İKİZ MERDANE DÖKÜM YÖNTEMİYLE ÜRETİLEN AA3XXX
SERİSİ ALÜMİNYUM ALAŞIMLARINDA TANE BÜYÜMESİ
ZEYNEP SİREL*, METİN USTA*, ÖZGÜL KELEŞ**, MURAT DÜNDAR***
* Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Malzeme Bilimi Ve Mühendisliği Bölümü 41400
Gebze/Kocaeli
E-mail: [email protected]
** İstanbul Teknik Üniversitesi, Metalurji Ve Malzeme Mühendisliği Bölümü 34469
Maslak/İstanbul
*** Assan Alüminyum, E-5 Karayolu Üzeri 32.Km 34940 Tuzla/İstanbul
ÖZET
İkiz merdane döküm yöntemi, doğrudan eriyik halden ince alüminyum levhaların
üretilmesinin mümkün olduğu, döküm ve haddeleme işlemlerinin aynı anda gerçekleştiği bir
yöntemdir. AA3XXX serisi alüminyum alaşımlarının temel alaşım elementi mangandır. İkiz
merdane döküm yöntemiyle üretilen AA3XXX serisi alüminyum alaşımları, maruz kaldıkları
yüksek sıcaklık tavından sonra olağan dışı tane büyümesine uğrarlar. Bu mekanizmada, ikiz
merdane döküm yönteminin doğasından kaynaklanan katılaşma hızları ve deformasyon
bileşeni etkendir. Bu iki sebep, özellikle levha yüzeyinden belirli derinlikteki tanelerin
büyümesine neden olurken levha orta düzlemi aynı mekanizmadan daha az etkilenmektedir.
Yapılan bu çalışmada, ikiz merdane döküm yöntemiyle üretilen AA3003 ve AA3105
alüminyum alaşımlarının farklı levha kalınlıklarında, tav sıcaklıkları ve sürelerinde göstermiş
oldukları tane büyümesi mekanizması incelenmiştir. Optik emisyon spektrometre, optik
mikroskop, stereo mikroskop ve mikrosertlik cihazı kullanılarak çeşitli incelemeler
yapılmıştır. İntermetalik parçacıkların boyutlarının ve çeşitli mikroyapısal bileşenlerin tane
büyümesi üzerinde etkili olduğu tespit edilmiştir. Homojenleştirme tavı ve ara tav yapılmış
olan malzemelerde parçacık teşvikli çekirdeklenme (PTÇ) mekanizmasının tane büyümesi
üzerinde önemli etkilerinin olduğu görülmüştür.
Anahtar kelimeler: AA3003, AA3105, ikiz merdane döküm yöntemi, parçacık teşvikli çekirdeklenme
mekanizması (PTÇ), tane büyümesi
GRAIN GROWTH IN TWIN ROLL CAST AA3XXX SERIES ALUMINUM ALLOYS
ABSTRACT
Twin roll casting is an available method to produce thin gauge aluminum plates and in this process casting and
rolling are done at the same time. Main alloying element in AA3XXX series aluminum alloy is manganese. In
AA3XXX series aluminum alloys produced by twin roll casting method abnormal grain growth is observed
right after high temperature annealing. In this mechanism, solidification speed and deformation component are
the main reasons for this mechanism. These two causes the grains at a constant depth from plate surface to grow,
however the middle of the plate is not effected from the same mechanism.
In this study, grain growth mechanism for AA3003 and AA3105 aluminum alloys produced by twin roll casting
method was examined at different casting gauges, annealing temperatures and times. Optical emission
spectrometer, optical microscope, stereo microscope and microhardness tester were used. It is found out that the
intermetallic particulate size and some microstructural constituents are effective in grain growth mechanism. In
1
materials which have homogenization annealing and annealing, particle stimulated nucleation mechanism (PSN)
has important effects on grain growth mechanism.
Key words: AA3003, AA3105, twin roll casting method, particle stimulated nucleation mechanism (PSN),
grain growth
GİRİŞ
İkiz merdane döküm yöntemi, ekonomik olarak tek bir operasyon ile birkaç milimetre
kalınlığında levha üretimine imkan sağlayan ve üretim enerjisi açısından oldukça verimli
olan bir yöntemdir. Bu yöntem sayesinde 0,5–10 mm arasında çeşitli kalınlıklarda döküm
yapılabilmektedir [1]. İkiz merdane döküm yöntemi, düşük makine ve işletme maliyeti olan,
enerji ve alan tasarrufunun yoğun olduğu bir yöntemdir. Fakat, bu yöntemin alaşım
çeşitliliğinde sınırlılık, zayıf mekanik özellikler ve düşük döküm hızı gibi dezavantajları da
bulunmaktadır [2]. İkiz merdane döküm yöntemi kullanılarak katılaşma aralığı geniş olan
alaşımların dökülmesi levha merdanelerin arasından çıkmadan katılaşma gerçekleşebileceği
için oldukça zordur. Bu nedenle ikiz merdane döküm yöntemi, katılaşma aralığı dar olan
alüminyum alaşımları ile sınırlandırılmıştır [1,2].
İkiz merdane döküm yöntemi kullanılarak üretilen alüminyum alaşımlarının mikroyapısı
genellikle sütunsaldır [2]. Döküm sırasında içten suyla soğutulan merdanelerin arasından
geçen alüminyum levhanın yüzeyinde soğuma oranı levhanın merkezine göre daha fazladır
[3]. Bu durumda, levha yüzeyi levha merkezine göre daha erken katılaşmakta ve levhanın
yüzeyi levhanın merkezine göre daha küçük taneli bir yapıya sahip olmaktadır.
İkiz merdane döküm yönteminin yüksek sıcaklıkta gerçekleşmesi nedeniyle dinamik
toparlanma ve dinamik yeniden kristalleşme olayları meydana gelebilmektedir. Bu iki olayın
meydana gelmesi malzemenin akma gerilimini azaltarak malzemenin daha kolay deforme
edilmesini sağlayabilmekte, ayrıca malzemenin tane boyutuna ve tanelerin yönlenmesine de
etki edebilmektedir [4]. Tane büyümesi, malzemenin mekanik özellikleri üzerinde olumsuz
etkiler oluşturabilmektedir. Ayrıca, malzemenin yüzey görüntüsünün kötü olmasına neden
olabilmekte ve son ürüne yapılacak olan uygulamalara sınırlamalar getirebilmektedir [3].
Yapılan bu çalışmada incelenen AA3XXX serisi alüminyum alaşımları işlem alaşımlarıdır.
Bu serideki alüminyum alaşımlarının temel alaşım elementi Mn’dır. AA3003 ve AA3105
alaşımları orta derecede mukavemet gerektiren uygulamalarda, genel amaçlı olarak
kullanılan alaşımlardır [5]. Yapı endüstrisinde, kimya ve gıda endüstrilerinde, ısıtma ve
soğutma cihazlarında, ev uygulamalarında, ambalajlamada ve borularda yaygın olarak
kullanılmaktadırlar [6].
Bu çalışmada, AA3003 ve AA3105 alüminyum alaşımlarının farklı levha kalınlıklarında, tav
sıcaklıkları ve sürelerinde göstermiş oldukları tane büyümesi mekanizması incelenmiştir. Bu
inceleme sırasında optik emisyon spektrometre, optik mikroskop, stereo mikroskop ve
mikrosertlik cihazı kullanılmıştır.
DENEYSEL ÇALIŞMA
Bu çalışmada, ikiz merdane döküm yöntemiyle üretilen 6,0 mm ve 3,9 mm kalınlıktaki
AA3003 ve 6,0 mm kalınlıktaki AA3105 alaşımındaki alüminyum levhalar 580°C’de 8 saat
homojenleştirme tavı, doğrudan istenilen kalınlığa inilemeyeceği için iki pas (%40+%30
2
azalma) haddeleme ve 380°C ya da 410°C’de 4 saat tavlama işlemlerinden geçmiştir ve
havada soğutma yapılmıştır. Farklı kalınlıklardaki AA3003 ve AA3105 alaşımlarına yapılan
işlemler Tablo1’de özetlenmiştir.
Yukarıda bahsedilen işlemlerden sonra, incelenecek olan mikroyapı numuneleri zımparalama
(Metkon Gripo 200-IV) ve parlatma (Struers LaboPol-5) işlemlerinden geçmiştir. Hazırlanan
mikroyapı numunelerinin elektrolitik parlatılması (Struers LectroPol-5) sırasında 200 ml saf
su ve 4-5 ml tetrafloroflorik asitten oluşan %54’lük borik asit çözeltisi kullanılmıştır.
Mikroyapı numuneleri optik mikroskopta (Zeiss AxioCam MRc5) incelenmiştir. Makroyapı
incelemeleri için 45° açı oluşturacak şekilde frezede (Herzog) hazırlanan kama kesit
numuneleri zımparalama ve parlatma işlemlerinin ardından 1200 ml saf su, 1200 ml HCl,
1200 ml HNO3 ve 80 ml HF’den oluşan solüsyona daldırılarak dağlanmıştır. Makroyapı
numuneleri stereo mikroskopta (Olympus DP10) incelenmiştir.
Tablo 1.Farklı kalınlıklardaki AA3003 ve AA3105 alaşımındaki levhalara yapılan işlemler
İkiz merdane dökümü
AA3003–6,0 mm
AA3003–6,0 mm
AA3003–6,0 mm
AA3003–6,0 mm
AA3003–6,0 mm
AA3003–6,0 mm
AA3003–6,0 mm
AA3003–6,0 mm
AA3003–3,9 mm
AA3003–3,9 mm
AA3003–3,9 mm
AA3003–3,9 mm
AA3003–3,9 mm
AA3003–3,9 mm
AA3003–3,9 mm
AA3003–3,9 mm
AA3105–6,0 mm
AA3105–6,0 mm
AA3105–6,0 mm
AA3105–6,0 mm
AA3105–6,0 mm
AA3105–6,0 mm
AA3105–6,0 mm
AA3105–6,0 mm
Homojenleştirme
tavı yapılmış
(580°C/8 saat)
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Haddelenmiş
(%40+%30
azalma)
Tavlanmış
X (2,5 mm’ye)
X (2,5 mm’ye)
X (2,5 mm’ye)
(380°C/4 saat)
(410°C/4 saat)
X (2,5 mm’ye)
X (2,5 mm’ye)
X (2,5 mm’ye)
(380°C/4 saat)
(410°C/4 saat)
X (1,7 mm’ye)
X (1,7 mm’ye)
X (1,7 mm’ye)
(380°C/4 saat)
(410°C/4 saat)
X (1,7 mm’ye)
X (1,7 mm’ye)
X (1,7 mm’ye)
(380°C/4 saat)
(410°C/4 saat)
X (2,5 mm’ye)
X (2,5 mm’ye)
X (2,5 mm’ye)
(380°C/4 saat)
(410°C/4 saat)
X (2,5 mm’ye)
X (2,5 mm’ye)
X (2,5 mm’ye)
(380°C/4 saat)
(410°C/4 saat)
AA3003 ve AA3105 alaşımındaki levhalara yapılan optik emisyon spektral analizi (Thero
ARL 4460 OE Spectrometer) sonuçları Tablo 2–3’te verilmiştir.
3
Tablo 2. AA3003 alaşımına ait spektral analiz sonuçları (% ağırlık cinsinden)
Si
0,137
Pb
0,0008
Fe
0,480
B
0
Cu
0,071
Ti
0,009
AA3003
Mn
1,140
Na
0,00015
Mg
0,001
Ca
0,00099
Cr
0,003
Zr
0,0008
Zn
0,006
Al
98,12
Tablo 3. AA3105 alaşımına ait spektral analiz sonuçları (% ağırlık cinsinden)
Si
0,144
Pb
0,0005
Fe
0,464
B
0,0009
Cu
0,066
Ti
0,012
AA3105
Mn
0,542
Na
0,00347
Mg
0,219
Ca
0,00277
Cr
0,003
Zr
0,0009
Zn
0,006
Al
98,51
Döküm halindeki, AA3003 ve AA3105 alaşımındaki numunelerin mikrosertlik değerleri
(Zeiss Imager H1m AX10–Anton Paar MHT-10 Microhardness Tester) ölçülmüştür. 5 saniye
boyunca, 25 g uygulanarak mikrosertlik ölçümleri yapılmıştır. Ölçümler üst kenardan alt
kenara doğru 20 farklı noktadan Hv mikrosertlik değeri alınarak yapılmıştır.
DENEYSEL SONUÇLAR VE TARTIŞMA
AA3003 alaşımının esas alaşım elementi olan Mn’ı içeren bileşikler, yapı içerisinde çapı 1
µm’den daha küçük boyutta olacak şekilde bulunmaları halinde, sıcak işlem ya da tavlama
esnasında çözünmeyerek küçük boyuttaki intermetalik parçacıklar halinde çökelebilmektedir.
Bu sayede, taneler ya da alt tane sınırları tutularak mukavemet, tokluk ve gerilim-korozyon
çatlamalarına karşı direnç arttırılabilir [7]. Mn, esas itibariyle mukavemeti arttırmak ve tane
yapısını kontrol etmede çok etkilidir. Yayılmış halde bulunan çökelti olarak ise, toparlanmayı
yavaşlatmakta ve tane büyümesini engellemektedir. Mn, ayrıca tane şeklini de oldukça
etkilemektedir [5,7]. Bu alaşımda görülen Fe ve Si empüriteleri, mikroyapıyı ve mekanik
özellikleri tamamıyla değiştirebilecek şekilde davranış gösterebilmektedir. Alaşımda artan Fe
ve Si miktarına karşın, Mn’ın çözünürlüğü azalmaktadır. Alaşımda hem Fe, hem de Si
bulunması halinde, oluşan fazlar yeniden kristalleşme sırasında tanelerin küçülmesine neden
olabilmektedir. AA3XXX serisi alüminyum alaşımlarında yapıda Fe ve Si empüritelerinin
bulunmasının tane boyutu üzerine iki temel etkisi vardır. Bunlardan ilki alüminyumda Mn’ın
çözünürlüğünün azalması nedeniyle Mn’ın segregasyonunun azalmasıdır; diğeri ise sıcak
işlem sıcaklığında (400°C–500°C) alüminyumda Mn’ın aşırı doymuş katı çözeltisinin
ayrışmasının hızlanmasıdır. Bu sayede, ince mangan alüminitlerinin homojen olarak
çökelmesi sağlanmakta ve bu parçacıklar yeniden kristalleşme merkezleri gibi davranarak
ince taneli yapı oluşumunu kolaylaştırmaktadır [8].
Şekil 1.a ve Şekil 1.b’de iki farklı kalınlıktaki levhadaki taneler arasında boyut farkı vardır.
Bunun nedeni ise, ikiz merdane dökümü sırasında levhanın kenarlarının levhanın merkezine
göre daha hızlı soğuması ve kalınlığı daha az olan levhada bu soğumanın daha hızlı
gerçekleşmesidir. Ayrıca kalınlığı daha az olan levhaya uygulanmış olan deformasyon
miktarı daha fazla olduğundan taneler daha küçüktür. Şekil 1.c’deki tanelerin Şekil 1.a’daki
tanelere göre daha ince oldukları görülmektedir. Bu durum, AA3105 alüminyum alaşımının
yapısında AA3003 alaşımının temel alaşım elementi olan Mn’a ilaveten Mg da
bulunmasından kaynaklanmaktadır.
4
alt kenar
a)
b)
c)
Şekil 1. a) AA3003-6,0 mm döküm b) AA3003-3,9 mm döküm c) AA3105-6,0 mm döküm
numunelerin polarize ışık optik mikroskop görüntüleri
Homojenleştirme tavı döküm sonrasında oluşan aşırı doymuş yapının ve segregasyonların
azalmasını sağlamak amacıyla yapılmaktadır [3,9]. AA3105 alaşımında homojenleştirme tavı
esnasında içerikteki intermetalik parçacıklar büyümekte ve toplamda intermetalik parçacık
sayısı azalmaktadır [3]. Şekil 2’de AA3003 alaşımındaki homojenleştirme tavı öncesi yapıda
bulunan intermetalikler, sürekli bir ağ oluşturacak biçimde bulunmaktadırlar. Fakat,
homojenleştirme tavı sonrasında, ikinci fazın oluşturduğu çeşitli intermetaliklerden oluşan bu
zincir yapısı kırılmıştır. Naiyu Sun ve arkadaşlarının AA3105 alaşımı hakkında yapmış
oldukları çalışma da bu durumu desteklemektedir.
üst kenar
a)
b)
Şekil 2. a) AA3003-3,9mm döküm b) AA3003-3,9mm döküm+homojenleştirme tavı
yapılmış (580°C/8 saat) numunelerin beyaz ışık optik mikroskop görüntüleri
Şekil 3’te 580°C’de 8 saat homojenleştirme tavı yapılan numunelerde büyük taneler levha
yüzeyinde ve küçük taneler levha merkezinde olacak biçimde tane boyutu gradyanı oluştuğu
görülmektedir. Yapılan homojenleştirme tavı nedeniyle yeniden kristalleşme meydana gelmiş
ve oluşan taneler sıcaklığın etkisiyle büyümüşlerdir. Şekil 1 ve Şekil 3’ü karşılaştırdığımızda
homojenleştirme tavı yapılmış olan numunelerdeki tanelerin, homojenleştirme tavı
yapılmamış olan numunelerdeki tanelere göre daha büyük oldukları görülmektedir.
Homojenleştirme tavı sırasında, levha yüzeyine uygulanmış olan deformasyon miktarı levha
merkezine göre daha fazla olduğu için yeniden kristalleşme levha yüzeyinde daha kolay
gerçekleşmiştir. Bu durumda henüz yeniden kristalleşmiş olan levha yüzeyindeki taneler
levha merkezindeki tanelere göre daha fazla büyüme imkanı bulmuşlardır. AA3003
alaşımındaki kalınlığı daha az olan numunede (Şekil 3.b) deformasyon miktarı, kalınlığı daha
fazla olan numuneye (Şekil 3.a) göre daha fazla olduğu için yeniden kristalleşme daha kolay
başlamıştır ve yeniden kristalleşen taneler homojenleştirme tavı sırasında daha fazla büyüme
imkanı bulmuşlardır.
5
alt kenar
a)
b)
c)
Şekil 3. a) AA3003-6,0 mm döküm+homojenleştirme tavı yapılmış (580°C/8 saat)
b) AA3003-3,9 mm döküm+homojenleştirme tavı yapılmış (580°C/8 saat)
c) AA3105-6,0 mm döküm+homojenleştirme tavı yapılmış (580°C/8 saat)
numunelerin polarize ışık optik mikroskop görüntüleri
Soğuk haddeleme yapılmış olan metalin mikroyapısında dislokasyon konsantrasyonunun
deformasyon ile arttığı ve tanelerin uzamış oldukları bilinmektedir [10]. Homojenleştirme
tavı yapılmamış olan numunelerin haddelenmesi ile, içerikteki intermetalik parçacıklar levha
yüzeyinden levha merkezine doğru boyut gradyanı oluşturacak şekilde kümeler halinde
bulunmaktadırlar. Buna karşın, homojenleştirme tavı yapılmış olan numuneler
haddelendikten sonra içerikteki intermetalik parçacıklar yapı içerisinde dağılmışlardır, fakat
levha yüzeyi ile levha merkezi arasında boyut gradyanı bulunmaktadır (Şekil 4). Naiyu Sun
ve arkadaşlarının AA3105 alaşımı hakkında yapmış oldukları çalışmada da bu durumu
destekler nitelikte sonuçlar bulunmuştur.
üst kenar
a)
b)
Şekil 4. a) AA3003-6,0 mm döküm+haddelenmiş
b) AA3003-6,0 mm döküm+homojenleştirme tavı yapılmış (580°C/8 saat)+haddelenmiş
numunelerin beyaz ışık optik mikroskop görüntüleri
Şekil 5’te AA3105 alaşımında her iki durumda da haddeleme işlemi sonucunda tüm taneler
haddeleme yönünde uzama göstermişlerdir. Ancak homojenleştirme tavı yapılmış olan
levhadaki tanelerin görmüş oldukları yüksek sıcaklık etkisiyle daha büyük olduğu
görülmektedir. AA3003 alaşımındaki levhalar da aynı şekilde davranış göstermektedir. Şekil
6’daki stereo mikroskopta çekilmiş makroyapı fotoğrafları da bu yargıyı doğrular niteliktedir.
6
üst kenar
a)
b)
Şekil 5. a) AA3105-6,0 mm döküm+haddelenmiş
b) AA3105-6,0 mm döküm+homojenleştirme tavı yapılmış (580°C/8 saat)+haddelenmiş
numunelerin polarize ışık optik mikroskop görüntüleri
a)
b)
Şekil 6. a) AA3003-6,0 mm döküm+haddelenmiş
b) AA3003-6,0 mm döküm+homojenleştirme tavı yapılmış (580°C/8 saat)+haddelenmiş
numunelerin stereo mikroskop görüntüleri
AA3105 alaşımının yeniden kristalleşme davranışı, homojenleştirme tavı yapılmamış olan
numunede homojenleştirme tavı yapılmış olan numuneye göre daha farklıdır. Bunun nedeni,
homojenleştirme tavı yapılmamış olan levhada çok miktarda çökeltinin alt tane sınırlarında
aynı anda çökelmesidir. Bu durumda, alt tane sınırlarının hareketi engellenmekte ve
potansiyel parçacık teşvikli çekirdeklenme (PTÇ) bölgelerinde yeniden kristalleşme
çekirdeklerinin oluşumu engellenmektedir [3].
Tavlama işlemi sonrasında levhaların optik mikroskopta incelemeleri yapılmıştır. Tavlama
işlemi, deformasyon sertleşmesinin etkilerini yok etmek amacıyla yapılmaktadır. Tavlama
sırasında, yeniden kristalleşen taneler tavlama sıcaklığında uzun süre tutulursa veya yeniden
kristalleşme sıcaklığının üzerindeki sıcaklıklarda tavlanırsa tane sınırı birim yüzey enerjisi
artar ve yüksek sıcaklıklarda küçük taneli yapı dengesiz hale gelir. Bu enerjiyi azaltmak
amacıyla, nispeten büyük taneler komşu küçük taneleri yutarak tane büyümesi olayını
başlatırlar [10,11]. Tane büyümesi, mekanik özellikleri olumsuz etkilemesi nedeniyle hiçbir
zaman istenmez [3,10,11]. Ayrıca, tane büyümesi olayı form verme sonrasında estetik
görüntüde portakallanmaya sebep olabilmektedir. Tane büyümesi olayı, yapıda küçük olarak
dağılmış bulunan empürite fazları, Mn ve Cr gibi elementlerin oluşturduğu intermetalik
bileşiklerin tane sınırlarında tutunmasıyla yavaşlamaktadır [7]. Şekil 7’de malzemenin
yeniden kristalleşebilmesi için gereken yeterli miktarda depolanan enerji olmaması nedeniyle
tavlama sırasında yeniden kristalleşme olmamıştır. Haddeleme nedeniyle uzamış olan taneler
tavlama sonrasında eş eksenli hale gelememişlerdir. Şekil 8’de ise tavlama sonrasında
yeniden kristalleşmenin kolaylıkla başlaması AA3105 alaşımının yapısında bulunan Mg’un
7
varlığı nedeniyledir ve yeniden kristalleşme sonucunda yeni tanelerin oluştuğu görülmektedir.
Mg atomlarının deforme olan yapıda dislokasyonlarla etkileşimi, yeniden kristalleşme için
gerekli olan enerjinin AA3003 alaşımından farklı olarak yapıda birikimine sebebiyet
vermektedir [12]. 380°C’de 4 saat yapılan tavlama sonucunda 6,0 mm kalınlıktaki AA3003
alaşımındaki numunelerde yeniden kristalleşme olayı başlamamış, fakat aynı kalınlıktaki
AA3105 alaşımındaki numunelerde yeniden kristalleşme olayı başlamıştır. Tavlama
sıcaklığının artmasıyla da yeniden kristalleşen taneler büyüme fırsatı bulmuşlardır. Şekil 9’da
başlangıç kalınlığının oldukça az olmasından dolayı ikiz merdane dökümü sırasında
deformasyon miktarının oldukça yüksek olması, yeniden kristalleşmenin gerçekleşmesi için
gerekli olan itici gücün yüksek olmasına neden olmaktadır. 3,9 mm kalınlıktaki AA3003
alaşımındaki numunelerde deformasyon miktarı, 6,0 mm kalınlıktaki AA3003 alaşımındaki
numunelere göre daha fazla olduğundan yeniden kristalleşme olayı başlamıştır. Yeniden
kristalleşme sonucunda oluşan taneler tavlama sıcaklığının artmasıyla büyüme imkanı
bulmuşlardır.
alt kenar
a)
b)
c)
Şekil 7. a) AA3003-6,0 mm döküm+haddelenmiş
b) AA3003-6,0 mm döküm+haddelenmiş+tavlanmış (380°C/4saat)
c) AA3003-6,0 mm döküm+haddelenmiş+tavlanmış (410°C/4saat)
numunelerin polarize ışık optik mikroskop görüntüleri
alt kenar
a)
b)
c)
Şekil 8. a) AA3105-6,0 mm döküm+haddelenmiş
b) AA3105-6,0 mm döküm+haddelenmiş+tavlanmış (380°C/4saat)
c) AA3105-6,0 mm döküm+haddelenmiş+tavlanmış (410°C/4saat)
numunelerinin polarize ışık optik mikroskop görüntüleri
8
alt kenar
a)
b)
c)
Şekil 9. a) AA3003-3,9 mm döküm+haddelenmiş
b) AA3003-3,9 mm döküm+haddelenmiş+tavlanmış (380°C/4saat)
c) AA3003-3,9 mm. döküm+haddelenmiş+tavlanmış (410°C/4saat)
numunelerin polarize ışık optik mikroskop görüntüleri
AA3105 alaşımında homojenleştirme tavından sonra yapılan haddeleme ve tavlama yeniden
kristalleşmiş tane boyutunun azalmasına neden olmaktadır [3]. Şekil 10-11’de
homojenleştirme tavı yapılıp, haddelenmiş olan levhalara uygulanan yüksek sıcaklık tavı
sonucunda yeniden kristalleşme olayı gerçekleşmiştir ve levhaların tamamındaki tanelerin
boyutlarının küçük oldukları görülmektedir. Mikroyapıda bulunan yeterli büyüklükteki
intermetalik parçacıklar parçacık teşvikli çekirdeklenme (PTÇ) mekanizması sayesinde
yeniden kristalleşmeyi kolaylaştırarak çekirdek oluşumuna yardım etmiştir. Tavlama
sıcaklığının artması ile de oluşan bu küçük taneler bir miktar büyüme fırsatı bulmuşlardır.
Özellikle başlangıç kalınlığı 6,0 mm olan her iki alaşımda da tavlama sıcaklığının artışı ile
henüz yeniden kristalleşmiş eşeksenli olan tanelerin boyutlarında önemli ölçüde artış
gözlenmesine karşın (Şekil 10 ve Şekil 11) başlangıç kalınlığı 3,9 mm olan AA3003
alaşımında yeniden kristalleşme görülmemiştir (Şekil 12). AA3105 alaşımının yapısında
bulunan Mg nedeniyle, AA3003 alaşımına göre daha fazla yeniden kristalleşmiş tane olduğu
görülmektedir. Şekil 13’te homojenleştirme tavı yapılarak haddelenmiş ve tavlanmış olan
AA3105 alaşımı levhadaki tanelerin homojenleştirme tavı yapılmadan aynı işlemleri görmüş
olan levhadaki tanelere göre daha küçük boyutta olduğu görülmektedir. Bu durum, yüksek
sıcaklığın etkisiyle büyümüş olan intermetalik parçacıkların, henüz yeniden kristalleşmiş
olan çekirdeklerin oluşmasına yardım etmesinden kaynaklanmaktadır. Naiyu Sun ve
arkadaşlarının AA3105 alaşımı hakkında yapmış oldukları çalışmada belirtildiği gibi
homojenleştirme tavı sonrasında içerikteki büyük intermetalik parçacıklar, parçacık teşvikli
çekirdeklenme (PTÇ) mekanizması nedeniyle çekirdeklenmeye yardım edebilmektedir.
İçerikteki küçük intermetalik parçacıklar ve çökeltiler ise, tane sınırlarının hareketini
engelleyerek çekirdeklenmeye sebep olan alt tanelerin büyümesini engellemektedirler.
Yüksek sıcaklıkta yapılan bu işlem ile potansiyel parçacık teşvikli çekirdeklenme (PTÇ)
bölgelerinin sayısı artmaktadır. Bu artış, içerikteki tüm intermetalik parçacıkların büyümesi
ve yeniden kristalleşmiş çekirdeklerin oluşmasını engelleyen küçük intermetalik
parçacıkların çözünmesi ile gerçekleşmektedir.
9
merkez
a)
b)
c)
Şekil 10. a) AA3003-6,0 mm döküm+homojenleştirme tavı yapılmış (580°C/8
saat)+haddelenmiş b) AA3003-6,0 mm döküm + homojenleştirme tavı yapılmış (580°C/8
saat)+haddelenmiş+tavlanmış (380°C/4 saat) c) AA3003-6,0 mm döküm+homojenleştirme
tavı yapılmış (580°C/8 saat)+haddelenmiş+tavlanmış (410°C/4 saat)
numunelerin optik mikroskop görüntüleri
merkez
a)
b)
c)
Şekil 11. a) AA3105-6,0 mm döküm+homojenleştirme tavı yapılmış (580°C/8
saat)+haddelenmiş b) AA3105-6,0 mm döküm+homojenleştirme tavı yapılmış (580°C/8
saat)+haddelenmiş+tavlanmış (380°C/4 saat) c) AA3105-6,0 mm döküm+homojenleştirme
tavı yapılmış (580°C/8 saat)+haddelenmiş+tavlanmış (410°C/4 saat)
numunelerin optik mikroskop görüntüleri
merkez
a)
b)
c)
Şekil 12. a) AA3003-3,9 mm döküm+homojenleştirme tavı yapılmış (580°C/8
saat)+haddelenmiş b) AA3003-3,9 mm döküm+homojenleştirme tavı yapılmış (580°C/8
saat)+haddelenmiş+tavlanmış (380°C/4 saat) c) AA3003-3,9 mm döküm+homojenleştirme
tavı yapılmış (580°C/8 saat)+haddelenmiş+tavlanmış (410°C/4 saat) numunelerin optik
mikroskop görüntüleri
10
a)
b)
Şekil 13. a) AA3105-6,0 mm döküm+homojenleştirme tavı yapılmış (580°C/8
saat)+haddelenmiş+tavlanmış (380°C/4 saat) b) AA3105-6,0 mm
döküm+haddelenmiş+tavlanmış (380°C/4 saat) numunelerin stereo mikroskop görüntüleri
Döküm halindeki AA3003 ve AA3105 alaşımındaki numunelere yapılan mikrosertlik
deneylerine ait grafik Şekil 14.’te verilmiştir. 3,9 mm kalınlıktaki AA3003 alaşımının
mikrosertlik değerleri 57,35 ± 2,68 Hv, 6,0 mm kalınlıktaki AA3003 alaşımının mikrosertlik
değerleri 52,75 ± 5,07 Hv ve 6,0 mm kalınlıktaki AA3105 alaşımının mikrosertlik değerleri
54,75 ± 3,00 Hv aralığındadır. Genel olarak 3,9 mm kalınlıktaki AA3003 alaşımının
mikrosertliği, kalınlığı 6,0 mm olan AA3003 alaşımına göre nispeten daha fazladır. Bu
durum, kalınlığı daha az olan levhanın daha fazla plastik deformasyona uğraması, daha hızlı
katılaşmasından dolayı daha ince taneli bir yapıya sahip olması ve aşırı doymuşluğun
kalınlığı daha fazla olan levhaya göre nispeten daha yüksek olması nedeniyle mukavemetin
daha yüksek olmasından kaynaklanmaktadır. 6,0 mm kalınlıktaki AA3105 alaşımının
mikrosertliğinin, aynı kalınlıktaki AA3003 alaşımına göre genel olarak daha fazla olduğu
yapılan testler sonucunda tespit edilmiştir. Bu durum ise, AA3105 alaşımının yapısında
bulunan Mg’un plastik deformasyona olan katkılarıyla açıklanabilir [12]. Kalınlık boyunca
yürütülen bu sertlik ölçümleri daha önce verilen döküm kalınlığı–yeniden kristalleşme
ilişkisini destekler niteliktedir.
70
67
Mikrosertlik (Hv)
64
61
58
AA3003-3,9 mm
55
AA3003-6,0 mm
52
AA3105-6,0 mm
49
46
43
40
0
Üst kenar
2
4
6
8
10
Mesafe
12
14
16
18
20
Alt kenar
Şekil 14. AA3003 ve AA3105 alaşımlarının döküm halindeki sertlik değerleri
11
SONUÇLAR
AA3003 ve AA3105 alaşımlarının ikiz merdane döküm yöntemi ile dökülmüş levhalarından
üretilen ürünlerde tane boyutunun, malzemenin yapısındaki intermetalik parçacıkların boyut
ve dağılımları ilişkili olduğu görülmüştür. Daha önce konvansiyonel metotlarla üretilen
alüminyum alaşımları için önerilen yeniden kristalleşme mekanizmaları ve intermetalik
parçacık boyutlarının etkileri ikiz merdane döküm yöntemiyle üretilen alüminyum alaşımları
için de geçerlidir. İkiz merdane dökümü sırasında uygulanan deformasyon miktarının artması
sonucunda levha kalınlığı azalmış ve soğuma oranı artmıştır. Bunun sonucunda, intermetalik
parçacıkların ve tanelerin boyutlarının küçük olarak kaldıkları görülmüştür. Döküm halindeki
malzemedeki intermetalik
parçacık
dağılımı, uygulanan
tav
işlemleri ile
değiştirilebilmektedir. Bu nedenle, homojenleştirme tavının önemli katkıları bulunmaktadır.
Haddeleme işlemi ile taneler haddeleme yönünde uzama göstermişlerdir.
Homojenleştirme tavı yapıldıktan sonra haddelenen ve ara tav uygulanan malzemelerde
homojenleştirme tavı yapılmadan haddelenen ve ara tav uygulanan malzemelere göre çok
daha fazla tane olduğu görülmüştür. Bu durumun, homojenleştirme tavı nedeniyle yapıdaki
intermetalik parçacıkların büyümesi ve yeniden kristalleşmiş tanelerin oluşmasını engelleyen
küçük intermetalik parçacıkların çözünmesi ile potansiyel parçacık teşvikli çekirdeklenme
(PTÇ) bölgelerinin sayısının artmasından kaynaklandığı düşünülmektedir.
İkiz merdane döküm yönteminin döküm sırasında levha üzerinde uyguladığı deformasyon
miktarı, yani döküm kalınlığı, malzemenin yeniden kristalleşmesi için gerekli olan eşik
sıcaklığını etkilemektedir. Bu durum, alaşım elementlerinin uygulanan deformasyonla
etkileşmeleri sonucu daha da etkin hale gelmektedir. Yapılan bu çalışmada ise bu etkiyi
yaratan alaşım elementi Mg’dur.
KAYNAKLAR
1.
2.
M. Yun et al., Twin Roll Casting of Aluminium Alloys, Materials Science and Engineering, 2000
T. Haga et al., Twin Roll Casting of Aluminum Alloy Strips, Journal of Materials Processing Technology,
2004
3. N. Sun et al., Microstructural Evolution in Twin Roll Cast AA3105 During Homogenization, Materials
Science and Engineering, 2006
4. F.J. Humphreys, M. Hatheryl, Recrystallization and Related Annealing Phenomena, Second Edition,
Elsevier, 2004
5. ASM Specialty Handbook Aluminum and Aluminum Alloys, Fifth Printing , ASM International, 2002
6. www.aluminium.matter.org.uk
7. Edited by John E. Hatch, Aluminum Properties and Physical Metallurgy, Ninth Printing, American Society
for Metals, 1999
8. N.A. Belov, A.A. Aksenov, D.G. Eskin, Iron in Aluminum Alloys Impurity and Alloying Element,
Taylor&Francis, 2002
9. Dietrich G. Altenpohl, Aluminium:Technology, Applications and Environment, Sixth Edition, The
Aluminium Association Inc., 1999
10. Donald R. Askeland, Çeviri:Dr. Mehmet Erdoğan, Malzeme Bilimi ve Mühendislik Malzemeleri Cilt 1,
Üçüncü Baskı, Nobel Yayın Dağıtım, 2002
11. Prof. Dr. E. Sabri Kayalı, Doç. Dr. Cahit Ensari , Metallere Plastik Şekil Verme İlke ve Uygulamaları,
İ.T.Ü Kimya–Metalurji Fakültesi Ofset Atölyesi, 1991
12. J. Gubicza et al., Effect of Mg Addition on Microstructure and Mechanical Properties of Aluminum,
Materials Science and Engineering, 2004
12
Download

pdf için - Küçük Menderes