BÜTÜNLEŞİK ALÜMİNYUM KÖPÜKLERİN DÖKÜM YÖNTEMLERİ İLE ÜRETİMİ Ahmet GÜNER*, Mustafa M. ARIKAN*, Niyazi ERUSLU** *AkdenizÜniversitesi, AlanyaMühendislikFakültesi, MalzemeBilimiveMühendisliğiBölümü, Alanya, 07425, Antalya, Türkiye ahmetguner@akdeniz.edu.tr marikan@akdeniz.edu.tr **Yalova Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya ve Süreç Mühendisliği Bölümü, 77100, Yalova, Türkiye eruslu@yalova.edu.tr Özet Bütünleşik köpük sistemi, polimer malzemelerde uzunca bir süredir başarıyla uygulanmaktadır. Metal bütünleşik köpük döküm yöntemi, polimer enjeksiyon teknolojisinin döküm teknolojisine transfer edilmesi ile metal dökümlerinde elde edilen yeni bir sistemdir. Döküm yöntemi ile üretilmiş bütünleşik köpüklü metal, dış kısmında bir kabuk ve iç kısmında köpüklü bir yapıya sahip olup, nihai şekilde malzemenin üretim maliyetini azaltmaktadır. Elde edilen köpük malzemelerin otomotiv sektöründe kullanılması, sigorta firmalarınca özellikle istenmektedir. Bu çalışmada bütünleşik alüminyum köpük sistemlerinin döküm yöntemi ile üretim süreçleri detaylı şekilde tartışılacaktır. Abstract Integral foam system has been applied in the production of polymer materials for a long time. Metal integral foam casting system is obtained by transferring and adapting polymer injection technology. Integral metallic foam which is produced by casting has a solid skin at the surface and a foamed core. Producing near net shape reduces the production expenses. Insurance companies especially want automotive industry to use foamed metallic parts. In this paper manufacturing processes of integral foam aluminum by casting will be discussed.
1.Giriş Alüminyum köpükler düşük yoğunluk ve yüksek darbe absorbe etme özelliği başta olmak üzere diğer özellikleriyle de farklı endüstri kollarında birçok kullanım alanı bulmaktadır. Hücre yapısına göre açık ve kapalı olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Farklı kullanım alanları metalik köpüklerin imalatının da gelişmesinesebep olmuştur. Metalik köpükler polimer köpüklere göre geri dönüşebilme özelliğine, daha iyi mukavemet değerlerine ve sıcaklık direncine sahiptirler [1-3]. Şekil 1:Döküm yöntemi ile üretilen alüminyum alaşımlarındaki kabuk yapısı ve iç kısımlardaki köpük[4] Döküm yöntemiyle üretilen metallerin diğer yöntemlerle üretilen metalik köpüklere göre en büyük avantajı, dış yüzeyinde oluşan kabuktur (Şekil 1). Bu sayede gözenekleri açık değildir. Korozyon, mukavemet gibi birçok özelliği diğer köpük sistemlerine göre üstünlük göstermektedir. Yüksek darbe absorbe etme ve ısı yalıtım özelliğinden dolayı en çok otomotiv ve uçak sanayinde kullanım alanı bulmaktadır. Alüminyum köpüklerin diğer önemli özellikleri, yüksek tokluk/ağırlık oranı, düşük yoğunluk, çatlak mukavemeti, on kat daha fazla enerji absorbe etme, akustik absorbe etme özelliği, direk ateşe direnci, biyo uyumluluk ve yüksek korozyon direncidir [5]. 2.Alüminyum Köpüklerin DökümYöntemleriile Üretimi Alüminyum metalik köpüklerin üretimi açık hücreli ve kapalı hücreli olmak üzere iki ana grupta yapılmaktadır. Üretim yöntemleri alüminyum köpüklerin tane boyutunu, hücre şeklini, homojenliğini ve kabuk yapısını etkilediği için nihai ürünlerin özelliklerine etki etmektedir. Üretim yöntemine göre içerdiği gözenek miktarı değişmektedir. Farklı köpük metal üretim yöntemleri ile üretilen alüminyum alaşımlarındaki gözenek miktarı % 5-97 aralığında olmaktadır. Deneme sürecinde olan birçok döküm yöntemi literatürde yer almaktadır.döküm yöntemi dışındaki yöntemlerle ticari olarak alüminyum köpük üreten firmaların(cymat, Alulight vealporas gibi) döküm yöntemi ile metalik köpük üretimi çalışmaları da
bulunmaktadır. Bu yazıda bu yöntemlerden başlıcaları ele alınmıştır. Gaz oluşumunu takip eden süreçte oluşan kabarcıklar çökme sürecine girerler. Çökmenin engellenebilmesi için sıvı metale viskoziteyi arttırıcı katkı malzemesi ilave edilir ve genellikle SiC veya Al2O3 kullanılır [5]. 2.1.Kalıp Döküm Yöntemi ile Kapalı Hücreli Metalik Köpük Üretimi Kalıp döküm yönteminde sıvı metalin içerisindeki gaz miktarı basınç haznesindeki gaz basıncının arttırılması ile sağlanır (Şekil 2). Üretilmek istenen metale göre gaz seçimi yapılır. Alüminyum ve alaşımları için hidrojen gazı kullanılır [6]. Kalıp döküm sisteminde yönlenmiş katılaşma kullanılır. Böylece oluşan gaz boşlukları katılaşma yönüne paralel olarak oluşur. Bu sistemin diğer bir kullanımı da soğutucunun silindirin yan yüzlerine uygulanmış halidir. Bu durumda silindirin merkezinden itibaren dış yüzeyine doğru gaz boşlukları oluşacaktır. Bu sistemde dışarıdan gaz yapıcı ajanlara gerek yoktur. Yan yüzeylerden soğutma işlemi geliştirilerek sürekli döküme uygulanmıştır [7, 8, 9]. Şekil 2: Kalıp döküm yöntemi ile köpük metal üretimi [7, 8, 9] 2.2.Sürekli Döküm Yöntemi ilekapalı Hücreli Metalik Köpük Üretimi Bir basınç haznesinin içerisinde bulunan metalin içerisindeki gaz miktarı, hazne içerisindeki gaz basıncı ile ayarlanır. Standart sürekli döküm yöntemi ile üretim yapılır. Sıvı metal içerisindeki gaz içeriği katılaşma sırasında sıvı metalin içerisinde boşluklar oluşturur. Bu boşlukların oluşum mekanizması sıvı metallerdeki porozite oluşum mekanizmasıdır. Bu sistemde boşluk oluşumu için dışarıdan ilave gaz yapıcı ajana gerek yoktur (Şekil 3) [10].
Şekil 3: Sürekli döküm yöntemi ile köpük metal üretimi [10] 2.3.Hassas Dökümle Metalik Köpük Üretimi Hassas dökümde polimer köpük kullanımı yönteminde poliüretan malzemeden gözenekleri açık polimer köpük üretilir. Polimer köpüğe ısıya dayanıklı reçine emdirilir. Bu işlemin sonunda mum kalıp yöntemine benzer olarak polimer köpük ısıl işlem ile sistemden çıkarılır. Böylece hassas dökümde doldurulacak olan boşluk köpük yapısı ortaya çıkar. Döküm sırasında ince detaylara sahip döküm boşluğunun doldurulabilmesi için kalıp ısıtılır. Basınçlı hassas döküm yöntemlerinden biri kullanılarak açık hücreli metalik köpük, döküm yöntemi ile elde edilmiş olur. Bu yöntemin ticari adı DUOCEL dir. 6101 ve A356 gibi alüminyum alaşımları kullanılır [5, 10, 11, 12]. 2.4.Yüksek Basınçlı Pres Döküm YöntemiyleMetalik Köpük Üretimi(HP-IFM) Kalıp boşluğu tamamen dolduruluncaya kadar geçen süre standart basınçlı pres döküm yöntemi ile aynıdır. Kalıp içerisini dolduran metal 10-150 milisaniye bekleme süresinden sonra, 200-500 milisaniye aralığında genişlemeye başlar. Bu genişleme süresi standart sisteme göre biraz daha fazladır ve bu sırada oluşan basınç standart sisteme göre yüksektir. Gaz ajanları olarak adlandırılan köpük yapıcılar toz takviye olarak ilave edilir. MgH2 ve TiH2 yaygın olarak kullanılmaktadır. Gaz ajanlarının seçiminde önemli olan çözünme sıcaklığı ve çözünme süresidir. Sıvı metalin içerisinde bulunan gaz ajanları gaz oluşumunu başlatınca kalıp içerisindeki basınç artmaya başlar [13]. Bu sistemin kontrol edilebilmesi için metal kalıbın bir yüzeyinin belirli bir miktar basıncı düşürmek için döküm boşluğunu genişletecek biçimde kontrollü hareketi sağlanır (Şekil 4).
Şekil 4:Yüksek Basınçlı Pres Dökümde Kullanılan Hareketli Kalıp Sistemi, 1 numaralı parça hareketli, 2 numaralı parça sabittir. [13] Farklı Alüminyum ticari köpük metal üretim yöntemlerine ait mekanik özellikler tablo 1 de verilmiştir. Bu yöntemler ile üretilen köpük metallerin mikroyapıları şekil 5 de verilmiştir. Tablo 1: Alüminyum ticari köpük malzemelerin özellikleri [14] Özellikler Cymat Alulight Alporas Duocel, ERG Malzeme Al SiC Al-Mg-Si Al-5Ca-Ti Al 6061 T6 İzafi yoğunluk 0.02-0.2 0.1-0.35 0.08-0.1 0.05-0.1 Yapı Kapalı Hücre Kapalı Hücre Kapalı Hücre Açık Hücre Young Modülü [MPa] 0.02-2.0 1.7 12 0.4-1.0 0.06-0.3 Poisson Oranı, ν 0.31-0.34 0.31-0.35 0.31-0.36 0.31-0.37 Basma Mukavemeti 0.04-7.0 1.9-14.0 1.3-1.7 0.9-3.0 [MPa] Çekme Mukavemeti 0.05-8.5 2.2-30 1.6-1.9 1.9-3.5 [MPa] Kırılma Tokluğu 0.03-0.5 0.3-1.6 0.1-0.9 0.1-0.2 [MPa.m 1/2 ] Isıl İletkenliği [W /m.k] 0.3-10 3.0-35 3.5-4.5 6.0-11
Şekil 5 : Farklı ticari üretim yöntemleri ile üretilmiş alüminyum köpükler[14] 3.Sonuçlar Açık hücreli ve kapalı hücreli metalik köpüklerin kullanım alanlarının artması çok geniş bir yelpazede üretim yöntemlerinde gelişmelere vesile olmuştur. Üretim yöntemlerinden dökümyönteminin diğer yöntemlere göre avantajı karmaşık şekilli parçaların üretilebilmesi ve üretim maliyetinin daha düşük olmasıdır. Kaliteli köpüklerin üretim maliyetleri kullanılan gaz ajanlarından dolayı yüksektir. Bu maliyeti düşürmek için günümüzde farklı gaz oluşturucular ile yapılan çalışmalar vardır. Buda yeni üretim yöntemi araştırmalarına öncülük etmektedir. Yapılan çalışmalarda elde edilen bilgiler tam olarak gözeneklerin oluşum mekanizmasını açıklayamamaktadır. Bununla birlikte ilave edilen gaz ajanları ile sıvı metal içerisinde gaz oluşmakta, sıvı metalin içerisinde bulunan gaz miktarı ve ortamın gaz basıncı köpük oluşumuna etki etmektedir. Elde edilen köpük metale parçacık ilave edilmediği takdirde daha büyük gözeneklerin olduğu tespit edilmiştir. Bu gözenekli yapı sıvı metalin viskozitesinin düşük olmasından dolayı kolayca bozulabilmektedir. Viskozitenin artması için sıvı metale ilave edilen parçacıklar köpürme esnasında gözenek duvarının çökmemesine yardımcı olurken belirli bir orandan sonra hücresel yapının oluşumuna olumsuz etki etmektedir. Üretim yöntemlerine göre ilave edilecek parçacık cinsi ve miktarı değişmektedir. 4.Teşekkür Bu çalışmaya,2014.01.0152.001nolu Döküm Yöntemi ile İntegral Köpüklü Malzeme Oluşturma bilimsel altyapı projesi ile destek sağlayan Akdeniz Üniversitesi ne teşekkür ederiz. Kaynakça 1) K. Y. G. Mccullough, N. A. Fleck And M. F. Ashby, Toughness Of Aluminium Alloy Foams, Acta Mater. Vol. 47, No. 8, 1999, pp. 2331-2343 2) P. K. Pinnoji, N. Bourdet, P. Mahajan, R. Willinger, New Motorcycle Helemts Wıth Metal Foam Shell, 2008 IRCOBI Conference Proceedings, 17-19 September 2008 -
Bern (Switzerland)International Research Council on the Biomechanics of Injury, Zurich, 449-452 3) Y. Sugımura, J. Meyer, M. Y. He, H. Bart-Smıth, J. GrenstedtAnd A. G. Evans, On The Mechanıcal Performance Of Closed Cell Al Alloy Foams, Acta mater. Vol. 45, No. 12, 1997, pp. 5245-5259 4) J. Hartmann and V.Jüchter, FLOW-3D News: Summer 2012 - Application Note, Department of Materials Science, Chair of Metals Science and Technology (www.wtm.uni-erlangen.de), University of Erlangen-Nuremberg 5) Dr. Ing. C.Kammer, Goslar, Aluminium Foam, Training in Aluminium Application And Technologies, TALAT Lecture 1410, Pp. 1-24 6) J. Banhart, H. Seeliger, Aluminium Foam Sandwich Panels: Manufacture, Metallurgy and Applications, Advanced Engineering Materials 10(9), 2008, 793 802 7) T. Bum Kim, S.e Suzuki and H. Nakajima, Effect of Conditions of Unidirectional Solidification on Microstructure and Pore Morphology of Al-Mg-Si Alloys, Materials Transactions, Vol. 51, No. 3, 2010, pp. 496 to 502 8) G. JIANG, Y. LI, and Y. LIU, Experimental Study on the Pore Structure of Directionally Solidified Porous Cu-Mn Alloy, Metallurgıcal And Materıals Transactıons A, Volume 41a, December, 2010, pp. 3405-2312 9) A. V. KUZNETSOV, K. VAFAI, Development and investigation of three-phase model of the mushy zone for analysis of porosity formation in solidifying castings, Int. J. Heat Mass Transfer. Vol. 38, No. 14, 1995, pp. 2557 to 2567 10) H. Nakajima, Fabrication, properties and application of porous metals with directional pores, Progress in Materials Science 52, 2007, pp. 1091 1173 11) V. C. SRIVASTAVA, K. L. SAHOOXX, Processing, stabilization and applications of metallic foams. Art of science, Materials Science-Poland, Vol. 25, 2007, No. 3 12) J. Banhart, Manufacture, characterisation and application of cellular metals and metal foams, Progress in Materials Science 46, 2001, 559 to 632 13) C. Körner, M. Hirschmann and H. Wiehler, Integral Foam Moulding of Light Metals, Materials Transactions, Vol. 47, No. 9, 2006, pp. 2188 to 2194 14) H. N. G. Wadley, Cellular Metals Manufacturing, Advanced EngineeringMaterials, 4, No. 10., 2002