işlenebilirliği, yüksek ısıl ve elektrik iletkenliğidir. Ayrıca alüminyum ve alaşımları, düşük sertlik ve aşınma direncine sahip olmasına rağmen bu malzemeler endüstrilerde özellikle tribolojik uygulamalarda, demir ve çelikten sonra en fazla kullanılan mühendislik malzemesidir [4,, 6]. Alüminyum alaşımlarından 7xxx serisi, yüksek dayanımlarından dolayı daha çok havacılık sektöründe kullanılmaktadır [7]. Yüksek dayanımını sınırlayan tek problem yapısal korozyona olan düşük direncidir. Korozyon direncini arttırmak için T76 ve T761 ısıl işlemleri uygulanmaktaydı. Fakat bu işlemler akma dayanımını %30 oranında düşürmekteydi. Bu sebeplerden dolayı 1974 yılında CINA tarafından T6 işleminin mukavemetini, T73 işleminin de korozyon dayanımının elde edildiği RRA işlemi keşfedilmiştir []. Böylece 7xxx serisi alüminyum alaşımlarında hem mekanik özelliklerini hem de korozyon direncini arttırmak amacıyla retrogresyon ve tekrar yaşlandırma işlemleri uygulanmaktadır [9, 10, 11,12]. RRA işlemi T6 durumundaki numunelere uygulanmaktadır. Daha sonraki aşamada uygulanan retrogresyonda ise, çökeltilerin oluşmasını sağlamak için kısa süre yüksek sıcaklıkta bekletilmektedir [13]. Son aşamada düşük sıcaklıkta malzemenin son mikroyapısı oluşturulur [9]. Tekrar yaşlandırma işlemi sırasında mekanik özellikleri artmaktadır [14]. Sürtünerek çalışan bütün makine elemanlarında kaçınılmaz olan ve kompleks bir sistem özelliği gösteren aşınma, sanayide bir çok tribolojik sistemlerde görülen korozyonun ve yorulmanın yanı sıra üçüncü büyük problemdir. Bu nedenden günümüz teknik sistemlerindeki araştırmalar sürtünmeyi ve aşınmayı azaltma ve kontrol etme çalışmaları şeklinde yoğunlaşmıştır. Sürtünmenin ve aşınmanın azaltılmasıyla malzeme kaybı önlenerek boyut hassasiyeti sağlanırken enerji israfı da önlenmiş olur [1]. Bu çalışmada ön denemeler sonucunda yaşlandırma sıcaklığı ve süresi belirlenmiştir. Uygun retrogresyon süresi bulunması amacıyla 170 o C de üç farklı süre seçilmiştir. Endüstriyel işlemlerde ısıl işlem masraflarını azaltmak amacıyla yaşlandırma sıcaklığı birkaç derece yüksek tutulmuş ve yaşlandırma süresi azaltılmıştır. Diğer araştırmacıların kullanmadığı retrogresyon sürelerinde çalışılmıştır. Bu çalışmanın amacı; literatürdeki çalışmalardan farklı retrogresyon ve tekrar yaşlandırma süresinde 707 alüminyum alaşımına uygulanan RRA işleminin malzemenin aşınma dayanımına incelemektir. 2.1.Malzeme 2. DENEYSEL ÇALIŞMA Bu çalışmada kullanılan malzeme, 707 alüminyum alaşımıdır. Levha halinde ve 10 mm kalınlığındadır. Malzemenin kimyasal bileşimi Tablo 1 de verilmiştir. Deneylerde kullanmak amacıyla Ø30x10 mm boyutlarında numuneler hazırlanmıştır. Tablo 1. 707 Alüminyum alaşımının kimyasal bileşimi (% ağ.) 1
Aşınma Kaybı, mm3 Sertlik (HB) H.Durmuş, R.O.Uzun, S.Şahin 2.2. Numunelerin Isıl İşlemi Ø30x10 mm boyutlarında hazırlanan numunelere RRA işleminden önce 40 o C ve 2 saat solüsyona alma işlemi uygulanmış, oda sıcaklığındaki suda su verilmiştir. En uygun yaşlandırma süresinin tespiti için, ana deneylerden önce 12 o C de belli sürelerdeki sertlikleri ölçülmüştür. Böylece yaşlandırma işleminde 12 o C de 1 saat tespit edilmiştir. Retrogresyon sıcaklığı olarak 170 o C ve üç farklı retrogresyon süresi (, 40 ve 0dk) seçilmiştir. Yaşlandırma işlemlerinden sonra numuneler oda sıcaklığında soğutulmuştur. 2.3. Aşınma Testi Aşınma deneyleri, CSM Tribometer aşınma test cihazında (Şekil 1), oda sıcaklığında disk on ball deney düzeneğinde yapılmıştır. RRA uygulanmış numuneler Ø30x10mm boyutlarında hazırlanmıştır. Karşı eleman olarak 6mm çapında seramik bilya kullanılmıştır. Deneylerden önce numuneler alkol ile temizlenmiş ve aşınma kayıplarının hesaplanması için, ve de aşınma yüzey pürüzlülükleri alınmıştır. Hacim kaybı hesabında kullanılmıştır. Aşınma sırasında numunelere 2, ve N yük uygulanmıştır. Kayma hızı 10 cm/s ve kayma mesafesi olarak belirlenmiştir. Aşınma kayıpları her de ölçülmüştür. Ayrıca karşı eleman olarak kullanılan alümina bilyanın ilk ve son ağırlık kaybı cinsinden aşınma miktarı belirlenmiştir. Ayrıca sürtünme katsayısı grafikleri de cihaz tarafından hesaplanmıştır. 2.6. Aşınma Yüzeylerinin Karakterizasyonu Aşınma testleri yapılmış RRA uygulanmış numunelerin ve karşı eleman olarak kullanılan bilyaların aşınma yüzeylerinden, Nikon marka stereo mikroskobundan Clemex yazılımı kullanılarak görüntüler alınmıştır. 3.1. Sertlik 3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Farklı RRA süre ve sıcaklıklarının sertlikle ilişkisi Şekil 2 de verilmiştir. En yüksek sertlik değerleri 0 dk retregrasyon işlemi uygulanmış numunede elde edilmiştir. 30 300 20 200 10 100 0 0 0 10 20 30 40 Yaşlandırma Süresi (saat) Şekil 2. Farklı sürelerde retregrasyon işlemi uygulanan numunelerin tekrar yaşlandırma süresine bağlı sertlik değerleri 40 0 3.2. Aşınma Testi Aşınma kayıpları hacim olarak ölçülmüştür. En az aşınma kayıpları 0 dk retregrasyon işlemi uygulanan numunelerde elde edilmiştir. Sadece T6 uygulanan numunelerden N yük uygulanarak yapılan aşınma testinde en fazla aşınma kaybı elde edilmiştir Şekil 1. CSM Tribometer aşınma test cihazı. 2.4. Sertlik Testi Brinell sertlik cihazında 2, mm bilya ve 62, kgf yük uygulanarak RRA uygulanan numunelerin sertlikleri elde edilmiştir. Her bir numunenin üç noktasından alınan sertliğin ortalaması grafiklerde verilmiştir. 2.. Pürüzlülük Testi Numunelerin aşınma testleri sırasında de bir yüzey pürüzlülükleri Mitutoya marka pürüzlülük test cihazıyla ölçülmüştür. Hacim kaybı hesapları için pürüzlülük grafikleri kullanılmıştır. 0,1 0,1 0,0 0 T6-2N T6-N T6- N dk- 2N dk- N dk- N 40dk- 2N 40dk- N İşlem Parametreleri 40dk- N Şekil 3. Aşınma kaybı grafiği. 0dk- 2N 10 300 40 0dk- N 0dk- N 16
6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 16-1 May 2011, Elazığ, Turkey Tablo 2. 707 alüminyum alaşımına uygulanan deney parametreleri. Retregrasyon sıcaklığı Retregrasyon süresi Tekrar yaşlandırma sıcaklığı Sadece T6 uygulanan numuneler Tkr. yaşl. Süresi Uygulanan Yük(N) 2 170 dk 40 dk 0 dk 12 20 saat 2 2 2 3.3. Sürtünme Katsayısı Aşınma testi sırasında elde edilen sürtünme katsayısı grafikleri Şekil 4-1 de verilmiştir. Uygulanan yük arttıkça sürtünme katsayısı azalmıştır. 0,9 Şekil 6. T6 işlemi uygulanmış numunede N yük altındaki Şekil 4. T6 işlemi uygulanmış numunede 2N yük altındaki Şekil. T6 işlemi uygulanmış numunede N yük altındaki Şekil 7. 170 o C de dk retregrasyon uygulanmış 12 o C de 20 saat tekrar yaşlandırılmış numunenin 2 N yük altındaki 17
H.Durmuş, R.O.Uzun, S.Şahin Şekil. 170 o C de dk retregrasyon uygulanmış 12 o C de 20 saat tekrar yaşlandırılmış numunenin N yük altındaki Şekil 9. 170 o C de dk retregrasyon uygulanmış 12 o C de 20 saat tekrar yaşlandırılmış numunenin N yük altındaki Şekil 12. 170 o C de 40 dk retregrasyon uygulanmış 12 o C de 20 saat tekrar yaşlandırılmış numunenin N yük altındaki 0,9 Şekil 13. 170 o C de 0 dk retregrasyon uygulanmış 12 o C de 20 saat tekrar yaşlandırılmış numunenin 2 N yük altındaki Şekil 10. 170 o C de 40 dk retregrasyon uygulanmış 12 o C de 20 saat tekrar yaşlandırılmış numunenin 2 N yük altındaki Şekil 11. 170 o C de 40 dk retregrasyon uygulanmış 12 o C de 20 saat tekrar yaşlandırılmış numunenin N yük altındaki Şekil 14. 170 o C de 0 dk retregrasyon uygulanmış 12 o C de 20 saat tekrar yaşlandırılmış numunenin N yük altındaki 0,1 Şekil 1. 170 o C de 0 dk retregrasyon uygulanmış 12 o C de 20 saat tekrar yaşlandırılmış numunenin N yük altındaki 1
6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 16-1 May 2011, Elazığ, Turkey 3.4. Aşınma İz Görüntüleri Aşınma testlerinde retrogresyon süresi arttıkça aşınma izi genişliğinde artma meydana gelmiştir (Şekil 16-19). Karşı elemana sıvanma gerçekleşmiştir (Şekil 20). Şekil 19. 170 o C de dk retregrasyon uygulanmış 12 o C de 40 saat tekrar yaşlandırılmış numunenin N yük altındaki Şekil 16. T6 işlemi uygulanmış numunede N yük altındaki aşınma izi. Şekil 20. Aşınma testi sonucunda bilyaların görüntüleri (a) T6- N yük (b) dk retrogresyon- N yük (c) 40 dk retrogresyon- N yük (d) 0 dk retrogresyon-n yük Şekil 17. 170 o C de dk retregrasyon uygulanmış 12 o C de 20 saat tekrar yaşlandırılmış numunenin N yük altındaki aşınma izi. Şekil 1. 170 o C de 40 dk retregrasyon uygulanmış 12 o C de 20 saat tekrar yaşlandırılmış numunenin N yük altındaki GENEL SONUÇLAR Farklı sürelerde RRA işlemi uygulanmış 707 alüminyum alaşımından örneklerin sertlik ve mikroyapı sonuçları aşağıdaki gibidir. 1. RRA işlemi görmüş numunelerin sertlik değerleri sadece T6 uygulanmış örneğe göre daha yüksektir. 2. Aşınma testleri sırasında artan yükle birlikte sürtünme katsayısı azalmıştır. 3. En düşük aşınma kaybı 0 dk retregrasyon işlemi uygulanan örnekte elde edilmiştir. 4. Sürtünme katsayıları her numunede birbirine yakın elde edilmiştir.. Retregrasyon süresi arttıkça aşınma izi genişliği artmıştır. KAYNAKLAR [1] Fang K and Chuang T H (1999) The effect of humidity on the erosive wear of 6063 Al alloy. Wear, 236: 144-12. [2] Haque M M and Sharif A (2001) Study on wear properties of aluminium-silicon piston alloy. Journal of Materials Processing Technology, 11: 69-73. [3] Çiftçi İ (2003) Alüminyum Esaslı Kompozitlerde Takviye Oranı ve Boyutunun Mekanik Özellikler ve İşlenebilirlik Üzerine Etkisinin Araştırılması. Doktora Tezi, Gazi 19
H.Durmuş, R.O.Uzun, S.Şahin Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Eğitimi Anabilim Dalı, Ankara, 129 [4] Sun Y (199) Yaşlanabilir Alüminyum Alaşımlarının Aşınma Davranışları. Yüksek Lisans Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Metalurji Mühendisliği Anabilim Dalı, İstanbul, 9 s. [] Kaçar H, Atik E and Meriç C (2003) The effect of precipitation-hardening conditions on wear behaviours at 2024 aluminium wrought alloy. Wear, 236: 144-12. [6] Gavgali M, Totik Y and Sadeler R (2003) The effect of artificial aging on wear properties of AA 6063 alloy. Materials Letters, 7: 3713-3721. [7] J.Gilbert Kaufman, Introduction to Aluminum Alloys and Tempers, ASM International, November 2000. [] Li J., Peng Z., Li C., Jia Z., Chen W., Zi-qiao Z., Mechanical properties, corrosion behaviors and microstructures of 707 aluminium alloy with various aging treatments, Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 1, 7-762, (200). [9] Marloud T., Deschamps A., Bley F., Lefebvre W., Baroux B., Evolution of precipitate microstructures during the retrogression and re-ageing heat treatment of an A-Zn- Mg-Cu alloy, Acta Materialia,, 414-426, (2010). [10] Feng L.G., Xin-ming z., Peng-hui l., Jiang-hai Y., Effects of retrogression heating rate on microstructures and mechanical properties of aluminum alloy 700, Trans. Nonferrous met. Soc. China, 20, 93-941, (2010). [11] Feng C., Liu Z., Ning A., Liu Y., Zeng S., Retrogression and re-aging treatment of Al-9.99%Zn-1.72%Cu- 2.%Mg-0.13%Zr aluminum alloy, Transactions of Nonferrous MetaL Society of China, 16,, 1163-1170, (2006). [12] Uğuz A., Martın J. W., The Effect Of Retrogression And Re-Ageing On The Ductile Fracture Toughness Of Al-Zn- Mg Alloys Contqaining Different Dispersoid Phases, Journal of Materials Science, 30, 923-926, (199). [13] N. Ward, A. Tran, A. Abad, E W Lee, M Hahn, E Fordan, O S Es-said, the effects of retrogression and reaging on aluminum alloy 2099(C4), journal of materials engineering and performance, 2010, doi:10.1007/s1166-010-9737-7. [14] F. Viana, A.M.P. Pinto, H.M.C Santos, a b lopes, retrogression and re-ageing of 707 aluminum alloy: micro structural characterization, journal of materials processing technology, 92-93, 1999, 4-9. [1] Karamış, M. B., Odabaş, D., (21 23 Eylül 19 ), Ötektoidaltı Çeliklerin Kayma Sürtünmesinde Adhesiv Aşınma Katsayısının Araştırılması 3. Ulusal Makine Tasarım Ve İmalat Kongresi S.1 163, Odtü, Ankara. 20