Alüminyum yüzeylerin hazırlanması

Bu çalışmada yapıştırılan malzeme olarak kullanılan alüminyum AISI AA2024- T3 olarak adlandırılmaktadır. Bu tip alüminyumlar yüksek dayanıma ve işlenebilme özelliklerine sahiptirler. Bu özelliklere ek olarak sahip oldukları yüzey kalitesi ile yapı malzemesi olarak havacılık sanayi, otomotiv, askeri uygulamalar ve daha birçok alanda sıklıkla kullanılmaktadırlar. Bu çalışmada kullanılan alaşımın kimyasal kompozisyonu ve mekanik özellikleri çizelge 4.4 ve çizelge 4.5’de gösterilmektedir.

Çizelge 4.4. Alüminyum kimyasal kompozisyonu

Bileşenler Al Cr Cu Fe Mg Mn Si Ti Zn

Ağırlık (%) 90,9-93,2 0,1 3,8-4,9 0,50 0,3-0,9 0,3-0,9 0,5 0,15 0,25

Çizelge 4.5. Alüminyum mekanik özellikleri Bileşenler Akma Mukavemeti (MPa) Çekme mukavemeti (MPa) Kopma Uzaması % Elastiklik modülü (MPa) Poisson oranı Kayma modülü (GPa) A2024-T3 350 455 17 73 0.33 28

Endüstrideki yapıştırıcılı bağlantıların genellikle kayma ve soyulma gerilmelerine maruz kalması sebebiyle bu çalışmada kayma davranışını belirlemek için tek taraflı bindirmeli bağlantılar, kırılma (açılma) davranışını belirlemek için çift konsol kiriş bağlantıları oluşturulmuştur. Bu bağlantılar için gerekli boyutlandırma tek taraflı bindirmeli bağlantılar için ASTM D1002 standardına göre, çift konsol kiriş bağlantıları için ASTM D3433 standartlarına göre yapılmıştır.

Alüminyum levha, tek taraflı bindirmeli bağlantılar için 25x101.6 mm, çift konsol kiriş bağlantıları için 25x200 mm’lik dikdörtgenler halinden sayısal kontrollü lazer tezgahında azot gazı ile kesildi. Giyotin makas ile kesim esnasında ölçü farklılıkları ve kenar doğrusallıklarında sapmalar olması sebebiyle bu yöntem tercih edilmiştir. Kesim işlemlerinin ardından yapılan literatür incelemesine göre en etkili yüzey hazırlama yöntemi olduğu bildirilen anodizasyon işlemi ile alüminyum malzemelerin yüzeyler ASTM D2651 ve ASTM D3933 standartlarına göre hazırlandı.

Öncelikle alüminyum numunelerin kenarında yer alan çapaklar eğe ve zımpara yardımıyla temizlendi ve deiyonize su içerisinde ultrasonik banyoda 30 dk. karıştırıldı (şekil 4.1).

Şekil 4.1. Eğe ile numune çapaklarının temizlenmesi ve ultrasonik banyoda temizlik

Sodyum hidroksit (NaOH) ile hazırlanan ağırlıkça 4000:80’lık deiyonize su ve NaOH çözeltisi içerisinde 90˚ C ‘de 15 dakika alkalin temizleme yapıldı (şekil 4.2).

Şekil 4.2. Sodyum hidroksit ile temizlik

Sodyum hidroksit ile temizlenen numuneler 90˚C’de 5 dakika boyunca deiyonize su içerisinde yıkandı. Bu yıkama esnasında sodyum hidroksit içerisinden alüminyum numuneleri çıkarırken kurumamasına ve ıslak bir şekilde deiyonize su içerisine atılmasına dikkat edilmelidir (şekil 4.3 a). Numune yüzeylerinin bu aşamada homojen bir şekilde kararmış olması gerekmektedir (şekil 4.3 b).

Şekil 4.3. Sodyum hidroksit temizliğinden sonra numunelerin bekletilmesi (a) ve kararmış numune görüntüsü (b)

Bu işlemlerin ardından ağırlıkça %26,7 sülfirik asit, %5 sodyum dikromat ve %68,3 deiyonize su içeren çözelti hazırlanarak bu çözelti içerisinde 12 dk. beklenmiştir. Bekleme esnasında arada bir çalkalama yapılmıştır. Çözelti sıcaklığının 65-71 ˚ C aralığında olmasına dikkat edilmelidir (şekil 4.4).

Şekil 4.4. Sodyum dikromat çözeltisi içerisinde bekletme ve yüzeyin tamamen temizlenmesi

Sodyum dikromat çözeltisi içerisinden çıkarılan alüminyumların yüzeyleri parlak ve gri renktedir. Yüzeylerde kalan sodyum dikromat çözeltisi artıklarının (Şekil

4.5) iyi temizlenmesi gerekir. İyi temizlenmediği takdirde yüzeyde kalarak kuruyup yüzeyi tekrar kirletmektedir.

Şekil 4.5. sodyum dikromat çözeltisinden çıkarılan numunenin yüzey görüntüsü

Sodyum hidroksit kalıntılarını temizlemek için oda sıcaklığında deiyonize su içerisinde en az 5 dakika beklenilmelidir. Bu bekleme neticesinde sodyum hidroksit kalıntılarından arındırılan yüzey tamamen temiz hale gelir ve düzgün parlak gri bir görünüm kazanır (şekil 4.6).

Şekil 4.6. Deiyonize su içerisinde bekletilen ve sodyum dikromat artıkları giderilen alüminyum yüzeylerinin görüntüsü

Temizlenen numunelere homojen bir şekilde pürüzlendirme sağlanması (yüzeyle alüminyum oksit oluşturulması) için fosforik asit anotlama işlemi yapıldı. Fosforik asit çözeltisi ağırlıkça %9-12 fosforik asit ve %88-91 deiyonize su içermelidir. Çözelti içerisine 23 dakika boyunca daldırılan numuneler üzerine 14-16 volt akım verilerek anotlama işlemleri gerçekleştirildi. Araya alüminyum levha konularak levhanın her iki tarafına yerleştirilen numunelerin anotlama işlemi görüntüsü şekil 4.7’de gösterilmektedir. Bu işlem neticesinde yüzey, anotlanmayan kısma göre daha koyu bir görünüm kazanır.

Şekil 4.7 Alüminyum numunelerin anodizasyon işlemi

Anotlama işleminden sonra 70˚C’de 45 dakika boyunca fırında kurutma işlemi yapılarak yüzeyde kalan solüsyon artıkları uçurularak numuneler kurutulur (şekil 4.8).

Şekil 4.8. Numunelerin kurutulması

Bu yöntemleri uygularken yapıştırılacak yüzeylere deiyonize suyla yıkama ve uygulanacak çözelti işlemleri dışında herhangi bir şeyle anotlama bitene kadar dokunulmaması gerekir. Çözelti işlemleri süresince, yani alkalin temizlemeden fosforik asit anotlamadan sonraki kurutma sonuna kadar işleme kesintisiz devam edilmeli ve yüzeylerin kurumaması sağlanmalıdır. Kurutma işleminin ardından yüzeyleri hazır olan numuneler 72 saat boyunca yapıştırılabilir. 72 saat içerisinde yapıştırılmayan numunelere aynı işlemlerin tekrar tekrar uygulanması gerekir.

Yüzey hazırlama işlemleri neticesinde elde edilen alüminyum yüzeyleri ile kirli alüminyum yüzeylerinin 50x 100x ve 500X büyütme oranlarındaki yüzey görüntüleri şekil 4.9’da verilmektedir. Şekil 4.9. a, c, e, ı’ da farklı büyütme oranlarında temizlenmemiş alüminyum yüzeylerinin görüntüleri, şekil 4.9 b, d, f, g, h, ı, j, k, l de ise farklı büyütme oranlarında yüzeyleri hazırlanmış numunelerin görüntüleri gösterilmektedir.

Şekil 4.9a’ da kirli alüminyum yüzeyi belirli bir yönde düz çizgilerden oluşurken şekil 4.9 b’de küresel oksitler oluşarak yüzey morfolojisinin tamamen değiştiği görülmektedir. Artan büyütme oranlarında bu durum git gide netleşirken, şekil 4.9 j, k, l de küresel oksitler ve oksitlerin dağılımlarının homojenliği net bir şekilde gözükmektedir.

Şekil 4.9. Temizlenmiş ve temizlenmemiş numune yüzeylerinin mikro yapı görüntüleri (a, c, e, ı Temizlenmemiş numune yüzeyleri), (b, d, f, g, h, j, k, l Temizlenmiş ve pürüzlendirilmiş yüzey

görüntüleri )

Yapılan yüzey hazırlama işlemleri neticesinde mikro yapı görüntüleri ile kontrol edilen yüzeyler, pürüzlülük ölçüm cihazı ile de kontrol edilerek yapılan işlemin uygunluğu teyit edilmiştir. Ölçümler Mitutoyo cihazında yapılmıştır. Ölçüm görüntüleri şekil 4.10’da gösterilmektedir.

Şekil 4.10. Yüzey pürüzlülüğü ölçümü

Pürüzlülük ölçümleri şekil 4.11’de gösterilen birbirine 90˚ konumlanmış iki doğrultu boyunca yapıldı. Deney güvenilirliğini sağlamak için ölçümler 5’er kez tekrar

edilerek standart sapmaları ile beraber verilmektedir. Bir yönünde ve iki yönünde ölçülen pürüzlülük değerleri şekil 4.12 a ve b de gösterilmektedir.

Şekil 4.11. Yüzey pürüzlülüğü ölçüm doğrultuları

Grafiklere bakıldığında 1 yönünde ölçülen Ra pürüzlülük değeri 0.374’tem 2.029’a çıkarılmıştır. Rz değeri ise 2.53’ten 12.1’e çıkmıştır. Maksimum pürüzlülük değerlerine bakıldığında ise 3.24’ten 16.4’e çıkarılmıştır. 2 yönünde ölçülen pürüzlülük değerlerine bakıldığında da 1 yönü ile yakın değerler elde edildiği görülmektedir. Bu durum yapıştırma yüzeyi boyunca homojen bir pürüzlülük dağılımının elde edildiğinin göstergesidir.

Şekil 4.12. İki farklı doğrultudaki yüzey pürüzlülüğü grafikleri a- 1 doğrultusundaki yüzey pürüzlülüğü ölçümleri b- 2 doğrultusundaki yüzey pürüzlülüğü ölçümleri