Al- alaşımları

ALÜMİNYUM ve Al- ALAŞIMLARI
Alüminyum ve Al- Alaşımları, demir esaslı alaşımlardan
sonra, kullanımı en yaygın endüstriyel malzemelerdir.
Geniş kullanım alanlarında tercih edilmesi, bir çok önemli teknik özellikleri
bünyesinde toplamasıyla ilgilidir:
Hafiftirler ( Özgül ağırlığı: 2,7 g/ cm3 ) ;
Genel olarak korozyon dayanımları yüksektir
Elektrik iletkenliği yüksektir (“iletkenlik/yoğunluk”
iletkenlik) bakırınkinden yüksek ),
Özellikle plastik deformasyon yeteneği
kabiliyeti- yüksektir, kolay işlenebilirler;
oranı
(özgül
-genel olarak işlenebilme
Alüminyum alaşımları yaşlandırma sertleştirmesine uygunluğu ile
teknik kullanımda özel çözümler arz ederler (perçin üretimi ve
perçinleme işlemi gibi);
Alüminyum alaşımlarının “mukavemet/yoğunluk” (özgül mukavemet)
değerleri yüksektir;
Dekoratif amaçlı yüzey işlenebilirliği (anodik oksidasyon vb.) bu
alaşımların kullanım alanını genişleten diğer bir özelliğidir.
Al- alaşımlarını, işlenebilirliği de içine alarak, genel özellikleri,
yararlanılan mekanizmalar ve kullanım yerleri itibariyle gruplandırmak
doğru olacaktır:
Korozyona dayanımı esas olan (korozyona dayanıklı) Al- alaşımları;
Yüksek mukavemetli (yaşlandırılabilir) Al- alaşımları;
(Döküme uygun) Al- Döküm alaşımları;
(Plastik deformasyona uygun) Al- Dövme alaşımları.
Saf Alüminyum
Saf alüminyumun bazı temel özelliklerini somutlaştırmak istersek
- Özgül ağırlık (yoğunluk) : 2,7 g/cm3
- Ergime sıcaklığı
:
660 oC
- Isıl genleşme katsayısı : 23,1 µm/(m·K) (25°C'de)
- Elektrik direnci :
26,50 nΩ·m (20°C'de)
Isıl işlemlere ve yöne bağlı olarak geniş bir aralıkta değişen özellikler,
haddeleme ve yumuşatma tavlamasından sonra,
Elastiklik modülü :
65000÷ 70000 N/mm2
Çekme mukavemeti : 70 ÷ 140 N/mm2
Akma Dayanımı (Rp0,2) : 20 ÷ 30 N/mm2
Kopma uzaması :
30÷ 50 %
Kopma büzülmesi :
80 ÷ 95 %
Sertlik :
15 ÷ 25 HB30
mertebelerindedir.
Yukarıda bahsedilen özellikleriyle saf alüminyum, teknik malzeme
olarak, özellikle korozyon dayanımı ve yüzey kalitesi yüksek olması
gereken parçaların üretiminde öncelikle kullanılır (oto-farları ve diğer
yansıtıcılar, kimya ve gıda endüstrisinde kullanılan çeşitli kutular,
kaplar ve ince yapraklar (folye: 4÷ 20 µm), elektronik sanayinde özel
iletkenler gibi).
Korozyon dayanımı yüksek Al- alaşımları
Alüminyumun korozyona dayanıklılığı (paslanmaz çeliklerde olduğu gibi) yüzeyin
koruyucu ve sıkı bir oksit tabakasıyla (Al2O3) kaplanmasından ileri gelir.
Havada veya sulu çözeltili ortamlarda, kolaylıkla,
yüzey bölgesinde oluşan bu
tabaka, parçayı oksitlenmenin devamından korur; oksitleyici kimyasalların (nitrik
asit gibi) alüminyum kaplarda taşınımı ve korunması - üstelik daha kararlı bir
koruma tabakası oluşumu ile- mümkündür. Koruyucu tabakanın genellikle
mekanik yüklemelerle (çizme ve aşınma zorlanmaları gibi)
bozulması halinde,
kullanım ortamında hemen yenilenir.
Çok ince olan bu doğal oksit tabakası ( 10-5 mm), korozif koruyuculuğun devamı
için, mekanik zorlanmalardan uzak tutulur, hattâ kuvvetlendirilir; tabaka
sıkılaştırılır ve kalınlaştırılır (alüminyumun elektrolitik oksitlenmesi yoluna gidilir:
Anodizasyon, Eloksal).
Saf alüminyumdan başka korozyon dayanımı yüksek malzemeler olarak, Al-Mn,
Al-Mg, Al-Mg-Mn alaşımlarının kimya ve gıda sanayisinde kullanımı –maliyetleri
de dikkate alındığında- gereklilik arz eder
Korozyon dayanımları yanında, bu alaşımların toksik olmayışları
özellikle gıda sanayinde (pişirme kapları ve kazanlarının imali
gibi), iyi deformasyon yeteneği ile paketleme sanayinde içecek
kutuları, sarma yaprakları (folyolar) üretiminde, mukavemetleri ve
dekoratif görünümleri ile de bina ve gemi inşaatlarında ve diğer
konstrüksiyonlarda kullanımları ön plana geçer.
Al-Mg, Al-Mg-Mn alaşımlarının gemi inşaatında veya bu ortamda
çalışacak parçaların üretiminde kullanılmaları, özellikle deniz
suyuna dayanımları nedeniyle de, tercih edilir.
Yaşlandırılabilir (yüksek mukavemetli) Al- alaşımları
Bu alaşımların sertlik ve mukavemetlerinin artırılması “yaşlandırma”
ısıl işlemiyle gerçekleştirilir.
Alüminyumun, sertlik, akma ve çekme mukavemetlerini artırmak
amacıyla, Cu, Zn Mg, gibi elementlerle yaptığı yaşlandırılabilir
alaşımlar, diğer özelliklerden ziyade mukavemetin ön plana geldiği
taşıyıcı profiller ve parçalarların üretimiyle, makina ve inşaat
konstrüksiyonlarında kullanılırlar. Alaşım elementlerine göre çok farklı
özellik grupları oluşabilir.
Al-Cu-Mg ve Al-Cu-Si-Mn alaşımları
Özellikle diğer alüminyum alaşımlarının mukavemet özellik beklentileri
bakımından yeterli olmadığı yerlerde tercihen kullanılırlar; bakırdan
dolayı korozyona daha az dayanıklı bu alaşımların korozif ortamlarda
da kabul edilebilir bir teknik ömre ulaştırılması, katodik koruma veya
ince saf alüminyum plakalarla (çoğu zaman birlikte haddelenerek)
“giydirilmesi” ile mümkün olur.
Bu alaşımların teknik kullanımında sadece yüksek mukavemetlerinden
değil, aynı zamanda yaşlandırma safhalarından da yararlanılmış olur ve
“Duralümin” ticari isimli (
%4 Cu içeren) alaşımlardan uçak
sanayinde levha, boru yarı mamullerinin kullanımı ve özellikle perçin
uygulamaları gibi: Malzemeye (perçine) aşırı doymuş katı eriyik
(yumuşak ve sünek) aşamasında plastik şekil verildikten sonra
yaşlandırılır (sert, mukavemetli ve fakat gevrek).
(Al2Cu)
Bu alaşımların yaşlandırma ısıl işlemi ile sertleşmeleri;
CuAl2, CuAl2Mg gibi sert intermetalik fazların,
çok ince ve homojen olarak dağılmış biçimde çökeltilmesiyle
gerçekleştirilir.
bunun sonucu olarak da darbe dayanımları yüksektir ve katı eriyiğe
alma sürecinde de çözülmeyen Mg2Si partikülleri yüzünden aşırı
yaşlanma meyilleri düşüktür (daha yüksek kullanım sıcaklıklarına
dayanıklıdırlar).
Al-Zn-Mg-Cu alaşımları ,
%4÷ 6 Zn; %2÷ 4 Mn; %0,4÷ 2 Cu mertebelerindeki alaşım
elementleri
kompozisyonu
ile,
uygun
yaşlandırma
sonunda
Al-
alaşımları içerisinde en yüksek mukavemete sahiptirler.
( Rm ≈ 550÷ 600 N/mm2 ).
Korozyon dayanımları pek yüksek değildir (bu bakımdan çoğu kere saf
Al- giydirilmiş olarak kullanılır).
Kaynak edilebilirliği iyidir: Al-Zn-Mg alaşımlarına (kaynak kabiliyeti
kazandıran) bu en önemli davranış farklılığı, katı eriyiğe alma sıcaklık
aralığının nispeten yüksek oluşunda (≈ 350÷ 500 oC) ve eriyen alaşım
elementlerinin düşük soğuma hızlarında bile, oda sıcaklığında, aşırı
doymuş katı eriyik içinde kalmalarında yatar.
Al-Zn-Mg-Cu alaşımları, uçak endüstrisine, dövme parçaların ve
fışkırtma (ekstrüzyon) ile yarı mamullerin üretimine uygundur.
Diğer
özellikleri
yanında
özellikle
yüksek
mukavemete
sahip
oluşlarından, uçak, otomobil ve köprü konstrüksiyonlarında ve yüksek
statik gerilmelere maruz (öncelikle basma gerilmelerine çalışan)
makine elemanlarının imalinde kullanılırlar.
Al-Li alaşımları , her ne kadar endüstriyel kullanım bakımından
geliştirme aşaması tamamlanmış sayılmasa da, özellikle ağırlık
tasarrufu ( %10) ve yaklaşık aynı oranda E- modülünde kaydedilen
artışlar
(rijitlik
kazanımı)
yüzünden,
teknolojik
uygulamalarda
vazgeçilemeyecek Al-alaşım grubunu oluştururlar ( alaşımın “özgül
elastiklik modülü (E/ρ)” artışı: %20; ρLi = 0,534 g/cm3 ).
Al-Mg-Si alaşımları ise, hem korozyon dayanımı hem de mukavemet
bakımından tatmin edici özellik kombinasyonuna sahiptirler:
Korozyon dayanımları, yaşlandırılamayan (çökelti partikülleri içermeyen)
alaşımlarınkilere yaklaşırken, mukavemetleri de Al-Zn-Mg ve Al-Cu-Mg
alaşımlarının kullanım alanları doğrultusundaki yerlerde uygulama bulabilecek
düzeydedir (Rm ≈ 150÷ 350 N/mm2) :
Yapı malzemeleri olarak (pencere, kapı gibi), taşıt veya diğer makine
konstrüksiyonlarında kullanılan başka profillerin ve kimya sanayinde iletim veya
depolama ünitelerinin üretiminde bu alaşımlardan yararlanılır.
Genellikle Mg ve Si oranları düşük (Mg2Si oluşmasına yarayacak kadar) tutulur
(%Mg ≈ 0,4 ÷ 1,4 ; %Si ≈ 0,3÷ 1,5 mertebesinde).
Silisyum oranının artırılması halinde ( %11) aşınma dayanımı -genel olarakartar (aşınma dayanımı yanında ısıl genleşme katsayısının da düşmesiyle bu
alaşımlar piston üretimine uygun düşer).
Bu gruptan özel bir alaşım (E-AlMgSi) mukavemetinin ve elektrik iletkenliğinin
yüksekliği ile dikkat çekicidir (saf alüminyumunkilerin, sıra ile, 3 katı ve
%80’i mertebesinde).
Alüminyum Döküm Alaşımları
Bu
alaşımların
genel
ortak
özellikleri,
“dökülebilme
yetenekleri”nin yüksek oluşlarıdır.
Alaşım grupları hem döküm özellikleri hem de diğer özellikler
bakımından kendi aralarında
da önemli farklıklar gösterebilirler.
Genel döküm özelliklerinin iyi olması ise, ötektik bölgesi alaşımlarının
bilinen katılaşma davranışları ile ilgilidir:
- Sabit sıcaklıkta katılaşır: Sıvı halde akışkanlıkları (ve kalıp doldurma
yetenekleri) yüksek. Karışık şekilli parçaların, pratik anlamda boşluksuz,
gözeneksiz üretimi sağlanır.
- Katılaşma aralıkları çok küçüktür: Büzülme (kendini çekme oranı) düşük.
Büyük kesit farklılıkları içeren parçaların çatlaksız, en az içgerilmeli,
homojen (segregasyon ihmal edilebilir) üretimi mümkün.
Al-Si alaşımları
Her şeyden önce döküm özellikleri en iyi alaşım grubundandır. Yapıya
bir miktar Mg (%0,2
0,8 ) veya Cu (%1,2
4 mertebesinde)
katılması ile alaşım, ısıl işlemle (yaşlandırma ile) sertleştirilebilir hale
gelir (Örnek olarak, G-AlSi 10 Mg alaşımı, yaşlandırma ile Rm ≈ 310÷
350 N/mm2
mertebesine ulaşılan mukavemet değeri ve yüksek
dökülebilme yeteneği (%Si değeri oranı ötektik oran civarında) ve
korozyon dayanımları ile çeşitli motor parçaları üretimlerine teknik ve
ekonomik uygunluk gösterir). %11
13,5 mertebesinde Si içeren
alaşımlar (G-AlSi 12) ise daha düşük mukavemetli (Rm ≈ 250 N/mm2)
fakat üstün döküm özelliğine sahip olmaları ile ince cidarlı, karışık
şekilli parçaların imalinde tercih edilirler.
Al-Si-Cu alaşımları, da döküm özellikleri iyi ve (yaşlandırma ile)
sertleştirilebilen alaşım grubundandır (G-AlSi 8 Cu 3 gibi).
Ötektiküstü alaşımlar da, otomotiv teknolojisinde sınırlı alanlarda da
olsa, yoğun kullanıma sahiptirler (sözgelimi %25Si ve %5Cu içeren
Al- alaşımı, motor silindirleri üretiminde kullanımı yaygındır).
Aslında, düşük yoğunluğu (merkezkaç kuvveti düşük) ve
ısı iletim
katsayısının yüksekliği nedeniyle, alüminyum esaslı alaşımlar, motor
silindirleri gibi yüksek ivmeli hareketlerle çalışan parçaların üretimine
esasen uygun olur. Ancak yüksek sıcaklıkta ve yüksek hızla izafi
(kayma esaslı) hareket
eden parçalar için gerek duyulan diğer
özellikler alaşım elementleri tarafından karşılanır.
Si oranının yüksek oluşu, alaşıma
- sıcaklıkta mukavemetini koruma,
- döküm özelliklerini daha iyileştirme yanında,
- yüksek aşınma dayanımı ve
- Fe- esaslı malzemelerle (genellikle grafitli dökme demirlerle) eş
çalışması durumunda, -motorlarda olduğu gibi- önem arzeden,
“uygun ısıl genleşme katsayısı”
sağlar.
Ancak, yüksek oranda Si içeren tüm alaşımlarda, ötektik katılaşma
sırasında oluşan nispeten kaba, keskin köşeli veya iğne şeklinde
diyebileceğimiz (birincil ve/veya ötektik içi) Si-kristalleri, gerilme
yığılmalarına
ve
çentik
etkilerine
yol
açarlar,
malzemenin
mukavemetini düşürür ve gevreklik verir; ayrıca aşınma dayanımını
kötüleştirirler.
Bu bakımdan ince cidarlı parçalar ya kokil dökümle üretilir (kaba Si-
iğneli katılaşmaya izin verilmez) veya genel olarak sıvı alaşıma az
miktarda Na (metalik veya tuz halinde) veya Sr katılır.
Al-Mg alaşımları, %2 11 mertebesinde Mg içermeleri ile bir yandan
korozyon dayanımları kazanırken (özellikle deniz suyuna karşı) , diğer
yandan
da,
dekoratif
-renkli-
ve
koruyucu
anodik
oksitleme
işlemlerine uygunluk kazanırlar.
Ayrıca mekanik özelliklerinin iyi oluşlarıyla da (Rm ≈ 310÷ 350
N/mm2) gemi inşasında -pencere profilleri veya makine parçaları
üretimine- uygun düşerler.
Bu alaşımlarda, α -fazı sıcaklığa bağlı bir artışla %15 oranına kadar
Mg eritebildiği halde, sertlik ve mukavemet artışı, intermetalik çökelti
fazları oluşumu (Al3Mg2- partikülleri) ile değil, katı eriyik sertleşmesi
ile sağlanır.
Tam tersine bu ara fazlarının (özellikle tane sınırlarında çökelmiş
olmaları, hem korozyon dayanımını düşürür (taneler arası korozyon
ve gerilme korozyonu teşvik edilir), hem de alaşımı gevrekleştirir.
Bu bakımdan Al-Mg alaşımlarının döküm işlemlerinde, ötektik
noktanın sağladığı döküm tekniği öncelik ve iyiliklerinden ve döküm
sonrası yaşlanma sertleştirmesi mekanizmalarından yararlanılmaz.
Bunun yerine döküm alaşımları, yine kabul edilebilir dar katılaşma
aralığı gösteren, fakat β- (Al3Mg2) fazları oluşumunun korozyon
dayanımı ve tokluğa negatif etkilerini, tane içerisi küçük çökelti
parçacıkları oluşturarak minimuma indirebilmek amacıyla,
eriyiği bölgesi içerisinde kalacak şekilde seçilir ( %2 11 Mg ).
α-katı
Soğuk deformasyonla sertleşebilen Al- alaşımları
Yaşlandırma ile sertleştirilmesi, çeşitli nedenlerle mümkün olmayan
bazı homojen yapılı Al- alaşımları
soğuk plastik şekil verme ile
sertleştirilebilirler ve pekleşmeden sonra -başka bir ısıl işleme tabi
tutulmaksızın- doğrudan kullanıma alınırlar.
Esas alaşım elementi magnezyum (%Mg
7) olup bir miktar Mn
(%1 2) ve ayrıca Si (%0,5 0,8) içerebilirler.
Yapıda manganın ve özellikle silisyumun bulunması mukavemet
artışına katkı sağlayacaktır (çekme dayanımları soğuk plastik
deformasyonla 350 N/mm2 mertebelerine kadar çıkarılabilir).
Bu dövülebilen alaşımların Mg içermeleri, korozyon dayanımlarını özellikle deniz suyuna karşı- daha da artırır: Gemi ve taşıt
konstrüksiyonlarında, gıda sanayinde kullanıma elverişlidir.
Al-Mg-Si , Al-Cu-Mg , Al-Cu-Mg-Si, Al-Zn-Mg-Cu alaşımları ise, genel
olarak
plastik şekil verilebilme yetenekleri yanında ısıl işlemlerle
sertleşebilen (çökelme sertleştirmesi) ve farklı kullanım şekilleri
(perçin gibi) kazanan, ama korozyon dayanımları -ayrışan intermetalik
fazlar yüzünden- nispeten düşmüş olan, yüksek mukavemetli alaşım
gruplarıdır.
Bunun yerine döküm alaşımları, yine kabul edilebilir dar katılaşma
aralığı gösteren, fakat β- (Al3Mg2) fazları oluşumunun korozyon
dayanımı ve tokluğa negatif etkilerini, tane içerisi küçük çökelti
parçacıkları oluşturarak minimuma indirebilmek amacıyla,
eriyiği bölgesi içerisinde kalacak şekilde seçilir ( %2 11 Mg ).
α-katı
Alüminyum alaşımlarına uygulanan yaşlandırma
ısıl işleminin uygulama esasları
Alüminyum
alaşımlarının
yaşlandırma
(çökelme)
sertleştirmesinin uygulanması sırasındaki iç yapıdaki ve
mekanik
yardımcı
özelliklerdeki
olacağı
sunulmuştur.
değişimlerin
düşünülen
grafik
açıklanmasına
çizimler
aşağıda
(Al2Cu)
Yararlanılan Kaynaklar:
1-
“Mühendislik Malzemeleri”
Prof.Dr.-Ing. A.Halim DEMİRCİ
Alfa-2004
2-
“Malzeme Bilgisi” Cilt-II
Prof. Dipl. –Ing. H-J. BARGEL & Prof. Dr. –Ing. G. SCHULZE
Çevirenler : Prof. Dr. Şefik GÜLEÇ & Doç. Dr. Ahmet ARAN Gebze-1987