aluminyum dokum alasimlarina al5ti1b ile tane inceltme islemi uygulanmasi grain refining of...

8/2/2019 Aluminyum Dokum Alasimlarina Al5ti1b Ile Tane Inceltme Islemi Uygulanmasi Grain Refining of Aluminium Foundry

1/124

1

ALMNYUM DKM ALAIMLARINA Al5Ti1B LE TANENCELTME LEM UYGULANMASI

Fatih BAYPINAR

YKSEK LSANS TEZ

METAL ETM

GAZ NVERSTES

FEN BLMLER ENSTTS

ARALIK 2005

ANKARA


2/124

2

ALMNYUM DKM ALAIMLARINA Al5Ti1B LE TANENCELTME LEM UYGULANMASI

Fatih BAYPINAR

YKSEK LSANS TEZ

METAL ETM

GAZ NVERSTES

FEN BLMLER ENSTTS

ARALIK 2005

ANKARA


3/124

3

Fatih BAYPINAR tarafndan hazrlanan ALMNYUM DKM

ALAIMLARINA Al5Ti1B LE TANE NCELTME LEM

UYGULANMASI adl bu tezin Yksek Lisans Tezi olarak uygun olduunu

onaylarm.

Do. Dr. Ferhat GL

Tez Yneticisi

Bu alma jrimiz tarafndan Metal Eitimi Anabilim Dalnda Yksek Lisans Tezi

olarak kabul edilmitir.

Bakan : Do. Dr. Ercan CANDAN

ye : Do. Dr. Yusuf ZATALBA

ye : Do. Dr. Ferhat GL

ye :

ye :

Bu tez Gazi niversitesi Fen Bilimleri Enstits tez yazm kurallarna uygundur.


4/124

4

ALMNYUM DKM ALAIMLARINA Al5Ti1B LE TANE NCELTME

LEM UYGULANMASI

(Yksek Lisans Tezi)

Fatih BAYPINAR

GAZ NVERSTES

FEN BLMLER ENSTTS

Aralk 2005

ZET

yi dkm karakteristikleri ve mekanik zellikleri, dk ekme, yksek

korozyon direni nedeni ile Al-Si alamlar otomobil, elektrik ve havaclk

endstrisinde yaygn olarak kullanlmaktadr. Alminyum alamlarnn tane

inceltilmesi Al-Ti veya Al-Ti-Ba dayal master alamlarn ilavesi ile

gerekletirilir. Bunlar mukavemeti, sneklii, homojenlii, katlama srasnda

beslemeyi gelitirmek iin kullanlr. Tane inceltme srasnda elde edilen tane

boyutu, tane incelticinin tipi ve miktar, dkm scakl, kalp scakl gibi

parametrelere baldr. Bu tezde Al7Si dkm alamlarnn mekanik zellikleri

zerinde bu parametrelerin etkisi aratrlmtr. Tane inceltme ilemi Al5Ti1B

master alam ilavesi ile gerekletirilmitir. Dkm scaklklar 730,750 ve

770C olarak seilmitir. Sv alminyumun tane inceltmesi iin %0,15 ve %0,2

olmak zere iki farkl titanyum ierii kullanlmtr. Katlamadan sonra

numunelerin yarsna T6 sl ilemi uygulanmtr. Tane inceltme ve sl ilem ile

mekanik zelliklerde nemli gelimeler elde edilmitir. Deneysel sonular

optimum proses parametrelerini 770C dkm scakl, 250C kalp scakl

ve %0,2 titanyum ierii olduu gstermektedir.

Bilim Kodu : 710.3.011Anahtar Kelimeler : Al5Ti1B, Al-Si Alamlar, Tane nceltme, Dkm

Scakl ve Kalp ScaklSayfa Adedi : 107Tez Yneticisi : Do. Dr. Ferhat GL


5/124

5

GRAIN REFINING OF ALUMINIUM FOUNDRY ALLOYS USING AL5Ti1B

(M.Sc. Thesis)

Fatih BAYPINAR

GAZ UNIVERSITY

INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

December 2005

ABSTRACT

Al-Si alloys are widely used in automobile, electrical, aircraft industries due to

their good casting characteristics and mechanical properties, low shrinkage,

high corrosion resistance. Grain refinement of aluminum alloys is usually

achieved by an addition of master alloys based on Al-Ti or Al-Ti-B, It is used to

improve mechanical strength, ductility, homogeneity, feeding during

solidification. The grain size obtained during grain refinement depends on

number of parameters such as type and level of grain refiner, pouring

temperature, mould temperature. In this thesis, the effects of these parameters

on the mechanical properties of Al%7 Si foundry alloys were investigated.

Grain refinement was achieved by adding Al5Ti1B master alloy. The pouring

temperatures were selected as 730, 750 and 770 C. Two different level of 0,15

and 0,2 Ti were used for grain refinement of molten aluminum. After

solidification, the half of specimens were applied T6 heat treatment. Significant

improvements in mechanical properties have been obtained with grain refiningand heat treatment. Experimental results show that optimum process

parameters are the pouring temperature of 770 C, mould temperature 250 C

and 0,2 % Ti content.

Science Code : 710.3.011Key Words : Al5Ti1B, Al-Si Alloys, Grain Refinement, Pouring

Temperature and Mold Temperature

Page Number : 107Adviser : Do. Dr. Ferhat GL


6/124

6

TEEKKR

almalarm boyunca deerli yardm ve katklaryla beni ynlendiren danmanm

Do. Dr. Ferhat GLe, almalarm srasnda yardmlarn esirgemeyen her trl

destek ve imkan salayan Yksek Metalurji Mhendisi Ahmet Cevdet ALTUN ve

Yksek Makine Mhendisi Mehmet Emin ALTUNa ayrca deneylerin yaplmas

aamasnda yardmlarn esirgemeyen Yusuf KTZe, Altun Dkm San. A..de

grevli tm alma arkadalarma, manevi desteiyle beni hibir zaman yalnz

brakmayan annem Hatice BAYPINARa teekkr bir bor bilirim.


7/124

7

NDEKLERSayfa

ZET...........................................................................................................................iii

ABSTRACT................................................................................................................ iv

TEEKKR ................................................................................................................. v

NDEKLER ...........................................................................................................vi

ZELGELERN LSTES ......................................................................................... ix

EKLLERN LSTES ...............................................................................................x

RESMLERN LSTES............................................................................................xiii

SMGELER VE KISALTMALAR ...........................................................................xvi

1. GR .......................................................................................................................1

2. ALMNYUM-SLSYUM ALAIMLARI ..........................................................2

2.1. Al-Si Faz Diyagram .........................................................................................4

2.2. Al-Si tektik Alamlarda Byme ..................................................................6

2.3. Al-Si Alamlarnda Silisyumun zelliklere Etkisi ..........................................6

2.4. Alminyum-Silisyum Alamlarnda Tane nceltme ........................................8

2.5. Titanyum Bor Alminyum Tane ncelticileri....................................................9

3. Al-Si ALAIMLARINDA TANE NCELTME MEKANZMALARI.................14

3.1. Titanyum lavesi ile Tane nceltme................................................................. 14

3.2. Bor lavesiyle Tane nceltme ..........................................................................16

3.3. Al-Ti-C lavesiyle Tane nceltme....................................................................18

3.4. Titanyum ve Bor lavesi ile Tane nceltme.....................................................22

3.4.1. Borid teorisi .......................................................................................... 22

3.4.2. Peritektik hulk teorisi ...........................................................................24


8/124

8

Sayfa

3.4.3. Hiper ekirdekleme teorisi .................................................................. 26

3.5. Tane nceltmesinde Byme Snrlamasnn Etkisi ........................................27

4. Al-Si ALAIMLARINDA TANE NCELTMEYE ETK EDENFAKTRLER ........................................................................................................29

4.1. Bileimin Tane nceltme zerine Etkisi..........................................................29

4.2. Dkm Scaklnn (Fazla Isnn) Etkisi ........................................................33

4.3. Souma Hznn Etkisi.....................................................................................33

4.4. Dkm ve Kalp Scaklnn Etkisi................................................................35

4.5. Alama Sresinin Etkisi .................................................................................36

4.6. Tane Kltme Yntemleri...............................................................................39

4.6.1. Issal yntemle tane kltme................................................................. 39

4.6.2. Dinamik yntemlerle tane kltme .....................................................40

4.6.3. Manyetik ve elektromanyetik kartrma............................................... 41

4.6.4. alkant .................................................................................................43

4.6.5. fleme ile kartrma.............................................................................44

4.6.6. Kalp boyas kullanma...........................................................................44

4.6.7. Momentum konveksiyonunun arttrlmas ............................................ 45

4.6.8. Dndrme.............................................................................................. 45

4.6.9. Titreimle tane kltme....................................................................... 46

4.6.10. Kalbn titretirilmesi...........................................................................49

4.6.11. Svnn titretirilmesi ...........................................................................50

5. DENEYSEL ALIMALAR ................................................................................53

5.1. Dkm Alamlarnn Hazrlanmas................................................................52


9/124

9

Sayfa

5.2. Deney Numunesi ............................................................................................. 55

5.3. Simlasyon Testi ............................................................................................ 56

5.4. Kimyasal Analiz .............................................................................................. 57

5.5. Isl lem ..........................................................................................................57

5.6. Metalografik Numune Hazrlama ................................................................... 58

5.7. Mekanik Testler ...............................................................................................59

5.7.1. Sertlik testi.............................................................................................59

5.7.2. ekme testi ............................................................................................ 60

6. DENEY SONULARI VE TARTIMA ..............................................................62

6.1. Simlasyon Sonular...................................................................................... 62

6.1.1. Sv ak ................................................................................................62

6.1.2. Katlama...............................................................................................66

6.1.3. ekinti ...................................................................................................69

6.2. Mikroyap ncelemeleri ...................................................................................72

6.3. ekme ve Sertlik Deney Sonular..................................................................91

7. SONULAR VE NERLER ............................................................................103

KAYNAKLAR ........................................................................................................104ZGEM..............................................................................................................107


10/124

10

ZELGELER LSTES

izelge Sayfa

izelge 2.1. Silisyumun eitli scaklklarda alminyum iindeki eriyebilirlik...........5

izelge 2.2. Alminyum-Silisyum alamlarnn bileimi ..........................................7

izelge 2.3. Endstriyel uygulamalarda kullanlan tane incelticilerin kimyasalbileimleri ............................................................................................. 11

izelge 4.1. Alminyumda tane inceltme mekanizmalar .........................................28

izelge 5.1. Dkmde kullanlan alamlarn kimyasal bileim aral (%)..............52

izelge 5.2. Dkm sonras elde edilen deney numuneleri ve deney artlar............53

izelge 5.2. (Devam) Dkm sonras elde edilen deney numuneleri ve deneyartlar ....................................................................................................54

izelge 5.2. (Devam) Dkm sonras elde edilen deney numuneleri ve deney

artlar ....................................................................................................55


11/124

11

EKLLERN LSTES

ekil Sayfa

ekil 2.1. Al-Si dkm alamlarnda silisyumun mekanik zelliklere etkisi .............3

ekil 2.2. Alminyumun tane inceltmesinde silisyum ieriinin etkisi ......................3

ekil 2.3. Al-Si faz diyagram .................................................................................... 4

ekil 2.4. eitli Al-Si dkm alamlarnda tane inceltilmesi .................................12

ekil 2.5. Ti-B bileimine bal olarak tane boyutunun deiimi .............................13

ekil 3.1. Al-Ti faz diyagram ...................................................................................15

ekil 3.2. Al-Ti sistemlerinde peritektik reaksiyonla -Alun ekirdeklenmesi .......16

ekil 3.3. 356 Al-Si alamnn Al-Ti ve Al-Ti-B ile tane inceltme ......................... 18

ekil 3.4. Peritektik hulk teorisinin modeli ...............................................................26

ekil 3.5. Hiper ekirdeklenme teorisi modeli .................................................................... 27

ekil 4.1. Bileimin tane younluuna etkisi ................................................................30

ekil 4.2. Al 7 Si dkm alamna eitli bileimlerde ve farklTi veya B oranlarna sahip master alamlar ilavesi ile a) 5 dkb) 120 dk bekletme zamanlarnda tane inceltme analizi ......................... 31

ekil 4.3. A.356 ve 319 alminyum dkm alamlarnda 5/1 TiB tane incelticiilavesi ile (1 gr/kg 0,005Ti) farkl souma hz test yntemlerinintane inceltme etkisi ...................................................................................33

ekil 4.4. Dkm ve kalp scaklnda artn tane boyutuna etkisi .........................35ekil 4.5. Alminyum iin farkl bekletme zamanlarnda 0,01% Ti veya B ilave

oranlarnda eitli tane incelticilerin kullanm ile tane inceltme ..............36

ekil 4.6. Manyetik alan iddeti, ar souma fonksiyonu olarak tane kltmederecesinin deiimi .................................................................................42

ekil 4.7. Elektromanyetik kartrma yntemleri .....................................................43

ekil 4.8. Al, Fe-C ve Bi alamlarna uygulanan titreim artlarnn tane

kltmeye etkileri .....................................................................................47


12/124

12

ekil Sayfa

ekil 4.9. % 10, % 50 ve % 90 tane kltme deerlerinin, frekans genlikharitasnda gsterilmesi .............................................................................47

ekil 4.10. Dkm parasna uygulanan farkl titreim yntemlerinin ematikgsterimi...................................................................................................50

ekil 5.1. Kokil kalp yolluk tasarm......................................................................... 56

ekil 5.2. Metalografik numune alma ve inceleme blgeleri..................................... 58

ekil 5.3. ekme numuneleri boyutlar...................................................................... 60

ekil 6.1. Sv ak sreci 0,6 s. ................................................................................63

ekil 6.2. Sv ak sreci 1 s.....................................................................................63

ekil 6.3. Sv ak sreci 1,2 s. .................................................................................64

ekil 6.4. Sv ak sreci 1,4 s. .................................................................................64

ekil 6.5. Sv ak sreci 1,6 s. ................................................................................65

ekil 6.6. Sv ak sreci 1,8 s. . ................................................................................65

ekil 6.7. Sv ak sreci 2 s.....................................................................................66

ekil 6.8. Katlama sreci 6,731 s. . .........................................................................67

ekil 6.9. Katlama sreci 15 s. ................................................................................67

ekil 6.10. Katlama sreci 23,18 s. . ....................................................................... 68

ekil 6.11. Katlama sreci 58,9 s. . .........................................................................68ekil 6.12. ekinti sreci kesit 1...............................................................................69

ekil 6.13. ekinti sreci kesit 2...............................................................................70




13/124

13

ekil Sayfa

ekil 6.16. Farkl oranlarda kalnt titanyum ierikli, sl ilemsiz, 250C kalpscakl, 60 saniye kalp ama sresi sahip numunelerin dkmscaklna bal olarak a) ekme mukavemeti b) sertlik deerlerinindeiimi ....................................................................................................92

ekil 6.17. Farkl oranlarda kalnt titanyum ierikli, sl ilemsiz, 250C kalpscakl, 90 saniye kalp ama sresi sahip numunelerin dkmscaklna bal olarak a) ekme mukavemeti b) sertlik deerlerinindeiimi.....................................................................................................94

ekil 6.18. Farkl oranlarda kalnt titanyum ierikli, sl ilemsiz, 280C kalp

scakl, 60 saniye kalp ama sresi sahip numunelerin dkmscaklna bal olarak a) ekme mukavemeti b) sertlik deerlerinindeiimi ...................................................................................................95

ekil 6.19. Farkl oranlarda kalnt titanyum ierikli, T6 sl ilemli, 250C kalpscakl, 60 saniye kalp ama sresi sahip numunelerin dkmscaklna bal olarak a) ekme mukavemeti b) sertlik deerlerinindeiimi ...................................................................................................97

ekil 6.20. Farkl oranlarda kalnt titanyum ierikli, T6 sl ilemli, 280C kalpscakl, 60 saniye kalp ama sresi sahip numunelerin dkmscaklna bal olarak a) ekme mukavemeti b) sertlik deerlerinindeiimi ....................................................................................................99

ekil 6.21. Farkl oranlarda kalnt titanyum ierikli, sl ilemsiz, 730 ve 750Cdkm scakl, 60 saniye kalp ama sresi sahip numunelerin kalpscaklna bal olarak a) ekme mukavemeti b) sertlik deerlerinindeiimi ..................................................................................................100

ekil 6.22. Farkl oranlarda kalnt titanyum ierikli, T6 sl ilemli, 750 ve 770Cdkm scakl, 60 ve 90 saniye kalp ama sresine sahip numunelerin

kalp scaklna bal olarak a) ekme mukavemeti b) sertlikdeerlerinin deiimi .............................................................................101


14/124

14

RESMLERN LSTES

Resim Sayfa

Resim 2.1. Tel ve tablet eklinde tane incelticiler......................................................10

Resim 3.1. Al-3%Ti-0,15%C n alamnn mikro yaps .........................................20

Resim 3.2. Al-3Ti-0.75C ve Al-5Ti-1B n alamlarnn tane inceltmeperformans...............................................................................................22

Resim 3.3. Al0Ti3B master alamndaki AlB2 partikllerinin SEMmikro fotoraflar .....................................................................................23

Resim 3.4. Al1Ti3B master alamndaki (AlTi)B2 partikllerinin SEMmikro fotoraflar .....................................................................................25

Resim 4.1. Al-Si7 tane incelticiler (a) Al-5Ti-1B (b) Al-1Ti-3B master

alamlarnn makro yap fotoraflar.......................................................37

Resim 5.1. Gaz alma sistemi .....................................................................................51

Resim 5.2. Kule tipi sl ilem frn ..........................................................................58

Resim 5.3. Sertlik test cihaz ....................................................................................59

Resim 5.4. ekme testi cihaz ...................................................................................51

Resim 6.1.a. 0,15Ti730C250C60F kodlu numunenin mikroyaps (X35) ................72

Resim 6.1.b. 0,15Ti730C250C60F kodlu numunenin mikroyaps (X350)..............73


Resim 6.2.b. 0,15Ti770C250C60F kodlu numunenin mikroyaps (X350) .............74

Resim 6.3.a. 0,15Ti730C250C60T6 kodlu numunenin mikroyaps (X35)...............74

Resim 6.3.b. 0,15Ti730C250C60T6 kodlu numunenin mikroyaps (X350).............75

Resim 6.4.a. 0,15Ti770C250C60T6 kodlu numunenin mikroyaps (X35) ..............76

Resim 6.4.b. 0,15Ti770C250C60T6 kodlu numunenin mikroyaps (X350)............76

Resim 6.5.a. 0,2Ti730C250C60F kodlu numunenin mikroyaps (X35) ...................77

Resim 6.5.b. 0,2Ti730C250C60F kodlu numunenin mikroyaps (X350) ................78


15/124

15

Resim Sayfa

Resim 6.6.a. 0,2Ti770C250C60F kodlu numunenin mikroyaps (X35) ...................78

Resim 6.6.b. 0,2Ti770C250C60F kodlu numunenin mikroyaps (X350).................79

Resim 6.7. 0,2Ti730C250C60T6 kodlu numunenin mikroyaps (X350)..................79

Resim 6.8. 0,2Ti770C250C60T6 kodlu numunenin mikroyaps (X350) ................. 80


Resim 6.9.b. 0,15Ti730C250C90F kodlu numunenin mikroyaps (X350)..............81


Resim 6.10.b. 0,2Ti730C250C90F kodlu numunenin mikroyaps (X350)...............82

Resim 6.11. 0,15Ti730C250C90T6 kodlu numunenin mikroyaps (X350)............ 83

Resim 6.12. 0,2Ti730C250C90T6 kodlu numunenin mikroyaps (X350) ............... 83

Resim 6.13.a. 0,15Ti770C280C90F kodlu numunenin mikroyaps (X35) ..............84

Resim 6.13.b. 0,15Ti770C280C90F kodlu numunenin mikroyaps (X350).............84

Resim 6.14.a. 0,2Ti770C280C90F kodlu numunenin mikroyaps (X35) ...............85

Resim 6.14.b. 0,2Ti770C280C90F kodlu numunenin mikroyaps (X350) ..............85

Resim 6.15. 0,15Ti770C280C90T6 kodlu numunenin mikroyaps (X350) .............86

Resim 6.16. 0,2Ti770C280C90T6 kodlu numunenin mikroyaps (X350)................86

Resim 6.17. 0,15Ti730C250C60T6 kodlu numunenin SEM mikrofotoraflar............................................................................................. 87

Resim 6.18. 0,15Ti730C250C60F kodlu numunenin SEM mikrofotoraflar.............................................................................................. 87

Resim 6.19. 0,2Ti750C250C60T6 kodlu numunenin SEM mikrofotoraflar.............................................................................................. 88

Resim 6.20. 0,2Ti750C250C60F kodlu numunenin SEM mikrofotoraflar............................................................................................. 88


16/124

16

Resim Sayfa






17/124

17

SMGELER VE KISALTMALAR

Bu almada kullanlan baz simgeler aklamalaryla birlikte aada sunulmutur.

Simgeler Aklama

Younluk (g/cm3)

N Newton

Mukavemet (MPa)

HB Brinell Sertlik

Tf Katlama Denge ScaklVL Svnn zgl Hacmi

VS Katnn zgl Hacmi

Lf Katlama Gizli Iss

Tm Dengede Katlama Scakl

fa Frekans / genlik

Lo lk Boy

Ls Son Boy

Ao lk ap

As Son ap

Genleme Katsays

D Dkmn ap

d Tane Boyutu

a,b Deneysel Sabitlerv Katlama Hz

T Kalp/metal arasndaki akln balad an ile

bittii an arasndaki scaklk fark.


18/124

18

1. GR

Hafif metal alamlarnn gnmz teknolojisindeki uygulamas ve nemi giderek

artmaktadr. Bu tr alamlardan olan alminyum dkm alamlar kolay

dklebilmeleri, zgl arlk ve sl genlemelerinin dk, sl iletkenliklerinin

yksek olmas ve uygun mekaniksel zellikler gstermeleri nedeni ile teknolojik bir

neme ve ekicilie sahiptirler.

Tarihsel olarak tane inceltme yntemi titanyum ve bor ihtiva eden tuz flukslarn sv

metale ilavesiyle balamtr. Tane inceltici olarak kullanlan flukslar verimli

olmalarna ramen birok dezavantaja sahiptirler. Tuz flakslar sv metalin hidrojen

ieriini arttrmaya, korozif gazlar retmeye ve inceltici elementlerin zelliklerini

tam olarak gsterememesine neden olmaktadr. Alminyum dkm endstrisinde

verimli tane inceltme Al-Ti ve Al-Ti-B n alamlarnn ilavesiyle baarlmtr.

Al-Ti ve Al-Ti-B ihtiva edene n alamlarn ilavesi ile yaplan tane inceltme scak

yrtlmalara kar direnteki art, gelimi mekaniksel zellikler, mikro yaplarn

homojenlii ve makro porozitedeki azalma, bu ynteminin uygulanmasnda nemli

nedenlerdendir.

Alminyum dkm alamlarnda tane boyutunun kontrol mikro yapnn katlama

srasnda ve katlamadan sonra kontrol altnda bulunmas ve amalara gre

ynlendirilmesi ile salanabilir. Mikro yap ile alminyum dkm gerelerin

mekanik zellikleri arasndaki iliki gz nnde bulundurularak kullanm amacna enuygun mikro yapnn oluumu salanmaldr. Alminyum dkmlerde tane

inceltmenin verimlilii silisyumun morfolojisi, souma hz ve dkm scakl gibi

dier retim parametrelerinin eitlilii ile arttrlabilir.

Alminyum dkm alamlarnda tane inceltilme ilemi, kaliteli ve nitelikli

dkmler iin ok nemli ve gereklidir.


19/124

19

2. ALMNYUM SLSYUM ALAIMLARI

Gnmzde Al-Si alamlar, dayanm/arlk orannn yksek oluu, yksek sl ve

elektriksel zellikleri ve kum kalba dkmden basnl dkme kadar birok

yntemle dklebilmelerine olanak salayan mkemmel dkm kabiliyetleri

nedeniyle otomotiv endstrisinden havaclk sanayine kadar geni bir alanda yaygn

olarak kullanlmaktadrlar. Al-Si alamlarnn, kabaca yumuak ve snek

alminyum faz ile sert ve krlgan silisyum fazndan meydana gelen bir karma

malzeme olduu sylenebilir. Alminyumun hafiflii, plastik ekil deitirme

kabiliyetinin yksek oluu, yksek elektriksel zellikleri, korozyon dayanmnn

ykseklii, manyetik olmay ve kaynak kabiliyetinin iyi olmas ana tercih

sebeplerindendir. Saf alminyumun bu avantajlarnn yan sra dkm kabiliyetinin

iyi olmay, sertlik ve ekme dayanm gibi mekanik zelliklerinin dk oluu gibi

dezavantajlar da bulunmaktadr. Silisyumun alam elementi olarak en byk etkisi

dkm kabiliyetini arttrmasdr. Silisyumun ilavesi ile alamn akcl ve mekanik

zellikleri artarken, zgl arlk ve sl genleme katsays azalmaktadr (1).

Al-Si alam grubu yukarda belirtilen zelliklerinin yan sra daha yksek dayanm

ve krlma tokluu, sertlik gibi mekanik zellikleri gerektiren deiik alanlarda

kullanlmaya allmaktadr. Endstri tarafndan istenen bu mekanik zelliklerdeki

art Al-Si alamlarnn mikroyaplar ile dorudan ilgilidir (1).

Mikroyapda da mekanik zelliklere en byk etkiyi, yap ierisindeki tektik

silisyumun boyutu, morfolojisi ve dalm yapmaktadr. Mikroyap ierisindekisilisyumun boyutu, morfolojisi ve dalm alamn souma hznn deitirilmesi

yada alam ierisine silisyumun katlama mekanizmasn deitiren element yada

bileiklerin eklenmesi ile farkllatrlabilir ve bu farkllamann sonucu olarak

mekanik zelliklerde art yada azalma gzlenir. Al-Si alamlar ierisindeki

silisyumun dalm, morfolojisi ve boyutu zerinde yaplan deiiklikler Al-Si

alamlarnn modifikasyonu yada sv-metal ilemleri olarak tanmlanmaktadr (2).


20/124

20

Si miktar % 7-12 aralnda olan Al-Si alamlar yksek mukavemet gerektiren,

yksek scaklkta anma direnci istenen uygulama alanlarnda kullanlr. Genellikle

kokil ve basnl dkmle ekillendirilir. Mekanik zellikleri ise alamn bileimine

gre ekil 2.1de gsterildii gibi deimektedir (3).

ekil 2.1. Al-Si dkm alamlarnda silisyumun mekanik zelliklere etkisi (3)

ekil 2.2de alminyum silisyum dkm alamlarnda silisyum bileiminin tane

inceltme verimi gsterilmektedir.

ekil 2.2. Alminyumun tane inceltmesinde silisyum ieriinin etkisi (4)


21/124

21

2.1. Al-Si Faz Diyagram

Al-Si alam basit bir tektik sistem olup iki kat eriyik faz olan YMK (Yzey

merkezli kbik) alminyum ve elmas kbik (zel yzey merkezli kbik) yapya

sahip silisyumdan olumaktadr. ekil 2.3de Al-Si denge diyagram

gsterilmektedir. Denge koullarnda tektik scaklna 5771C ve % 11,7 Si

tektik bileimine sahiptir.

tektk karm oluturan fazlardan faz oda scaklnda % 1 den daha az

silisyum ieren alminyum bazl bir kat eriyiktir. tektii oluturan dier faz ise,

hemen, hemen ar silisyum olan, ok az alminyum ieren silisyum bazl bir kat

eriyiktir. tektik alt Al-Si alamlarnn yaps, genellikle dallantl bir grnmde

olan birincil faz ile bu dallantlar arasnda kmelemi tektik karmdan oluur.

tektik st Al-Si alamlarnda ise yap tektik karm ile kaba keltiler

grnmndeki fazndan olumutur (5).

ekil 2.3. Al-Si faz diyagram (1)


22/124

22

Geni bileim aralklarna sahip alminyum alamlarna uygulanan eitli hzl

katlatrma teknikleri (splat quenching: sv metalin ok ince bir tabaka eklinde

soutulmas, melt spinning: sv metalin ierisinde su sirkle edilen ve dnen bir

tambur (bakr) etrafnda soutularak katlatrlmas, atomizasyon: sv metalin inert

gaz ortamnda pskrtlerek soutulmas) -Al ierisindeki silisyum znrln

metaller aras bileik veya amorf (metalik olmayan) faz oluturmakszn arttrmtr.

tektik scaklkta silisyumun alminyum iinde kat eriyebilirlii % 1,65tir.

Eriyebilirlik oda scaklnda % 0,05 den daha azdr ve 300C de bu znrlk %

0,05e dmektedir. 1190Cde silisyum ierisindeki maksimum alminyum

znrl ise % 0,016 0,003dr. eitli scaklklarda eriyebilirlik izelge

2.1de gsterilmektedir (6).

izelge 2.1. eitli scaklklarda silisyumun alminyum ierisindeki eriyebilirlii (7)

Scaklk (C) Eriyebilirlik % arlk

577

550

500

450

400

350

300

250

200

1,65

1,30

1,10

0,70

0,45

0,25

0,10

0,04

0,01

Geili elektron mikroskobu (TEM) ile yaplan aratrmalar ve kafes

parametrelerinin lmleri -Al ierisindeki maksimum Si kat eriyikznrlnn % 11 1 Silisyuma tandn gstermitir (3).


23/124

23

2.2. Al-Si tektik Alamlarda Byme

tektik alamlarn kendine zg zelliklerini aratrmann en gncel yntemi, sabit

hzda ynlenmi katlama ilemi uygulanmasdr. Ynlenmi olarak katlatrlan

malzemede, scaklk gradyan dorultusunda ynlenmi ve niform bir mikro yap

elde edilmesi amalanr. Bu mikro yap malzemeye yksek mukavemet ve yksek

scaklklarda ssal kararllk zellikleri kazandrmak iin uygulanan iki yntem

vardr. Modifikasyon ad verilen bu yntemlerden birincisi malzemeyi sv halden

hzla soutmak, yani bir eit su verme ilemi, dieri ise sodyum ve stronsiyum gibi

baz alkali metallerin kk miktarlarda ilavesidir. tektik alamlarda byme

genellikle iki eittir:

1. Esiz byme iki faz birbirinden bamsz olarak kristalleir, yani kat-sv arayzeyinde biri dierinden ok ileride byr ve ardndan arada kalan sv

blgelerinde dier faz kristalleir. Esiz bymede, kat-sv ara yzeyinde

morfoloji ve scaklk dalgalanmalar vardr.

2. Eli bymede her iki faz yaklak olarak dz bir kat-sv arayzeyi vererekbirlikte ve ayn scaklkta katlar. Kat-sv arayzeyine yakn svda atom

yaynmas etkinleir (7).

2.3. Al-Si Alamlarnda Silisyumun zelliklere Etkisi

Silisyum bilindii gibi alminyum dkm alamlarnn ana alam elementidir.

Alminyum dkm alamna silisyum ilavesi ile akclk, kaynak kabiliyeti ve

mekanik zellikler artar ayrca sl ilem ve modifikasyon gibi zel ilemlerin

uygulanabilirliide silisyum ilavesi ile mmkn olur. Dkm alamlarnda silisyum

miktar maksimum % 22-24tr. Alamlar toz metalurjisi ile retildiinde silisyum

miktar % 50ye kmaktadr. AlSi alamlarnn bileimi izelge 2.2de

gsterilmektedir.


24/124

24

izelge 2.2. Alminyum-Silisyum alamlarnn bileimi (5)

Si % 5-25 Mn, Cr, Co, Mo % 3e kadar

Cu % 0-5 Ni, Be, Zr % 3e kadar

Fe % 3e kadar Na, Sr % 0,02den az

Mg % 0-2 P % 0,01den az

Zn % 0-3 Al Geri kalan

Silisyum, alamn katlama annda oluan katlama ekmesini nemli lde

azaltr. Dier alam elementlerinin ekmedeki etkisi ok azdr. Katlama esnasnda

oluan ekintideki silisyumun etkisi % 612 silisyum bileiminde % 34, % 2024

silisyum bileiminde % 1-2dir. Silisyumun zgl ss alminyumdan % 12 daha

dktr. Alamn elektrik iletkenlii ou zaman eriyik durumdaki silisyuma

baldr. Bakr ve magnezyumunda etkisi vardr. Manganez, krom, titanyum ve

zirkonyum iletkenlii azaltr. Silisyum, bakr ve magnezyum manyetik hassasiyetlii

biraz azaltr. Fakat bu zellik ou zaman manganez bileimine baldr. Al-Si

alamlar malzemenin saflna bal olarak eitli miktarlarda Fe, Mn, Cu, Zn v.b.

kirlilik elementleri iermektedir. Ayrca Cu ve Mg gibi metaller alam elementi

olarak dkm malzemesinin mukavemetini ve sertleebilirliini artrmak amacyla

yaygn olarak kullanlmaktadr. Katlama ilemi esnasnda kirlilikler ve alam

elementleri metaller aras partikller meydana getirmektedir (5).

Eruslunun alminyum alamlarnn dkm ve yap kontrol zerine yapt

almada silisyum ieriinin art ile retilen malzemenin mekanik zelliklerinde

art meydana getirmekte olduu ifade edilmektedir (3).


25/124

25

2.4. Alminyum-Silisyum Alamlarnda Tane nceltme

Alminyum alamlarnda tane inceltilmesi, bu yzyln ilk yarsndan itibaren ticari

olarak kullanlmakta ve alminyum alamlarndan retilen paralarn kontrolnde

temel ilemlerden biri olmutur. Scak yrtlmalara kar direnteki art, gelimi

mekaniksel zellikler, mikro yaplarn homojenlii ve makro porozitedeki azalma,

tane inceltme ynteminin uygulanmasnda nemli nedenlerdendir (8).

Al-Si dkm alamlarnda tane inceltme katlama srasnda ktlesel beslemeyi

gelitirmekte ve bu durum ekme porozitesinde azalmaya neden olmakta ve daha

kk ve daha gelimi porozite dalmn tevik etmektedir. Ayn zamanda ince

tane boyutu sv ierisinde znm gazlardan meydana gelen gzeneklere ilave

olarak, ikincil intermetalik fazlarn daha niform olmasn salar. Dkm parann

btnnde meydana gelen art, hem mekanik zellikleri hemde basn

szdrmazlndaki art ile meydana gelmektedir (8).

Sv metalin kimyasal bileimini, temizliini ve hidrojen ieriini kontrol etmek, bir

dkmde optimum fiziksel ve mekaniksel zellikler elde etme asndan ok

nemlidir. Alminyum dkm alamlarnda tane boyutunun kontrol, sv metalin

besleme kabiliyetini gelitirmede ve uygun yzey grntsnn yannda otomotivde

kullanmda yksek mekanik zellikler salama asndan nemlidir. Tane boyutuna

ilave olarak, -Al faz dendrit kollar arasndaki mesafe kadar, tektik silisyum

morfolojisi yksek kalitede alminyum retiminde temel rol oynamaktadr.

Alminyum dkmlerde tane inceltmenin verimlilii silisyumun morfolojisi, soumahz ve dkm scakl gibi dier retim parametrelerinin eitlilii ile arttrlabilir.

Alminyum dkm alamlarnda gaz boluu ve ekme boluklarnn minimum

olmas arzu edilir. Boluk boyutu, tane boyutu ile orantl olup ince taneli

dkmlerde boluklar daha kk ve bu nedenle mukavemet daha yksektir.

Benzer ekilde ekme ve scak yrtlma hatalarnn kaba taneli yapda oluma oran

yksektir (9).


26/124

26

Al-Si dkm alamlarnn katlama ilemi ekirdeklenme ve birincil -Alun

bymesiyle balar ve alam elementlerini ieren eitli fazlarn bir sonraki

kelmesiyle devam eder. ekirdeklenme ve byme aamas bir dkmn tane

boyutunun olutuu ilk basamaktr. Temiz bir sv metalin katlamas nemli bir

ekirdeklenme problemini ortaya koyar (10).

Bir dkmde tane boyutu sv metal ierisinde katlama esnasnda hareket edebilen

yabanc tanelerin says ile ilikili olduu fark edilmitir. Daha sonra her tane farkl

bir parackla ekirdeklenirse ok sayda ekirdek, tane oluumuna daha kk tane

boyutla sonulanarak izin verecektir. Alminyum dkm alamlarnda kalp

duvarlarnda oluan oksitler ve kalp boyalarna kadar farkl paracklar bulunabilir.

Ar soumalarda bu paracklar katlama iin ekirdek gibi etkili olabilir.

Alminyuma kristallografik benzerlikli paracklar sv metalde dengede katlama

scakl Tmnin denge donma noktasna yakn scaklklarda etkili ekirdekler haline

gelecektir (11).

2.5. Titanyum Bor Alminyum Tane ncelticileri

AlTiB tane inceltici tel % 99,7 saflkta birincil alminyumdan ve deiik

bileimlerdeki florr tuzlarndan retilmektedir. nceleri yuvarlak takoz halinde

dkldkten sonra ekstrzyon ile elde edilen tel, bugnk teknolojide srekli dkm

ve haddeleme metodu ile imal edilmektedir. Srekli dkm teknolojisi zellikle

dkm kalitesinde nemli avantajlar salayarak incelticisinin temas sresini

arttrmtr. Temas sresi AlTiBun ergimi alminyuma ilavesini takiben saladmaksimum tane inceltme kabiliyetinin bir lsdr. Tane incelticiler sv

alminyuma katlmasndan dolay alamn bileiminde nemli bir deiim sz

konusu deildir. Bugn alminyum sanayinin % 80i tel eklinde AlTiB tane

incelticisi kullanmaktadr. Resim 2.1de tel ve tablet eklinde tane incelticiler

gsterilmitir (12).


27/124

27

Resim 2.1. Tel ve tablet eklinde tane incelticiler (12)

Srekli dkm ynteminde AlTiB ile tane incelme tekniinde yaplan en byk

gelitirme, tane incelticilerin ergitme ocaklarna kk ingotlar eklinde atlmas

yerine dkm oluundaki metale otomatik olarak tel eklinde beslenmesidir. Dkm

oluunda tel ile yaplan bu tane inceltme ilemi ocakta yaplan ileme gre daha

etkin ve hassasdr. Srekli tane inceltme uygulamas gerekli malzeme ilavesini % 50

orannda azaltmakta, ergitme frn ierisinde oluan titanyum borid miktarnn

artmasn nlemekte ve dkm prosesi boyunca sabit bir tane incelmesi

salamaktadr (13).

AlTiBun tane incelticisi olarak kullanlmaya balamasndan itibaren aratrmaclar

eitli alminyum alamlarna en etkin Ti/B oran iin byk apl aratrmalar

yapmlardr. Bu almalar neticesinde % 310 orannda titanyum %0,11 orannda

bor ihtiva eden eitli rnler gelitirmilerdir, ancak standart en ok kullanlan

bileim 5/1 Ti-B orandr. Endstriyel uygulamalarda kullanlan tane incelticiler

izelge 2.3de gsterilmitir (13).


28/124

28

izelge 2.3. Endstriyel uygulamalarda kullanlan tane incelticilerin kimyasalbileimleri (14)

Tane ncelticiler

AlTiB 5/1 Al % 5 Titanyum % 1 Bor

AlTiB 5/0,6 Al % 5 Titanyum % 0,6 Bor

AlTiB 5/0,2 Al % 5 Titanyum % 0,2 Bor

AlTiB 3/1 Al %3 Titanyum % 1 Bor

AlTi 6 Al % 6 Titanyum

AlTi 10 Al % 10 Titanyum

Dnya alminyum sanayinin % 70i bu bileimdeki rn tane inceltici olarak

ilemlerde kullanmaktadr. nce levha ve folyo gibi baz zel retimlerde % 5 Ti ve

% 0,2 B Ti/B gibi daha dk bor ihtiva eden bileimler tercih edilir. Bu gibi

bileimler daha az titanyum borid bileikleri ihtiva eder. Titanyum miktar % 0,25i

amamaldr. Bu noktadan sonra oluan kaba Al-Ti primer kristallerinin teekkl

mukavemet zelliini drr (14).

kili Al-Ti tane inceltme alamlar genellikle tercih edilmez, nk oluan TiAl3

ekirdekletiricileri 700 Cde metal ierisinde kolayca erir, ayrca bu tr alamlarla

alldnda alminyum ierisinde byk ve gevrek tanelerin olma eilimini artrr.

ekil 2.4de eitli Al-Si dkm alamlarnda tane inceltme performanslar

gsterilmitir (15).


29/124

29

ekil 2.4. eitli Al-Si dkm alamlarnda tane inceltilmesi (15)

Al-Ti master alamlarna tane kltme amac ile baz ilaveler yaplm ve borun

Al-Ti sisteminin tane etkisini arttrd gzlenmitir. l Al-Ti-B master alam

kaba TiAl3 ve ok ince TiB2 kristallerini ierir. Master alamlarn metalografik

incelenmesi TiB2nin tane kltc rol oynamad ancak TiAl3n etkisini

artrdn gstermitir (6).

Alminyumda ekirdek merkezi olarak TiB2nin rol oynad iddia edilmektedir.

TiAl3 ve TiB2nin birlikte bulunduu zaman TiAl3n daha etkili bir ekirdekletirici

olduu btn aratrmaclar tarafndan kabul edilmitir. TiAl3 partiklleri tane

ierisinde bor ieren partikller ise tane snrlarnda yer almaktadr (16).


30/124

30

C Kaba, M Orta, F nce, MC Orta Kaba, MF Orta nce, VF ok nce

ekil 2.5. Ti-B bileimine bal olarak tane boyutunun deiimi (6)

AlTiB tane inceltici tel kullanmnn alminyum alam retiminin ayrlmaz bir

paras haline geldii ve deiik alamlarn tane inceltme ilemine yatknlklar

konusunda nemli bir bilgi birikimi salanmtr. Genel bir kural olarak daha az

alam elementleri ieren alminyum alamlarnn AlTiB ile tane inceltilmesi daha

zordur. zellikle demir, silisyum, mangan, titanyum ve bor gibi elementler ana

inceltme ilemini olumlu ekilde etkiledikleri iin bu elementleri ieren alminyumu

alamlarnn tane inceltme ilemleri daha kolaydr. Buna karlk krom ve

zirkonyum gibi elementler tane inceltme ilemini olumsuz ynde etkiledikleri iin bu

elementleri ieren alamlarn tane inceltme ilemleri daha zor ve yksek oranda

ilaveler ile gerekletirilir. ekil 2.5de Ti-B bileimine bal olarak tane boyutunun

deiimi gsterilmitir (6).

Alminyum alam bileiminin yan sra dkm kesit kalnl ve dkm yntemi

tane inceltme ilemini etkileyen dier faktrlerdir. Scak halde ingot dkmleri, kaln

kesitler ve dk katlama hzlarnda gerekletirildii iin tane inceltme ilemi

daha ince kesitlerde gerekletirilen ekstrzyon takoz dkmne gre daha zordur.

Srekli levha dkm ilemlerinde ise kesitin ince ve katlamann hzl olmasna

karn kenar atlama problemi sebebi ile AlTiB tel incelticinin yksek oranlarda

ilave edilmesi gereklidir (13).


31/124

31

3. Al-Si ALAIMLARINDA TANE NCELTME MEKANZMALARI

Tane inceltme yntemi titanyum ve bor ihtiva eden tuz flukslarn sv metale

ilavesiyle balad. Genellikle bu incelticilerdeki aktif ierikler titanyum ve boru

ortaya karmada sv alminyumla beraber hareket eder. K2TiF6 ve KBF4 tane

inceltici olarak verimliliklerine ramen, birok dezavantaja sahiptirler. Tuz flakslar

sv metalin hidrojen ieriini arttrmaya, korozif gazlar retmeye ve inceltici

elementlerin zelliklerini tam olarak gsterememesine neden olmaktadr.

Alminyum dkm endstrisinde kimyasal tane inceltme: kontroll heterojen

ekirdeklenme, Al-Ti ve Al-Ti-B master alamlarnn ilavesiyle baarld. Bu

dorultuda deiik teoriler ortaya kt ve tane boyutunun kltlmesinin tam

mekanizmas hala tartma konusu olmaya devam etmektedir. Burada tane

inceltmenin fiziksel grnleri ve termal analiz tekniklerinin parametrelerini

ilikilendirmek iin baz temel teoriler ak bir ekilde tanmlanacaktr.

3.1. Titanyum lavesi ile Tane nceltme

Birok yazar tarafndan sunulan deiik teoriler arasnda Crassley ve Mondolfo (4)

tarafndan peritektik teorisi, titanyum ilavesi ile alminyum alamlarnda tane

inceltilmeyi aklamada ana mekanizma olarak grlr (ekil 3.1). Al-Ti faz

diyagram %1,2 titanyum ve 665 Cde peritektik reaksiyon gsterir. Yeterli oranda

(>% 0,15) titanyum varsa peritektik olarak hareket eden TiAl3 sv metal de oluan

birincil -Alun ilk kristallerini oluturur. Bileim genellikle peritektik alt

scaklnda olup dnm aadaki reaksiyonda gsterilmitir. Crassley ve

Mondolfo (4) ya gre alminyum tane inceltilmesi bu reaksiyonla ilikilidir (4).

Sv + TiAl3(Al) + Sv

-Al paracklar kalan sv metal ve oluan ilk kristallerin saysna bal olarak

inceltme derecesi iin ekirdek gibi hareket eder (ekil 3.2). Al-Ti master alamlar


32/124

32

alminyum matriste TiAl3 paracklar ierir ve artlan sv metale ilave edildiinde

TiAl3 paracklarn datarak ekirdeklenme iin heterojen blgeler oluturur.

Alminyum dkm alamlarnda


33/124

33

ekil 3.2. Al-Ti sistemlerinde peritektik reaksiyonla -Alun ekirdeklenmesi (4)

Al-Ti master alamlar iin peritektik altndaki titanyum seviyelerinde inceltme

etkisinin sv metaldeki TiAl3 paracklarnn erimesine bal olarak azald ve

kaybolduu tespit edildi. Ayrca TiAl3 paracklarnn morfolojisi master alamn

inceltme verimliliini etkiledii grld. Blok eklindeki malzemeler iin inceltme

etkisi, ilave zamanndan sonra etkili hale gelmesi zaman almasna ramen etkinlii

uzun srer.

3.2. Bor lavesiyle Tane nceltme

Yaplan deneylerde Al-Si alamlarnn tane inceltme ileminde kullanlan Al-Ti-B

master alamlarnda borun nemi gz ard edilemez. Ar bor miktar AlB2

paracklarnn oluumunu salayaca iin Ti/B orann nemli klar. Alminyum

iin ekirdek olarak AlB2nin verimlilii zerinde nemli bir eliki vardr. Cibulaya

(4) gre AlB2 paracklar alminyumu ekirdekleyebilir. Maxwell ve Hellavall (4)

AlB2nin saf alminyum iin etkili bir ekirdek olmadn ileri srerler. AlB2 ve

TiB2 benzer yaplara sahiptirler ve bu fazlar iin benzer zellikler gzlenebilir.

Genelde Al-Si alamlarnn tane inceltilmesi iin farkl tip master alam

retilmektedir. Bunlar Al-Ti ve Al-B ikili veya TiB2 (Ti/B 2,2) stokimetrik orana

gre ar titanyumlu veya ar borlu Al-Ti-B alamlardr. zlebilir bor ieren


34/124

34

Al-Ti-B eitli incelticilerin Al-Si dkm alamlarnda en iyi sonular salad ve

incelticilerin performansndaki farklarn, sv metal ierisinde kalan titanyumun

oranyla ilgili olduu bulundu.

Dvme alminyum endstrinde kullanlan Al-Ti n alamlar titanyumun tane

inceltme etkisiyle silisyum oranna bal olarak Al-Si dkm alamlarnda test

edilen rnler arasnda en az etkili olarak bulundu. Yksek silisyum ierikli dkm

alamlarnda Al-Ti sistemi aadaki reaksiyonunda belirtildii gibi yeni

alminyumun fazlar iererek peritektik bir sistem olan Al-Ti-Si sistemi halinegeldiini belirttiler (4).

Sv + TixSiyAl 1-(x + y) (Al) + Sv

Bu Ti-Si-Al faz alminyum tanelerin merkezinde bulunmutur ve % 6 Si ierii iin

yukardaki reaksiyonda 356 ve 319 Al-Si dkm alamlarnn sv scaklnnhemen altnda yaklak 600 C de olumaktadr.

Sigworth ve Guzowski (4), Al-3Ti-3B master alamnn (Al,Ti)B2 paracklar

(AlB2ye yakn kompozisyona sahip) zerinde ilk alminyum ekirdeklenmesi ile

Al-Si svda gl bir inceltme etkisi oluturduunu buldular. Dier aratrmaclar,

659,7C tektik reaksiyonda TiB2 paracklar ve (Al) ekirdekleri zerinde youn

bir bor tabakas oluturduunu ne srmlerdir.

Sv (Al) + AlB2

Mohanty ve Guzowski (4) Al-Si alamlarnda titanyum oran youn olduunda Al-

Ti-Si faz TiB2 zerinde olutuunu buldular. Al-Ti-Si faz bunu takiben peritektik

reaksiyonla ilk alminyumu ekirdekler.


35/124

35

nce yaplan deneylerde, X n difraksiyon sonularna bal olarak AlB2nin saf

alminyumu ekirdeklediine inanlrd. Ayrca Sigworth (4), klasik Al-Ti ve Al-Ti-

B tane incelticilerine ilave olarak Al % 4 B ilavesiyle elde edilen stn tane

inceltmesini rapor etti. ekil 3.3 alminyumunda tane inceltmesinde yalnz

kullanlan titanyumun etkili olmad nerildi. Fakat Al-Si alamlar iin % 0,02 B

tektik reaksiyona bal olarak nemli hale gelir. Bu scaklkta tektik reaksiyon

meydana gelirse yukardaki reaksiyon iin ar souma gerekecei iin katlama

scakl zerinde -Alun ekirdei olumaz. Al-Si alamlarnda ekirdekleme iin

kat heterojen blgelerinin varln salayarak tektik reaksiyon, ergime scakl

zerinde (615 C 356 alam iin) meydana gelir.

ekil 3.3. 356 Al-Si Alamnn Al-Ti ve Al-Ti-B ile Tane nceltme (4)

3.3. Al-Ti-C lavesiyle Tane nceltme

Alminyum alamlarnn dkmnde bu gne kadar tercih edilen n alamlar Al-

Ti-B sistemine ait olup, zlebilir TiAl3 ile kararl TiB2 paracklar iermektedir.


36/124

36

Al-Ti-B n alamlarndaki TiB2 paracklar genellikle olduka kaba olup, hem

retim hem de tane kltme uygulamasnda topaklanma eiliminde olduklarndan

baz kalite hatalarna sebep olurlar. TiB2 paracklar ou kez, ince folyolarda

delikliliin, bask plakalar ve eloksal kalite levhalarda yzey izik ve kazklarnn,

ekstruzyon biyetlerinde, yksek mukavemetli alminyum alaml levha ve dvme

rnlerinde atlamalarn sorumlusu olarak grlrler. Kalite problemlerinin yan sra

Zr ieren alamlarda Zrun TiB2 tane kltme etkisine olumsuz tesir ediyor olmas

borsuz tane kltcler iin byk bir ilgi ve talep yaratmtr. Bu nedenle, tane

kltc reticileri son yllarda Al-Ti-B tane kltclerinin yerini alabilecek ve

en az onlar kadar baarl olabilecek alternatif n alamlar gelitirmek iin byk bir

aba gstermilerdir.

Al-Ti-C n alamlarn retmek iin ou, sv alminyumda TiC oluturmak iin

Al-Ti sv alamna C beslemeyi hedefleyen farkl yntemler denenmitir.

Alminyum alamlarn karbonca zenginletirmek, karbon (grafit) alminyum

tarafndan slatlamadndan sanld kadar kolay bir i deildir.

Bu gn piyasada bulunan Al-Ti-C n alamlar TiC taneciklerinin yan sra TiAl3

tanecii de ierir. Bunlardan sadece TiC taneciklerinin tane kltmede aktif rol

oynadna inanldndan Al-Ti-C n alamlarnda karbon miktarnn arttrlp Ti:C

orannn drlmesinin tane kltme verimliliinde bir arta yol ap

amayacann belirlenmesi teknolojik ynden son derece nemlidir. Resim 3.1de

Al-3%Ti-0,15%C n alamnn mikro yaps gsterilmektedir (17).


37/124

37

Resim 3.1.Al-3%Ti-0,15%C n alamnn mikro yaps (17)

Cibulann (17) almalarndan bu yana alminyum alamlarnda tektik alt Ti

konsantrasyonlar ile salanan tane kltme etkisindeki rol ile TiCn alminyum

iin verimli ve baarl bir ekirdeklendirici olduu bilinmektedir. Titanyumun sv

alminyumda ok az miktarlarda bulunan C ile reaksiyona girip TiC oluturduuna

ve bu kararl fazn da alminyumu ekirdeklendirme grevini stlendiini ilerisrmtr. Bu nedenle Al-Ti-B alamlarnn yerine aday alamlarn gelitirilmesi

abalarnda ilk akla gelen Al-Ti-C sistemidir. Bu alamlarn tane kltme becerisi

baz alminyum alamlarnda gsterilmi Al-Ti-C alamlar ile Al-Ti-B alamlar

ile salanan seviyelerde tane klme daha dk TiC oranlarnda elde edilebilecei

iddaa edilmitir. Ayrca TiC paracklar TiB2 taneciklerinden daha kktrler ve

topaklanma eilimleri de daha dktr.

Cibulann (17) karbr teorisi u geree dayanmaktadr. Dk konsantrasyonlarda

titanyum alminad oluturmakta ancak potadan veya kullanlan takmlardan dolay

svda bulunan karbon titanyum ile TiC oluturmak iin reaksiyona girmektedir.

Mohanty ve arkadalar (17) tarafndan yaplan son almalarda svda

termodinamik kararszl nedeniyle TiCin etkin bir alayc olmadn iddaa

etmilerdir. Son yllarda birka yazar Cibulann (17) karbr teorisini

desteklemektedir ve ticari olarak yeni giriimler bulunmaktadr.


38/124

38

Ayn dorultuda Cibula (17) tarafndan yaplan almalarda dk titanyum

konsantrasyonlarnda (%0,01 arlka titanyum) TiC partikllerinin alminyum

alamlarnn tane boyutunun azaltlmasna neden olduu tespit edilmi, ancak daha

sonraki denemelerde sv tarafndan karbonun slatlabilirliinin az olmas sebebiyle,

titanyum ieren alamlardaki karbon miktarndaki art tane inceltmede dk

baarya neden olmutur.

Alminyum alamlar Al-Ti-C n alamlar ile alandnda ekirdeklenmenin

dorudan TiC tanecikleri zerinde gerekletii ve bu nedenle baarl bir tane

kltme iin fazladan titanyumun gerekli olmad iddaa edilmitir. Bu durum

yeterli tane kltme iin TiB2 eklinde balanan dnda fazladan titanyuma ihtiya

duyan Al-Ti-B alamlar ile karlalandan farkldr. Al-Ti-B alamlarnda tane

kltmede aktif rol oynayan TiB2 tanecikleri tedragonel kafes yapl ve YMK

yapdaki alminyumla uyumsuz iken, Al-Ti-C tane kltclerindeki TiC

tanecikleri YMK kafes yapl ve alminyumla uyumludur. Buna bal olarak TiC

alminyum iin TiB2 den ok daha etkili bir ekirdekleyicidir (17).

% 99,7 saflndaki alminyuma uygulanan Al-3Ti-0,75C alamnn mikroyaps

Resim 3.2de grlmektedir. Alminyum matriksde dalm ok sayda ve olduka

kk TiC partiklleri bulunmaktadr. Kokil kalpta gerekleen hzl katlamaya

ramen TiC partikllerinin nemli bir blmnn topaklanmalar grlmektedir. TiC

partikllerinin yani sra ok az sayda TiAl3 partiklleri bulunmaktadr. Ancak TiAl3

sayca az ve boyuta TiC partiklleri kadar kk olduklarndan fark edilmeleri

olduka gtr (17).


39/124

39

Resim 3.2. Al-3Ti-0.75C ve Al-5Ti-1B n alamlarnn tane inceltme performans(17)

Al-3Ti-0,75C alamnn tane kltme performans Al-5Ti-1B alamnki ile birlikte

Resim 3.2de gsterilmitir. Al-5Ti-1B n alam Al-3Ti-0,75C n alamna

kyasla farkl temas srelerinde daha kk tane yaplar vermektedir. Resim

3.2deki sonulardan Al-3Ti-0,75C alamnn tane yapsn kltt fakat

performansnn yetersiz kald anlalmaktadr (17).

3.4. Titanyum ve Bor lavesi ile Tane nceltme Teorileri

Al-Ti n alamlarna bor ilavesi alminyum alamlarnda tane inceltme

verimliliini byk oranda arttrd bilinmektedir. Bu balamda birok alma

yaplmtr. Termodinamik almalar ve deneysel bulularla ilgili birok aratrma

vardr. McCarter, Guzowski ve meslektalar (4) burada belirtilen ana teoriden

zetlenen bu almada kritik grlerini aada sunmulardr.

3.4.1. Borid teorisi

Titanyumla inceltilen alminyum alamlarna bor eklendiinde TiB2nin

znmeyen paracklarnn direk olarak dk titanyum konsantrasyonlarnda tane

boyutundaki azalmada etkili olduu Cibula (17) tarafndan ngrld. Bu olayznmeyen borid paracklarnn bir blgede younlamas ve burada kalmasna


40/124

40

bal olarak meydana gelir. Bu fikre kar Marcantino ve Mondolfo erimi

alminyuma bor ilavesinin titanyumun znrln azalttn ve ok dk

titanyum konsantrasyonlarnda bile TiAl3 kristallerinin var olmasna izin vererek

alminyumca zengin Al-Ti sisteminin peritektik reaksiyonunu genilettiini

belirttiler. Dier aratrmaclar Cibulann (17) borid teorisini bor ieren

paracklarnn tane merkezinde deil aksine tane snrnda bulunduklarn iddia

ettiler (4). Resim 3.3de Al0Ti3B master alamndaki AlB2 partikllerinin SEM

mikro fotoraflar gsterilmektedir.

Resim 3.3. Al0Ti3B master alamndaki AlB2 partikllerinin SEM mikrofotoraflar (18)

E.Gekinli ve arkadalar (6) bor dalmnn otoradyogrefik tespiti ile yapm

olduklar almada alminyumun yapsnda bulunan borun tane snrlarnda yer

ald saplanmtr. Borun direkt olarak kendisinin veya bileiklerinin ekirdek

merkezi olarak davranmadklar bulunmutur fakat ekirdekletiricilerin oluumuna

etki ederek TiAl3 gibi tane kltmede endirekt olarak rol oynamaktadrlar.

Sigward (4), Al-Si alamlarnda alminyum iin (AlTi)B2 faznn direk ekirdek

gibi davrandn ispatlad. Buna karn Cornish kat eriyiklerinin (AlTi)B2

oluumunun alminyum alamlarnn tane inceltilmesinde nemli bir rol oynadn

belirtti. Kuiselaas ve Beckerud (4) Al-Ti-B master alamlarn retimi esnasnda bu

yar kararl fazn sv halde tutulmas esnasnda TiB2ye dntn tespit etti.


41/124

41

Guzowski ve meslektalar (4) alminyum iin ekirdekleme blgeleri haline gelen

TiAl3 ile birlikte ift ynl paracklar oluturmak iin borun TiB2 ve (AlTi)B2 ye

izin verdiini gzlemledi. Bu gzlem titanyum ieriini drmek iin borun Al-Ti

peritektik reaksiyonunu deitirdii Marcantonia ve Mondolfo tarafndan nerilen

teori ile elimektedir. elikilere ramen bu yazarlar tane inceltilmi metal

ierisinde u paracklarn varln tam olarak ifade ederler TiAl3, TiB2, AlB2 ve

(AlTi)B2 karm. Bu gzlemlerden iki teori ortaya kmtr ve bu teorilerden hi

biri tam olarak ispatlanamamtr.

3.4.2. Peritektik hulk teorisi

Backerud (4) tarafndan nerilen bu teoride sv metal ierisindeki kk (AlTi)B2

paracklar tamamen znr ve bu tanelerin etraf titanyum ile kaplanarak TiAl3

paracklarn ksmen zerler. Bu durum bu blgedeki (alminyum taneler

etrafnda) titanyum konsantresini artrr ve TiB2 iin zebilme verimi artar. Borid

daha sonra TiAl3 paracklarnn erimesine kar koruyucu bir tabaka oluturarak

alminyum faznn yzeyine kelir. Zamanla titanyum (darda) ve alminyum

(ieride) titanyumla doldurulan sv alminyum havuzlar oluturarak kokil kalp

boyunca e zamanl difzyonu meydana getirirler. Scakln peritektik scakla

(665 C) ulat zaman bu peritektik taneler heterojen ekirdeklemeyi tetikler. Bu

durum meydana geldiinde Al tarafndan sv metal ierisinde bymeye devam

eder. Bu teori ematik olarak ekil 3.4 de gsterilmitir.


42/124

42

Resim 3.4. Al1Ti3B master alamndaki (AlTi)B2 partikllerinin SEM mikrofotoraflar (18)

Al-Ti-B master alamlar alminad fazn evreleyen (ve bazende fazn ierisinde

bulunacak ekilde) boridlerin karmn iermekte olup, bu TiAl3 faznn znmeye

kar korunmasn gelitirmektedir. Bu ikili partikllerin tane inceltme etkisi,

alminadlarn tamamen znmesi nedeniyle zamanla snme urad

grnmektedir, ancak dier yazarlar inceltme etkisinin kaybnn borid partikllerinin

kelmesinden ortaya ktn savunmaktadr. Bu teoride dikkate alnmas gerekli

dier bir nemli yn, ar titanyum bulunmas (stokimetrik olarak Ti/B 2,21

zerinde) tane inceltmede kritik bir neme sahiptir. Resim 3.4de Al1Ti3B master

alamndaki (AlTi)B2 partikllerinin SEM mikro fotoraflar gsterilmektedir.


43/124

43

ekil 3.4. Peritektik Hulk Teorisinin Modeli (4) a) TiAl3n ksm znmesi veTiAl3e Bnin difzyonu b) TiB2nin znebilme verimi arttrlrc) TiAl3 zerinde TiB2nin koruyucu tabaka oluturmas d) Al ve Ti ninkoruyucu tabaka boyunca e zamanl bymesi e) ekirdek ve -Alunbymesi

3.4.3. Hiper ekirdekleme teorisi

Jones ve Pearson (4) sv alminyumda ar titanyum (Ti/B 2.21 oran zerinde)

olduu zaman eriyik titanyum svdan TiB2-Sv ara yzeyine segrege olur ve ince

bir TiAl3 katman oluturur. Souma sonucu -Alun ekirdeklenmesi peritektik

olarak gerekleir. Bu mekanizmaya gre snm, borid partikllerinin topaklanmas

ve kelmesi nedeniyledir. Deneysel ispat snm verimine dayal bu teoriyi

desteklemektedir, ancak bu teorinin termodinamii net olarak henz ortayakonmamtr.


44/124

44

ekil 3.5. Hiper ekirdeklenme teorisi modeli, a) Eriyikte youn Ti miktar(Ti/B>2.21), b) TiB2-Sv metal yzeyinde ayran Ti, c) TiB2 zerindeTiAl3 tabakasnn oluumu, d) Peritektik reaksiyonla -Al ekirdeklenmesi

3.5. Tane nceltmesinde Byme Snrlamasnn Etkisi

Alminyum ve alamlarnn tane inceltme mekanizmalarnn almasnda

alminyumun ilk kristallerinin heterojen ekirdeklemeye doru bir abalar vardr,

buna karn birka aratrmac alamda bulunan dier elementlerin etkisini belirtti.

Jones ve Pearsona gre, alminyum alamlarnda Zn, Mg ve Si etkisi, yapsal ar

soumayla tane bymesini kstlamaktadr. Baskerwed ve meslektalar, alamelementlerinin dk konsantrasyonlarnda byme iin snrlama faktr olduunu

belirtti (4).

St. John ve arkadalar (2) Al-Si alamlarnda iki farkl ekirdekleme

mekanizmasnn bulunduunu gstermitir. Bunlardan bir tanesi svnn trblans ve

konveksiyonu tanm olan kristallerin kalp duvarnda ekirdeklenmesini

kapsarken, dieri ise sv ierisindeki yapsal ar souma ile alt katmanlarnaktivasyonunu gstermektedir. Saf alminyuma silisyum veya titanyumun baarl


45/124

45

bir ekilde ilavesi, svda yapsal ar souma ile ve sv/kat ara yzeyinde

bymenin snrlandrlmas ile tane boyutu azalr. ekirdeklenmenin hz gl

alayclarn varl ile daha da gelitirilir. Al-Si alamlarnda kritik yapsal ar

souma derecesine ulalr, bu minimum tane boyutuna neden olur (ekil 2.2), bunun

daha ilerisinde ise Backeraud ve arkadalarnn (4) ifade ettii gibi, arayzeyde

byme modunda bir deiim ile birlikte tane boyutunda artma meydana gelir. Bu

konuyu sonulandrmak iin farkl master alam iin temel gzlemlerle

alminyumda tane inceltmesinin mekanizmas izelge 3.1de gsterilmitir (4).

izelge 3.1. Alminyumda tane inceltme mekanizmalar (4)

Saf Al ve Dvme Alamlar Al-Si Dkm AlamlarMasterAlam Verimlilik Mekanizma Verimlilik Mekanizma

Al-Tiyi

Ti>%0,15ise

TiAl3zerinde-Al

peritektik

oluumu

Zayf

Likudsaltnda

TixSiy Al1-(x+y)in

peritektikdnm

Al-Ti-BTi/B >2,2

yi

TiB2 parackyzeyinde

TiAl3tabaka

oluumu

MakulTiB2 zerinde

oluanTixSiy Al1-(x+y)

Al-B Etkili deil-Al yoluylaslatlan AlB

2

Mkemmel

(Al) detektik

oluumu

L (Al) +TiB2

Al-Ti-BTi/B 2,2 iseyi

TiB2yzeyinde-Al intektikoluumu


46/124

46

4. Al-Si ALAIMLARINDA TANE NCELTMEYE ETK EDEN

FAKTRLER

4.1. Bileimin Tane nceltme zerine Etkisi

Belirli bir tane incelticinin etkisi; inceltilecek tektik alt alama, ilave oranlarna,

yapya geen titanyum miktarna, dkm koullarna ve scaklna baldr.

Literatrde tane kltmesi zerine bileimin etkisini incelenmi, bileimin ve yap

zelliklerini yanstan parametreler ile tane boyutu arasndaki banty

gstermilerdir (19).

Yap ierisinde titanyum miktar 5/1 TiB alamlarnn tane inceltme performanslar

zerinde fazla bir etkiye sahip deildirler (5).

En ok aratrlan Al-Ti sisteminde yaplan deneysel almalar basite NPVnin

hesaplanabileceini gstermitir. ekil 4.1deperitektik scakln hemen zerindeki

TiAl3 + sv faz blgesininde hacimce %2 TiAl3 tekabl bulunmaktadr.ekildeki

kritik NPV deeri yaklak 103 mm-3dr. Ro=3m olduu zaman yaklak (arlka)

% 2x10-3 Ti fazlal gereklidir. CA=0,15 olduuna gre, toplam Ti gerei

0,15+2x10-3=0,152dir. Parack boyutu ve soutma hznn etkisi gz nne

alndnda 1:2500 seyreltme orann amayacak master alam kullanlr. Daha

youn ilaveler tane kltme etkisini arttrmazlar (3).


47/124

47

ekil 4.1. Bileimin tane younluuna etkisi

Yaplan gzlemler bor ilavesinin Al-Ti sisteminin tane kltme etkisini arttrdn

gstermitir. % 1 B-% 5 Ti (arlka) sistemin daha iyi tane kltt bulunmutur.l master alam kaba TiAl3 ve ok ince TiB2 kristallerini ierir. Master alamn metalografik

incelenmesi., TiB2un tane kltc rol oynamad ancak TiAl3'n etkisini arttrdn

gstermitir. Moriceav (18) ise alminyum iin ekirdek merkezi olarak TiB2 bileiinin rol

oynadn iddia etmektedir. TiAl3 ve TiB2 bileiklerinin her ikisinin birlikte bulunduu

zaman TiAl3'n daha etkili bir ekirdekletirici olduu btn aratrmaclarca kabul

edilmitir (7).

a) b)

ekil 4.2. Al-7Si dkm alamna eitli bileimlerde ve farkl Ti veya B oranlarnasahip master alamlar ilavesi ile (a) 5 dk. (b) 120 dk. bekletmetane inceltme analizi (18)


48/124

48

Al3Ti0B ve Al1Ti3B mikro yaplarnda AlB2nin varln gstermektedir ve X

n krnm ile ve SEM almalar ile bu durum desteklenmitir. Mevcut sonular

daha nceki Mohanty ve Gruzleskinin raporlarn dorulamaktadr ki buna gre bor

alminyumun tane inceltmesini salayamamaktadr. Yazarlar alminyumda tane

inceltmenin TiAl3 veya TiB2 zerinde alminyumun heterojen ekirdeklenmesi ile

var olan -Al zerinde ekirdeklenerek olutuunu varsaymlardr (18).

Al-Ti sistemi durumunda -Al saf alminyumun ergime scakl zerinde 665 C de

peritektik bir reaksiyon ile olumaktadr alminyum bor sisteminde ise -Al,

alminyumun ergime noktasnn altnda 659,7 Cde tektik reaksiyon ile

olumaktadr. Bylece bu yazarlar Al-Ti master alamn alminyum svsna ilave

edildii zaman svn soumas srasnda -Al 665 Cde oluur, ve 660 Cde

katlama srasnda alminyum iin ekirdeklenme merkezleri olarak grev

yaparlar (18).

Al-B master alamlar alminyum svya ilave edildii zaman alminyumun

katlamasndan nce -Alun olumas beklenmez iken bu durumda her hangi bir

tane inceltme meydana gelmez. Her ne kadar bu iddaa alminyumun tane inceltmesi

sonularna uymakla beraber cevaplanmas gereken bir ka soru kalmaktadr.

ncelikle sv %0,15 seviyesinde titanyuma sahip olduu zaman ki bu deer AlTi2

master alamlar ile alminyumda iyi tane inceltmeyi baarmak iin gerekli

miktardan daha yksektir. -Al alminyum titanyum alam durumunda peritektik

reaksiyon ile olumaktadr. Bununla beraber TiAl3 tane inceltme iin kullanlan

titanyum ilave miktarlarnda alminyum ierisinde znmesi beklenir (18).

Bu znme TiAl3 partikllerinin evresindeki svnn blgesel bileimini arttrabilir.

kinci olarak 3l master alam kullanm durumunda tartmaldr dolaysyla

Mohanty ve Gruzleskinin (18) yaklamlar bu alamlar iin uygun olmayabilir

bylece bu tane inceltme mekanizmasnn anlalmasna yeni bir boyut

getirmektedir.


49/124

49

Y.Niyasaki ve arkadalarna gre (7), alminyum alamlarnda en etkili alayc (

Al-% 5 Ti - % 0,018 B) alamdr. Ayrca ekirdeklenmenin de TiB2 ve TiAl3

tarafndan olmayp TinB ve AlmTinB tipi bileiklerin tarafndan gerekletirildii

ayn aratrmaclar tarafndan ileri srlmtr.

Bor elementinden baka Al-Ti sistemlerine tane kltme asndan etkili bulunan

balca iki element silisyum ve demirdir. Yaplan almalarda dk Si ilavelerinin

Al-Ti sisteminde tane bykln nemli oranda kltt izlenmitir. % 4

Silisyumun etkisi dk titanyum oranlarnda ( % 0,l Ti) daha belirgindir. Tm

titanyum oranlar iin optimum silisyum ilavesi % 0,2 olarak gzlenmitir. Daha

yksek silisyum ilaveleri tane kklnde ya ok az ilave arta neden olmakta

veya hibir ilave art gstermemektedirler. Alminyum ierisinde fazla miktarda

kat zelti yapabilen bakr, magnezyum ve inko gibi elementler katlama srasnda

kk tane yaps da olumaktadr. Bu nedenle yksek oranda magnezyum ve bakr

ieren alminyum alamlarnda tane inceltme yksek oranda silisyum ieren

alminyum alamlarna gre daha kolaydr (7).

4.2. Dkm Scaklnn (Fazla Isnn) Etkisi

Katlam ingotlarn tane boyutu, dkm scakl arttka artar. Artan scaklkta

katalitik etkisi olan paracklarn ergimesi ile izah edilen bu mekanizmaya Ohno (19)

tarafndan itiraz edilmitir.

Sv metal souk kalba dkld zaman katlamann ilk safhasnda oluan

kristaller sv aknts ve sl konveksiyon ile ieriye gtrlr ve bunlardan bazlar

tekrar ergir. Dk dkm scakl kullanlrsa katlamann ilk safhasnda iddetli

kristal kopmalar olur. Sonu olarak; kopan kristallerin tekrar ergimelerini nlemek

iin dkm mmkn en dk scaklkta yaplmas gereklidir (3).


50/124

50

4.3. Souma Hznn Etkisi

Tane incelme ileminde souma hzda kritik bir faktrdr. Souma hzlarnn yava

olduu kaln kesitli paralarda iyi bir tane inceltme salanabilmesi iin daha etkin

tane dzenleyiciler seilmelidir.

Metalin sv halden kat hale yava gemesi durumunda tanelerin olumas iin

gerekli ekirdek saysnn azald gzlenmitir. Taneler bu ekilde btn sv metal

katlancaya kadar rahata byme olana bulurlar ve byk taneler olutururlar.

Hzl souma durumunda ise sv halden kat hale gei srasnda taneler dzgn

bymeleri iin yeterli zaman bulamazlar ve kristalizasyon birok noktada hzl

balar. Bunun sonuunda ise ince taneli bir yap oluur. Titanyum ve Bor ile tane

inceltme ilemi nveciklerin katlamaya balad anda durur (15).

Dk soutma hzlarnda eitli tane incelticilerin performanslar ok belirgin bir

ekilde etkilenir. Dk soutma hzlarnda daha byk taneler oluur (5).

ekil 4.3. A.356 ve 319 alminyum dkm alamlarnda 5/1 TiB tane incelticiilavesi ile (1 gr/kg 0.005Ti) farkl souma hz test yntemlerinin tane

inceltme etkisi (5)


51/124

51

ekil 4.3te KBA Calibrated Ring test ynteminde (19) 2F/3slik bir souma hz,

Reynold Golf Tee test ynteminde (19) kalp nce 320 C ye kadar stlm vesouma hz 2F/2sdir. En hzl soutma hz Aluminium Associstion test

ynteminde (19) uygulanr ve bu testle ynlendirilmi soutma (undirectional)

uygulanr. (8.5 F/sn)

319 ve A.356 dkm alamlarnda 5/1 Ti/Bor test sonular soutma hzlar

tarafndan etkilenmitir. Aluminium Assoc. test ynteminde tane boyutu daima KBA

Calibrated Ring Test rneklerindeki tane boyutundan daha ince olmutur. Uygulanan

farkl tane inceltme testlerinde % 5 Bor ve 2,5/2,5 Ti/Bor tane incelticilerinin her

ikiside farkl soutma hzlarnda Al5Ti1B ile ayn eilimi gstermilerdir (5).

4.4. Dkm ve Kalp Scaklnn Etkisi

Tane incelticilerin yan sra dkm ve kalp scaklda tane boyutunu

etkilemektedir. ekil 4.4de dkm ve kalp scaklndaki artn taneleri

kabalatrd grlmektedir. Bu iki parametre birbiri ile ilintilidir nk yksek

scaklkta souk kalba dkm yaplsa bile svnn scakl katlama noktasna

ininceye kadar souk kalbn scakl ok hzl bir ekilde artmaktadr. Sonu olarak

katlama srasnda kalp ile sv metal arasndaki scaklk fark, souma oranna ve

dolaysyla tane yapsna etki etmektedir. Yksek scaklk farklklar daha fazla alt

souma salayarak, katlama scaklndaki ilk oluan ekirdeklerin kararl hale

gemesini salar. Bylece hem tane incelticilerin znerek suni ekirdek etkisini

kaybetmesini nler ve ekirdek says artrr, hemde yksek alt souma ile doal

ekirdekler oluturarak daha fazla ekirdek says elde edilmi olur. Kalp ve dkm

scaklndaki art taneleri kabalatrmasna karn ekil 5.4de grld gibi kalp

scaklndaki ilk artlar tane bykln fazla etkilemezken, dkm

scaklndaki ilk artlar tane boyutunu olduka kabalatrmaktadr (20).


52/124

52

ekil 4.4. Dkm ve kalp scaklnda artn tane boyutuna etkisi (20)

4.5. Alama Sresinin Etkisi

Alayc ilavesinden dkm ilemine kadar geen srenin iyi saptanmas etkili bir

tane inceltmenin salanmasnda ok nemlidir. Alaycnn sv metal ierisinde

iyice dalabilmesi ve kltmeyi salamak iin uygun bir zamann gereklilii bu

konu zerinde alan tm aratrmaclar tarafndan kabul edilmitir.

Hallowel (19), alaycnn kltme etkisinin alamadan sonra geen zamanla

artt ve bir maksimumdan getikten sonra azaldn ne srmektedir.


53/124

53

ekil 4.5. Alminyum iin farkl bekletme zamanlarnda 0.01% Ti veya B ilaveoranlarnda eitli tane incelticilerin kullanm ile tane inceltme analizi (18)

ekil 4.5de % 0,01 titanyum veya bor ilaveleri ile Al3Ti, Al3B ikili ve Al5Ti

1B, Al3Ti1B, Al1Ti3B l master alamlar ile tane inceltmeden sonra

alminyumun tane bykl analizini gstermektedir. ekil 4.5deki master

alamlar kyasland zaman Al5Ti1B ile tane inceltilmi alminyumun tm

bekletme zamanlarnda en dk tane boyutuna sahip olduu aka grlmektedir.

Ayn zamanda Al3Ti1B yaklak olarak Al5Ti1B tarafndan salanan ayn tane

boyutunu vermektedir. Bu iki master alamn tane inceltme etkinlii sadece

titanyum ilave seviyesine dayanmaktadr. Her iki master alamnda titanyumun bora

kar daha yksek afinitesi nedeniyle TiB2 oluturmak iin gerekenden fazla

titanyum, TiAl3 oluturmak iin alminyumla birleecektir (18).

Her bir % 1 B, % 2,2 titanyum tarafndan TiB2 oluturmak iin tketilirken TiB2nin

hacimsel oran hem Al3Ti1B hemde Al5Ti1B de ayn olaca beklenmektedir.

Al5Ti1Bde TiAl3n oran daha fazla olacaktr. % 0,01 titanyum ilavesi salamak

iin % 0,33 Al3Ti1B, % 0,2 Al5Ti1B master alam alminyum svya ilave

edilmelidir. Al3Ti0B beklendii zere ksm tane inceltme salamaktadr. Mevcut

aratrmaclarn daha nceki almalar alminyumun iyi tane inceltmesinin (200mikron altnda tane bykl) titanyum ilavesi


54/124

54

alamlar ile mmkn olduunu gstermitir. Borca zengin ikili ve l alamlar

(Al0Ti3B - Al1Ti3B) alminyumda tane inceltmeyi balatmaya mktedir

deildir buda AlB2nin alminyum iin ekirdekleme merkezi olarak grev

yapamayacan ortaya koyar.

a) b)

Resim 4.1. Al-Si7 alamnda farkl master alamlaryla tane inceltme makroyap

fotoraflar a) Al-5Ti-1B b) Al-1Ti-3B (18)

Resim 4.1 Al-5Ti-1B (%0,2 ilave durumunda titanyum ve bor ilave oran srasyla

0,01 0,002) ve Al-1Ti-3Bun daha yksek miktarlar (%1 ilave iin titanyum ve bor

ilave oran srasyla 0,01 ve 0,03) ve farkl bekletme zamanlar (0-2-5-30-60-120

dakika) artlarnda tane inceltilmi alminyumun makro yap fotorafn

gstermektedir. ekil 4.5de alminyumun Al-5Ti-1B ilavesi ile daha hzl tane

inceltmeye cevap verdiini, 2 dakikalk bekleme zaman ierisinde stunsal

tanelerden e eksenli tane yapsna tamamen getiini gstermektedir. Tane yaps

120 dklk bekletmeye kadar ince e eksenli yap olarak kalmtr. Al-1Ti-3B master

alam kullanm durumunda Resim 4.1 ada grld gibi 0 dakikadaki

numunenin kaba stunsal tane yaps 120 dk bekletilenle ayn ekilde kald yksek

ilave oranlarnda bile (B%0,03) ayndr (18).


55/124

55

Cannes ve arkadalar (16) gelitirdikleri bir test ile bu sreyi incelemilerdir ve

6063 (% 0,7 Mg, % 0,4 Si) alam iin alaycnn etkili olma sresinin bileimle

dorudan etkili olma sresinin, bileimle dorudan etkili olduu ve eer ilave ile

dkm arasndaki sre ok ksa ise alayc miktarndaki ok az bir artn bile tane

inceltme ileminde yararl olduu ortaya konulmutur. Tersine olarak, eer alayc

ilavesi ile dkm ilemi arasndaki sre ok ise alayc miktarnn drebilecei

savunulmutur, ancak alama sresinin etkisi saysal bir deer olarak kesin bir

belirleme olmamtr.

4.6. Tane Kltme Yntemleri

4.6.1. Issal yntemle tane kltme

Yksek souma hz katlaan metalin byk bir ksmn likds scaklnn altnda

ar soutmaktadr. Kalp duvarnda ar souma arttka ekirdeklenme hz

arttndan, ekirdeklenme merkezi says ok ve komu tanelerle temastan nce

tanenin byyebilecei uzaklk ksa olur. Bu tanelerin dkm merkezine doru

bymeleri ergime gizli snn sistemden uzaklatrlmas ve katlamas ve kat/sv

ara yzeyi nndeki bileim gradyantna baldr. Sistemden uzaklama hz arttka

bileim gradyant artar ve yava soumaya oranla daha ksa kolonsal bymeden

sonra eeksenli kristallerin oluumu iin gerekli kritik ar soumaya eriilir. Hzl

soumada elde edilen merkezdeki eeksenli taneler daha incedir. Katlama hznn

scaklk gradyantna oran da alamn yapsal ar soumasna baldr (3).

ekirdekler bymeye frsat bulamadan birbirine temas ederler ve ince taneli bir

yapy olutururlar. Tane boyutu ile souma hz arasndaki bant, dendiritler aras

akln souma hz ile ilikisine benzer ekilde aadaki gibi gsterilebilir (3).

D= a/vb [1]


56/124

56

Issal tane kltme yntemleri ksaca aadaki gibi zetlenebilir.

ok hzl soutma yntemleri (Splat cooling)

Daha ziyade laboratuar almalarnda kullanlan bu yntemde kk hacimdeki sv

metal soutma ortam ile ani temas edince ok ince taneli yap salanmtr. Souma

hznn ok hzl olmas durumunda ise amorf yap gzlenmitir.

Dkmde il uygulamas

il uygulamas ile svnn, tad snn sistemden hzl uzaklatrlarak ince taneli

bir yap elde edilebilir.

Dk dkm scaklnda dkm

Dkm scakln drerek de yapy inceltmek mmkndr. Fakat bunun iin

btn dkm boluunun doldurulmas ve ince kesitten gemesi iin bir alt snr

vardr. Ayrca dk dkm scaklklarnda almalarda, besleme glkleri ile

karlalr.

Uhlman ve arkadalar (7) Al%2Cu sisteminde dkm scaklnn etkisini

incelemilerdir. 10C ar sda dkld zaman btn yapnn e eksenli

tanelerden olutuu, 25-30C aralnda ingotlarca karlalan 3 blgenin olutuu,

65C ar sda ise btn dkmn kolonsal tanelerden olutuu bulunmutur.

Manyetik alan uyguland zaman 20C den yksek ar slarda yap kolonsaldr.

4.6.2. Dinamik yntemlerle tane kltme

ngotun tane yaps katlama srasnda d bir etki ile sv akn deitirilerek

kontrol edilebilir. Katlama srasnda enerji veren bir d etki uygulanarak byyen

dendiritlerin dinamik olarak koparlmas ve ingotun i blgelerine tanarak eeksenli

tanelerin bymesinin salanmasna dinamik tane kltme yntemleri denir.

Balca dinamik tane kltme yntemleri, dk ve yksek frekansta titreim,

manyetik ve elektromanyetik kartrma, alkant, gaz fleyerek kartrma, kalpboyas kullanm, dndrme, doal konveksiyonun attrlmasdr. Bu yntemlerin


57/124

57

amac sv metal iinde fiziksel bir kartrma dourarak sv iine uzanan dendrit

kollarn koparmak ve kopan paracklarn svnn ar ssnda tekrar ergimeden

yeni tanelerin olumas iin ekirdek merkezi olarak davranmalarn salamaktr.

Aralarndaki fark sadece fiziksel karmay oluturma biimleri asndandr.

4.6.3. Manyetik ve elektromanyetik kartrma

Manyetik ve elektromanyetik kartrma kullanlarak, doal konveksiyon bastrlp

kolonsal tanelerin oluumu arttrlr veya doal konveksiyonun iddetlendirilmesiile

dendiritlerin koparlarak i blgelere tanp e eksenli taneleri oluturmas salanr.

Elektromanyetik kartrmann ekirdekleme zerine etkilerinin incelenmesinde

manyetik alan iddetinin (H) ilk kat ekirdeinin olutuu kritik ar soumay

etkilemedii bulunmutur. Buna karlk birim hacimdeki ekirdek says (n) sabit

ar soumada H ile artmaktadr. Sabit H iin ar souma arttka (n) artmaktadr.

ekil 4.7de boyutlu olarak tane saysnn, manyetik alan iddeti ve yapsal ar

souma ile deiimi gsterilmitir. Manyetik alan iddetinin yksek olmas, sv

metalin yksek hzda karmasna ve ingot merkezince porozite oluumuna yol

amaktadr. Eer alan iddeti yetersiz ise tane kltme salanamaz. ekil 4.6de

manyetik kartrma sistemleri grlmektedir (7).


58/124

58

ekil 4.6. Manyetik alan iddeti, ar souma fonksiyonu olarak tane kltmederecesinin deiimi (3)

Manyetik alanda tane kltme mekanizmasn incelemek iin eitli teoriler ne

srlmtr.

1. Aglomerasyon mekanizmas, kritik boyutun altndaki ekirdeklerin

topaklamasyla tane ekirdeini oluturmas.

2. Basnl dalga mekanizmas, kat/sv ara yzeyinden dalga geii srasnda

blgesel basn art ile ekirdek oluumundaki art.

3. Sv metal kalba girdii zaman kalp yzeyinde katlama balar. Kat/svarayzeyi ilerledike ara yzey nndeki sv metal elektromanyetik kartrma

etkisi ile dendritleri koparr ve i blgelere tayarak e eksenli tane oluumuna

yol aar.


59/124

59

ekil 4.7. Elektromanyetik kartrma yntemleri (3)

4.6.4. alkant

Sv metale yn belirli frekansta deien alkant uygulandnda bilhassa sv

metalin serbest yzeyinin kalp duvar ile kesitii blgeler ve kalp duvarndaki

taneler kolayca kopabilir. Kopan taneler yeni taneler iin ekirdek olarak davranr.Wojciachowski ve arkadalar (7) Al - % (l-4) Cu alamlarnda 3,5 apnda 15,5

cm yksekliindeki numuneye 1/3-1,5 Hz frekansta 180 genlikte alkant

uygulamlardr. alkantnn iddeti, eriyen element miktar arttka ve dkm

scakl dtke, kolonsal tanelerin boyunun azaldn bulmulardr. alkantnn

tane kltme etkisini dendritlerin kopma mekanizmas ve kartrmann kat/sv ara

yzeyinin nndeki scaklk dalmn deitirerek, kopan dendrit tanelerinin tekrar

ergimeden e eksenli taneleri oluturduu ne srlmtr.


60/124

60

4.6.5. fleme ile kartrma

Sv metal iersinde Ar, N2, He gibi sv metalle reaksiyona girmeyen gazlar

gndererek sv metalin kartrlmas sonucu kolonsal byme bastrlarak eeksenli

tanelerin artt bulunmutur.

Al-0,2 Cu alam 680Cde ergitilmi ve 65 mm apnda 150 mm yksekliinde

grafit kalba dklmtr. Kalba 20 ve 100 mm derinliinde 6 mm apnda almina

tp daldrlm ve 200 cc/dk hzla l0 sn azot gaz gnderilerek yapnn deiimi

incelenmitir Gaz fleme ile tane kltme salanmtr. 100 mm derinlikte ise gazn

soutma etkisinden dolay daha ince tane elde edilmitir (3).

4.6.6. Kalp boyas kullanma

Tane boyutunu kltmek iin kalp boyalar ku

aluminyum dokum alasimlarina al5ti1b ile tane inceltme islemi uygulanmasi grain refining of...

Documents