Yarı katı şekillendirme yönteminin AZ31 magnezyum alaşımının mikro yapı ve mekanik özellikleri üzerine etkisinin incelenmesi
The examination of effects of semi-solid forming method on microstructure and mechanical properties of AZ31 magnesium alloy
Yazar: BAHADIR AKGÜN
Danışman: PROF. DR. KADİR KOCATEPE
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Alaşımlar = Alloys ; Döküm yöntemleri = Casting methods ; Hafif metal malzemeler = Light metal materials ; Metal şekillendirme = Metal forming ; Tiksotropi = Thixotropy

Özet:
Bu çalışmada AZ31 Mg-Al alaşımın ekstrüze halde; a) oda sıcaklığından farklı katı/sıvı oranlarına tekabül eden 565-630 °C aralığında yarı katı sıcaklıklara koruyucu atmosfer altında ısıtma ve takiben oda sıcaklığına sahip suda soğutma, b) oda sıcaklığından 565-605 °C yarı katı sıcaklık aralıklarına ısıtma ve bu sıcaklıklarda 1, 3, 5 ve 7,5 dakika süre ile izotermal bekletme, c) farklı sıvı oranlarına (%90, %91,5, %93 ve %94,2) karşılık gelen yarı-katı sıcaklıklar (615 °C, 620 °C, 625 °C ve 630 °C) ve piston hızları (2,11 m/s, 2,25 m/s ve 2,37 m/s) ile tikso şekillendirme işlemlerinin mikro yapıya ve çekme özelliklerine etkisi araştırılmıştır. AZ31 Mg-Al alaşımın 565-630°C aralığında yarı katı sıcaklıklara ısıtma ve takiben soğutma işlemlerinde; eşeksenel ve küresel tane yapısına sahip mikro yapı elde edilmiştir. Eşeksenel ve küresel tanelerin boyutu 610°C sıcaklığında 65,3 µm ile en yüksek değere ulaşırken, 615°C sıcaklıkta sıvı oranı etkisi ile taneler arası aşırı sıvılaşma ve sıvının tane sınırlarına penetrasyonu nedeniyle tane boyutunda kısmi düşüş meydana gelmiştir. Şekil faktörü sıcaklık arttıkça artmış ve 630°C sıcaklıkta 0,85 maksimum değere ulaşmıştır. Sıcaklık arttıkça, öncelikle tane sınırlarında ve tane içinde sıvı faz artmış ve bu nedenle tane içinde sınırlarında birçok parçacık dağılımı meydana gelmiştir. Oda sıcaklığından 565-605 °C yarı katı sıcaklık aralıklarına ısıtma ve bu sıcaklıklarda 1, 3, 5 ve 7,5 dakika süre ile izotermal bekletme işlemlerinde; yarı kartı sıcaklıkları ve bekletme süresi arttıkça tane irileşmesi meydana gelmiş ve birincil Mg(α) tanelerinde küresel yapı bozulmuştur. Sıcaklık ve bekletme süresi arttıkça tane boyutu ve şekil faktörü artmıştır. Bu nedenle yüksek sıvı oranlarına karşılık gelen sıcaklıklarda bekletme işleminden sonra yüksek basınçlı döküm makinesinde şekillendirme başarısız olmuştur. Farklı yarı-katı sıcaklıklar (615°C, 620°C, 625°C ve 630°C) ve piston hızları (2,11m/s, 2,25m/s ve 2,37m/s) ile tikso şekillendirme işlemlerinde; 615°C sıcaklığında 2,37m/s piston hızı ve 620°C, 625°C ve 630°C sıcaklıklarda 2,25m/s ve 2,37m/s piston hızları yarı katı haldeki alaşıma kalıbı doldurması için yeterli akıcılık kazandırmıştır. Yarı katı malzemenin preslenmesinde 20,096 kN piston sıkıştırma kuvveti yetersiz kalmıştır. Yarı katı şekillendirme ile üretilen dökümlerde eşeksenel ve küresel yapı elde edilmiş ancak dökümlerin mikro yapısında gözenek, çekme boşlukları ve sıcak yırtılma hataları oluşmuştur. Tane boyutu yarı katı sıcaklık arttıkça artmış, ancak artan piston hızı ile düşmüştür. Diğer taraftan yarı katı sıcaklık ve piston hızı arttıkça şekil faktörü artma eğilimi göstermiştir.

Abstract:
In this study, extruded AZ31 Mg-Al alloy; a) heating under protective atmosphere to semi-solid temperatures in the range of 565-630 °C corresponding to different solid/liquid ratios from room temperature, followed by cooling in water at room temperature, b) heating from room temperature to semi-solid ranges of 565-605°C, and isothermal holding with 1, 3, 5 and 7.5 minutes, c) the effects of thixo forming proces on microstructure and tensile properties at semi-solid temperatures (615°C, 620°C, 625°C and 630°C) and piston speeds (2.11 m/s, 2.25 m/s and 2.37 m/s) were investigated. In the processes of heating the AZ31 Mg-Al alloy from room temperature to semi-solid temperatures in the range of 565-630 °C; while the size of the equiaxed and spherical grains reached the highest value at 610°C with 65.3 µm, a partial decrease in grain size occurred due to excessive liquefaction between the grains as well as the penetration of the liquid into the grain boundaries with the effect of 90% (fL) liquid ratio at 615°C. During, grain size tended to increase slightly at temperatures above 615°C, the shape factor correspondingly increased as the temperature raised and reached a maximum value of 0.85 at 630°C. As the temperature increased, the liquid phase developed initially at the grain boundaries and within the grain. Therefore, many particle distributions occurred in and at the grain boundaries. As the semi solid temperatures and holding time increased, grain coarsening occurred and the spherical structure of primary Mg(α) grains deteriorated by heating to 565-605 °C semi-solid temperature ranges and isothermal holding at these temperatures for 1, 3, 5 and 7.5 minutes. While the temperature and holding time increased, the grain size and shape factor also increased. For this reason, forming on the high-pressure casting machine failed after holding at temperatures corresponding to high liquid ratios. Thixo forming processes with different semi-solid temperatures, 2.37 m/s piston speed at 615°C temperature and 2.25 m/s and 2.37 m/s piston speeds at 620°C, 625°C and 630°C temperatures gave the semi-solid alloy sufficient fluidity to fill the mold. In the pressing of semi-solid material, the piston compression force of 20,096 kN was insufficient. Equiaxed and spherical structure was obtained in the castings produced by the semi-solid forming, but pores, shrinkage cavities and hot tearing occurred in the microstructure of the castings. Grain size increased with increasing semisolid temperature, but decreased with increasing piston speed. On the other hand, the shape factor tended to increase as the semi-solid temperature and piston speed increased.