Niyobyum elementi ilavesinin A206 alaşımına etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of adding niobium to alloy A206
Yazar: NURİ PALAMUTÇU
Danışman: DOÇ. DR. DERYA DIŞPINAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Alüminyum alaşımları = Aluminum alloys ; Bakır alaşımları = Copper alloys ; Elementler = Elements ; Mikroyapı = Microstructure ; Niyobyum = Niobium ; Çökelti özellikleri = Sedimentologic properties

Özet:
Alüminyum, düşük yoğunluk, işlenebilirlik, korozyon direnci, süneklik, geliştirilebilir mekanik özellikler ve özgül mukavemet gibi harika özelliklere sahiptir. Bu özellikler, alüminyumu dünyada en çok üretilen ikinci metal haline getirmektedir. Alüminyum mükemmel bir geri dönüşüm oranına sahiptir ve bu onu çevre dostu yapar. Ayrıca alüminyum yüzde sekiz ile dünyada en çok bulunan üçüncü elementtir. Alüminyum üretiminin birincil ve ikincil olmak üzere iki farklı yolu vardır. Birincil üretim, ikincil üretime göre çok daha pahalı ve zordur. Boksit cevherinden alüminyum oksitin Bayer prosesi adı verilen prosesle elde edilmesinden oluşan bu üretim şekli. Bu işlemden sonra Hall-Heroult işlemi adı verilen bir yöntemle alüminyum oksitten arta kalan alüminyum elementi elde edilir. İkincil üretim, birincil üretimin aksine her geçen gün artmaktadır. İkincil üretim, birincil üretim için gereken enerjinin yalnızca %5'ini tüketir.
Alüminyum alaşımları dövme ve döküm alaşımları olarak başlıca iki gruba ayrılır. Alüminyum döküm alaşımları otomotiv, savunma ve havacılık endüstrilerinde en yaygın kullanılan demir dışı metallerdir. Alüminyum-bakır alaşımları yüksek mukavemet, yüksek sıcaklık dayanımı, korozyon direnci ve yorulma dayanımı özellikleri ile bu endüstrilerin ihtiyacını karşılamaktadır. Ana alaşım elementi ağırlıkça %4-5 Cu olan A206 alaşımları etkilerini fazla göstermeyen Mg, Mn, Si elementlerini de içermektedir. Üstün akma ve çekme dayanımına sahip olan A206 alaşımları ise döküm hatası olarak karşımıza çıkan sıcak yırtılma, çekme ve oksit kalıntısı gibi dezavantajlara sahiptir. Kum dökümü ve gaz giderme sonrasında azalması beklenen bu dezavantajların üstesinden gelmek için tane inceltme işleminin etkisi araştırılmıştır.
Çoğunlukla Ti ve B elementlerinin etkileri incelense de yeni çalışmalar nadir toprak ve farklı elementleri de içeriyor. Nb'nin tane inceltme üzerindeki etkisi bilinmesine rağmen, A206 alaşımı üzerindeki etkileri henüz çalışılmamıştır. Bu çalışmada A206 alaşımına Nb ilavesinin tane inceltme etkisi incelenmiştir. Niyobyumun tane inceltme, mikro yapı, beslenebilirlik, akışkanlık ve mekanik özellikler üzerindeki etkileri ısıl işlem uygulaması ile belirginleşir. Toplama varyansının etkisini görmek için üç farklı yüzde (ağırlıkça %0,025, ağırlıkça %0,05, ağırlıkça %0,1) ayrı ayrı kullanılmıştır. Niyobyum yüzdesinin yanı sıra, ısıl işlemin etkisini gözlemlemek için ısıl işlem uygulaması da T6 ve T7 olmak üzere değişkenlik göstermektedir. Isıl işlemin uygulanmasının ana nedeni, Al2Cu çökeltilerinin taneler boyunca homojen dağılımını sağlamak, bu da gerilme kalıntı gerilme giderme ve mekanik özelliklerin iyileştirilmesini sağlamaktır.
Bu deneyde gravite ve tilt olmak üzere iki tip döküm ile dört farklı kalıp tipine uygulama yapılmıştır. Mikroyapı analizi DAS ve SDAS ölçümleri ile yapılmaktadır. Basamak kalıbı dört basamaklıdır. Bu kalıptaki temel amaç, tane inceltme etkisi olarak DAS ve SDAS değerlerinin azalmasını gözlemlemektir. Beslenebilirlik için ördek ayağı kalıbı dökülür. Bu kalıbın amacı, çekinti boşluğu ve beslenebilirlik arasındaki korelasyon ile alüminyumun kendi başına beslenebilirliğini gözlemlemektir. Boşluk genişledikçe, beslenebilirlik daha yüksek demektir. Akışkanlık testinde ise alaşım elementi etkisini görmek adına akışkanlık kalıbı A206 alaşımından ve niyobyum takviyeli olarak dökülmüştür.
Çökeltilerin daha iyi homojen hale gelmesi ve dökümden kalan gerilmelerin giderilmesi için ısıl işlemler uygulanmaktadır. Bu nedenle ısıl işlem işlemlerinden sonra mekanik özellikler çok daha iyileşir. Çekme testi kalıbından alınan numunelere çekme testi, kalıbın yolluklarından alınan numunelere ise sertlik testi uygulanır. Çekme testi ile akma dayanımı, çekme dayanımı ve uzama değerleri bulunmuştur. Bu değerler ile ısıl işlem ve alaşım elementi etkisi ilişkilendirilmiştir.

Abstract:
Aluminium has great properties such are low density, machinability, corrosion resistance, ductility, improvable mechanical features and specific strength. These properties make the aluminium second most produced metal in the world. Aluminium has a excellent ratio of recycling and this makes it environment friendly. Also aluminium is the third most abundant element on earth with eight percent. 
Aluminium production has two different ways which are primary and secondary. Primary production is much more expensive and difficult against to secondary production. This production way consisting of gaining the aluminium oxide from the bauxite ore with prosess called Bayer process. After that process, aluminium element is the left over from aluminium oxide in a method called Hall-Heroult process. Nearly half of the primary production is handling by China. Indıa, Russia, Canada are coming after China with their primary production and ore capacity. The secondary production is getting increase day by day contrast of the primary production. Secondary production only consumes energy 5% of required for the primary production. 
Aluminium alloys are divided into mainly two groups as wrought and cast alloys. Aluminium casting alloys are the most commonly used non-ferrous metals in automotive, defense and aviation industries. Aluminium-copper alloys meet the requirement of these industries with its high strength, high temperature resistance, corrosion resistance and fatigue strength properties. 
A206 alloys, the main alloying element of which is 4-5% Cu by weight, also contains Mg, Mn, Si elements that do not show their effects much. A206 alloys, which have superior yield and tensile strength, on the other hand, have disadvantages such as hot tearing, shrinkage and oxide residue, which are encountered as casting defects. In order to overcome these disadvantages, which are expected to decrease after sand casting and degassing, the effect of grain refinement was investigated.
Grain refinement has been studied in aluminum alloys since the 1930s. Although the effects of Ti and B elements are mostly examined, new studies include rare earth and different elements. Although the effect of Nb on grain refinement is known, its effects on A206 alloy have not been studied yet. 
In this study, grain refinement effect of the Nb addition on A206 alloy is examined. The effects of niobium on grain refinement, microstructure, feedability, fluidity and mechanical properties become evident with the application of heat treatment. Three different percentages (0.025wt %, 0.05wt %, 0.1wt %) have been used separately to see the effect of addition variance. 
Besides of niobium percentage, heat treatment implementation also shows variance, which are T6 and T7, in order to observe effect of heat treatment. The main reason for applying heat treatment is to provide homogeneous distribution of Al2Cu precipitates throughout the grains, which provides stress residual stress relief and improvement of mechanical properties. T6 and T7 heat treatments are the best heat treatments for A206 alloy. The effects of these heat treatments were investigated.
In this experiment, all castings are made into sand mold because of less cost and benefits rather than permanent mold. For getting results, implementation is done to four different mold type with two types of casting which are gravity casting and tilt casting. Microstructure analysis is done by DAS and SDAS measurements. Images of microstructures are scaled and measurements are made via Kameram visual calculation program.
Step mold is casted and processed with metallography steps which are cutting, grinding and polishing. After polishing and etching samples are inspected under optical microscope. The step mold has four steps and their thickness are 5mm, 10mm, 20mm and 30mm. In this inspection the main goal is observing the reducement of DAS and SDAS values as grain refinement effect. 
For feedability the duck feet mold is casted. After cutting and metallography steps, samples are scanned and the section which has shrinkage cavity is painted with different colour. Then threshold application is done on scaning and surface area of cavity is measured. In here, the goal is observing aluminium feedability by itself with correlatian between cavity and feedability. As cavity is expanding, feedability is getting more. 
For fluidity, octopus mold is casted with eight arms. The arms have varied thickness which are 0.5mm, 1mm, 2mm, 3mm, 4mm, 5mm, 6mm and 8mm. Each arms have been casted with and without niobium element of A206 casting alloy in order to see alloying element effect for fluidity. Contrary to expectations, the addition of niobium reduced the fluidity. Base A206 alloy has the best fluidity measurements with comparing to niobium containing alloys. 
Mechanical properties are investigated after heat treatment processes. T6 and T7 heat treatment are applied on the parts. T6 heat treatment based on steps that are 22 hours of solutionizing, 13 hours of artificial ageing at 160°C and quenching. Difference between T7 and T6 is the T7 heat treatment has a 24 hours of natural ageing step after solutionizing. Heat treatments are applied in order to getting better homogeneity of precipitates and removal of residual stress from casting. Therefore the mechanical properties are much more enhanced after heat treatment processes. Tensile strength test is applied on samples from bar mold and hardness test is applied on samples from runners of bar mold.
In conclusion, depending on the results of experimental procedures are examined, best grain refinement has been observed on alloy which has Nb 0.1% wt. DAS and SDAS measurements are extremely reduced and this alloy type consisting the lowest measurements. When feedability is inspected, Nb 0.05% wt  A206 alloy shows the most shrinkage from the surface and the best performance of feeding itself. Fluidity arms have been observed and the inference is in different thickness, different alloys show the best results. 
On mechanical properties we can compare three different parameters which are alloying element addition level, tilt casting and heat treatment variance. As a result, T7 has a general superiority over T6 heat treatment process in meaning both tensile strength and hardness. Tension bars samples of tilt casting show better yield and tensile strength with comparison to gravity casting samples. Elongation is almost greater 1.2-1.5 times against to gravity casting samples results. When it comes to niobium addition difference, Nb 0.05% wt alloy has significantly featured.