ĠKĠZ MERDANE DÖKÜM YÖNTEMĠ ĠLE ÜRETĠLEN AA8006 ALAġIMLI LEVHALARIN
TERMOMEKANĠK DAVRANIġININ ĠNCELENMESĠ
YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Metalurji Müh. Gökhan KARA
MAYIS 2002
ANABĠLĠM DALI : METALURJĠ VE MALZEME MÜHENDĠSLĠĞĠ PROGRAMI : ÜRETĠM METALURJĠSĠ
1
Tez DanıĢmanı : Prof. Dr. Hüseyin ÇĠMENOĞLU Diğer Jüri Üyeleri : Prof. Dr. E. Sabri KAYALI (Ġ.T.Ü.)
Prof. Dr. Mehmet KOZ (M.Ü.)
ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Metalurji Müh. Gökhan KARA
506991126
MAYIS 2002
ĠKĠZ MERDANE DÖKÜM YÖNTEMĠ ĠLE ÜRETĠLEN AA8006 ALAġIMLI LEVHALARIN
TERMOMEKANĠK DAVRANIġININ ĠNCELENMESĠ
Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 13 Mayıs 2002 Tezin Savunulduğu Tarih : 30 Mayıs 2002
2 ÖNSÖZ
Hazırladığım tez çalıĢmasını yöneten Sayın Prof. Dr. Hüseyin ÇĠMENOĞLU‟na, çalıĢmam sırasında bilgilerinden yararlandığım Sayın Doç. Dr. Yücel BĠROL‟a, deneysel çalıĢmalarda metalografik numuneleri hazırlayan ve numunelerin mekanik testlerini yapan ASSAN Alüminyum Ürün ve Proses GeliĢtirme departmanı teknisyenlerine teĢekkür ederim.
Ayrıca her zaman her konuda maddi ve manevi desteklerini esirgemeyen aileme sonsuz teĢekkürlerimi sunarım.
3 ĠÇĠNDEKĠLER TABLO LĠSTESĠ v ġEKĠL LĠSTESĠ vi ÖZET vii SUMMARY viii
1. GĠRĠġ ve ALÜMĠNYUM HAKKINDA GENEL BĠLGĠLER 1
2. ĠKĠZ MERDANE DÖKÜM TEKNOLOJĠSĠ 5
2.1.GiriĢ 5
2.2. Ġkiz Merdane Döküm Tekniği 7
2.2.1. Ġkiz Merdane Döküm Parametreleri 10
2.2.1.1. Sıcaklık 10
2.2.1.2. Döküm hızı 10
2.2.1.3. Setback 11
2.2.1.4 Merdane sistemi 11
2.2.2. KatılaĢma Mekanizması ve mikroyapı 12
2.2.2.1. KatılaĢma arayüzeyi 12
2.2.2.2. Merdane aralığındaki deformasyon 15
2.2.2.3. KatılaĢma mikroyapısı 15
2.2.2.4. Katı çözeltideki elementler 18
3. LEVHA HADDELEME VE ISIL ĠġLEM 19
3.1 Haddeleme genel tanımlar 19
3.1.1 Haddeleme yapısı 21
3.1.2 Haddeleme ile oluĢan mikroyapı ve depolanmıĢ enerji 21
3.2 Alüminyum malzemelerin temper gösteriliĢi 23
4. ĠKĠZ MERDANE DÖKÜM YÖNTEMĠYLE ÜRETĠLEN MANGAN ĠLAVELĠ ALÜMĠNYUM ALAġIMLARI VE TERMOMEKANĠK
DAVRANIġI 25
4.1 Mangan ilaveli alüminyum alaĢımlarında oluĢan mikromekanizmalar 27 4.1.1 Ġleri toparlanma ve sürekli yenidenkristalleĢme 30
4.1.2 Süreksiz yenidenkristalleĢme 31
4.1.3 Partiküllerin teĢvik ettiği yenidenkristalleĢme 32
4.1.4 Geometrik dinamik yenidenkristalleĢme 33
4.1.5 Çökelme ve yenidenkristalleĢmenin etkileĢimi 35 4.1.6 YenidenkristalleĢme esnasında partikül kilitlemesi (Zener drag) 36
4
4.2 Mangan ilaveli alüminyum alaĢımlarının termomekanik davranıĢı 37
4.2.1 Mikroyapısal dönüĢümler 37
4.2.2 Mekanik özellikler 41
5. DENEYSEL ÇALIġMALAR 44
5.1 Malzeme ve metod 44
5.1.1 Malzeme 44
5.1.2 Makro ve Mikroyapı incelemeleri 45
5.1.3 Mekanik testler 45 5.1.3.1 Mikrosertlik testi 45 5.1.3.2 Çekme testi 46 5.1.4 Ġletkenlik ölçümleri 46 5.2 Deney sonuçları 46 6. GENEL SONUÇLAR 61 KAYNAKLAR 63 ÖZGEÇMĠġ 68
5 TABLO LĠSTESĠ
Sayfa No
Tablo 2.1. Levha döküm tekniği ile dökülebilen alaĢımlar .………. 8
Tablo 2.2. Levha döküm tekniğinin karakteristikleri ...……….. 9
Tablo 2.3. Merdane ayırma kuvvetini etkileyen faktörler ………... 10
Tablo 3.1. Temper tanımları ... 24
Tablo 4.1. Farklı alaĢımların katılaĢma sıcaklık aralıkları …... 25
Tablo 4.2. Ġkiz merdane döküm yöntemi ile dökülen levhalardan üretilen folyo ürünleri ve alaĢımlar …... 26
Tablo 5.1. Malzemelerin kimyasal bileĢimleri ……... 44
Tablo 5.2. Süper-dökücü, hızlı-dökücü ve levha özellikleri ………... 44
6 ġEKĠL LĠSTESĠ Sayfa No ġekil 2.1 ġekil 2.2 ġekil 2.3 ġekil 2.4 ġekil 2.5 ġekil 2.6 ġekil 2.7 ġekil 2.8 ġekil 3.1 ġekil 4.1 ġekil 4.2 ġekil 4.3 ġekil 4.4 ġekil 5.1 ġekil 5.2 ġekil 5.3 ġekil 5.4 ġekil 5.5 ġekil 5.6 ġekil 5.7 ġekil 5.8 ġekil 5.9 ġekil 5.10 ġekil 5.11 ġekil 5.12 ġekil 5.13 ġekil 5.14 ġekil 5.15 ġekil 5.16 ġekil 5.17
: Hunter ikiz merdane döküm makinasının Ģematik görünümü ... : Döküm merdaneleri ve sıvı metal besleme sisteminin Ģematik
gösterimi ... : Sıvı metalin tip ucundan çıkarak döküm merdaneleri arasında katılaĢmasının Ģematik gösterimi ... : Merdane aralığı, tip ve katılaĢan levhayı gösteren Ģema ... : 40 inç / dakika merdane hızında katı levhanın hesaplanmıĢ sıcaklıkları ... : Merdane hızı değiĢimiyle levha çıkıĢ sıcaklığı iliĢkisi ... : Levha kalınlığı boyunca hücre boyutundaki değiĢkenliği
gösteren tipik katılaĢma hücre yapısı ... : KatılaĢma arayüzey reaksiyonlarını gösteren Ģematik çizim ... : Haddelemede etki eden kuvvetler ... : Sürekli yenidenkristalleĢmenin Ģematik gösteriliĢi ... : Geometrik dinamik yenidenkristalleĢmenin Ģematik gösteriliĢi : Çökelme ve yenidenkristalleĢmenin etkileĢimi ... : Sürekli ve süreksiz yenidenkristalleĢme ... : Üretilen levhaların döküm yönü kesit yüzey faz yapıları ... : Üretilen levhaların döküm yönü kesit çeyrek faz yapıları ... : Üretilen levhaların merkezinde oluĢan segregasyonlar ... : Hızlı-dökücüde üretilen levhanın hadde yönüne paralel tane
yapısı ... : Süper-dökücüde üretilen levhanın hadde yönüne paralel tane
yapısı ... : Ġki tip levhanın kesit boyunca mikrosertlik sonuçları ... : Süper-dökücüde üretilen levhaların deformasyon kalınlığı ve
tav sıcaklığına göre tane yapısı değiĢimi ... : Hızlı-dökücüde üretilen levhaların deformasyon kalınlığı ve
tav sıcaklığına göre tane yapısı değiĢimi ... : 450C/4st tavlanan levhaların kesit tane yapıları ... : Levhaların döküm hali ve 580C/4h tav sonrası faz yapıları .... : SEM görüntüleri I ... : SEM görüntüleri II ... : OluĢan fazlar ve tane sınırları etkileĢimi ... : Termomekanik iĢlemler sonucu iletkenliklerindeki değiĢim .... : Tavlanan levhaların kalınlık boyunca kesit sertlik değiĢimleri : Süper dökücüde üretilen levhanın mekanik özellikleri ... : Hızlı-Dökücüde üretilen levhanın mekanik özellikleri ...
8 8 9 13 14 15 16 17 20 31 34 35 41 46 47 47 48 49 49 51 52 53 54 55 55 56 57 58 59 60
7
ĠKĠZ MERDANE DÖKÜM YÖNTEMĠ ĠLE ÜRETĠLEN AA8006 ALAġIMLI LEVHALARIN TERMOMEKANĠK DAVRANIġININ ĠNCELENMESĠ
ÖZET
Ġlk yatırım maliyeti oldukça düĢük, soğuk haddelemeye kadar olan adımlara gerek duymayan, döküm ve soğuk haddelemeyle nihai ürün kalınlığına inerek daha düĢük üretim maliyeti sunan ikiz merdane döküm tekniği alüminyum alaĢımlı levha üretiminde geliĢmekte olan bir öneme sahiptir.
Yassı mamul alüminyum alaĢımlarının mekanik özellikleri, kimyasal kompozisyonlarının yanında malzemenin mikroyapısı ile de doğrudan iliĢkilidir. Ġkiz merdane döküm yönteminin katılaĢma doğasından dolayı malzeme yapısında mevcut olan metallerarası bileĢikler ve tane yapısının malzeme özellikleri üzerinde çok büyük etkisi vardır. Metallerarası bileĢiklerin malzeme özellikleri üzerindeki etkileri, boyutları ve dağılımları ile iliĢkilidir. Sonuç olarak istenilen performansta mamul üretmek, kontrollü bir mikroyapı ile sağlanabilmektedir. AlaĢım yapısında bulunan metallerarası bileĢikler ve alaĢımın tane yapısı, malzemeye uygulanan termomekanik iĢlemlerle değiĢtirilerek istenen seviyelere getirilebilir ve böylece yüksek kalitede ürünler elde edilebilir.
Folyo ürünleri üretiminde kullanılan AA8006 alaĢımı yapısında bulunan demir ve manganın malzeme mikroyapısı üzerinde etkisi nedeni ile levhanın termomekanik davranıĢını etkilemektedir. Uygulanan bir yüksek sıcaklık iĢlemi ile levhalarda tane kabalaĢması meydana gelerek malzemenin mekanik özelliklerini düĢürmektedir. Bu durum özellikle iyi Ģekillendirilebilirlik istenen alüminyum folyo ürünlerinin kalitesini kötü etkilemektedir.
Bu çalıĢmada, iki tip (hızlı ve süper dökücü) ikiz merdane döküm makinasında üretilen AA8006 alüminyum alaĢımlı levhaların termomekanik davranıĢı incelenmiĢtir. Döküm kalınlığında ve %20 - %97 arasında değiĢen deformasyonlar sonrası uygulanan 450C/4h - 580C/4h tavlar ile mikroyapısal değiĢimler ve mekanik özellikler incelenmiĢtir. Süper-dökücü ve hızlı-dökücülerde üretilen levhalar döküm parametrelerinin farklı olması nedeniyle mikroyapısal farklılıklar göstermiĢtir. Her iki tip dökücüde üretilen levhada da tane kabalaĢması durumu yaĢanmıĢtır. Tane kabalaĢması döküm yapısı ile iliĢkilendirilmiĢ ve temel oluĢum mekanizmaları incelenmiĢtir. 0,6mm ve daha düĢük kalınlıklara haddelendikten sonra tavlanan levhalarda süneklikte ani düĢüĢler bulunmuĢ ve bu durum tane yapısı açısından kıyaslanmıĢtır.
8
INVESTIGATION OF THERMOMECHANICAL BEHAVIOUR OF STRIP-CAST AA8006 ALLOY SHEETS
SUMMARY
The relatively low capital cost of twin-roll casters, in combination with their lower energy and manning cost, have made twin roll casting an increasingly popular method of producing a wide range of aluminum flat rolled products.
Mechanical properties of flat rolled aluminum products are directly correlated to microstructure of materials. Due to the solidification rates encountered in twin-roll casting process, primary phases and grain structure have significant impact on properties of twin-roll cast materials. The influences of intermetallic constituents on properties are related to their size and volume fraction. Consequently for producing high performance products it is of interest to control microstructure by thermomechanical processes.
AA 8006 is one of the popular commercial alloy that contains iron and manganese is often produced by twin roll casting process for foil product. In AA8006 alloy, both iron and manganese influences the microstructure have significant impact on thermomechanical behaviour. Annealing at elevated temperatures abnormal grain growth occurs and has detrimental effect on mechanical properties and formability of products.
In this study, termomechanical behaviour of AA 8006 aluminum alloy sheets that were cast by two different types of twin roll casting machine (super-caster and speed-caster) are discussed. Microstructural evolution and mechanical behaviour of annealed ( in the range of 450C/4h to 580C/4h ) sheets in cast thickness (6mm) and after colled reduction between %20 and %97 are examined. Super-cast and speed-cast strips exhibit different microstructures due to their casting parameters. Abnormal grain growth occered in both types of strips. Grain coarsening was correlated to as-cast structure and basic mechanism of abnormal grain growth are discussed. Ductility decreases when sheets colled deformed to the thicknesses of 0,6mm and below, and this was investigated by means of abnormal grain growth phenomena.
9
1. GĠRĠġ ve ALÜMĠNYUM HAKKINDA GENEL BĠLGĠLER
Alüminyum, yerkabuğunda en bol bulunan üçüncü elementtir. Alüminyum demirdıĢı metaller içerisinde en çok kullanılan, hafiflik, yüksek mukavemet ve korozyon dayanımı, iyi ısıl ve elektriksel iletkenlik, tasarım esn ekliği, geri kazanım kolaylığı, uzun ömürlülük gibi özellikleri olan ve yerkabuğundaki metaller içerisinde en bol bulunan, inĢaat, ulaĢım, savunma, elektrik ve elektronik, mimari ve ambalaj sektörleri gibi geniĢ kullanım yelpazesine sahip bir metaldir [1,2,3].
1886 yılında birbirinden habersiz olarak Ohio‟da Charles Hall ve Fransa‟da Paul Heroult, ergimiĢ kriyolit içinde çözünmüĢ alüminanın (Al2O3) elektrolitik redüksiyonunu gerçekleĢtirerek alüminyumu ekonomik olarak üretmeyi baĢarmıĢlardır. Bu buluĢ ile alüminyum için yeni bir sayfa açılmıĢ ve metalin kullanımı yaygınlaĢmaya baĢlamıĢtır. Ġlk zamanlarda mutfak malzemeleri, ayna çerçeveleri gibi alanlarda kullanılmaya baĢlanılan alüminyum, günümüzde özellikle otomotiv, uçak ve uzay sanayiinde son derece rağbet gören bir metal haline gelmiĢtir [4].
Alüminyum üretiminin temeli Hall-Heroult prosesidir. Bu proseste, boksit minerali kriyolit banyosunda banyo sıcaklığını, yoğunluğunu, direncini ve alümina çözünürlüğünü kontrol etme amacıyla ilave edilen çeĢitli florür tuzlarıyla birlikte çözündürülerek alümina rafinasyonu gerçekleĢtirlmektedir. Banyodan elektrik akımı geçirilerek çözülmüĢ alüminanın karbon anotla reaksiyona girmesi ve oksijen oluĢumu ile katotta metal birikimi Ģeklinde elektroliz gerçekleĢtirilmektedir. Ayrılan metal periyodik olarak ayrılarak ergitme ve döküm prosesinin gerçekleĢeceği döküm prosesi için potalara alınır [4].
19. yüzyılın baĢlarından itibaren dünyada kullanılmaya baĢlayan alüminyum metalinin Türkiye‟de kullanımı 1950‟li yıllarda baĢlar. 1974 yılında ise, Etibank SeydiĢehir Alüminyum Tesisleri‟nin birincil alüminyum üretmesi ile bir sanayi sektörü haline gelmiĢtir. Kullanımının artmasına paralel olarak
10
sürekli büyüyen Türk alüminyum endüstrisi, günümüzde Avrupa Topluluğu ve Ortadoğu ülkelerine yaptığı ihracat ile önemini ve geliĢmesini sürdürmektedir [5].
KiĢi baĢına yıllık alüminyum kullanımı Avrupa Birliği‟nde 18.1 kg., Amerika‟da 31.6 kg., Ġsveç‟te 25.7 kg., Ġtalya‟da 24.2 kg., Japonya‟da 30.3 kg. Yunanistan‟da 5.5-6 kg. iken, bu rakam Türkiye‟de 2.5-3 kg.‟dır. KiĢi baĢına alüminyum tüketiminin Avrupa ülkelerine göre düĢük olmasına rağmen, inĢaat, otomotiv, ambalaj sektörü vb. gibi sektörlerdeki büyüme trendinin yüksekliği, toplumun alım gücü ve refah seviyesinin artması, alüminyum kullanım potansiyelini her geçen yıl daha da artırmaktadır [5]. Alüminyumun en göze çarpan özelliği çok yönlü bir metal olmasıdır. Rafine yüksek saflıktaki alüminyumdan en kompleks alaĢımlarına kadar fiziksel ve mekanik özellikleri geliĢtirilebilir. Alüminyumun tanımlanmıĢ 300‟den fazla alaĢım kompozisyonu mevcuttur ve birçok ilave varyasyon da uluslararası anlamda üretici-tüketici iliĢkileri çerçevesinde geliĢtirilmektedir [4].
Günümüzde bir çok kullanım alanı bulan alüminyum alaĢımlarının her geçen gün istenilen mekanik performansları artmakta, yeni alüminyum alaĢımlarının icat edilmesi ve/veya mevcut alaĢımların modifikasyonuyla mevcut alaĢımların iyileĢtirilmesi yoluna gidilmektedir.
Alüminyum alaĢımları “döküm” ve “iĢlem” alaĢımları olarak iki ana grub a ayrılırlar. Alüminyum iĢlem alaĢımları aĢağıda verilmiĢtir [4] :
1xxx %99.0 veya daha fazla Al 2xxx Cu ana alaĢım elementi 3xxx Mn ana alaĢım elementi
4xxx Si ve Cu ve/veya Mg ana alaĢım elementi 5xxx Mg ana alaĢım elementi
6xxx Mg, Si ana alaĢım elementi 7xxx Zn ana alaĢım elementi 8xxx Diğer elementler
11
Döküm alaĢımları da yukarıdaki gibi 4 hane ile gösterilirler ancak üçüncü haneden sonra bir nokta koyulmuĢtur. Dördüncü hane döküm parçasını veya dökümhanede kullanılacak ingotu ifade eder. Ġlk hane alaĢım grubunu belirler [4].
1xx.x %99.00 minimum alüminyum 2xx.x Cu ana alaĢım elementi 3xx.x Si, Cu ilaveli ve/veya Mg 4xx.x Si ana alaĢım elementi 5xx.x Mg ana alaĢım elementi 6xx.x Kullanılmıyor
7xx.x Zn ana alaĢım elementi 8xx.x Sn ana alaĢım elementi 9xx.x Kullanılmıyor
Alüminyum yassı mamul alaĢımları özellikle gıda (baskılı veya baskısız gıda ambalajları, mutfak folyosu gibi), inĢaat sektöründe (çatı ve cephe kaplamalarında), ilaç sektöründe, sanayide (radyatör malzemesi gibi), matbaacılıkta, otomotiv ve beyaz eĢya sektörü gibi alanlarda kullanılmaktadır [6].
Günümüzde, alüminyum meĢrubat kutuları ve diğer yassı ürünlerinin olağanüstü talebi karĢısında, alüminyumdan sürekli döküm metodu ile levha üretimi giderek artan bir gereksinim haline gelmiĢtir. Halen klasik direkt soğutma (DC) döküm metodu ile sıcak hadde ingot üretimi, yassı alüminyum üretiminde % 80'e yakın bir pay almaktadır. Ancak dünya üzerindeki yarı-mamül üreticileri, frezeleme, homojenleĢtirme, sıcak haddeleme kenar kesme ve sarma gibi 762 mm kalınlığa kadar olan ingotu haddelenmiĢ rulo haline getiren, sermaye ve emek yoğun iĢlemlerden kaçınmanın yollarını araĢtırmaktadır [7].
Metal levhaların klasik üretim tekniği, büyük kütük ve ingotların soğuk ya da sıcak olarak haddelenerek, gerekli kalınlığa ulaĢtırılmasını kapsar. Bu, metotta mekanik iĢlemlerin yanısıra ısıl iĢlemlerin de yer alması kaçınılmazdır. Bütün bunlar, pahalı ve yüksek enerji gerektiren iĢlemlerdir [8].
Ġkiz merdane levha döküm tekniğinin hem ekonomik hem de metalurjik açıdan diğer yöntemlere nazaran getirdiği üstünlükler vardır. Proses katılaĢmayı ve sıcak
12
maddelemeyi tek bir operasyonda birleĢtirip, sarılabilir rulolar ürettiğinden, geleneksel rulo üretiminde gerek duyulan ek bir sıcak haddeleme iĢlemine ya gerek kalmaz yada belirgin bir Ģekilde azalır. Sonuçta enerji ve üretim maliyetleri düĢer. Levha döküm tekniği için gerekli yatırım maliyeti, geleneksel ingot döküm, sıcak haddeleme prosesi için gerekenden çok daha azdır [9].
Yassı mamul alüminyum alaĢımlarının mekanik özellikleri, kimyasal kompozisyonlarının yanında malzemenin mikroyapısı ile de doğrudan iliĢkilidir. Ġkiz merdane döküm yönteminin katılaĢma doğasından dolayı malzeme yapısında mevcut olan metallerarası bileĢikler ve tane yapısının malzeme özellikleri üzerinde çok büyük etkisi vardır. Metaller arası bileĢiklerin malzeme özellikleri üzerindeki etkileri, bunların boyutları, miktarları, Ģekilleri, yapı içinde dağılımları, kararlı yada kararsız olmaları ile iliĢkilidir. Sonuç olarak istenilen performansta mamul üretmek, kontrollü bir mikroyapı ile sağlanabilmektedir. AlaĢım yapısında bulunan metallerarası bileĢikler ve alaĢımın tane yapısı, malzemeye uygulanan termomekanik iĢlemlerle değiĢtirilerek istenen seviyelere getirilebilir ve böylece yüksek kalitede ürünler elde edilebilir [6].
Bu çalıĢmada da ikiz merdane döküm yöntemi ile üretilen, geniĢ bir kullanım alanına sahip bir folyo alaĢımı olan AA8006 alüminyum alaĢımının uygulanan soğuk haddeleme ve tavlama koĢullarına göre değiĢen termomekanik davranıĢı; sonuç mekanik özellikleri ve mikroyapısı incelenmiĢtir.
13
2. ĠKĠZ MERDANE DÖKÜM TEKNOLOJĠSĠ
2.1 GĠRĠġ
Metal levhaların klasik üretim tekniği, büyük kütük ve ingotların soğuk ya da sıcak olarak haddelenerek, gerekli kalınlığa ulaĢtırılmasını kapsar. Bu, metotta mekanik iĢlemlerin yanısıra ısıl iĢlemlerin de yer alması kaçınılmazdır. Bütün bunlar, pahalı ve yüksek enerji gerektiren iĢlemlerdir [8].
Sıvı metal ve alaĢımların ince dökümü Sir Henry Bessemer'in çalıĢmalarına kadar uzanır. Fakat geliĢtirilen hiçbir teknik tam olarak Bessemer'in teorisini yaĢama geçirememiĢtir. ÇalıĢmalar uzun yıllar boyunca çelik üzerine yoğunlaĢtırılmıĢtır. Bu nedenle çelik sanayii, ince döküm konusunda öncü kabul edilebilir. Bessemer'den hemen sonra, konuya yogun ilgi gösterilmiĢ, fakat mevcut teknolojilerin yetersizliği nedeniyle çok yakın tarihe kadar konu üzerinde verimli bir çalıĢma ortaya konamamıĢtır. Günümüzde, 6 mm kalınlıktaki yassı mamulerin sürekli döküm tekniğiyle doğrudan üretilmesi gerek metalurji gerekse ekonomik avantajları nedeniyle standart bir uygulama haline gelmiĢtir. Bu amaçla geliĢtirilen çift merdaneli dökücülerin ticari kullanımı ilk defa 1950'lerde Amerikan Hunter Engineering ve Fransız Pechiney firmaları tarafından gerçekleĢtirilmiĢtir. O tarihlerden itibaren aluminyum levha üretiminde temel metod olarak kullanılmaktadır [8].
Bu metodun en önemli uygulamalarına örnek olarak; Hunter Engineering, Lauener, Pechiney, Davy McKee ve Krupp firmaları tarafindan imal edilen çift merdaneli döküm sistemleri verilebilir [7].
Sürekli alüminyum levha dökümü fiilen ilk olarak bundan 40 yıl önce Riverside/Kaliforniya'da Joe Hunter tarafından bulunmuĢtur. Ortaya çıkan ikiz-merdaneli döküm hatları geniĢ bir uygulama alanı bulmuĢtur. Hunter Engineering Firması 1972 yılında 2032 mm döküm geniĢliğine ve 1524 mm/dak döküm hızına sahip “Supercaster” modelini imal etmiĢti. Bu yeni tip döküm hatları 15°‟lik bir açı ile üretim yapmaktadır. Merdane grubunun yatay düzlem ile yaptığı bu açı besleme
14
kutusundaki metal basıncının azaltılması içindir. Böylece metal akması ve yetersiz katılaĢma gibi durumlarda operatörün müdahalesi kolaylaĢır. Bugün 100‟ün üzerinde bu tip üretim yapan döküm hattı bulunmaktadır [7].
1996 yılına kadar ticari alanda kullanılan çift merdaneli dökücülerin sayısı, yüzde 60'ı Kuzey Amerika ve Avrupa'da olmak üzere toplam 170'dir ve pekçok tesis de kuruluĢ aĢamasındadır [8].
Alüminyum alaĢımlarından yassı (levha ve folyo) ürün üretebilme süreci klasik olarak DC (Direct-Chill) döküm metodu, frezeleme, önısıtma, sıcak haddeleme ve soğuk haddeleme rotasını takip etmektedir. Son 20-30 yılda ise ilk yatırım maliyeti oldukça düĢük, soğuk haddelemeye kadar olan adımlara gerek duymayan, döküm ve soğuk haddelemeyle nihai ürün kalınlığına inerek daha düĢük üretim maliyeti sunan ikiz merdane döküm (twin-roll casting, TRC) tekniği geliĢmeye baĢladı. DGM tarafından yapılan bir fizibilite çalıĢmasında TRC‟nin, 80 000 ton/sene üretim miktarına kadar açık farkla bu miktardan daha yüksek üretim değerlerinde de avantajını koruyan en ekonomik yöntem olduğunu fakat dökülebilecek alaĢım tiplerinin kısıtlı olacağını, elde edilebilecek ürün enlerinin dar olduğunu ve yüzey kalitesinin dekoratif amaçlı olamayacağını belirtilmiĢtir [10]. Ġkiz merdane döküm tekniği dahil bütün sürekli döküm tekniklerini ilk ticari uygulamalarının baĢladığı 1940‟lı yıllardan 1976 yılına dek üretkenlikleri, yatırım maliyetleri, ürün kalitesi ve çeĢitliliği, enerji kullanımı ve metal kayıpları açısından ele alınarak yapılan kıyaslamada 1976 yılındaki teknolojisiyle dahi TRC tekniği 100 000 ton/yıl dan daha fazla üretim rakamlarına kadar avantajlı gözükmektedir [9].
Yöntemde karĢılaĢılan sorun, döküm makinasının teorik olarak tahmin edilenden çok daha düĢük hızda çalıĢmasıdır. Teorik üretim limiti 4.96 kg/sn.m iken, pratikte bu değer 0.248-0.372 kg/sn.m civarındadır. Bu farkı azaltmak için besleme sisteminin geliĢmiĢ tasarımı, ara yüzeydeki ısı transferinin iyileĢtirilmesi, hadde kuvvetlerinin kontrolü gibi konularda araĢtırma yapılmaktadır [11].
Levha döküm yöntemi, “katılaĢma/deformasyon” tekniğidir. Rulo üretimi için varolan diğer prosesler “yalnız katılaĢma” tekniğidir. Dökülen ürün ayrıca
15 Yalnız katılaĢma teknikleri;
Yüksek verimlilik
AlaĢım kısıtlaması olmayıĢı
Nispeten düĢük katılaĢma oranları
Yüzey hatalarına duyarlılık ile karakterize edilirler [11].
2.2 ĠKĠZ MERDANE DÖKÜM TEKNĠĞĠ
Bazı önemli detaylardaki farklılıkla birlikte ticari ikiz merdane döküm makinalarının dizayn ve operasyon ana prensipleri aynıdır. Döküm hattının ana bileĢenleri ġekil 2.1‟de verilmektedir. Sabit bir sıcaklık ve bileĢimdeki sıvı alüminyum döküm makinasının tandiĢine (head-box) girmeden önce çözünmüĢ hidrojen gazından arındırıldığı üniteden geçer ve daha sonra seramik poröz bir filtreyle inklüzyonlarından temizlenir. Head-box sıvı metalin merdaneler arasına düzlemsel olarak yayılıp akmasını sağlayan nozül (tip) ile bağlantılıdır (ġekil 2.2). Döküm merdaneleri içten su ile soğutulurlar. Döküm merdanelerinin yüzeyi döküm esnasındaki yüklere karĢı çatlamalara dayanıklı “shell” denilen silindirik bir çelik malzemeyle kaplıdır. Ġki merdane arasındaki mesafe hidrolik olarak sabit tutulur. Tip merdanelerin merkez hattının biraz gerisinde bulunur ve böylelikle döküm makinası merdaneleri bir proseste sıvı metali katılaĢtırıp sıcak haddeler (ġekil 2.3). Tipin çıkıĢından merdanelerin merkezhattına kadar olan mesafeye “setback” denilir. KatılaĢmanın ve sıcak haddelemenin kombinasyonu merdaneleri birbirinden uzaklaĢtırmaya çalıĢan „ayırma kuvvetini‟ ortaya çıkarır. Merdane yüzeyleri döküm esnasında sıvı metalin yapıĢmasını engelleyen su-grafit süspansiyonuyla spreyleme yoluyla sürekli olarak kaplanır. Döküm makinasından çıkan ince dökme levha hattın sonunda rulo Ģeklinde sarılır [7].
Döküm makinesinden çıktıktan sonra levha, sarılmadan önce gergi merdanelerinden ve makastan geçer. Normal operasyonda gergi merdaneleri çalıĢtırılmaz çünkü sarıcı dökülen levha üzerinde gerekli germe kuvvetini oluĢturur. Rulo istenilen boyuta geldiğinde gergi merdaneleri dökülen levha üzerinde germe kuvveti oluĢturmak amacıyla çalıĢtırılır, levha makasla kesilir ve operasyonun akıĢı etkilenmeden rulo
16
sistemden alınır. Kesilen uç sarıcıya ulaĢtığında sarıcının yarattığı germe kuvveti yeniden sağlanmıĢ olur ve gergi merdaneleri durdurulur [11].
ġekil 2.1. Hunter ikiz merdane döküm makinasının Ģematik görünümü [7]. Tablo 2.1 Levha Döküm Tekniği Ġle Dökülebilen AlaĢımlar [11].
1050 1060 1100 1145 1188 1190 1193 1199 1200 1230 1235 1345 3003 3004 3005 3006 3105 5005 5010 5034 5050 5052 5056 5085 5083 5086 5154 5182 5252 5254 5356 5454 5456 5457 5652 5657 6063 7072 8010 8011 8111 8014
Tablo 2.1‟de levha döküm tekniği ile üretilen alaĢımlar görülmektedir. Tablo 2.2‟de levha döküm tekniği karakteristikleri görülmektedir. Sıcak haddeleme iĢlemi, levha döküm tekniği ile dökülmüĢ ruloyu karakterize eden, iyi yüzey kalitesini sağlar. Ġkinci bir avantajı ise, sonraki proseslerde herhangi bir ilave sıcak haddelemeye gerek duyulmaksızın iĢleme alınmaya uygun olmasıdır [11].
ġekil 2.2. Döküm merdaneleri ve sıvı metal besleme sisteminin Ģematik gösterimi [11]. T ip D ök ü m m er dan eler i S ıvı m eta l K a tı m eta l H ea d -box S h ell
17
ġekil 2.3. Sıvı metalin tip ucundan çıkarak döküm merdaneleri arasında katılaĢmasının Ģematik gösterimi [21].
Levha döküm tekniğinin dezavantajları; düĢük verimliliği ve sınırlı alaĢım kapasitesidir. Prosesin daha yaygın bir Ģekilde uygulanamayıĢı bu nedenlerden dolayıdır. Levha döküm tekniği ile dar donma aralığına sahip olan alaĢımlar üretilebilmektedir. AlaĢımların donma aralığı arttıkça verimlilikte azalma görülmektedir [11].
Tablo 2.2 Levha Döküm Tekniğinin Karakteristikleri [11].
AVANTAJLAR
Ġyi yüzey kalitesi
Ġyi kalınlık ve profil kontrolü
Ġlave sıcak haddelemeye gerek olmayıĢı
DEZAVANTAJLAR
DüĢük verimlilik
Sınırlı alaĢım dökülebilmesi
Bazı uygulamalar için dökülen ürünün uygun özelliklere sahip olamayıĢı
Rulo profilinin bir sonraki haddeleme iĢlemine uygun olabilmesi için, merdane ayırma kuvveti tanımlanmıĢ limitler içinde kalmalıdır. Yük hücreleri kullanılarak veya makinelerdeki hidrolik basınç ölçülerek ayırma kuvveti kontrol edilir. Deneysel ölçümler rulo profilinin parabolik bileĢiminin, merdane ayırma kuvveti ile doğrudan iliĢkili olduğunu ortaya koymuĢtur. DüĢük ayırma kuvvetlerinde dökülmüĢ levha negatif profile sahip olurken, yüksek ayırma kuvvetlerinde levhada pozitif profil oluĢmaktadır. Bu sınırlar arasında levhanın paralel olduğu değerler vardır. Merdane ayırma kuvveti, merdane eğriliğinin etkisini ortadan kaldırabilir. Setback ve döküm hızı, profil yalnız merdane ayırma kuvveti değerini ani olarak değiĢtirerek etkileyebilir. Rulo kalınlığı boyunca meydana gelen parabolik olmayan
18
yerel değiĢimlerin nedenleri zayıf tip tasarımı, su kanallarının bloke olması, merdane Ģelinin zayıf desteğidir [11].
Tablo 2.3‟te merdane ayırma kuvvetini etkileyen faktörler görülmektedir. Döküm hızını artırmak veya setback mesafesini azaltmak, segregasyon oluĢum riskini artırmaktadır [12,13].
Tablo 2.3 Merdane Ayırma Kuvvetini etkileyen Faktörler [11.]
AlaĢım Malzeme akıĢ gerilmesi
KatılaĢma aralığı
Döküm Hızı Döküm hızı arttıkça ayırma kuvveti azalır. Setback Setback mesafesi arttıkça ayırma kuvveti artar. Sıcaklık Sıcaklık arttıkça ayırma kuvveti azalır.
Rulo GeniĢliği Rulo geniĢliği arttıkça ayırma kuvveti artar. Merdane Yüzey Durumu YapıĢma ile ayırma kuvveti artar.
2.2.1 ĠKĠZ MERDANE DÖKÜM PARAMETRELERĠ 2.2.1.1 Sıcaklık
Metalin akıĢkanlık kontrolü için sıcaklığın üniform olması Ģarttır. Metal çok sıcak ise merdane ile tip arasından zemine akabilir. Metal çok soğuk ise, tip içerisinde veya özellikle dökülen levhanın kenarında donmalar sonucu girintili çıkıntılı yüzeyler meydana gelir. Döküm için uygun sıcaklıklar alaĢım cinsine bağlı olarak değiĢmektedir. Döküm sıcaklıkları head-box‟da (besleme kutusu) ölçülür ve kontrol altına alınır [6].
2.2.1.2 Döküm Hızı
Uygun döküm hızı alaĢımın cinsine, levha kalınlığına ve merdane kabuğunun (shell) alaĢımına bağlıdır. Alüminyumun saflığı arttıkça döküm hızı artmakta, alaĢım elementlerinin miktarı arttıkça azalmaktadır. Döküm hızları alaĢım cinsine göre ayrı ayrı belirlenmektedir [6].
19 2.2.1.3 Setback
Sıvı metal katılaĢma sırasında merdane tarafından belirli oranda deformasyona uğratılır. Deformasyon miktarının değiĢken olması döküm levhasının karakteristiğinde farklılıklar yaratacağından istenmez. Setback, deformasyon miktarını belirleyen en önemli parametredir. Setback değerinin yüksek olması döküm deformasyonunu artırırken, düĢük olması azaltmaktadır. Tip ekseni değerinin hat hızı ve merdanenin ömrü üzerinde de etkileri vardır. Değerin yüksek olması döküm hızında küçük miktarda artmalara neden olurken, merdane ömrünü olumsuz yönde etkilemektedir [6].
2.2.1.4 Merdane Sistemi
Levha döküm tekniğinde merdaneler, hem katılaĢma için gerekli soğumayı, hem de haddelemeyi sağladığı için önemli bileĢenlerdir. Çelik dökümünde verimliliğin sağlanması ve yüksek ısı transferi açısından merdane genellikle bakırdan yapılmaktadır. Çelik endüstrisinde merdaneler düĢük yüklü koĢullarda çalıĢtıklarından bakır merdane uygun gözükmektedir. Ancak alüminyumda bu koĢulların tersi olduğu Pechiney‟de deneylerle ispatlanmıĢtır. Bu deneyler sonucunda, bakır merdaneler üretimi ikiye katladığı ancak yüksek moment ve ayırma gücüne bağlı olarak deforme olduğu görülmüĢtür. Bu sebepten dolayı; gerilme hesaplamaları, kimyasal bileĢim değiĢimleri gibi problemlere çözüm olarak çelik geliĢtirilmiĢtir [11].
Shell‟in birinci görevi, ergimiĢ alüminyumun katılaĢmasını sağlayabilmek için ondan ısıyı almaktır. Döküm makinesinin verimliliği, ısı transfer kapasitesi ile bağlantılıdır ve shell malzemesi için birinci temel Ģart iyi termal iletkenliktir. Shell‟ler mekanik kaynaklı gerilimlere maruz kalırlar. Kullanılan malzeme, mekanik mukavemet ve tokluğu karĢılayabilir özellikte olmalıdır. Demir bazlı alaĢımlar, çelikler, döküm prosesinin gerektirdiği Ģartları en iyi karĢılayan malzemelerdir [11]. Döküm parametreleri ve dökülmüĢ malzemedeki mikro ve makro yapıları arasında iliĢkiyi ortaya çıkarmak için yapılan birçok çalıĢmada; setback, hız, head-box sıcaklığının (döküm sıcaklığı) etkileri araĢtırılmıĢtır. Malzemenin döküm esnasında gördüğü sıcak (ılık) deformasyon; setback değeri arttıkça, artmaktadır [12,13].
20
2.2.2 KATILAġMA MEKANĠZMASI VE MĠKROYAPI
Ġkiz merdane döküm prosesinde eĢzamanlı katılaĢma ve sıcak haddeleme prosesi DC ingot ve sıcak haddeleme metoduna göre oldukça farklı karakteristik bir mikroyapı oluĢturur. Bu farklılıklar metalin yüksek katılaĢma hızı ve dökme levhadaki kalıntı deformasyondan kaynaklanmaktadır [9].
2.2.2.1 KATILAġMA ARAYÜZEYĠ
KatılaĢmanın ve haddelemenin aynı anda olduğu bölgedir. Levha döküm tekniği çok basit bir prensibe dayanmaktadır. ErgimiĢ metal, içinden geçen su ile soğutulan merdaneler arasından geçerken katılaĢmakta ve aynı zamanda da merdaneler tarafından haddelenmektedir. Ancak bu proses çok karmaĢık fiziksel olayları da içermektedir. Bunlar; sıvı akıĢı, ısı transferi, katılaĢma, merdaneler ve rulo arasındaki hava boĢluğu oluĢumu ve deformasyondur ki, bütün bu olaylar çok kısa bir zaman aralığında meydana gelirler. Bu kompleks olaylar ile ilgili matematiksel ve fiziksel modeller geliĢtirilmiĢtir [14,15,16].
ErgimiĢ metal, merdane/rulo ara yüzeyinde ısı kaybederek katılaĢır. Ara yüzeyin performansının, levhanın kalitesi üzerine doğrudan etkisi vardır ve bir çok faktörden etkilenir. Bu faktörler; shell malzemesi, yüzey tekstürü, atmosfer, metalostatik basınç ve ıslatma özellikleridir [11].
Ġlk katılaĢma baĢlaması ile yüzeyde oluĢan oksit tabakası ısı transferini azaltır. Bunu takip eden bölgede, katılaĢan levha sıcak baskıya ve bir kez daha merdane yüzeyiyle temasa maruz kalır. Ġstenilen termal performansı elde edebilmek için bu parametrelerin doğru kombinasyonu seçilmelidir [11].
DeğiĢik parametrelerin katılaĢmayı kontrol ettiği yerde katılaĢma dört bölgeye ayrılabilir:
1. Bölge: Sıvı metal ile merdaneler direkt temas eder. Çok hızlı olarak sıvı kısmi süper-soğuma gösterir. Ġlk dentritik yapı oluĢur.
2. Bölge: Sıvı metal ile merdaneler arasında oluĢan katı kabuk termal iletkenliği düĢürür. Bu durum genellikle katılaĢan kısmın termal çekilmesi ile iletkenliğin düĢmesine bağlanır.
21
3. Bölge: Sıvı ile katının temas ettiği eĢsıcaklık bölgesi (mushy, „yarıkatı‟ bölge), termal iletkenlik artar. Bu bölgede dentritler ilk defa merkez bölgesinde oluĢur. 4. Bölge: Levha merdaneler arasında tamamen katılaĢır, iyi termal iletkenlik [14]. Merdaneler ile metal arasındaki ısı-iletim katsayısı, merdaneler üzerinde oluĢan lokal basınç ve katı-oranı ile belirlenir [17].
KatılaĢan levha ve merdane aralığının Ģematik çizimi bazı önemli parametrelerle birlikte ġekil 2.4‟de görülmektedir. ġekilde döküm yönüne paralel kesitten görüleceği üzere dökme levhanın tipik katılaĢma arayüzeyine dair bazı bilgiler içermektedir. Tanelerin, sıvı+katı bölgesinden katılaĢma arayüzeyine belli açılarla büyüdükleri farzedilmekte [13] ve deformasyon esas olarak Ģekildeki A ve B arasındaki bölgede olmaktadır. Geometrik iliĢkilerden aĢağıdaki eĢitlikler türetilebilir;
y = (t1/2) tan 1 (2.1)
Seff S – y (2.2)
t1eff = S2eff/R + t0 (2.3) tan 1 = (t1eff / t0)2 tan 0 (2.4)
ġekil 2.4. Merdane aralığı, tip ve katılaĢan levhayı gösteren Ģema [18].
y; sıvı+katı bölgenin derinliği, t1; sıvının alt ve üst merdaneye değdiği kısmın yüksekliği, S; setback, Seff; sıvı+katı bölgenin merdanelerin nötr noktasına mesafesi, t1eff; sıvı+katı ucunda merdanelerin birbirine mesafesi, R; merdane yarıçapı, to; merdane aralığı.
22
Bu eĢitlikler iterasyon yöntemiyle kolaylıkla çözülebilir ve sıvı metal derinliği y‟nin hesaplanmasına izin verir. Diğer parametreler sabit olup döküm hızı artırıldığında veya setback düĢürüldüğünde y (sıvı+katı bölgenin derinliği) de artacaktır [18]. Hem katılaĢma hem de sıcak haddelemeyi gözönüne alarak yapılan ısı transferi modelleme çalıĢmasında belirli bir merdane hızında merdane aralığında katılaĢmıĢ olan levhanın yüzeyi ve merkezindeki sıcaklık değerleri hesaplanmıĢtır (ġekil 2.5). Tam bir kalınlık boyunca katılaĢma durumunda yüzey ile merkez arasındaki sıcaklık farkının 100C‟yi (200F) geçtiği, ayrıca levhanın merdanelerden çıkıĢ sıcaklığının merdane hızına bağlı olarak 200-300C (400-600 F) arasında olduğu hesaplanmıĢtır (ġekil 2.6) [19]. Levha merdaneler ile teması kaybettikten sonra kalınlık boyunca oluĢan sıcaklık gradyanı hızlı olarak yokolur. Sonuç olarak levha yüzey ve merkezinde sıcaklık aĢağı yukarı eĢit olur [16].
ġekil 2.5. 40 inç/dakika merdane hızında katı levhanın hesaplanmıĢ sıcaklıkları [19]. Isı transferini artırarak katılaĢtırmayı hızlandırmak dolayısıyla üretkenliği artırmak için shell malzemesinin değiĢtirilmiĢ ve shell malzemesi olarak bakır kulanıldığında üretkenliğin iki katına çıktığı öne sürülmüĢtür. Shell olarak kullanılan bakırın termal iletkenliği çeliğinkinden büyük olduğu için, döküm iĢleminde bakır shell kullanıldığında levhanın çok daha hızlı katılaĢmakta ve böylece çok daha yüksek hızlara çıkılabilmektedir [20].
1 4 0 0
1 2 0 0 K atılaşm a M e rd a n e le rin
tam am lanm ış m erkezhattı
1 0 0 0
8 0 0
6 0 0
4 0 0
Lev hanın m erkezi
2 0 0 Lev hanın yüzeyi
0
0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4
D öküm tipinden m esafe (inç)
S ıc a k lı k , F
23
ġekil 2.6. Merdane hızı değiĢimiyle levha çıkıĢ sıcaklığı iliĢkisi [19]. 2.2.2.2 MERDANE ARALIĞINDAKĠ DEFORMASYON
Ezme oranı yaklaĢık olarak aĢağıdaki tanımlamayla verilebilir:
%ezme = (t1eff – to)/ t1eff (2.5) Metal merdaneleri tipik olarak 300C dolaylarında terkeder. Böylelikle deformasyon solidüs sıcaklığı ile 300C aralığındaki sıcaklıklarda oluĢur. Döküm esnasında malzemenin uğradığı sıcak deformasyon soğuk haddelemeyle elde edilen deformasyonun %10-25‟ine karĢılık gelmektedir [18].
Eğer sıvı metal merdane nötr noktasına ulaĢmadan önce katılaĢma tamamlanırsa bu durumda malzeme plastik deformasyon görecektir [15].
2.2.2.3 KATILAġMA MĠKROYAPISI
Yüksek katılaĢma hızı dökme levhada oluĢan her ana bileĢenin boyut (ġekil 2.7) ve aralıklarını küçültür [18]. Klasik döküm yöntemine göre intermetaliklerin boyutunda %80‟e varan bir azalma vardır . Ġkiz merdane yöntemiyle dökülen levhada partikül dağılımı uniform olmayıp, levha, merkezhattında daha kaba partiküllere sahip olur. Bununla birlikte bu kaba merkezhattı partiküllerinin boyutu yine de klasik yöntemle üretilen malzemenin ortalama partikül boyutundan daha küçüktür. Malzeme bir miktar kalıntı deformasyon yapısına sahip olacaktır. Bu durumda ikiz merdane yöntemiyle dökülen levha klasik malzemeye göre biraz daha sert olacaktır.
1 4 0 0 1 2 0 0 Likidüs S olidüs 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0
Ç ıkışta lev ha yüzeyi
2 0 0 D öküm sıcaklığı
M odelde kullanılan değerler 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 M erdane hızı (inç/dakika) S ıc a k lı k , F F 8 1270
24
ġekil 2.7. Levha kalınlığı boyunca hücre boyutundaki değiĢkenliği gösteren tipik katılaĢma hücre yapısı. Al-%0.5Fe-%0.2Si [21].
KatılaĢma hücresel bir büyüme paterni yönünde yüksek soğuma hızlarında oluĢur. Orijinal olarak ikincil dendrit aralığı d ve katılaĢma hızı v‟nin ölçümlerinden çıkarılan formülü kullanarak;
d.v0.33 = 33.4 (m(K/s)0.33) (2.6) katılaĢma hızının 102
K/s ile 103 K/s aralığında olduğu tahmin edilebilir. Bu değerler tipik olarak konvansiyonel DC dökümden elde edilen katılaĢma hızlarının yaklaĢık 2 kat daha fazla büyüğüdür. Bu yüksek katılaĢma hızı döküm mikroyapısı için önemli sonuçlar doğurur [18].
Ġnce döküm levha malzemelerindeki taneler genel olarak eĢeksenli dendritik baĢ ve hücresel kuyruk bölgesiyle karakterize edilir (ġekil 2.8a). Bu eĢeksenli dendritler sıvıda çekirdeklenir ve büyür, katı arayüzeyiyle temas ettiği zaman büyümesi yönlenmiĢ olur. Deneysel olarak tesbit edilmiĢ hücre aralıkları 8111 alaĢımı için Ģekil 8b‟de verilmektedir. Ölçümler katılaĢma arayüzeyine yaklaĢık olarak dik metalografik kesitlerde gerçekleĢtirilmiĢtir. 6 mm kalınlığındaki dökme levha yukarıda açıklandığı üzere ikili bir tane yapısı gösterir: hücresel kısımda 4.2 m hücre aralığı, levhanın merkezindeki eĢeksenli tanelerin bulunduğu kısımlarda 7.4
m DAS (dendrit kol aralığı) ölçülmüĢtür. DAS/hücre aralıklarının, merkeze doğru gerçekleĢen daha düĢük soğuma hızlarının bir sonucu olarak, merkezden yüzeye doğru hafifçe azaldığı görülmektedir. Hem DAS hem de hücre aralıkları soğuma hızıyla (6) eĢitliğine benzer Ģekilde iliĢkilendirilebilir [21]:
D = Q- (2.7)
levh an ın m erkezi
ü st alt
yü zey yü zey
8 7 6 5 4 1 2 3 4 5 6
Ü st yü zeyd en m esafe (m m )
H ü c re b o y u tu ( m)
25
ve sabitelerdir. Bu iliĢkiden yararlanıldığı zaman 6 mm kalınlıktaki dökme levhada soğuma hızlarının 102
-103C/sn mertebelerinde olduğu görülür.
(a)
(b)
ġekil 2.8. (a) KatılaĢma arayüzey reaksiyonlarını gösteren Ģematik çizim ve (b) AA8111 alaĢımında deneysel olarak saptanmıĢ DAS/hücre aralıkları, 6mm-1.0m/dak., 4mm-2.5m/dak. ve 2mm-7.3m/dak.[21].
Daha ince kalınlıklarda döküm gerçekleĢtirildiğinde sanıldığının aksine yapının daha büyük DAS/hücre aralıkları değerlerine sahip olduğunu bunun da daha düĢük soğuma hızıyla katılaĢmıĢ bir mikroyapı olduğunu öne sürmüĢlerdir. 2 mm dökme levhadaki soğuma hızının 6 mm kalınlıktakine göre 1 veya 2 kat daha düĢük olduğu ölçülmüĢtür. 2 mm levhada hücresel büyüme gösteren taneler hiç yoktur. Tamamen eĢeksenli taneler bulunmakta ve katılaĢmanın bu durumda sıvı+katı bölgede eĢeksenli büyüme ile tamamlandığını düĢündürtmektedir. Bu, daha fazla aktif çekirdeğin olduğuna iĢaret eder, bu da muhtemelen sıvı metal yapısal aĢırı soğuma durumunda daha fazla zaman harcamasından kaynaklanmaktadır. Genel bir sonuç olarak ince levha döküm teknolojisi (daha ince kalınlıklar ve daha hızlı döküm) döküm esnasında daha yüksek soğuma hızları sağlamamakta tam tersine DC döküme yaklaĢan daha düĢük soğuma hızları elde edilmiĢ gözükmektedir [21].
o sıvı k a tı sıvı+ k a tı sıvı k a tı sıvı+ k atı tip d u da k lar ı T iB2 h ü cr esel k a tıla Ģm a D A S 2 0 1 8 B aş 4 m m 1 6 B aş 2 m m 1 4 B aş 6 m m 1 2 K u y ru k 4 m m 1 0 K u y ru k 6 m m 8 6 4 2 0 3 ,0 2 ,5 2 ,0 1 ,5 1 ,0 0 ,5 0 0 ,5 1 ,0 1 ,5 2 ,0 2 ,5 3 ,0 Lev ha kalınlığı (m m ) D A S /h ü c re a ra lı ğ ı ( m)
26
Küçük hücre boyutu direkt olarak ana bileĢenlerin de boyutunu etkiler. DC döküm ve sıcak haddelenmiĢ malzemeyle karĢılaĢtırıldığında intermetalik partiküllerin boyutu yaklaĢık 5 kat daha küçüktür [18].
Yeni geliĢtirilen AA 8006 ve AA 8007 alaĢımları 1-5m boyutundaki taneleri kararlı hale getirecek çok ince intermetalik partikülleri içerir. Bu düĢük ötektik alaĢımları tane sınırı sertleĢmesinden dolayı Ģekillendirilebilirlikte yüksek bir düĢüĢ olmaksızın yüksek mukavemet gösterirler. Gerekli dispersiyon düzeyi elde edilmesi için yüksek soğuma hızları uygulanmalıdır [22].
2.2.2.4 KATI ÇÖZELTĠDEKĠ ELEMENTLER
Dökme levha malzemede Mn, Fe, Cr ve Zr gibi elementler süperdoygunluk gösterir. Özel bir örnek olarak %1.0Mg-1.0Mn-0.13Si-0.35Fe içeren dökme AA 3004 alaĢımının elektrik direnci 6.54 cm-1 olarak ölçülmüĢtür [18]. Katı çözeltideki Fe+Mn‟ın miktarı yaklaĢık olarak;
katı çözeltideki (Mn+Fe) (-Al99.99-0.5CMg)/3.6 (2.8) ile verilmektedir. Burada alaĢımın elektrik direncini, Al99.99 Al 99.99‟un direncini ve CMg Mg‟nin miktarıdır. Bu rakamlar Mg ve Mn elementlerinin katkısını ( cm-1) cinsinden vermektedir. Dökme levha 3004‟ün elektrik direnç ölçümleri Mn+Fe‟in katı çözeltideki miktarını %0.92(wt) olarak vermektedir [18].
Mn ve Fe‟nin döküm sonrası tavlarda çökelmesinden dolayı tane boyutu problemleriyle karĢılaĢılır. Bu problemleri giderme yöntemleri arasında homojenizasyon ve hızlı tavlama da vardır. Bu yüksek süperdoygunluğun bir avantajı yeniden kristalleĢmenin geciktirilmesi ve bunun da çekici mekanik özelliklere sahip temper-tavlı levhaların üretilebilme ihtimalidir [18].
27 3. LEVHA HADDELEME VE ISIL ĠġLEM
3.1 HADDELEME GENEL TANIMLAR
Malzemeleri, eksenleri etrafında dönen iki silindir (merdane) arasından geçirilerek yapılan plastik Ģekil verme iĢlemine “haddeleme” denir. Merdaneler aynı hızda ve birbirlerine zıt yönde dönerler. Malzeme merdaneler arasından geçerken istenilen Ģekli alır. Merdaneler arasındaki açıklık, malzemenin giriĢ kalınlığından daha az olduğundan haddelenen malzemenin çıkıĢ kalınlığında bir azalma olur. Malzemenin merdaneler arasından her geçiĢine “paso” adı verilir [11,23].
Malzemenin deformasyonu, merdanelerin malzemeyi sıkıĢtırması ile sağlanan radyal basma gerilmeleri ve malzeme ile merdane arasında sürtünmeyle oluĢan yüzey kayma gerilmeleri ile sağlanır. Sürtünme kuvvetleri aynı zamanda malzemenin merdaneler arasında ilerlemesini de sağlar. Bu iĢlemde haddelenen malzemenin kesiti küçülürken boyunda uzama ve geniĢliğinde de biraz artma meydana gelir. Buna yayılma adı verilir. Yayılmanın miktarı haddelenen malzemenin boyutlarına uygulanan deformasyon oranına ve merdanelerin çapına bağlıdır [11,23].
Haddeleme, iĢlem sıcaklığına göre sıcak ve soğuk haddeleme olarak sınıflandırılır. Malzemenin yeniden kristalleĢme sıcaklığının üzerindeki sıcaklıklarda yapılan sıcak haddeleme ile döküm yapısı bozulurken, daha küçük kesitli ürünler elde edilir. Soğuk haddeleme levha, folyo, ince çubuk ve tel gibi küçük kesitli ürünlerin elde edilmesinde kullanılır. Soğuk haddeleme; düzgün bir yüzey, hatasız boyutlar ve yüksek mukavemet sağlamasına karĢılık iĢlem için gerekli haddeleme kuvvetlerinin ve gücünün artmasına yol açar [11,23].
Malzemelerine göre merdaneler genel olarak çelik merdaneler ve dökme demir merdaneler olarak ikiye ayrılırlar. Çelik merdanelerde, karbon çeliği veya alaĢımlı çelikten dövme veya döküm yöntemleri ile üretilir, sonra ısıl iĢlem yapılarak istenilen mekanik özellikler sağlanır. Çelik merdaneler de kendi arasında dövme çelik merdaneler ve dökme çelik merdaneler olmak üzere iki gruba ayrılır. Dökme
28
demir merdaneler de beyaz dökme demir, gri dökme demir ve küresel grafitli dökme demirden yapılabilir. Merdanelerde, genelde aĢınmanın önlenmesi için yüzey sertliğinin yüksek olması ve iç kısımların da eğme deformasyonu ile kırılmaması için kırılma tokluğunun yüksek olması gerekir [11,23].
Haddelemede etki eden kuvvetleri ve haddeleme geometrisini gösteren Ģekil 3.1‟de, wo geniĢliğindeki ve ho kalınlığındaki bir saç, vo hızı ile merdanelere girmekte ve haddelenip h1 kalınlığında ve v1 hızında merdanelerden çıkmaktadır [11,23].
ġekil 3.1. Haddelemede etki eden kuvvetler [11,23].
Gerçekte haddelenmiĢ saçın w1 geniĢliği yayılma sebebiyle wo giriĢ geniĢliğinden biraz büyük olmasına rağmen, geniĢliğin değiĢmediğini kabul edersek haddeleme sırasında merdanelerin malzemeye uyguladığı radyal basma kuvvetleri malzemenin boyca uzamasını sağlamaktadır. Haddelenen malzemenin merdaneler arsındaki herhangi bir düĢey elementinin distorsiyona uğramaması için çıkıĢ hızı (v1), giriĢ hızından (v0) büyük olmalıdır. Haddelenen malzemenin hızı merdanelere giriĢten çıkıĢa doğru devamlı artarken merdanelerin yüzey hızı (v) sabit olup, v0 ile v1 arasındadır [11,23].
Malzemenin merdaneler arsındaki geçiĢ hızı sadece bir noktada merdanelerin yüzey hızına eĢittir. Bu noktaya nötr nokta denir [11,23].
Merdanelerle saç arasındaki temas boyunda her noktada malzemeye etki eden iki kuvvet vardır. Bu kuvvetler radyal basma kuvveti (Pr) ve merdane ile malzeme arasındaki F sürtünme kuvvetidir [11,23].
29
Kavrama açısı veya temas açısı ise giriĢ düzlemi ile merdanelerin merkezlerini birleĢtiren düzlem arasındaki açısıdır [11,23].
3.1.1 HADDELEME YAPISI
Soğuk iĢlem ile oluĢan dislokasyonların birbirleriyle etkileĢimi sonucu malzemenin sertliğinde artıĢ meydana gelir ki buna deformasyon sertleĢmesi denir. Polikristal malzemelerde bitiĢik tanelerin karĢılıklı engellemeleri ile birçok kayma sistemi meydana gelir ve bu Ģekilde kaydadeğer deformasyon sertleĢmesi oluĢur. Belirli bir sıcaklık ve sürelerde oluĢan ve deformasyon sertleĢmesine neden olan bu plastik deformasyona soğuk iĢlem adı verilir [24].
Deformasyon arttıkça, çapraz kayma oluĢur. Soğuk iĢlem yapıları yüksek dislokasyon bölgeleri veya düğümleri oluĢturur ve düğüm ağları geliĢir. Bunun sonucu olarak, soğuk iĢlem halinin karakteristik yapısı, yüksek yoğunluklu dislokasyon düğümlerinin hücre duvarları oluĢturduğu hücresel altyapıdır. Soğuk iĢlem yapısı, malzeme, Ģekil değiĢimi, deformasyon hızı, deformasyon sıcaklığına bağlıdır. Yüksek yığın hata enerjisine sahip malzemelerde hücre yapısı geliĢimi daha fazladır [24].
DepolanmıĢ enerjinin büyüklüğü metalin ergime sıcaklığı ve çözünen elementteki artıĢ ile artar. Yığın hataları ve ikizlenme hataları depolanmıĢ enerjinin küçük bir oranına karĢılık gelir. Katı çözeltinin deformasyonu esnasında depolanmıĢ enerjiye katkı sağlar. Soğuk iĢlem halinde iç enerjideki artıĢ kimyasal aktivitelerin artıĢına neden olur [24].
3.1.2 HADDELEME ĠLE OLUġAN MĠKROYAPI VE DEPOLANMIġ ENERJĠ
Bir metali deforme etmek için harcanan iĢin çoğu ısı olarak dıĢarı verilirken yalnızca küçük bir oranı ( %1 ) depolanmıĢ enerji olarak metalde kalır. Deforme metalde özellik değiĢimlerinin kaynağı olan depolanmıĢ enerji, deformasyon esnasında oluĢan dislokasyon ve nokta hatalarından elde edilir. Oda sıcaklıklarında tüm depolanmıĢ enerji dislokasyonların birikimi ile elde edilir. Deformasyon ve tavlanmıĢ koĢullar arasındaki fark diskolasyon içeriği ve düzenlenmesinde yatar. Bundan dolayı toparlanma ve yeniden kristalleĢme esnasında deformasyon mikroyapısının etkisi diskolasyonların yoğunluğu, dağılımı ve düzenlenmesi temeline dayanır [25].
30
Dislokasyon yoğunluğundaki artıĢ, yeni oluĢturulan mobil dislokasyonların varolan dislokasyonlar tarafından sürekli engellenmesinden ve bunların deforme edilmiĢ halin karakteristiği olan çeĢitli mikroyapısal özelliklere dahil olmasındandır. Bunlar içinde en basit olanı ise tane Ģeklidir. Deformasyon esnasında polikristal metalin taneleri makroskopik Ģekil değiĢimine karĢılık gelen bir davranıĢla Ģeklini değiĢtirir. Sonuç olarak tane sınırı alanında artıĢ olur. Örnek olarak küp Ģekilli tanenin deformasyonudur. %50 redüksiyondan sonra bu tanenin yüzey alanı %16 artar, %90 redüksiyondan sonra artıĢ %270‟dir. %99 redüksiyondan sonra ise bu değer %3267‟ye çıkar [25].
Alandaki bu artıĢ ile iliĢkili enerji, soğuk iĢlemin depolanmıĢ enerjisinin önemli bir kısmını oluĢturur, ve küçük tane boyutu ve yüksek Ģekil değiĢimlerinde daha da büyür [25].
Birim hacime göre tane sınırı alanındaki artıĢ oranı deformasyon biçimine son derece yüksek bir bağımlılık gösterir. HaddelenmiĢ levhanın taneleri tiriz haline gelirken, tel çekme taneleri iğne, basma uygulanmıĢ örneğinkiler ise disk Ģeklini dönüĢür [25].
Deformasyon mikroyapısının ikinci özelliği ise, tane içersinde bir iç yapının ortaya çıkmasıdır. Bu durum bazı tür sınırların ortaya çıkmasını içerir. Birçok yeni oluĢan dislokasyonlar sonradan bu iç sınırlara yerleĢirler. Dislokasyon ve depolanmıĢ enerjinin diğer bir kaynağı, düĢük oranda deforme olan veya hiç deforme olmayan ikincil faz partiküllerinin yapıda yeralmasıyla iliĢkilidir. Bu uyumsuzluk da daha fazla dislokasyonun oluĢması ile sonuçlanır [25].
Küçük miktardaki depolanmıĢ enerji deformasyon esnasında oluĢan tüm sertleĢmelerin kaynağınıdır. DepolanmıĢ enerjinin yokolması tavlama esnasında oluĢan tüm özellik değiĢimlerinin nedenini oluĢturur [25].
Deformasyon esnasında dislokasyon yoğunluğunda artıĢ varolan dislokasyonların birbirini engellemesi ve yeni dislokasyonların oluĢmasından meydana gelir. Deformasyon esnasında dislokasyonlar ( Burger vektörü b ) L ortalama mesafesinde hareket eder, ve dislokasyon yoğunluğu ( ) gerçek Ģekil değiĢimi ( ) arasındaki iliĢki;
= b L (3.1) bağıntısı ile ifade edilir [25].
31
Eğer deformasyon mikroyapısı alttanelerden oluĢuyorsa, depolanmıĢ enerji, alttane çeperlerini oluĢturan düĢük açılı tane sınırlarının spesifik enerjisi (s ) ve alttane çapından ( D ) hesaplanır. DüĢük açılı sınırların alanı birim hacimde 3/D‟dir, bundan dolayı birim hacimdeki enerji ( ED) ;
ED D s 3 R s (3.2.)
olur. Burada , 1,5 değerindeki sabittir [25].
Bu durumda büyüme hızı yenidenkristalleĢme esnasında daha yüksek depolanmıĢ enerji bölgeleri tüketildikçe azalır [25].
3.2 ALÜMĠNYUM MALZEMELERĠN TEMPER GÖSTERĠLĠġĠ
Üretilen bir mühendislik malzemesinin son kullanım koĢullarında istenen mekanik özellikleri tanımlamak amacıyla temper tanımlama sistemleri geliĢtirilmiĢtir.
Yassı alüminyum malzemelerin ısıl iĢleminde, iĢlem koĢullarını ifade etmek için kullanılan çeĢitli tanımlar ve iĢaretler mevcuttur. Bu tanımlar aĢağıda verilmiĢtir. a.) Temper Tanımı: HaddelenmiĢ alüminyum alaĢımının temperi ile kastedilen, kontrollü soğuk haddeleme ve ısıl iĢlemle elde edilen fiziksel durumdur. Eğer tam tavlanırsa mümkün olan maksimum uzamaya (Ģekillendirilebilirlik), eğer yalnızca soğuk haddelenirse maksimum mukavemete sahip olur. Yada her iki iĢlem de dengeli bir Ģekilde uygulanarak arzu edilen özelliklerde malzeme elde edilebilir. AlaĢım temperinden korozyona karĢı dayanım ve anotlaĢtırma gibi özellikler de etkilenir [26].
b.) Temper ĠĢaretleri: Alüminyum birliği tarafından kullanılan iĢaretler Tablo 3.1‟de verilmiĢtir [26].
32 Tablo 3.1 Temper Tanımları [26].
F O T H W
Üretildiği Ģekilde (belirli bir mekanik özellik yoktur) TavlanmıĢ
Farklı miktarlarda ısıl iĢlem görmüĢ Belirli miktarda soğuk iĢlem görmüĢ Solüsyona alma ısıl iĢlemi görmüĢ
H12 H14 H16 H18 H19
Soğuk iĢlemle sertleĢtirilmiĢ 1/4 sertlik Soğuk iĢlemle sertleĢtirilmiĢ 1/2 sertlik Soğuk iĢlemle sertleĢtirilmiĢ 3/4 sertlik Soğuk iĢlemle sertleĢtirilmiĢ 4/4 sertlik Soğuk iĢlemle sertleĢtirilmiĢ –çok sert H22
H24 H26 H28
Soğuk iĢlemle sertleĢtirilmiĢ ve kısmen tavlanmıĢ 1/4 sertlik Soğuk iĢlemle sertleĢtirilmiĢ ve kısmen tavlanmıĢ 1/2 sertlik Soğuk iĢlemle sertleĢtirilmiĢ ve kısmen tavlanmıĢ 3/4 sertlik Soğuk iĢlemle sertleĢtirilmiĢ ve kısmen tavlanmıĢ 4/4 sertlik H32
H34 H36 H38
Soğuk iĢlemle sertleĢtirilmiĢ ve kararlı hale getirilmiĢ 1/4 sertlik Soğuk iĢlemle sertleĢtirilmiĢ ve kararlı hale getirilmiĢ 1/2 sertlik Soğuk iĢlemle sertleĢtirilmiĢ ve kararlı hale getirilmiĢ 3/4 sertlik Soğuk iĢlemle sertleĢtirilmiĢ ve kararlı hale getirilmiĢ 4/4 sertlik T1
T2 T3
Yüksek sıcaklıktan soğumuĢ ve doğal yaĢlanmıĢ
Yüksek sıcaklıktan soğumuĢ, soğuk iĢlem görmüĢ ve doğal yaĢlanmıĢ Solüsyona alma ısıl iĢlemi görmüĢ, soğuk iĢlenmiĢ ve doğal yaĢlanmıĢ
c.) “H” Temperleri
1: son basamağının haddeleme olduğunu gösterir. 2: son basamağının ısıl iĢlem olduğunu gösterir.
3: son basamağının gerilim giderme ısıl iĢlemi olduğunu gösterir.
Örneğin H14 ve H24 aynı sertliğe sahiptirler, fakat H24 derin çekmeye ve katlamaya daha uygundur, H14 ise mekanik özelliklerin iyi olması istenildiğinde tercih edilir [26].
33
4. ĠKĠZ MERDANE DÖKÜM YÖNTEMĠ ĠLE ÜRETĠLEN MANGAN ĠLAVELĠ ALÜMĠNYUM ALAġIMLARI VE TERMOMEKANĠK DAVRANIġI
Ġkiz merdaneli sistemin dökebileceği bazı alaĢımların çoğunun katılaĢma aralıklarının (Tablo 4.1) yüksek olması nihai ürün özelliklerini olumsuz yönde etkileyebilecek yüzey ve merkezhattı segregasyonlarının Ģiddetli olmasına, ayrıca bu alaĢımların yüksek mukavemetlerinden dolayı döküm esnasında merdane ayırım güçlerinin yetmemesine neden olmaktadır. Ancak bu çalıĢmanın konusu olan AA8006 alaĢımı endüstriyel olarak dökülen alaĢımların içinde katılaĢma aralığı en dar olanıdır [4,27].
Tablo 4.1. Farklı alaĢımların katılaĢma sıcaklık aralıkları [4,27] AlaĢım 1050 2024 3005 5005 7075 8006 8011 KatılaĢ ma aralığı (C) 646-657 505-640 630-655 630-650 480-640 643-647 640-655 Fark 11 135 25 20 160 4 15
Ġkiz merdane döküm yöntemi ile levha üretim prosesi alüminyum endüstrisinde önemli yer tutar (Tablo 4.2). Çünkü DC döküm ile karĢılaĢtırıldığında düĢük ürün ve üretim maliyetlerinden dolayı bir çok avantajı vardır. Yüksek mukavemet ve sünekliğin kombinasyonunu veren ince levhalar birçok uygulama için kullanılmakta bu nedenle yüksek Fe ve Mn içeren AA8006 gibi alaĢımlar AA1XXX ve AA8011 alaĢımlarının yerini almaktadır. Ancak AA8006 alaĢımlı levhalar birçok problemi içermesinden dolayı döküm koĢulları ve son iĢlemlerinin iyi bir Ģekilde düzenlenmesi gerekir [28].
Döküm Ģartlarına bağlı olarak as-cast ürünlerin yapısı ve dolayısıyla son ürünün özellikleri değiĢmektedir. Bu nedenle TRC döküm Ģartlarının optimizasyonu önemli bir teknoloji geliĢtirme aĢamasını oluĢturur [28].
34
Tablo 4.2 Ġkiz Merdane Döküm Yöntemi Ġle Dökülen Levhalardan Üretilen Folyo Ürünleri ve AlaĢımlar [9].
Folyo Ürünü AlaĢımlar
Kutu
BuruĢuk kap folyosu Medikal (ilaç folyosu) Mutfak folyosu Sigara folyosu ġiĢe kapağı
Elektrik & Mekanik parça sarıcıları Kondansatör folyosu Reflektör izolasyon folyosu Laminasyon folyosu Finstok ( ısı değiĢtirici) folyosu 1230, 1145,3004 1230, 1145,3003,8011,8006 1230,1145 1230,1145,8011,8006 1230,1145 1230,1145,3003,8011 1230,1145 1190,1199 1230 1230,1235 1100,1145,3003,5005,7072,8011, 8006
AA 8006 alaĢımında Mn ilavesi Fe ve Si çözünürlüğünü ve böylece tavlama esnasında katı çözelti ayrıĢmasını ve yapı dönüĢümünü etkilemektedir [29]. Bu açıdan konu ele alındığında alüminyum alaĢım sistemlerinde yapının termomekanik iĢlemler sonucu dönüĢümü, bileĢimde Mn bulunması ile ilgili olduğu ortaya çıkmaktadır. Ġkiz merdane döküm yöntemi ile üretilen Mn ihtiva eden ve literatürde birçok araĢtırmaya konu olan alaĢım sistemleri AA standartına göre Ģu Ģekilde sıralanabilir: 3XXX serisinin tüm alaĢımları ( örneğin; AA3003,AA3004, AA3005, AA3103, AA3105 ), 5XXX serisinde 5052 alaĢımı ve 8XXX serisinde AA8014 ve AA8006 alaĢımlarıdır [4].
3XXX serisi alaĢımlar 2XXX serisi gibi ısıl iĢlemle sertleĢtirilebilir değildirler. Korozyon direnci ile Ģekillendirilebilirliğin çok iyi bir kombinasyonu söz konusudur [30]. AA8006 alaĢımı da ısıl iĢlemle sertleĢmeyen, deformasyonla sertleĢebilen bir alaĢımdır.
Ġkiz merdane döküm yöntemi ile üretilen; yüksek katı çözünürlülüğe, belli oranda deformasyon ve çok ince faz yapısına sahip Mn içeren alaĢımların proses edilmeleri esnasında karĢılaĢılan ana problem yüzeyde aĢırı kaba tane büyümesi ve buna bağlı olarak Ģekillendirme iĢlemleri esnasında karĢılaĢılan kusurlardır.
Bu alaĢım sistemlerinden yüksek Mn içeren seri (3XXX serisi ) birçok çalıĢmaya konu olmuĢken, daha düĢük Mn içeren AA8014 ve AA8006 alaĢımlarında mikromekanizmayı açıklayacak yeterli derecede araĢtırma bulunmamaktadır. Bu
35
çalıĢmada da, literatürdeki temel mekanizmalar incelenerek AA8006 alaĢımının termomekanik davranıĢı belirlenmeye çalıĢılmıĢtır.
4.1 MANGAN ĠLAVELĠ ALÜMĠNYUM ALAġIMLARINDA OLUġAN MĠKROMEKANĠZMALAR
Soğuk iĢlem dislokasyon hücre yapısı, mekanik olarak kararlı olmasınına karĢın termodinamik olarak kararlı değildir. Artan sıcaklık ile soğuk iĢlem hali çok daha kararsız hale gelir. Sonuç olarak metal yumuĢar ve ilk deformasyonsuz hale döner. Bu Ģekilde oluĢan tüm prosese tavlama denir. Yüksek derecede soğuk iĢlem görmüĢ metale tekrar süneklik kazandıran tavlama iĢlemi ticari olarak çok önemlidir. Tavlama prosesi üç farklı prosese ayrılabilir: toparlanma ( recovery), yenidenkristalleĢme ve tane büyümesi. Toparlanma, soğuk iĢlenmiĢ metalin mikroyapıda herhangi bir gözlenebilir değiĢim olmaksızın fiziksel özelliklerini tekrar kazanması olarak tanımlanır. YenidenkristalleĢme, soğuk iĢlem yapısının yeni dislokasyonsuz tanelerle yerdeğiĢtirmesidir. Eğer dislokasyonsuz taneler yenidenkristalleĢme sıcaklığının üzerindeki bir sıcaklığa ısıtılırsa tane boyutunda daha da artıĢ meydana gelir. Tane büyümesi için itici kuvvet, tane boyutu artıĢıyla tane sınırı alanındaki azalmadan kaynaklanan serbest enerjideki azalmadır. Bazı durumlarda tane büyümesi tane sınırı hareketini engelleyen ikincil faz partiküllerinin dispersiyonu ile engellenebilir [24].
Ġkiz merdane dökücüleri belirli bir prodüktivite ile 6 – 10mm aralığında levha döküm özelliğine sahiptir. Döküm kalınlığında azalma ile döküm hızında ve haliyle prodüktivitede çok yüksek artıĢlar meydana gelir.Bu nedenle levha döküm özelliklerinin karakterizasyonu ve döküm özelliklerinin geliĢtirilmesi üzerine birçok araĢtırma yapılmıĢtır. Ġnce levhalar konvansiyonel olarak dökülen levhalara göre belirli bazı farklılıklar göstermekte ve bu nedenle yüksek plastiklikte folyostoğu (folyo yarı mamul ) ve levha malzemesi üretimi için farklı alt termomekanik proses rotalarınına ihtiyaç duyulmaktadır [31].
Yüksek katılaĢma hızlarından dolayı ikiz merdane ile dökülmüĢ levhalarda dentrit kol aralıkları çok küçüktür. Levha yüzeyinden merkeze kadar mikroyapının aĢama aĢama kabalaĢması bu döküm yönteminin tipik bir özelliğidir. Yüzeye yakın bölgelerde birincil fazların interdentritik ağı merkezdeki kadar iyi tanımlanabilecek boyutlarda değildir. Bu durum, yüzeydeki hızlı katılaĢma esnasında denge
36
Ģartlarından büyük sapmalar nedeniyle alaĢım elementlerinin katı çözünürlülüklerindeki yüksek artıĢlar nedeniyledir [31].
Yüzeydeki yapı deforme edilmiĢ malzemenin karakteristik yapısını verir. Taneler hadde yönüne paralel incelendiğinde uzamıĢ ve yassılaĢmıĢtır. Bu etki, ileriye doğru bir ekstrüzyonundan dolayı levhada oluĢan kayma ile oluĢur. Levha, merdane kontak yayında merdaneye yapıĢırken, soğuyan metalin kayma gerilmeleri merdane ve levha yüzeyleri arasındaki sürtünme kuvvetlerini yenecek seviyeye geldiğinde, yalnızca merdanenin son bölümünde yapıĢmaz. Merkezdeki tanelerin daha eĢeksenli yapı göstermeleri deformasyona çok az maruz kalmaları veya hiç maruz kalmamalarından dolayıdır. Birincil partiküller üzerinden yapılan incelemeler de yüzeydeki deformasyonu göstermektedir. Birincil partiküller haddeleme/döküm yönüne hemen hemen paralel yönlenmiĢtir. Yüzeydeki dik sıcaklık ve deformasyon gradyanının katılaĢma hızı ve deformasyon paternlerinden sorumlu olduğu düĢünülmektedir [31].
Döküm esnasında oluĢan yüzey kayma deformasyonu miktarı ve çökelme, malzemenin tavlanması esnasında kaba tane geliĢimine neden olur [21].
Yüzey tabakasından yapılan TEM incelemeleri yüzeyin çok sayıda ince düĢük açılı tane sınırları içerecek Ģekilde kısmi olarak toparlandığını göstermektedir. Hatta nisbi olarak yoğun yüksek açılı sınır da bulunmuĢtur [31].
Termomekanik proseslerle mikroyapı kontrol edilerek malzemelere geliĢmiĢ özelliklerin kazandırılması amaçlanır. Birçok prosesde çözünen elementlerin aĢırı doymuĢluğu, ikincil faz partiküller ve yenidenkristalleĢme arasındaki etkileĢimden faydalanılır [32].
Partiküllerin etkilediği/neden olduğu yenidenkristalleĢmenin üç bileĢeni bulunur: aĢırıdoymuĢluk derecesi, deforme edilemeyen inklüzyonlar ve katı hal çökeltileri. 1) Eğer çözünen atomlar katı çözeltide stabil halde kalırsa, yenidenkristalleĢme sıcaklığını yükselterek yenidenkristalleĢmeyi geciktirirler.
2) Eğer çözünen atomlar katı çözeltide metastabil halde kalırsa, yenidenkristalleĢmeden önce veya yenidenkristalleĢme ile eĢzamanlı olarak ikincil faz Ģeklinde (dispersoid) çökelirler. Ġlk durum için bunlar yenidenkristalleĢmenin hareketini yavaĢlatırlar ( süreksiz yenidenkristalleĢme ), sonraki koĢulda (2. durum) alttane büyümesi tipindeki reaksiyonu kontrol ederler (sürekli yenidenkristalleĢme ).
