© IATS’09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
SOĞUTMA PLAKASINDA DÖKÜM SIRASINDA PLAKA AÇI VE UZUNLUĞUNUN MİKROYAPI GELİŞİMİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİ STUDY ON THE EFFECTS OF THE LENGTH AND ANGLE OF PLATE ON
THE MICROSTRUCTURE EVOLUTION BY COOLING SLOPE CASTING
Simge GENÇALP
a,, Şefika KASMAN
b, Nurşen SAKLAKOĞLU
aa
Celal Bayar Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Makine Müh. Böl., Manisa, Türkiye, E-posta:
simge.gencalp@bayar.edu.tr, cnakbas@bayar.edu.tr
b
Dokuz Eylül Üniversitesi İzmir Meslek Yüksekokulu, Teknik Prog. Böl., İzmir, Türkiye, E-posta:
sefika.kasman@deu.edu.tr
,
Özet
Döküm proseslerinde eğimli soğutma plakasında döküm yönteminin uygulanması yarı-katı işleme için hammadde üretebilen ucuz ekipmanlı basit bir prosestir. Bu yöntemde, uzunluk, açı, eğimli soğutma plakası, kalıp malzemesi ve döküm sıcaklığı gibi çeşitli parametreler mikroyapıyı etkilemektedir. Bu çalışmada, ETIAL 160 alüminyum alaşımının yumuşak çelikten yapılmış ve BN kaplanmış eğimli bir plakadan dökümü esnasında açı ve uzunluğun etkileri araştırılmıştır. Bu nedenle 615°C’ deki alaşım, 30°, 60° açılı ve 350 mm, 500 mm uzunluklara sahip plakadan dökülmüştür. Eğimli plakanın açı ve uzunluğunun α-Al fazının büyüklük ve morfolojisini etkilediği bulunmuştur.
Sonuçlar 60° eğim ve 350 mm uzunluk parametrelerinin optimum plaka açısı ve uzunluğu olduğunu göstermektedir.
Anahtar kelimeler: Soğutma plakasında döküm, Plaka uzunluğu ve açısı, Non-dendritik yapı
Abstract
Application of cooling slope casting among the cast processes is a simple process with low equipment. In this method, various parameters such as length, angle, cooling slope plate, mold material and pouring temperature affect microstructure. In this work, the effects of the angle and length of a mild steel-made and coated-BN inclined plate during cast from a inclined plate of ETIAL 160 aluminum alloy were investigated. Therefore, the alloy in temperature of 615° was poured through inclined plate with the angle of 30°, 60° and the length of 350 mm, 500 mm. It was found that the angle and length of inclined plate affected size and morphology of α-Al phase. The results point out that parameters of 60° and 350 mm are optimum plate angle and length.
Keywords: Cooling slope casting, length and angle of plate, Non-dendritic structure
1. Giriş
Yarı-katı metal işleme prosesi 1971’de Flemings ve arkadaşlarından bu yana 30 yıldan fazla süredir çalışılmaktadır [1,2]. Yarı-katı işleme genel olarak billet üretimi, yeniden ısıtma ve şekillendirme olmak üzere üç temel aşamadan oluşur [4]. Zaman içerisinde, rheo döküm ve thixo döküm gibi yarı-katı metalleri işlemenin çeşitli teknikleri geliştirilmiştir [1,2]. Yarı-katı işleme yöntemleri
yarı-katı durumdaki mikroyapının sıvı bir matrikste küresel katı tanelerden oluşan alaşımın “thixotropik” davranışına dayanmaktadır [3]. Küresel mikroyapı genelde akış gerilimini azaltmak ve son şekle yakın parçalar üretmek için ideal bir yapıdır [5]. Non-dendritik tanelerin oluşum mekanizması ile ilgili çeşitli teoriler bulunmaktadır.
Katılaşma esnasında kesme gerilmesinin dendrit kolların kırılmasına, ikinci çekirdeklerin oluşmasına neden olduğu iddia edilmektedir. Zhang ve diğerleri heterojen çekirdeklenmenin ısı yayımı altında şiddetli elektromanyetik karıştırma vasıtasıyla dendritlerin kırıldığını ve ısı yayımının büyüme morfolojisini değiştirdiğini, tanelerin tüm yönlerde üniform olarak büyüme meydana getirdiğini ileri sürmüşlerdir [2].
Kısa ve uygulaması kolay bir proses olup, endüstriyel uygulamalar için avantajlıdır. Yarı-katı metal işleme mühendislik komponentlerinin üretiminde modern ve gelişmiş bir teknoloji gibi görünmektedir. Bu modern teknoloji döküm, dövme ve toz metalurjisi gibi geleneksel teknolojiler üzerine çeşitli avantajlar sunar. Yarı-katı metal işleme prosesi düzgün bir yüzey, iyi mekanik özellikler ve yüksek boyut toleransı hassasiyetine sahip karmaşık biçimli komponentler üretmek için bize imkan verir [8]. Bu yöntemin diğer döküm yöntemlerine ilişkin üstünlükleri vardır, örneğin yüksek basınçlı döküm yöntemine olduğu gibi. Çünkü burada kalıp içine akış düzgün ve laminerdir, bu da üretilen komponentlerde düşük porozite ile sonuçlanmaktadır [3]. Yine basınçlı döküm ve diğer geleneksel döküm metotlarına kıyasla bu metot daha iyi mekanik özelliklere sahiptir ve hacim kaybı indergenmiş olduğundan dolayı porozite azalır ve kalıbın daha homojen dolması sağlanır. [4].
Eğimli soğutma plakasında döküm prosesi birkaç yıl önce ileri sürülmüştür ve yarı-katı işlemede yeni, elverişli bir proses olarak görülmektedir [1]. Bu metotta, bir döküm sıcaklığında eritilen alaşım eğimli bir plakadan dökülür.
Plakadan akış sırasında eriyiğin eğimli plaka ile teması, yer çekimi ve sıvı akışından dolayı kesme gerilmesine maruz kalmasının bir sonucu olarak katı çekirdekler şekillenir [8].
Bu çalışmada eğimli soğutma plakası kullanılarak malzemenin bu proses esnasındaki katılaşma davranışları, mikroyapısal oluşum ve gelişimi incelenmiştir. Ayrıca soğutma plakası ile yatay arasındaki eğim açısı değiştirilerek açının mikroyapıya etkisi irdelenmiş ve eriyiğin temas ettiği plaka uzunluğunun mikroyapıya etkisi de araştırılmıştır. ETIAL 160 alüminyum alaşımı otomotiv
endüstrisinin başlıca malzemelerinden biridir. Genellikle basınçlı döküm yöntemi ile üretilirler. Bu çalışmada geleneksel imalat yöntemlerine alternatif sunulmuştur.
2. Materyal ve Metot
Bu çalışmada kullanılan ETIAL 160 alüminyum alaşımının kimyasal içeriği Çizelge 1’de gösterilmektedir. Deneysel koşullar Çizelge 2’de gösterilmiştir.
Çizelge 1
Deneylerde kullanılan ETIAL 160 alaşımının kimyasal kompozisyonu
Al(%) Si(%) Cu(%) Mn(%) Mg(%) Zn(%) 85.79 8.62 3.091 0.2248 0.2804 0.901 Çizelge 2
Deneysel koşullar
Numune ETIAL 160 Döküm sıcaklığı 615°C Eğimli soğutma plakası
Malzeme Yumuşak çelik Kaplama BN
Açı 60° (30°) Uzunluk 350 mm (500 mm) Kalıp AISI 4340 (41CrNiMo6) Deneyler için 500 g. ETIAL 160 alaşımı grafit bir potada rezistanslı fırında eritilmiştir. Bu sırada içerisine 0.2 g stronsiyum ilave edilmiştir. Pota içerisindeki ergitilmiş alaşıma içerisindeki cürufu almak üzere dökümden hemen önce flux ilave edilmiştir. Daha sonra erimiş alaşım 615°C döküm sıcaklığında 150 mm genişliğinde ve 10 mm kalınlığındaki BN kaplanmış Çizelge 2’de verilen çeşitli uzunluk ve açılardaki çelik plakadan dökülmüştür. Ayrıca plaka döküm sırasında alttan su akışı ile soğutulmuştur.
Döküm prosesi esnasında potaya sıcaklığı kontrol etmek için bir termokupl yerleştirilmiştir. Döküm, 160 mm uzunluğunda ve 30 mm çapındaki AISI 2344 malzemesinden yapılmış olan silindirik bir kalıp içine yapılmıştır ve kalıp atmosferik şartlarda soğumuştur.
Soğutma plakası kullanılmadan doğrudan kalıba döküm (gravite döküm) yapılarak kontrol numunesi elde edilmiştir.
Döküm işlemleri tamamlandıktan sonra, test numuneleri
%0.5 HF çözeltisi kullanılarak mikroskobik incelemeler için hazırlanmıştır. Ayrıca düşük sıcaklıkta yapılan bir dökümde plaka üzerinde kalan artık malzeme iç yapının plakadan akışı sırasındaki evrimini incelemek için üst, orta ve alt kısımdan olmak üzere kesilmiş ve incelenmiştir.
Numuneler CLEMEX dijital kamera ile desteklenen NIKON Ecilipse LV100 optik mikroskobu kullanılarak incelenmiştir.
Katı fazın boyut ve küreselliğini hesaplamak için en/boy oranı, tane boyutu, alan ve yoğunluk hesabı CLEMEX PROFESSIONAL EDITION analiz programı ile yapılmıştır.
Çalışma kapsamında eğimli soğutma plakası ile yatay arasındaki eğim açısı değiştirilmiştir. Soğutma uzunluğu eriyiğin plakaya temas ettiği uzunluktur ve bu uzunluk da değiştirilmiştir.
3. Deneysel Sonuçlar ve Tartışma
Şekil 1 eğimli soğutma plakasında akış olmadan silindirik kalıp içine doğrudan dökülmüş, yani gravite döküm yapılmış numunenin mikroyapısını göstermektedir.
Mikroyapı α-Al fazının büyük dendritlerini içermektedir.
Şekil 2, 30° açıda 350 ve 500 mm uzunluklarındaki eğimli soğutma plakasından dökülen numunelerin mikroyapılarını göstermektedir. Şekil 1 ve 2 karşılaştırıldığında α-Al fazının kaba dendritleri eğimli soğutma plakası kullanılarak döküm yapıldığında rozet yapıya doğru değişim göstermektedir. Şekil 2a ve b den plaka uzunluğunun artması ile 30° eğim için α-Al fazının büyüklüğünde bir artışa yol açtığı tespit edilmiştir.
Şekil 1. Eğimli soğutma plakası kullanılmadan doğrudan kalıp içine dökülmüş (gravite döküm) numuneye ait mikroyapı
Şekil 2. 30° eğimli soğutma plakası kullanılarak dökülmüş numuneye ait mikroyapı, (a) 350 mm ve (b) 500 mm
Şekil 3 60°’ de 350 ve 500 mm uzunluklar için dökülen numunelerden elde edilen mikroyapıları göstermektedir.
Şekil 2 ve 3 karşılaştırıldığında, 60° eğimli soğutma plakası kullanılması durumunda dendrit kollarında daha fazla kırılma meydana geldiği, 500 mm eğimli soğutma plakasında ise daha az çekirdeklenme sonucu daha kaba tanelerin oluştuğu, tanelerarası bölgede kaba ötektik yapı oluştuğu görülmektedir.
Şekil 3. 60° eğimli soğutma plakası kullanılarak dökülmüş numuneye ait mikroyapı, (a) 350 mm ve (b) 500 mm Şekil 4 farklı açı ve uzunluklarda plaka kullanarak elde edilen katı fazın tane alanını göstermektedir. Görüldüğü gibi, soğutma plakasında döküldüğünde gravite döküme göre tanelerin alanı azalmıştır. Bununla birlikte, soğutma plakasının uzunluğu arttığında tanelerin alanı artmıştır. Bu durum, plaka uzunluğunun artması ile tanelerin plakadan kayması sırasında kırılan dendritlerin tekrar bir araya gelme eğilimi göstererek hem tane boyutunun artması hem de oluşan çekirdek sayısının azalması ile açıklanabilmektedir.
0 5 10 15 20 25
0 15 30 45 60 75
Açı (°)
Tane alanı (µm2)
350 mm 500 mm
Şekil 4. Farklı açı ve uzunluklardaki plaka kullanarak elde edilen katı fazın tane alanı (µm2)
Tanelerin alanının artması tane boyutunun artması anlamına gelmektedir.
Şekil 5’te tane boyutu değişimi görülmektedir. Tane alanıyla paralel bir şekilde, tane boyutunun özellikle 60°
açıda ve plaka uzunluğu 500 mm olduğunda en yüksek olduğu ve 500 mm plaka uzunluğunda plaka açısının artışının tane boyutuna etkisinin daha fazla olduğu tespit edilmiştir.
0 0,5 1 1,5 2
0 15 30 45 60 75
Açı (°)
Tane boyutu (µm)
350 mm 500 mm
Şekil 5. Farklı açı ve uzunluklardaki plaka kullanarak elde edilen katı fazın tane boyutu
Şekil 6’da tanelerin en/boy oranı görülmektedir. En / boy oranı tanelerin küreselliğinin bir göstergesidir. En/boy oranı 1’e eşit olduğunda tane yapısının küresel olduğu kabul edilir. Buna göre, soğutma plakasında döküm yöntemiyle gravite döküme göre küresele daha yakın tane yapısı elde edilmektedir. Soğutma plakasında döküldüğünde plaka uzunluğu azaldıkça ve açı büyüdükçe daha küresel yapı oluşmaktadır.
0 1 2 3 4 5 6
0 15 30 45 60 75
Açı (°)
En / boy oranı
350 mm 500 mm
Şekil 6. Farklı açı ve uzunluklardaki plaka kullanarak elde edilen katı fazın en/boy oranı
Ayrıca, dendritik yapının kırılmasının ve çekirdeklenme oluşumunun plaka üzerinde meydana geldiğini kanıtlamak için, eğimli soğutma plakası üzerinde kalan artık malzeme üst, orta ve alt olmak üzere 3 farklı bölgeden incelenmiş ve elde edilen mikroyapılar Şekil 7’ de verilmiştir.
Şekil 7a, b ve c’ de görüldüğü gibi plakada üst kısımdan alt kısma doğru gidildikçe hem tane sayısının arttığı hem de dendrit kollarının kırıldığı tespit edilmiştir. Mikroyapıda gözlenen bu değişim, ergiyiğin eğimli soğutma plakası ile temasının bir sonucu olan yüksek ısı transferinden ve yine yerçekimi kuvvetinin bir sonucu olan ergiyik tabakasına uygulanan kesme gerilmesinden kaynaklanmaktadır.
Ergiyiğin eğimli plakanın yüzeyi üzerinden akışı sırasında, yüksek ısı transferinden dolayı α-Al fazı çekirdeklenmektedir. Ergiyiğin akış esnasında yerçekiminden dolayı kesme gerilmesine maruz kalması yeni oluşan α-Al fazının ayrılmasına ve eğimli plakanın yüzeyinde gelişen dendrit kollarının kırılmasına yol açmaktadır.
Bu α-Al taneleri akış esnasında ergiyikte dağılmakta ve eğimli plakanın altında bulunan kalıp içine dolmaktadır.
Guan R.G. ve ark. [1], Haga T. [6] ve Birol Y. [7], eğimli soğutma plakası üzerinde ergiyik akışı esnasında üst, orta ve alt olmak üzere üç farklı kısım oluştuğunu ileri sürmüşlerdir.
Eğimli plakanın açısının artması ile, kesme gerilmesinin şiddeti ve kayma gerilmesinin oranı artar. Sonuç olarak, plakanın orta kısmında daha fazla katı tane kırılır ve plakanın alt kısmında kırılan dendritler birbirinden ayrılır.
Eğimli soğutma plakasının uzunluğu α-Al fazının büyüklük ve morfolojisini etkileyen diğer bir parametredir. Eğimli plaka uzunluğunun artması ile ısı transferinin sürekliliği artmakta ve akan ergiyik daha fazla kesme gerilmesine maruz kalmaktadır. Bu yüzden, kırılan ve ayrılan katı fazların sayısı artar ve ince ve küresel fazları içeren mikroyapı oluşur. Fakat uzunluğun artması ergiyik ve eğimli plaka arasında oluşan artık malzemenin kalınlaşmasına neden olur. Sonuç olarak, eğimli plakanın yüzeyindeki eriyik akışının ısı transferi oranı ve soğuma oranı azalır ve bu durum katı fazın çekirdeklenme oranının düşüşüne yol açarak tane boyutunun büyümesine neden olur.
Şekil 7. Eğimli soğutma plakası üzerinde kalan artık malzemenin mikroyapı gelişimi, (a) üst, (b) orta ve (c) alt 4. Sonuç
Bu çalışmada ETIAL 160 alaşımında soğutma plakasında döküm sırasında plaka uzunluğu ve açısının etkileri incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar aşağıda belirtilmiştir:
(1) Gravite dökümle elde edilen dentritik yapı eğimli soğutma plaka kullanılması yolu ile ince ve rozetten non-dendritik yapıya dönüşüm göstermektedir.
(2) Soğutma plakası eğimi düşük tutulduğunda ya da soğutma plakası uzunluğu küçük seçildiğinde hem tane boyutu daha küçük olmaktadır hem de tane yapısı küresele daha yakın bir form kazanmaktadır.
(3) Bu çalışmada ince, homojen dağılmış, ince ve küresel forma en yakın mikroyapı oluşumu koşullarına 60° eğimli ve 350 mm uzunluğa sahip soğutma plakası ile ulaşılmıştır.
Teşekkür
Bu çalışma TUBİTAK 107M300 numaralı proje desteği ve DÖKTAŞ COMPONENTA A.Ş. desteği ile gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmadaki katkılarından dolayı teşekkür ederiz.
Kaynaklar
[1] Guan R.G., Cao F.R., Chen L.Q., Li J.P., Wang C., Dynamical solidification behaviors and microstructural evolution during vibrating wavelike sloping plate process.
[2] Wu S., Xie L., Zhao J., Nakae H., Formation of non- dendritic microstructure of semi-solid aluminum alloy under vibration, Scripta Materialia 58 (2008) 556-559.
[3] Legoretta E.C., Atkinson H.V., Jones H., Cooling slope casting to obtain thixotropic feedstock, (2007) Cooling slope casting to obtain thixotropic feedstock. In:
Solidification Processing 07 Proceedings of the 5th Decennial International Conference on Solidification Processing, 23-25 July, Sheffield, UK.
[4] Nili-Ahmadabadi M., Pahlevani F., Babaghorbani P., Effect of slope plate variable and reheating on the semi-solid structure of ductile cast iron, Tsinghua Science and Technology Issn 1007-0214 06/20 pp147-151 vol. 13, number 2, April 2008.
[5] Choi J.C., Park H.J., Microstructural characteristics of aluminum 2024 by cold working in the SIMA process, Journal of Materials Processing Technology 82 (1998) 107-116.
[6] Haga T., Semisolid strip casting using a twin roll caster equipped with a cooling slope, Journal of Materials Processing Technology 130-131 (2002) 558-561.
[7] Birol Y., A357 thixoforming feedstock produced by cooling slope casting, Journal of Materials Processing Technology 186 (2007) 94-101.
[8] Farshid T., Ghassemi A., Study on the effects of the length and angle of inclined plate on the thixotropic microstructure of A356 aluminum alloy, Materials and Design (2008).
