575

SERTLEHİMLEME İLE BİRLEŞTİRİLMİŞ AA5754 VE AA3003 MALZEMELERDEKİ KOROZYONUN İNCELENMESİ

N. Sinan KÖKSAL*, İlyas TÜRKMEN**, Melih ARABACI***

*sinan.koksal@bayar.edu.tr Celal Bayar Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 45040-Manisa ** ilyas.turkmen@bayar.edu.tr Celal Bayar Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 45040-Manisa *** meliharabaci@hotmail.com Celal Bayar Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 45040-Manisa

ÖZET

Alüminyum malzemelerden yapılan tasarımlarda, birleştirmelerin emniyetli ve istenen dayanımda olması için sertlehimleme tercih edilmektedir. Koruyucu gaz atmosferi fırında 0,5 mm kalınlıkta AA3003 ve 1,5 mm kalınlıkta AA5754 numuneler sertlehimlenmiştir. 3xxx ve 5xxx serisi Mg ve Mn gibi alaşım elementleri içeren Al numunelere üç nokta eğme deneyi uygulanmıştır. Bu şekilde hasara uğratılan numunelere korozyon deneyi uygulanmıştır. Tasarımın kritik noktası olan birleşme bölgelerinde, deney sonrası mikroyapı görüntüleri alınmış ve lehim bölgesinde hasar oluşmadığı görülmüştür. Numunelerde çukurcuk tipi korozyon oluştuğu gözlemlenmiştir. Hasarlı numunelerin lehim bölgesinde herhangi bir çözülme, ayrılma olmamıştır. Korozyon deneyi sonuçlarında da benzer durum görülmüştür. Levha, kanatçık ve lehim bölgesinde, korozyon tipi ve oluşumuna hasarın etkisi içyapı incelemeleri ile belirlenmiştir. Anahtar Sözcükler: Sertlehimleme, korozyon, üç nokta eğme deneyi, lehim bölgesi

ABSTRACT

The brazing is preferred in designs of aluminium materials where joints are to be at desired strength and safely. AA3003 0.5 mm and 1.5 mm AA5754 thickness samples were brazed in furnace with controlled gas atmosphere. Three point bending test is applied to 3xxx and 5xxx series Al samples containing alloying elements such as Mg, Mn. Corrosion tests were done on test specimens damaged in this way. Microstructure photographs were taken at the joining region, and no damages were found at soldering surfaces. Pitting type corrosions were observed at the tests samples. No breaking was observed at soldering region of the damaged test specimens. Similar situation was seen at corrosion test results also. Effects of damages on corrosion type and formation at plate, fins and soldering region were determined by microstructure analysis. Keywords: Brazing, corrosion, three point bending test, brazing region

2. Ulusal Tasarım İmalat ve Analiz Kongresi 11-12 Kasım 2010- Balıkesir

576

1.GİRİŞ Üretim tekniklerinde gelişmelerin sonucunda özellikle farklı malzemelerin birlikte ve geniş bir alanda kullanımı mümkündür. Doğal kaynaklı yakıtların hızla azalması ve bu yakıtların kullanımında birtakım çevre sorunları ile karşılaşılması gibi nedenlerle tasarım ve parça üretim aşamalarında özellikle uygun malzeme seçiminin önemi artmaktadır. Öncelikli olarak daha hafif, daha çevre dostu malzemelere ihtiyaç duyulmaktadır. Özellikle otomotiv endüstrisinde hafif metallerden alüminyum, magnezyum ve alaşımların kullanımı ile malzemelerden beklenen bu katkılar elde edilmektedir. Alüminyum esaslı ürünler hafif, korozyona dayanıklı, çevreye duyarlı ve ekonomik olması özellikleri bu malzemelerin seçimini kolaylaştırmaktadır.

Alüminyum malzemeler kimyasal bileşimindeki element oranına bağlı olarak farklı serilerde tanımlanmıştır. Örnek olarak; 3xxx serisinin en önemli alaşımı 3003‘tür. Bu alaşım 1100 alaşımına %1,25 mangan ilavesi ile oluşturulur ve dayanım artışı sağlanır. Bu serinin alaşımları iyi işlenebilirliğin gerektiği yerlerde kullanılabilen genel amaçlı alaşımlardır. 4xxx serisinin en önemli elementi Si’dur. Bu seride 4343 en önemli alaşımdır. 5XXX serisinin ana alaşım elementi olan magnezyum katı eriyik ile mukavemet artışı sağlar ve miktarı %5’e kadar çıkabilir. Al-Mg alaşımları, sahip oldukları yüksek mukavemet, uzama, şekil verilebilirlik, kaynaklanabilirlik ve yüksek korozyon dayancı özellikleriyle farklı alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Mukavemet ve şekil verilebilirlik özellikleri yanı sıra korozyon ve kaynaklanabilirlik özellikleri de 5XXX serisi alüminyum alaşımlarını otomotiv uygulamalarında ayrıcalıklı bir yere getirir. En yaygın kullanılan alaşımları AA5754, AA5052 ve AA5182‘dir. Ayrıca Al malzemelerin yüzeylerinde doğal olarak oluşmuş Al2O3 oksit tabakasına sahiptir. Havada veya sulu çözeltili ortamlarda kolaylıkla yüzey bölgesinden oluşan bu çok ince tabaka parçayı oksitlenmenin devamından korur. Alüminyumun elektrolitik oksitlenmesi ile bu tabaka kalınlaştırılır ve kuvvetlendirilir. Ancak bu tabakanın tuzlu su ortamlarına dayanıklılığı yoktur. Al-Mn ve Al-Mg-Mn deniz suyuna karşı korozyon dayanımlarından dolayı denizcilik sektöründe kullanılırlar. Al-Mn, Al-Mg, Al-Mg-Mn yüksek korozyon dayanımlarından dolayı gıda ambalajı olarak ve ayrıca toksik olmamaları sebebi ile de gıda ambalajı olarak kullanılır. Alüminyum saflık derecesine göre sınıflandırılır. Mekanik özelikleri, içeriğindeki Si, Fe, Ti, Cu ve Zn gibi elementlerin etkisi ile yükselmesine karşın kimyasal maddelere karşı olan direnci azalır; mekanik özelikler alüminyuma uygulanan şekil verme işlemine bağlı olarak büyük ölçüde değişir [1,2].

A12O3’in yüksek kimyasal stabilitesi nedeniyle uzun yıllar alüminyumun sert lehimlemesi güç ve hatta olanaksız olarak görülmüştür. Alüminyum ve alaşımlarının sert lehimlemesinde diğer metallere göre farkı, değişik dekapan, değişik ilave metal ve daha alçak çalışma sıcaklıklarından ibarettir. İşlem, esas malzemedeki ve lehim alaşımındaki elementlerin arasında difüzyon olayının gerçekleşmesi ile birleşme gerçekleşir. Kalıcı ve sızdırmaz bağlantılar için bu yöntem idealdir. Sertlehim işlemi sırasında; lehimleme sıcaklığı, birleşme yüzeyleri arasındaki mesafe, işlem süresi, ısıtma ve soğutma ortamı ve seçilen dolgu malzemesi gibi faktörler lehimleme kalitesine önemli oranda etki etmektedir. Bu aşamalarda işlemin hassas yapılması yanında tecrübe de önemli bir etkendir. Bu işlemde; iş parçasına uygun lehim malzemesinin, temiz olan yüzeyinde sıvılaşarak yayılması ve ince bir tabaka oluşturarak parçalar arasında difüzyon gerçekleştirmesi ile bağlantı sağlanır. Birleşme kalitesi açısından, her iki yüzey arasında bırakılması gereken boşluğun (lehim boşluğu) uygun ayarlanabilmesi önemlidir. Lehim malzemesi, bu aralık uygun seçildiğinde verilen boşluğu kendiliğinden doldurur. Birleşme yerinin dayanımını

577

artırmak amacı ile genellikle dolgu malzemenin akışı, bir akışkan (flux) ile artırılır [3-5]. Sert lehimleme yönteminin seçimi, dolgu metalinin seçimi kadar önemlidir. Başlıca yöntemleri ise; otomatik alevle, fırında, üfleçle, endüksiyonla, direnç, lazer vb. sert lehimlemelerdir. Bu yöntemlerin lehimlemedeki difüzyon olayına etkisi ortamdaki elementlerin bünyeye girerek istenmeyen yapıların oluşmasına engel olabilmektedir [6-10]. Bu açıdan da birleşmenin gerçekleştiği ortamın uygun ve kontrollü olması gereklidir (Şekil 1). Küçük boyutlu parçaların demir dışı metallerle metalürjik bir bağlantısını sağlayan, ısı kaynağı fırın olan sert lehimleme, kontrollü atmosferik fırında uygulama olarak adlandırılır [11,12].

Şekil 1. Alüminyum radyatör ve kanatçık-levha arasındaki lehim bölgeleri

Dolgu metalinin lehimlemeden önce bağlantı yerine uygulanmasına ve işlem boyunca parça pozisyonunun sabit kalmasına işlemde dikkat edilmelidir. Bu yöntemde lehimleme atmosferi de kolaylıkla düzenlenebilir. Dekapan kullanılmaması bağlantı tasarımlarında esneklik sağlar ve lehim sonrası temizliğe gerek kalmaz. Oluşabilecek çarpılmalar en aza indirilir veya ortadan kaldırılır. Ancak bu yöntemde ilk yatırım maliyeti yüksek olup, fırın donanımlarının bakımı diğer yöntemlere göre hassas ve pahalıdır. Bunlara ek olarak özel gaz atmosferinin maliyeti önemlidir. İşlem sırasında iş parçaları tamamen ısıtıldığından lehimlenen malzemeye ve sıcaklığına bağlı olarak ana metalde yapısal değişiklikler olabilir. Kontrollü atmosferde sert lehimleme yapılan alüminyum parçalar, otomotiv ve havalandırma sistemi uygulamalarındaki radyatör, kondenser, yağ soğutucular, evaparatör, havalı soğutucuların üretiminde kullanılmaktadır (Şekil 2).

Şekil 2. Al malzemelerden üretilen radyatör ve kondenserler [13].

578

Yöntemlerin tümünde fırının çalışma sıcaklığı, ısıtma/soğutma hızı ve maksimum lehimleme sıcaklığının seçimi de önemli olmaktadır. Bu sıcaklıkların lehim malzemesine uygun olması ve uygulanma süresi önemlidir [14-18]. 2. MATERYAL VE METOT 2.1 Malzeme Ticari olarak kullanılan Al ürünlerinden AA5754 malzemesinden 1,5 mm kalınlıkta levha, 0,5 mm kalınlıktaki alüminyum tüp boru ve 0,15 mm kalınlıklı iç fin (kanatçık) AA3003 alaşımından, sertlehim işleminde lehim dolgu malzemesi olarak kullanılan clad malzemesi ise AA4343 alaşımı olarak temin edilmiştir (Tablo 1).

Tablo 1. Deneylerde kullanılan malzemelerin kimyasal bileşimleri (% ağırlık)

Sert lehim işleminden önce alüminyum levhalara lehim dolgu alaşımı belirli kalınlıklarda kaplanmakta ve sert lehim işlemi esnasında kaplanan bu dolgu alaşımı ergiyerek levha ve kanatçıkların arasına yerleşerek birleşmeyi sağlamaktadır. Burada birleşimin iyi olabilmesi için dolgu alaşımının levhaya en uygun kalınlıkta kaplanması gerekmektedir. Eğer uygun kalınlık değeri sağlanamazsa levha kanatçık sisteminin bazı yerlerinde birleşme gerçekleşmez ve sert lehimleme işlemi başarısız olur. Bu kalınlık değeri ise ortalama % 9,9 civarındadır. Kullanılan flux malzemesinin özellikleri Tablo 2’de verilmiştir.

Tablo 2. Flux malzemesinin fiziksel özellikleri

Görünüm Beyaz Toz Yoğunluk (20 oC) g/cm3 2,8

Ergime Sıcaklığı oC 565-572

NOCOLOK

Flux Sudaki Çözünürlük g/l 4,5

Üretici firma verilerine göre AA5754 malzeme levha ve AA3003 kanatçık malzemesinin mekanik özellikleri sırasıyla Tablo 3 ve Tablo 4’de verilmiştir.

Tablo 3. AA5754 malzemenin mekanik özellikleri

Element Al Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti AA5754 96.15 0.11 0.26 0.006 0.134 3.24 0.097 0.003 0.0011

AA3003 97,90 0,22 0,54 0,06 1,18 0,04 - - -

AA4343 93,30 7,454 0,191 0,001 0,006 0,02 - - -

Numune

Çekme Dayanımı Rm (MPa)

Akma Dayanımı Rp0.2 (MPa)

Uzama (%)

Brinell Sertlik Değeri (HB)

1,5 mm kalınlıklı levha

235 173 12 65

579

Tablo 4. AA3003 malzemenin mekanik özellikleri

Bu malzemelerle oluşturulan farklı kalınlıktaki numuneler % 99,99 saflıktaki azot gazı kullanılan koruyucu gaz atmosferinde Şekil 3’e uygun olarak, AA3003 malzeme için 643–654 0C, AA4343 malzeme için 577–612 0C sıcaklıklar seçilmiştir. Belirtilen sıcaklık ve sürelerde, sürekli konveyör tipli Seco/Warnick sert lehim fırınında [13] sertlehimleme işlemi gerçekleşmiş ve Tablo 5’de sınıflandırılan numuneler elde edilmiştir.

Tablo 5. Numune grupları

Farklı kalınlıkta AA3003 ve AA5754 malzemelerin iç kısmında AA3003 kanatçık malzemesi kullanılarak kontrollü atmosfer fırınında uygulanan sertlehimleme sonucu Tablo 5’de belirtilen malzemeler Şekil 3’de gösterilmiştir.

Şekil 3. Farklı kalınlıkta üretilmiş olan A1 ve B1 numuneleri

AA3003 kanatçık malzemesi değişmemek koşulu ile 0,5 mm kalınlıklı AA3003’ten 70x600 mm ve 1,5 mm kalınlıklı AA5754'ten 100x200 mm boyutlarında üretimler gerçekleştirilmiştir. Üretim sonrası malzemelerin birleşme kalitesi makro ve mikro yapı incelemeleri yapılmış ve mekanik özelliklerini belirlemek için numunelere üç nokta eğme deneyi uygulanmıştır. 2.2 Üç Nokta Eğme Deneyi Numunelerin levha kalınlıkları farkı ve alaşım elementleri farkından dolayı eğilme dayanımı değerlerini ve bu değerlerdeki değişimi saptamak için üç nokta eğme deneyi yapılmıştır. Hazırlanan numunelerin üç nokta eğme deneyi, Shimadzu Autograph çekme cihazında destekler arası açıklık (L)=50 mm ve makine basma hızı 5 mm/dakika ile yapılmış ve Şekil 4 'teki numuneler elde edilmiştir.

Şekil 4. Tuzlu Su korozyon Testi Uygulanan Hasarlı Numuneler

Malzemeler Çekme Dayanımı

Rm (MPa) Akma Dayanımı

Rp0,2 (MPa) Uzama

(%) 0,5 mm kalınlıklı levha

0,15 mm kalınlıklı iç kanatçık 180 147 6,3

Numuneler Simgesi AA3003 0,5 mm levha kalınlıklı numune A1 AA5754 1,5 mm levha kalınlıklı numune B1

580

2.3 Tuzlu Su Korozyon Deneyi (Salt Sprey Test) Levha kalınlığı 0,5 mm ve 1,5 mm olan numunelere %10’luk tuzlu su çözeltisinde 5 gün ve 10 gün süre ile korozyon deneyi uygulanmıştır. Bu numunelerde tuzlu su ortamında oluşan korozyonun etkileri, lehim bölgesi mikroyapısı ve kütle kaybı değişimi incelenerek belirlenmiştir. Ayrıca hasarlı duruma gelmiş malzemelerde korozyon direncinin değişimini belirlemek için, üç nokta eğme deneyi uygulanmış numunelerde aynı korozyon ortamında lehim bölgesi mikroyapısı ve kütle kaybı değişimi karşılaştırılmıştır. Deney başlangıcında numunelerin mikroyapısı incelenmiş ayrıca kütleleri hassas terazide ölçülmüştür. Korozyon deneyi, 5. ve 10. günlerde numuneler tuzlu su çözeltilerinden çıkartılıp mikroyapıları incelenmiştir. Bunun yanında numunelerin kütleleri de hassas terazide ölçülmüş, kütle kayıpları gözlenmiş ve değerler Tablo 6'da verilmiştir.

Tablo 6. Numunelerin süreye bağlı olarak ağırlık kaybı (mg) Süre A1 A2 B1 B2

5 Gün 11,2 22,5 13,9 11,3 10Gün 17,7 25,1 16,9 15,9

2.4 Mikroyapı Resimleri Numunelerin yüzeyleri zımparalanmış ve alümina pasta ile parlatılmıştır. Parlatılmış numunelerin metal mikroskobunda levha-lehim bölgesi mikroyapı fotoğrafları çekilmiştir (Şekil 5-16 ).

Şekil 5 A1 numunesinin korozyon deneyi öncesi mikroyapı fotoğrafları

Şekil 6. A1 numunesinin 5 günlük korozyon deneyi sonrası mikroyapı fotoğrafları

581

Şekil 7. A1 numunesinin 10 günlük korozyon deneyi sonrası mikroyapı fotoğrafları

Şekil 8. B1 numunesinin korozyon deneyi öncesi mikroyapı fotoğrafları

Şekil 9. B1 numunesinin 5 günlük korozyon deneyi sonrası mikroyapı fotoğrafları

Şekil 10. B1 numunesinin 10 günlük korozyon deneyi sonrası mikroyapı fotoğrafları

Aynı korozyon şartlarında, üç nokta eğme deneyi uygulanmış A2 ve B2 numunelerinin tuzlu su ortamında elde edilen mikroyapı görüntüleri de Şekil 11-16’da verilmiştir.

582

Şekil 11. A2 numunesinin korozyon deneyi öncesi mikroyapı fotoğrafları

Şekil 12. A2 numunesinin 5 günlük korozyon deneyi sonrası mikroyapı fotoğrafları

Şekil 13. A2 numunesinin 10 günlük korozyon deneyi sonrası mikroyapı fotoğrafları

Şekil 14. B2 numunesinin korozyon deneyi öncesi mikroyapı fotoğrafları

583

Şekil 15. B2 numunesinin 5 günlük korozyon deneyi sonrası mikroyapı fotoğrafları

Şekil 16. B2 numunesinin 10 günlük korozyon deneyi sonrası mikroyapı fotoğrafları

3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Al esaslı malzemelerden levha AA5754 kanatçık AA3003 numuneleri sertlehimleme ile başarılı bir şekilde birleştirilmiştir. Elde edilen levha-kanatçık-levha şeklindeki numuneler (hasarsız) ve bu numunelere uygulanan üç nokta eğme deneyi sonrasında (hasarlı) numunelere tuzlu su ortamında korozyon deneyleri 5 ve 10 gün süre ile yapılmıştır. Korozyon deneyleri sonunda alınan mikroyapı fotoğraflarında numunelerde pitting (çukurcuk) tipi korozyon oluştuğu görülmüştür. Hasarlı numunelerde korozyon sonucunda oluşan çukurcuklar (Şekil 12 ve Şekil 13) genellikle lehim bölgesinde oluşurken, diğer numunelerde korozyon sonucundaki bu çukurcukların lehim bölgesi dışında levha kısmında oluştuğu gözlemlenmiştir. Ayrıca bu deneylerin sonuçlarında, AA3003 malzemeden oluşan 0,5 mm levha kalınlıklı numuneler (A grubu), AA5754 alaşımlı malzemeden oluşan 1,5 mm levha kalınlıklı numunelerden (B grubu) daha fazla korozyona uğradığı görülmüştür. Hasarlı numunelerde, üç nokta eğme deneyinde lehim bölgesinde herhangi bir çözülme, ayrılma durumu ile karşılaşılmamıştır. Korozyon deneyi sonuçlarında da benzer durum görülmüştür. 4. KAYNAKLAR [1] CHUANG, T. H., YEH, M. S., TSAO, L. C., TSAI T. C., WU, C. S., Development of a Low-Melting-Point Filler Metal for Brazing Aluminum Alloys, Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 31, No: 9, pp. 2239-2245(7), (2000). [2] ROBERT, P. M., Industrial Brazing Practice, CRC Press LLC, New York, (2003).

584

[3] WANG, C. Y., ZHOU, Y. M., ZHANG, F. L., XU, Z. C., Interfacial microstructure and performance of brazed diamond grits with Ni–Cr–P alloy, Journal of Alloys and Compounds, 476, 884–888, (2009). [4] LUGSCHEIDER, E., SCHLIMBACH, K., Proc. Conf. Brazing, High Temperature Brazing and Diffusion Welding, Aachen, pp. 191–195, German Welding Society (DVS), (1998). [5] JACOBSON, D. M., HUMPSTON, G., Principles of brazing , ASM International, 36-42, (2005). [6] XIAA C., LIA Y., PUCHKOV, U. A., GERASIMOV, S.A., WANG, J., Microstructure and phase constitution near the interface of Cu/Al vacuum brazing using Al–Si filler metal, Vacuum, 82, 799–804, (2008). [7] LIU, L., TAN, J., LIUI X., Reactive brazing of Al alloy to Mg alloy using zinc-based brazing alloy, Materials Letters, 61, 2373–2377, (2007). [8] UZKUT, M., KÖKSAL, N. S., ÜNLÜ, B. S., The Determination of Element Diffusion in Connecting SAE 1040/WC Material by Brazing, Journal of Materials Processing Technology, 169, 409-413, (2005). [9] ALTSCHULLER, B., DICKERSON, P. B., HEFLIN, R. L., Aluminum Brazing Handbook, 4th Ed., p. 65, The Aluminum Association, Washington D.C., (1990). [10] TAKESHITA, K., TERAKURA, Y., A novel approach for predicting the tensile strength of brazed joints, Metall. Mater. Trans., 29A (2): 587–592, (1998). [11] RAMON, J. J., DIRNFELD, S. F., A practical way to measure the strength of small soldered joints, Welding Journal 67(10): 19–21, (1988). [12] XIA, C.Z., LI, Y.J., PUCHKOV, U.A., GERASIMOV, S.A., Wang, J. Crack analysis near vacuum brazing interface of Cu/Al dissimilar materials using Al-Si brazing alloy, Materials Science and Technology, Vol 25, No: 3, pp. 383-387(5), (2009). [13] www.secowarwick.com [14] ROULIN, M., LUSTER, J. W., KARADENIZ, G., MORTENSEN, A., Strength and Structure of Furnace-Brazed Joints between Aluminum and Stainless Steel, Weldıng Research Supplement, 151-157, (1999). [15] TAKESHITA, K., TERAKURA, Y., A novel approach for predicting the tensile strength of brazed joints, Metall. Mater. Trans., 29A (2): 587–592, (1998). [16] BHAGAT, R. B., Growth kinetics of interface intermetallic compounds in stainless steel fibre reinforced aluminium matrix composites, J. Mater. Sci., pp. 1496–1502, (1989).

585

[17] COLIN, C., MARCHAL, Y., BOLAND, F., DELANNAY, F., Stainless steel fiber reinforced aluminium matrix composites processed by squeeze casting: relationship between processing conditions and interfacial structure, J. de Physique IV (Suppl. to J. De Physique III), 3 (C7): 1749–1752, (1993). [18] BARON, R.P., WERT, J. A., GERARD, D. A., WAWNER, F. E., The processing and characterization of intered metal-reinforced aluminium matrix composite, J. Mater. Sci., 32: 6435–6445, (1997). [19] www.aleris.com [20] SEKULIC D. P., GALENKO P. K., KRIVILYOV M. D., WALKER L., GAO F., International Journal of Heat and Mass Transfer, 48, 2372–2384, (2005).