Alüminyum alaşımlarının dökümünde yörüngesel çalkalamanın mikroyapı ve mekanik özelliklere etkisi
The effect of orbital shaking on microstructure and mechanical properties in casting of aluminum alloys
Yazar: ÖZNUR KILIÇ
Danışman: DOÇ. DR. KEREM ALTUĞ GÜLER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Tüm metalik malzemelerde olduğu gibi, alüminyum alaşımlarının mekanik özellikleri de mikroyapı ile doğrudan ilişkilidir. Alüminyum döküm ve dövme alaşımlarında, tane inceltme işlemi uygulanarak, elde edilen ince ve homojen mikroyapı sayesinde mekanik özelliklerin arttığı gözlemlenmiştir. İnce ve eş merkezli mikro yapı ile malzeme yüksek mukavemet ve süneklik göstermektedir. Bu nedenle, tane inceltme alüminyum alaşımlarının dökümünde yaygın olarak uygulanmaktadır. Literatürde; tane inceltme işlemlerinin farklı yöntemlerle gerçekleştirilebildiği belirtilmektedir. Bu yöntemler; termal, kimyasal ve dinamik yöntemlerdir. Bu çalışmada dinamik yöntemler arasında yeralan yörüngesel çalkalama yöntemi incelenmiştir. Çalışma kapsamında geleneksel mekanik titreşim yöntemine alternatif bir yol olan kaybolan köpük döküm yöntemi tercih edilmiştir. A356 alüminyum döküm alaşımı kaybolan köpük döküm yöntemi (lost foam casting) ile orbital çalkalama uygulanarak dökülmüştür. Deneylerde, elde edilen döküm parçaları için çalkalama oranın etkileri araştırılmıştır. Kalıplama işleminde 10 kg/m3 yoğunluğuna sahip genleşebilen polistiren (expandable polstyren) modelleri (170x50x40 mm) kullanılmıştır. Dökümler 720 °C ve 780 °C olmak üzere iki farklı sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir. Her bir sıcaklık için 50, 100, 150, 200 devir/dakika (revolutions per minute) yörüngesel çalkalama hızı uygulanmıştır. Çalkalamanın ve çalkalama hızının etkisini gözlemlemek amacıyla aynı sıcaklıklarda statik halde dökümlerde gerçekleştirilmiş ve bu dökümlerden elde edilen numuneler referans numuneler olarak tanımlanmıştır. Mikroyapı numuneleri kenarlardan ve bu numunelerin orta kısımlarından alınmıştır. Metalografik incelemeler görüntü analiz destekli optik mikroskopta gerçekleştirilmiştir, şekil faktörü, tane büyüklüğü ve SDAS (secondary dendrite arm spacing), ötektik silisyumların boy/en oranları hesaplanmıştır. Ek olarak, numunelerin yoğunlukları, gözeneklilik değerlendirilmesi amacıyla Arşimed prensibi ile ölçülmüştür. Numunelerin sertlik değerleri Brinell sertlik yöntemi ile hesaplanmıştır. Ayrıca mukavemet değerlerinin belirlenmesi amacıyla numunelere çekme ve çentik darbe testleri uygulanmıştır. SDAS değerinin düşük ve orta çalkalama hızlarında azaldığı fakat yüksek çalkalama hızında arttığı gözlemlenmiştir. Bu durum her iki döküm sıcaklığında gerçekleştirilen dökümler için aynıdır. Şekil faktörü 720 °C'de gerçekleştirilen dökümler için ortalama değerlerde seyrederken, 780 °C'de gerçekleştirilen dökümler için SDAS'a benzer şekilde çalkalama ile birlikte artış göstermiştir. Her iki sıcaklıkta dökülen numunelerde tane çapında düşük ve orta çalkalama hızlarında düşüş yaşanırken, çalkalama hızının artışıyla tane kabalaşması gözlemlenmiştir. Ötektik silisyumların boy/en oranların da da benzer sonuçlar tespit edilmiştir. Yoğunluk değerlerinde ise düşük ve orta çalkalama hızının sıvı metal beslemesini desteklemesi sebebiyle artış yaşanmış ve Bu durum özellikle sertlik değerlerini olumlu etkilemiştir. Fakat yüksek çalkalama hızında yaşanan besleme sorunları sebebiyle yoğunlukta düşüş yaşanmıştır ve sertlik değerleri de buna paralel olarak düşüş göstermiştir. Düşük ve orta hızlardaki çalkalama ile SDAS, tane çapı, ötektik silisyumların boy/en oranlarında düşüş meydana gelmiştir ve bu durum mekanik değerleri olumlu etkilemiştir.
Anahtar Kelimeler: Kaybolan köpük döküm yöntemi, A356 alaşımı, yörüngesel çalkalayıcı, tane inceltme, genleşebilen polistiren (EPS)

Abstract:
As with all metallic materials, the mechanical properties of aluminum alloys are directly related to the microstructure. In aluminum casting and wrought alloys, it is observed that mechanical properties increase thanks to the fine and homogeneous microstructure obtained by applying grain refining process. By virtue of the fine and equiaxed microstructure, the material shows high strength and ductility. For these reasons, grain refinement is widely applied in the casting of aluminium alloys. In the literature; grain refinement processes can be realized with different methods. These techniques can be listed as; thermal, chemical and dynamic methods. In this study, orbital shaking method which lays among the dynamic methods has been investigated. Within the scope of this study, as an alternative way to the traditional mechanical vibration method was preferred. A356 aluminium casting alloy was cast by lost foam casting method (LFC) with the orbital shaking. In the experiments, the effects of the shaking rate were investigated for resulted casting parts. Expandable polystyrene (EPS) patterns (170x50x40 mm) with the density of 10 kg/m3 were used in the moulding process. Castings were performed at two different temperatures, 720 ° C and 780 ° C. Orbital shaking rate of 50, 100, 150, 200 rpm was applied for each temperature. In order to observe the effect of the shaking and the shaking rate, they were carried out in the castings at the same temperature statically and the samples obtained from these castings were defined as reference samples. The microstructure samples were removed from the edges and the centre parts of these samples. Metallographic examinations were carried out via image analyzer assisted optical microscope by means of calculating shape factor, grain size, and SDAS (secondary dendrite arm spacing), eutectic silicon length/width ratio. In addition, the densities of the samples were measured for the porosity evaluation by Archimedes' principle. The hardness values of the samples were calculated by Brinell hardness method. In addition, tensile and notch impact tests were applied to the samples in order to determine the strength values. It was observed that SDAS value decreased at low and medium shaking rates but increased at high shaking rates. This situation is the same for castings performed at both casting temperatures. While the shape factor was at average values for castings performed at 720 ° C, it increased with the similar to SDAS for castings performed at 780 ° C. Samples poured at both temperatures experienced a decrease in the low and medium shaking rates of the grain diameter, while grain coarse was observed with the increase of the shaking. Similar results were determined in the length / width ratios of eutectic silicones. On the other hand, there was an increase in density values due to the low and medium shaking rate supporting liquid metal feeding. This situation especially affected hardness values. However, due to the feeding problems experienced at high shaking rate, the density decreased and the hardness values decreased in parallel. With low and medium shaking, SDAS, grain diameter, and eutectic silicones length / width ratios have decreased , which positively affected the mechanical values.
Keywords: Lost foam casting method, A356 alloy, orbital shaking, grain refinement, expandable polystyrene (EPS)