alüminyum ısıl işleminde su verme uygulamaları ve kalıntı gerilime

alüminyum ısıl işleminde su verme uygulamaları ve kalıntı gerilime

ALÜMİNYUM ISIL İŞLEMİNDE SU VERME UYGULAMALARI
VE KALINTI GERİLİME ETKİSİ
Can DEMİR*, Elvan Bilge MENTEŞE*, Mustafa Alper TOGAY*
*COMPONENTA DÖKTAŞ, Manisa
ÖZET
Alüminyum döküm parçalar mekanik özelliklerini iyileştirmek için ısıl işleme tabi
tutulmaktadırlar.
Bu ısıl işlemlerden biri çözeltiye alma, suverme ve yaşlandırma aşamalarından oluşan
çözeltiye alma ısıl işlemidir. Suverme esnasında ortaya çıkan gerilimin daha sonra parçanın
kullanımında boyutsal kararlılık ve yorulma dayanımı gibi özellikleri üzerinde olumsuz
etkileri olduğu bilinmektedir.
Bu makalede, muhtelif suverme işlemleri ve bunların parça üzerindeki kalıntı gerilime etkisi
incelenecektir.
Anahtar kelimeler: Alüminyum döküm, ısıl işlem, kalıntı gerilim
QUENCHING METHODS IN ALUMINUM HEAT TREATMENTS
AND EFFECTS ON RESIDUAL STRESS
ABSTRACT
Aluminium cast parts were being made heat treatment to obtain better mechanical properties.
One of the them solution treastments was included three steps called solution, quenching and ageing. It was
known that residual stress created by quenching was caused negative effects on dimensional stability and fatigue
life during at usage.
In this paper, different quenching methods and effects on residual stress will be examined.
Keywords: Aluminium casting, heat treatment, residual stress
1. GİRİŞ
Isıl işlem yapılabilen ve solvüs eğrisi gösteren alüminyum dökümlerde en sık kullanılan ısıl
işlem olan T6, çözeltiye alma, su verme ve yaşlandırma aşamalarından oluşan işlemdir.
Çözeltiye alma ısıl işleminde malzemenin solvüs eğrisi üzerindeki bir sıcaklığa ısıtıldıktan
sonra, hızla bu sıcaklıktan soğutulması ile aşırı doymuş katı eriyik yapısı oluşturulur. Burada
amaç çökelme sertleştirmesi yaratacak elementlerin çözünerek katı çözelti içinde
hapsedilmesidir. İşlem sıcaklığı ve süresi parçanın kesit kalınlığı ve bileşimine bağlı olarak
maksimum homojenizasyon sağlayacak şekilde seçilmelidir. Çözeltiye alma adımında üç faz
görülür. Birincisi alaşım elementlerinin çözünerek zengin bir alüminyum matriks fazının
oluşturulması ki bunlar daha sonra çökelme şertleşmesi yaratacaktır, ikincisi çözünmeyen
bileşenlerin küreşelleşmesi ve üçüncüsü mikroyapının homojenleşmesidir.
Hızlı soğutma yani suverme işlemi çözünen elementlerin çözeltide kalmasını sağlamaktadır.
Hızlı su verme çökelti sertleştirmesi özelliğini iyileştirirken, çarpılma ve kalıntı gerilimlerin
oluşumunuda yol açar. Su verme işlemi sıcak su, polimerli su yada yüksek hızlı fanlarla hava
ile yapılabilir. Su verme işleminin en önemli detaylarından biride çözeltiye alma işleminden
çıkan parçanın çok kısa süre içinde su verme işlemine tabi tutulmasıdır [1]. Su verme
sonrasında çözeltide kalan çözünen elementler, oda sıcaklığında yavaşça çökelmeye başlarlar.
Bir süre sonra bazı alaşımlar oda sıcaklığında oldukça sertleşebilirler. Buna doğal yaşlanma
adı verilir. Suni yaşlandırma olarak anılan işlem ise döküm parçaların 100-200 °C gibi
sıcaklıklarda tutulması ile yaşlandırmanın hızlandırılmasıdır. Yaşlandırma sıcaklığında süre
arttıkça yavaş yavaş çökelti yapısı oluşur ve sertlik maksimum değerine doğru artar. Daha
fazla yaşlandırmaya devam edilirse sertlik düşmesinin görüldüğü aşırı yaşlanma durumu
ortaya çıkar. Şekil 1. suni yaşlandırma yapılan alaşımın mekanik özelliklerinin önsoğuma
süresi ile değişimini göstermektedir.
Şekil 1. Suni yaşlandırma yapılan alaşımın mekanik özelliklerinin önsoğuma süresi ile
değişimi
2. SOĞUTMA KARAKTERİSTİĞİ
Isıl işlemde soğutma ortamlarında üç ayrı faz gözlemlenir. Bunlardan birincisi buhar fazı,
ikincisi kaynama fazı ve sonuncu faz konveksiyon fazıdır. Birinci faz olan buhar fazı ısıl
işlem görmüş parçanın soğutma ortamına ilk daldırma esnasında etrafında buhar filmi
oluşması aşamasıdır. Buhar fazı sahip olduğu düşük ısı iletim katsayısı nedeniyle yalıtım
etkisi göstererek soğutma hızının düşmesine neden olur. Buhar fazı soğutma içindeki en
önemli fazdır. Buhar fazının kısa olması çarpılma, mikro ve makroçatlak oluşma riskini
azaltır. İkinci faz olan kaynama fazı, soğutma ortamına ve parçanın geometrisine bağlı olarak
bir süre sonra buhar filminin parçalanmasından sonra ortaya çıkan fazdır. Parçanın yüzeyinde
soğutma ortamının buharlaşması sonucunda artan hızlarda yüzeyden ısı uzaklaştırılır.
Soğutma hızı maksimum değere ulaşır. Parçanın yüzey sıcaklığının düşmesiyle birlikte
kaynama azalır ve sonuçta tamamen biter (Şekil 2.). Son faz olan konveksiyon fazı ısı
transferinin konveksiyon yoluyla gerçekleştiği fazdır. Soğutma sıcaklık aralığında soğutma
ortamının hareketlendirilmesi ile büyük ölçüde etkilenebilir.[2]
Şekil 2. Soğutma ortamlarındaki faz dönüşümleri
Tüm su verme ortamlarının kontrolu kullanılan soğuma ve soğutma diyagramları giderek daha
yaygın olarak kullanılmaya başlamıştır (Şekil 3). Bu tip eğrilerin amacı konsantrasyon,
karıştırma ve banyo sıcaklığına bağlı olarak soğutma ortamının performansını
değerlendirmektir. Soğutma ortamlarının soğutma özelliklerinin ölçülmesi, genellikle kontrol
numunesinin soğutma süresine bağlı olarak sıcaklığının veya kontrol numunesinin sıcaklığa
bağlı olarak soğutma hızının ölçülmesi ile ifade edilir. Soğutma etkisinin ölçülmesi çelik
(Meinhard Verfahren), nikel alaşımları (ISO 9950, GM-Verfahren) yada gümüş numune
parçaları (Silberkugel methode) kullanılarak yapılmaktadır. Soğutma eğrilerinin
değerlendirilmesi, buhar fazının uzunluğu, kaynama fazının sıcaklık aralığı ve konveksiyon
fazının başlangıç sıcaklığı ve soğutma hızı ile yapılır [3].
Şekil 3. 95 °C deki suyun soğuma ve soğutma eğrileri
2.1. Suverme Ortamları
Yukarıda bahsedilen suverme işlemi parçanın geometrisine, kullanım amacına ve beklentilere
göre farklı yöntemlerle yapılabilir. Bunlardan ilki sudur. Su sıcaklığı parçanın karmaşık
şekilli olması ve çarpılma olasılığına karşın değişmektedir. Kalın parçalarda 40 °C
civarındayken, karmaşık şekilli parçalarda sıcaklık 70 °C nin üzerinde olmalıdır.
Diğer bir su verme ortamı polimer karışımlı sudur. Polimer karışımlı suların tercih
edilmesinde en büyük etken soğutma hızlarının suya göre daha düşük olması nedeniyle ısıl
işlem sonrası çarpılma, çatlama ve kalıntı gerilimlerini düşürmesidir. Polimerli su
çözeltilerinin soğutma hızı su ile yağ arasındadır. Bu yöntem normalde yağın soğutma ortamı
olarak kullanılmasının uygun olmadığı yada imkansız olduğu ısıl işlem uygulamalarında
istenilen sonuçların elde edilmesini sağlamaktadır. Polimerli su vermenin genel avantajları,
çarpılmaların minimuma indirilmesi ve çok iyi boyutsal kontrol sağlanması, homojen ısı
transferi özellikleri, su ile su vermede görülen buhar filmi, yüksek kalıntı gerilimler, gerilmeli
korozyon çatlağının elimine edilmesi olarak sayılabilir. Bununla birlikte polimerli su verme
ortamı konsantrasyon kontrolu ile esnek soğutma hızı sağlaması, parça ile taşınma oranının
düşük olması nedeniyle ekonomik kullanım şartları sağlaması, çeşitli üretim yöntemleri ile
üretilen levha, döküm, dövme parçalar için uygulanabilir olması özellikleri ile de dikkat
çekmektedir.
Uygulamadaki Önemli Noktalar
En önemli kontrol parametrelerinden biri olan polimer konsantrasyonu ısıl işlem yapılan
parçanın ağırlığına, geometrisine ve sertleşme özelliklerine göre belirlenir. Polimer
konsantrasyonu refraktometre ile kontrol edilir [4]. Polimerlerin her biri için belirlenmiş
refraktif indeksler vardır. Şekil 4’ de farklı konsantrasyonlardaki polimerli su banyosunun
soğutma özelliği görülmektedir.[5]
Şekil 4. Polimerli su banyosunda 30 °C’ de, ∼ 0,6 m/s karıştırma hızında konsantrasyonun
soğutma özelliğine etkisi
Polimerli su verme işleminde banyo sudakinin aksine soğutulmalıdır. Çünkü polimerlerin
çalışma sıcaklık aralığı genellikle 30-50 °C arasındadır ve 60 °C nin üzerinde polimerde
başlaması olası bozunmalar nedeniyle kullanımları uygun değildir. Polimerlerde
konsantrasyon ve sıcaklığın yanı sıra diğer bir önemli konuda banyonun karıştırılmasıdır
Şekil 5’ de karıştırma hızının polimerin soğutma özelliğine etkisi gösterilmiştir. Banyonun
karıştırılması hem polimerin suverme özelliğini hemde sıcaklık homojenizasyonunu sağlar.
Karıştırma genellikle sirkülasyon pompası ile sağlanır [6]. Parçaların su verme işlemi
sırasında askıdaki pozisyonlarıda büyük öneme sahiptir. Parçalar arasında su sirkülasyonun
aynı olması için yeterli boşluk olacak şekilde sıralanmaları çok önemlidir. Polimerli su
banyolarından çıkan parçaların yüzeylerinde ısıl işlem sonrası lekelenme olmaması için
yaşlandırma işlemine girmeden su ile durulanmaları gerekir.
Şekil 5. Polimerli su banyosunda % 10 konsantrasyonda, 30 °C’ de karıştırma hızının
soğutma özelliğine etkisi
Hava ile su verme işlemi ise parçanın çözeltiye alma sıcaklığı 530 °C’ den 200 °C’ ye 5
dakika içinde 20 m/s hızdaki hava ile indirilmesi ile gerçekleştirilir. Hava ile su verme
uygulamaları özellikle kalıntı gerilimlerin önemli olduğu ve ısıl işlem sonrası deformasyon
yada çatlak riskinin olduğu parçalar için kullanılmaktadır. Proses yatırım maliyeti oldukça
yüksektir.
3. KALINTI GERİLME
Üretim, sonraki işlemler ve montaj sonrasında parçada kalan gerilimlere kalıntı gerilim adı
verilir. Isıl işlemde kalıntı gerilim yaratan önemli proseslerden biridir. Kalıntı gerilimler
parçanın yorulma ömrü gibi pekçok önemli özelliğini etkilerler. Kalıntı gerilim ölçümlerinde
kullanılan başlıca methodlar strain gage yada X-ray difraksiyon yöntemleridir. Tablo 1. de
silindir kafalarının T6 ısıl işlemi esnasında farklı soğutma ortamlarında su verme işlemine
göre elde edilen mekanik özellikler, kalıntı gerilim değerleri ve parça bazında maliyet
değerleri verilmiştir.
Tablo 1. Farklı suverme ortamlarına göre mekanik özellikler ve kalıntı gerilim değişimi
Suverme
Ortamı
Konsantrasyon
%
Su
Su
Su
Su
Polimerli su
Polimerli su
Polimerli su
8
12
16
Hava
Banyo
Sıcaklığı
( o C)
20
40
60
80
Kalıntı
Gerilme
(MPa)
85-150
70-140
60-140
70-150
Çekme
Muk.
(MPa)
305
300
295
270
Akma
Muk.
(MPa)
245
240
245
230
50
50
50
60-85
55-60
50-55
285
285
280
< 20
275
% Uzama
Maliyet
/ Parça
6
5
5
3-5
100
100
100
100
240
240
240
6-7
6-7
5
120
120
120
220
5-6
140-200
3. DENEYSEL ÇALIŞMA
Silindir kafalarında yorulma testi sonrasında ortaya çıkan çatlama probleminin (Şekil 6) ısıl
işlemden gelebilecek kalıntı gerilimler nedeniyle de yaşanabileceği düşünülerek farklı proses
şartlarında kalıntı gerilimleri ölçülmesi düşünülmüştür.
Şekil 6. Silindir kafalarında yorulma çatlak bölgesi
Bunun için farklı su verme ortamlarında soğutulan silindir kafaları üretilmiştir. Soğutma
ortamı olarak 70 °C ve 95 °C’ de su, 50 °C’ de polimerli su ve hava kullanılmıştır. Su ve
polimerli su uygulamaları Componenta Döktaş Manisa’ da yapılmış, hava ile su verme için
dışarıda ısıl işlem yaptırılmıştır. Polimerli su banyosunun sıcaklığını 40-50 °C’ de tutacak
şekilde tanka soğutma sistemi ilave edilmiştir. Karıştırma etkinliği için uygun sirkülasyon
pompası ve tank içerisine nozul çapları ve yerleri uygun karıştırmayı sağlayacak şekilde
belirlenmiş çıkışlar ilave edilmiştir. Homojen soğuma etkisi sağlamak için parçaların askıya
yerleştirilmesi düzenli boşluklar bırakılarak yapılmıştır. Su verme sırasında parçalar Şekil 7’
deki görüldüğü gibi dizilmişlerdir.
70 °C ve 95 °C’ de su, 50 °C’ de polimerli su ve hava ile su verilen silindir kafalarında kalıntı
gerilim tesbiti için çatlama riski yaşanan noktalarına strain gageler yerleştirilerek gerilimler
ölçülmüştür. (Şekil 8)
Şekil 7. Silindir kafalarının askıdaki dizilişi,
Şekil 8. Kalıntı gerilimi ölçmek için yerleştirilen strain gage noktaları
70 °C ve 95 °C’ de su verilen silindir kafalarında yapılan ölçüm sonuçlarında kalıntı gerilim
dağılımları 23 ile 66 MPa aralığındadır (Şekil 9). 95 °C deki ölçümler arasında dağılım
oldukça fazladır. Buna karşın 50 °C’ deki polimerli suda su verme işlemine tabi tutulan
silindir kafasındaki kalıntı gerilim dağılımları Şekil 10’ daki diyagramda görüldüğü gibi 1530 MPa daha düşüktür.
Şekil 9. 95 °C ve 70 °C suda ölçülen kalıntı gerilim dağılımı
Şekil 10. 50 °C de polimerli suda ölçülen kalıntı gerilim değerleri
Hava ile soğutulan silindir kafalarında ise kalıntı gerilimler çok düşüktür. Hava, su ve
polimerli suda su verme işlemine giren silindir kafalarının kalıntı gerilimlerinin
karşılaştırılması Şekil 11’ deki diyagramda görülmektedir.
Şekil 11. Farklı soğutma ortamlarında su verilen silindir kafalarının kalıntı gerilim sonuçları
4. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME
Kullanılacak su verme yöntemi parçanın ağırlığı, geometrisi ve beklenilen özelliklerine göre
belirlenir. Günümüzde başta otomotiv endüstrisi olmak üzere, emniyet özelliği gerektiren
parçaların ısıl işleminde su verme banyosu olarak polimerli su ile su verme uygulamaları
yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Polimerli su verme işleminin suya göre en önemli
avantajları boyutsal deformasyonu ve kalıntı gerilimi düşürmesidir. Hava ile su verme
yöntemi parçadaki kalıntı gerilimleri minimuma indiren su verme yöntemi olmakla birlikte
yatırım maliyeti çok yüksektir. Bu nedenle kalıntı gerilimleri belli oranda düşüren polimerli
su banyoları gittikçe yaygınlaşmaktadır.
Yapılan deneysel çalışmalar sonucunda, ölçülen kalıntı gerilimlerde en düşük değerler hava
ile su vermede elde edilmiştir. En yüksek su ile su verme işleminden geçen parçalarda
bulunmuştur. Polimerli su ile soğutulan silindir kafalarında kalıntı gerilimlerin değerleri suya
göre daha düşüktür. Elde edilen sonuçlara göre polimerli su ile su verme uygulaması proses
şartları belirlenmiş, uygulamaya alınmıştır. Polimerli su banyosunun kalıntı gerilim
üzerindeki olumlu etkisi ile bu işlemden geçen parçaların yorulma testlerinde çatlama
problemi büyük oranda aşılmıştır.
5. KAYNAKLAR
1. Aluminium Handbook, 1 Fundamentals and Materials, 256-273, 1999
2. Soğutma Ortamları, Petrofer
3. C. Uluç, “Isıl İşlemlerde Kullanılan Polimerler ve Polimerlerin Soğutma Özellikleri”, Metal Dünyası, Mayıs
2006
4. Aqua-Quench 251, Hougton
5. J. Bodin, S. Segerberg, IVF SmartQuench, Application Examples and New Functions, IVF Industrial
Research and Development Corporation, October 2005
6. J..J. Lakin, “The Use of Polimer Quenchants for Surface Heat Treatments”, Heat Treatments of Metals, p.7376, 1982