ALÜMiNYUM BRONZLARINDA FARKLI KATILAŞMA HIZLARININ MİKROYAPI VE MEKANİK ÖZELLİKLERE ETKİSİ
Mehmet ÜNAL* ve Adem KURT**
* Z.K.Ü. Karabük Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük, Türkiye
** G.Ü Teknik Eğitim Fakültesi, Ankara, Türkiye
Alüminyum bronzlarının kimyasal kompozisyonu ve soğuma hızlarındaki küçük değişikler ile daha iyi mekanik özellikler elde etmek mümkündür. Bu çalışmada kimyasal bileşimi % 86,51 Cu, %10,06 Al, ve % 3,11 Fe alaşımlı alüminyum bronzu kullanıldı. Bu alaşım soğutucular kullanılarak hazırlanan ve 8 farklı katılaşma zamanı veren kum kalıplara döküldü. Farklı katılaşma zamanlarına sahip olan blok döküm parçaların mikro yapıları, sertlik, çekme ve çentik darbe dayanım özellikleri incelendi. Yapılan çalışmada, alaşımın katılaşma hızları arttıkça; çekme ve çentik darbe dayanımının önemli ölçüde arttığı, fakat sertlik değerlerinin de düştüğü görülmüştür.
It is possible to obtain better mechanical properties by modifying chemical composition and cooling rates at the aluminium bronze. The chemical composition of aluminium bronze which was used in this study, contains % 86.51 copper, % 10.06 aluminium and % 3,11 iron. Due to casting of this alloy in a sand moulds which were prepared using coolers, eight different solidification time were obtained. The cast block samples which had different solidification time, were examined as microstructure, hardness, tension and V -notch impact values. In this research, it is found that when the solidification rates of alloy increases tension strength and V - notch impact values increase but hardness values of alloys decrease.
Keywords: Copper alloys, Aluminium bronze,
Microstructure, Mechanical properties.
Alüminyum bronzları alaşıma ilave edilen katkı elemanlarına, elde edilen alaşımın mekanik özelliklerine, yapı türlerine ve kullanma alanlarına göre sınıflandırılırlar. Alüminyum bronzları genel olarak iyi mukavemet, korozyon, süneklilik, sertlik ve gerilim uygulamalarında kullanılırlar. Ayrıca uygun yağlama yapıldığında, yüksek aşınma dayanıma sahip olduklarından dolayı, dişli, yatak ve kalıp yapımı gibi uygulamalarda da kullanılırlar [1,2].
Alüminyum bronzlarının mekanik özellikler, başta alüminyum olmak olmak üzere, alaşım elementlerinin miktarına bağlıdır. Alüminyum bronzlarında mekanik özellikleri etkileyen diğer bir etkende, alaşımlara uygulanan ısıl işlemler ve kontrol edilebilen katılaşma hızlarıdır. Alüminyum bronzlarından üretilmiş döküm parçaların mekanik özelliklerini geliştirmek için parçaların kontrollü soğutulması sistemi geliştirilmiştir[3,4,5]. Bu kontrollü soğutma sistemine göre, sıcak kalıplara dökülen parçalar 600°C-700°C’deki fırın sıcaklığının yavaş yavaş belli değerler arasında azaltılması ile sağlanır. Yavaş soğutma işlemleri demirsiz alüminyum bronzlarına öz tavlama oluşmasından dolayı uygulanmaz. Ayrıca yavaş soğutma ile ötektoid sıcaklıkta alaşımda bulunan b fazı a+g2 fazlarına dönüşerek yapının kaba ve gevrek olmasına neden olur. Alüminyum bronzlarında bulunan demirin, ötektoid noktada b fazının dönüşümünü engellediği rapor edilmiştir[6,7].
Alüminyum bronzları çok yavaş soğutulursa sert ve kırılgan yapılar ortaya çıkar. Alüminyum bronzlarının kum dökümlerinde katılaşma sırasında, alaşımın kendi kendine ısıl işleme maruz kalma olasılığı olduğundan kum kalıplardaki yavaş soğumadan kaçınılır. Alaşım kum kalıplarda katılaşmasını tamamladıktan hemen sonra kalıp dışına çıkarılır ve kalın kesitli bölgelere ince su spreyi uygulanır veya soğumayı kalıp içerisinde hızlandırmak amacıyla kalıp içersine soğutucular yerleştirilir. Alüminyum bronzlarında % 9,5- % 10,5 alüminyumlu alaşımların kendi kendine ısıl işlem görmesi istenmez. Yavaş soğutma işlemi uygulanmış malzemelerde yapı iri taneli olacağı için yavaş soğumadan kaçınılır.
Demirli alüminyum bronzlarda demir, eriyik içinde tamamen erimez ve homojen bir şekilde yayılmazsa sert noktalar oluşacaktır. Bu sert noktalar metalin işlenmesi sırasında takımların kırılmasına bile sebep olabilir. Sert noktalar genellikle işlenmiş yüzeyden dışarı çıkar.
Bu çalışmada geniş bir kullanım alanına sahip olan alüminyum bronzunun soğuma hızlarındaki değişiklikler ile mekanik özellikleri ve mikro yapıyı nasıl etkilediği araştırılmıştır.
2. DENEYSEL ÇALIŞMA VE MALZEMELER
Bu çalışmada Çizelge 1’de kimyasal bileşimi verilen alüminyum bronzu kullanılmıştır. Alaşım, sıvı yakıtla çalışan yer ocağı kullanılarak hazırlanılmıştır. 7 adet değişik kalınlıklarda soğutucu kullanılarak ve 1 adette soğutucusuz olmak üzere toplam 8 adet blok deney numunesi dökülmüştür.
Çizelge 1. Deney numunelerin dökümünde kullanılan alaşımın kimyasal bileşimi
Alaşım Elementleri % Bileşim
Diğer elementler 0,32
2.1. Soğutucuların ve Kalıpların Hazırlanması
Farklı zamanı elde etmek için şekil ve ölçüleri Şekil 1’de verilen 7 farklı soğutucu, dökme demirden üretilmiştir. Soğutcuların sıvı metalle doğrudan temasını önlemek amacıyla soğutucu yüzeyleri grafit boyasıyla çok ince bir tabaka olacak şekilde kaplanmış ve soğutucular kalıpla birlikte kurutulmuştur.
Soğutucu kullanılmadan dökülecek olan kalıpta çekme hatasını önlemek amacıyla 100 mm yükseklikte 60 mm çapında bir silindirik besleyici kullanılmıştır. Kullanılan modelin perspektif resmi Şekil 2’de, döküme hazır haldeki kalıbın kesit resmi ve soğutuculların kalıptaki durumu ise Şekil 3’de gösterilmiştir.
2.2. Termal Analiz
Yapılan dökümlerin soğuma eğrilerini elde etmek için (K) tipi NiCr-Ni termokapıl seramik yalıtıcı içersine yerleştirilerek kullanılmıştır. Termokapıl kalıp içerisindeki yerine Şekil 3’de görüldüğü gibi yerleştirilmiş ve dijital termometreye bağlanmıştır. Sıvı metalin katılaşması sırasında sıcaklık değerleri belli aralıklarla okunarak kaydedilmiştir. Elde edilen sıcaklık-zaman değerleri kullanılarak her döküm parçanın soğuma diyagramları çizilmiştir.
2.3 Deney Numunelerinin Hazırlanması
Deney numune parçaları dökülen bloklardan Şekil 4’de gösterilen bölgelerden, soğutma sistemli hidrolik testere kullanılarak alınmıştır.
Çekme ve çentik darbe deney numunelerinin hazırlanması
Kimyasal bileşimleri aynı olan fakat soğuma hızları farklı olan dökülen 8 ayrı döküm bloktan; 4’er çekme numunesi [TS 138], 3’er çentik darbe numunesi [TS 269] hazırlanmıştır. Şekil 5.a’da çekme deney numunesi, Şekil 5.b’de ise çentik darbe numunesi görülmektedir.
Sertlik deney numunelerinin hazırlanması
Dökümü yapılan blokların orta kısmından dik olarak kesilen ve daha sonra zımpara ile parlatılan numunelerin sertlik değerleri Instron-wolpert marka brinell sertlik ölçme cihazı ile ölçülmüştür. Her numuneden aynı olmak şartıyla 4 farklı mesafe belirlenmiş ve her mesafeden 5 sertlik ölçümü yapılmıştır. Elde edilen değerlerin ortalaması alınarak sertlik değerleri belirlenmiştir.
Metalografik numunelerin hazırlanması ve tane boyutunun hesaplanması
Her döküm bloktan ayrı ayrı hazırlanan numuneler bakalite alındıktan sonra 220, 500, 800, 1000 ve 1200 numaralı su zımparalarıyla sırasıyla zımparalanmıştır. Zımparalama işlemi tamamlanan numuneler parlatma cihazında alumina ile parlatılmıştır. Parlatılan numuneler H2O+HN3+H2O dağlayıcısı ile dağlanmıştır. Dağlanan numunelerin mikro yapıları Reichert marka optik mikroskopta x250 büyütme ile fotoğrafları çekilmiştir. Dökülen alüminyum bronzunun soğuma hızlarına göre oda sıcaklığında mikro yapılarındaki tane boyutları MLI (Mean Linear Intercapt) metodu kullanılarak ölçülmüştür.
3. DENEY SONUÇLARI VE DEĞERLENDİRME
3.1. Çekme Deney Sonuçları
Çekme deney sonuçlarına göre bütün döküm blokların gerilim-uzama diyagramları toplu halde Şekil 6’da verilmiştir.
Elde edilen sonuçlara göre, kullanılan döküm alaşımının soğuma hızı arttıkça tane yapısı küçülmekte ve buna bağlı olarak çekme ve akma mukavemetleri artmaktadır. En yüksek akma ve çekme mukavemeti 50 mm’lik soğutucu kullanılan ince tane yapılı döküm numunede elde edilirken, en düşük çekme ve akma mukavemiti soğutucu kullanılmayan kaba tane yapısına sahip döküm numuneden elde edilmiştir.
3.2. Çentik Darbe Deney Sonuçları
Numunelerin çentik darbe deneyleri sonucunda elde edilen darbe dayanım dağılımı Şekil 7’de görülmektedir.
En yüksek çentik-darbe dayanımı 50 mm’lik soğutucu kullanılan döküm numuneden elde edilmiştir. En düşük çentik darbe dayanımı ise soğutucu kullanılmamış döküm numunesinden elde edilmiştir. Dökülen alaşımın çentik darbe dayanımları soğutucu kalınlıklarına göre hızlı soğumalarda oluşan ince tane yapılı numunelerde artmıştır.
3.3 Sertlik Deney Sonuçları
Dökülen numunelerden elde edilen sertlik değerlerinin sonuçları, soğutucu kalınlıklarına göre karşılaştırılması yapılarak Şekil 8’de verilmiştir.
Sertlik deneyi sonuçlarına göre, soğutucu kullanılmamış iri tane yapısına sahip döküm numuneden en yüksek sertlik değerine ulaşır iken, 50 mm’lik soğutucu kullanılmış ince tane yapısına sahip döküm numunede ise en düşük sertlik değerine ulaşmıştır. Dökülen alaşımın sertlik değeri, kullanılan soğutucu kalınlıklarına göre soğuma hızı arttıkça düşmekte ve soğuma hızı yavaşladıkça yükselmektedir.
3.4. Metalografi Deney Sonuçları
Dökülen parçalardan alınan numunelerin mikro yapı fotoğrafları optik mikroskopla x250 büyütme ile çekilmiştir. Şekil 9. a’da 50 mm kalınlığında soğutucu kullanılmış numunenin mikro yapısı görülmektedir. Şekil 9. b’de ise soğutucu kullanılmamış numunenin mikro yapısı görülmektedir. Soğutucu kullanılmış numunde tane yapısının, soğutucu kullanılmamış numuneye oranla daha ince olduğu görülmektedir.
3.5 Sıcaklık-Zamanı Analizleri
Farklı soğuma hızlarına sahip döküm blokların sıcaklık - zaman diyagramları Şekil 10’da gösterilmiştir. Soğutucu kalınlığının artışına bağlı olarak soğuma hızınında arttığı Şekil 10’da görülmektedir. 1150 °C den 500 °C’ye soğutucu kullanılmayan numune 1800 saniyede (30 dak.) soğurken, 50 mm kalınlıkta soğutucu kullanılan numune 450 saniyede (7.5 dak) soğumaktadır.
Kullanılan alaşımın soğuma hızına bağlı olarak malzemenin çekme ve çentik darbe dayanımında artma görülmüştür. Bunun yanında ise alaşımın soğuma hızının artması ile sertliğinin azaldığı görülmektedir.
Döküm parça kalınlığının az olmasından dolayı, soğutucular döküm parçanın tümünü etkilemiş ve belli bir geçiş bölgesi oluşmamıştır.
Kullanılan soğutucu kalınlıklarına göre blok döküm numuneler arasında, çekme dayanımlarında 0,5-1 kg/mm2, çentik darbe dayanımlarında 1-2 joul’luk bir artış, sertlik değerlerinde ise 1-2 brinell değerinde bir azalma kaydedilmiştir.
Alaşımda farklı soğuma hızlarına göre oluşan yapısal farklılıklar malzemenin mekanik özelliklerini etkilemektedir . Deney sonuçlarına göre en büyük farklılık 50 mm kalınlığında soğutucu kullanılan döküm numune ile soğutucu kullanılmamış döküm numune arasında görülmektedir. Yavaş soğuyan alüminyum bronzlarının mekanik özelliklerindeki azalma mikro yapıda oluşan iri tane yapısı nedeniyledir.
1. M.T.Rowley, Casting Copper-Base Alloys, AFS III, Chapter 11, Aluminum Bronze, USA 1984.
2. H.A.Sidney, Introduction to Physical Metallurgy, Second Edition, New York, USA, 476-477, 1974.
3. P.D.Webster, Fundamentals of Foundary Technology, First Published, Portullis Press Ltd, Norwich, 272-275, 1980.
4. N.Eruslu, A.Altmışoğlu, Y.Taptık, Alaşımlar Ders Notu, İ.T.Ü. Maslak, İstanbul, 130-137, 1990
5. M. Sahaoo, Mechanical Properties Characterisation of Slow-Cooled Aluminum Bronzes, AFs, Transactions, Vol 97, P 97, Ottawa, Canada, 1986.
6. F.Yılmaz, U.Şen, Alaşımların Yapı ve Özellikleri, T.C Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Yayın No: 8 Adapazarı, 92-95, 1996.
7. R.A. Hıggins, Engineering Metallurgy, Part 1: Applied Physical Metallurgy, Sixth Edition, Cornwall, England, 392-395, 1985.
8. Aluminium Bronze, Copper Development Association, Sevent Edition, England, 1985.
9. A.B. Norman, Aluminum Bronze Hard Sports AFS Transaction, Vol 69, P 457, USA, 457-464, 1961.