İkiz merdane sürekli döküm tekniği ile üretilen AlFeSi alüminyum alaşımında farklı homojen tav sıcaklıklarının mikroyapı ve mekanik özelliklere etkisi
Effect of different homogenization annealing temperatures on microstructural and mechanical properties of AlFeSi aluminium alloy fabricated via trc
Yazar: ÖZLEM YÜKSEL
Danışman: DOÇ. DR. DERYA DIŞPINAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Alüminyum alaşımları = Aluminum alloys ; Termomekanik işlem = Thermomechanical treatment ; İkiz merdane döküm yöntemi = Twin roll casting method

Özet:
Alüminyum, hafif olması, dayanımı, spesifik modülünün yüksek olması, korozyona karşı yüksek direnci, elektrik ve termal iletkenliğinin yüksek olması, yüksek şekillendirebilirlik ve geri dönüştürülebilirlik kabiliyeti nedeniyle en önemli mühendislik malzemelerinden biridir ve demir dışı metal sektöründe lider konumundadır.
Alüminyum levha üretiminde, geleneksel yöntemlere kıyasla daha düşük kalınlıklarda ve düşük maliyetlerde üretime izin vermesi nedeniyle ikiz merdane sürekli döküm tekniği 20. yüzyılın ikinci yarısında ilgi çekici hale gelmiştir. İkiz merdane sürekli döküm tekniği ile üretilmiş levhanın karakteristik mikro yapısı, malzeme kalınlığı boyunca yapının heterojenlik göstermesidir.  Nihai kalınlıkta istenilen mikro yapı ve mekanik özelliklerin elde edilebilmesi için, ikiz merdane sürekli döküm tekniği ile üretilen alüminyum alaşımının döküm ve termomekanik işlem parametrelerinin optimize edilmesi gerekmektedir. Bu optimizasyon, ikiz merdane dökümün karakteristiği olan merkez hattı segregasyonunun kontrolü ile yakından ilişkilidir. Homojenizasyon tavı, nihai malzemenin özelliklerini kontrol etmede önemli bir role sahiptir.
Bu çalışma kapsamında, ikiz merdane sürekli döküm tekniği ile üretilmiş 6 mm kalınlığındaki levhanın, homojen tavsız (1. proses), 3,25 mm kalınlığında 500°C, 530°C, 560°C homojen tavlı (2. proses) ve döküm kalınlığında 500°C, 530°C, 560°C homojen tavlı (3. proses) olmak üzere üç ana proses tasarlanmıştır. Yapılan çalışmada, homojen tavın ve homojen tavın uygulandığı yerin önemi, yarı mamul kalınlığı olan 0,2 mm kalınlıkta 260°C ve 290°C yumuşatma tavına tabi tutulmuş numunelerin mekanik ve mikro yapı özellikleri incelenerek tespit edilmiştir.
Tez kapsamında tasarlanan üç ana proses, ara tav kalınlığı olan 0,6 mm'ye kadar farklılık göstermektedir. 0,6 mm kalınlıktan sonra tüm levhalar 410°C'de 4 saat ara tav işlemi görmüş ve 0,2 mm yarı mamul kalınlığına haddelenmiştir. Yarı mamul kalınlığındaki tüm levhalar, 260°C ve 290°C'de yumuşatma tavına tabi tutulmuştur. Burada, malzemenin mekanik ve mikro yapı özellikleri karşılaştırmalı olarak incelenmiştir.
Merkez hattındaki intermetalik gelişimi, numunelerin homojen tav öncesi ve sonrası olmak üzere optik mikroskopta incelenmesi ile gerçekleştirilmiş ve ImageJ yazılımı yardımıyla matristeki intermetalik alansal oranları tespit edilmiştir. Merkez hattındaki intermetalik gelişimi, morfolojisi ve kimyasal içeriğinin daha iyi anlaşılabilmesi için SEM- EDS analizi yapılmıştır. Burada, homojen tavın, homojen tavın uygulandığı yerin ve homojen tav sıcaklığının intermetalik fazdaki değişimlere etkisi incelenmiştir. 
Tez kapsamında hazırlanan numunelerin tane yapısı, polarize ışık altında optik mikroskopta incelenmiştir. Numune incelemesi, döküm kalınlığı, homojen tav öncesi ve sonrası, ara tav öncesi ve sonrası, yumuşatma tavı öncesi ve sonrası olacak şekilde gerçekleştirilmiştir. 
0,20 mm kalınlığında 260°C ve 290°C sıcaklıklarında yumuşatma tavına tabi tutulmuş numunelere erichsen ve 0-45-90° yönlerinde çekme testi yapılmış ve mekanik özellikleri tespit edilmiştir.
Sonuç olarak, homojen tav sıcaklığının artması ile merkezdeki ötektik yapı daha homojen olarak dağılmıştır. En homojen mikro yapı, merkezde %5,6 alansal intermetalik oranı ile 2.prosesin 560°C homojen tavlı levhasında elde edilmiştir. Döküm kalınlığındaki baskın faz AlFeSi fazıdır. İlk olarak 500°C homojen tav sıcaklığında iğnemsi Al3Fe fazı tespit edilmiştir. 500°C ve 530°C'de homojen tav sıcaklıklarında AlFeSi baskın olarak varlığını sürdürürken, 560°C'de Al3Fe fazı baskındır. Homojen tav sıcaklığının artması ile iğnemsi Al3Fe fazının yapı içerisinde miktarının arttığı, irileştiği ve kısmen küreselleştiği tespit edilmiştir. Homojen tav öncesi %45 deformasyon görmüş 2. proseste, homojen tav sıcaklığının artması ile yeniden kristalleşmiş mikro yapının daha ince taneli ve eş eksenli olduğu tespit edilmiştir. Tüm proseslerin mekanik özellikleri birlikte kıyaslandığında en iyi uzama değeri %19,2 ile 2. prosesin 560°C sıcaklıkta homojen tavlı - 260°C yumuşatma tavlı numunesine aittir. En iyi Erichsen değerleri, ince taneli ve diğer proseslere nazaran eş eksenli yapıya sahip 2.  prosesin 560°C'de homojen tav görmüş ve 0,2 mm kalınlığında 260°C (8,83) ve 290°C (8,94) yumuşatma tavlarına tabi tutulmuş numunelerine aittir.

Abstract:
Due to lightweight, high corrosion resistance, improved conductivities of both electrical and thermal, recyclability and high specific modulus of strength/density, aluminum is one of the most crucial engineering materials, and is pioneer in the non-ferrous metal sector. Aluminum is widely used in the sectors of food, chemistry, electrical and electronics, consumer durables, transportation, manufacturing. Considering production of ecologically harmless products and the increase in technological products, it is an inevitable fact that the use of aluminum and its alloys will increase due to its properties and opportunities.
The continuous casting method is a proven method on foil-stock and sheet products to be used in various applications. There are different continuous casting techniques having casting thickness varying between 3 and 20 mm. In this technique, solidification of the liquid metal takes place either by passing between the cooled roller or dies. Compared with the conventional production technique such as direct chill (DC), the most important advantage of the continuous casting method is the elimination of some processes such as hot rolling.
In comparison with the conventional techniques, twin-roll casting method of aluminum became very attractive owing to fabricating more thinner sections with low-costs in 20th century. Characteristic microstructure of sheet metal produced with twin-roll casting is exhibiting heterogenous structure throughout the thickness. To obtain microstructure and mechanical properties desired at the final thickness, it is vital to optimize the process parameters of casting and thermomechanical treatment in the production of aluminum with the technique of twin-roll casting. This optimization is closely related with the centerline shrinkage which is characteristics of twin-roll casting procedure. Homogenization annealing plays a key role in controlling the properties of final material.
An understanding of the thermomechanical processes is important not only for obtaining flat products, but also for controlling the microstructure of material, its texture, and the orientation relationships between the phases. Therefore, understanding of the thermomechanical processes is essential for optimizing the properties and performance of the final material. The properties and performance of the final material depend on the composition of the alloy and the amount, size, morphology and distribution of phases in the microstructure.
The properties of non-heat treatable aluminum alloys such as AlFeSi are largely controlled by the dissolution/precipitation of the alloying elements, namely the micro-chemistry of the material. Based on this, homogenization annealing has a critical role in controlling the properties of the final material.
Homogenization annealing is the first heat treatment applied to the material after hot or cold treatment. This process is a heat treatment applied to the material for relatively long periods to reduce segregations in the structure and to eliminate unstable, low melting eutectics. The main purpose of the homogenization process is to take the precipitates into solid solution and distribute the atoms homogeneously in the lattice. Thus, the influence of microstructural features resulting from casting and harmful for further processing steps is reduced. Since the homogenization process involves diffusion of alloying elements, the time required for the process depends on the grain size of the material or the dendrite arm spacing and the diffusion rate of the alloying elements. Generally, a temperature range of 500°C -600°C is used for the homogenization process. After this heat treatment, a more homogeneous microstructure is obtained and makes it easier to work in the next process steps.
Within this thesis, sheets having thickness of 6-mm and produced with twin-roll casting technique, there are three different procedures; no-homogenization treatment (1.process), thickness of 3.25 mm at 500°C, 530°C, and 560°C with homogenization treatment (2.process), and in casting thickness at 500°C, 530°C, and 560°C with homogenization treatment (3.process). The importance of the homogenization annealing and its place was determined with respect to the microstructural and mechanical properties of the specimens subjected to soft annealing with the semi-product thickness of 0.2 mm.
The three main processes designed within the scope of the thesis behaves dissimilarly up to the intermediate annealing thickness of 0.6 mm. All specimens having 0.6 mm thickness exposed the intermediate annealing at 410°C for 4 hours to be rolled to semi-product thickness of 0.2 mm. After that all specimens with semi-product thickness were subjected to the soft annealing at 260°C and 290°C. In this stage, specimens were comparatively examined in view of microstructurally and mechanically.
Evolutions of the intermetallic phases in the centerline region of the specimens were analyzed via optical microscope before and after homogeneous annealing, and also volumetric ratios of these phases in the matrix were measured via ImageJ. To understand the development of the intermetallic phases in the centerline, scanning electron microscope coupled with energy-dispersive x-ray spectroscopy was carried out. In addition, effect of the place and temperature of homogenous annealing on the variance of intermetallic phases was explored. Furthermore, grain structures of the specimens were observed under the polarized light of the optical microscope. Investigation of the specimens were performed in casting thickness, before and after homogeneous annealing, before and after intermediate annealing, and before and after soft annealing. Erichsen test was applied to the specimens with 0.2 mm thickness subjected to soft annealing at 260°C and 290°C, and specimens with 0, 45 and 90° axes were operated to tensile test, after that mechanical properties of the specimens were established.
Consequently, eutectic structure in the centerline was distributed more homogenously with increasing the homogenous annealing temperature. Most distributed structure was obtained having the intermetallic areal fraction of 5,6% at 560°C homogenized plate of 2.process. AlFeSi phase is the dominant phase at the casting thickness. Initially, at homogeneous annealing temperature of 500°C platelet Al3Fe phase was identified. Whereas, AlFeSi phase was dominantly existed at the homogenous annealing temperatures of 500°C and 530°C, Al3Fe was overwhelming at the homogeneous temperature of 560°C. With the enhanced homogenous annealing temperature, the amount of platelet Al3Fe phase in the microstructure was increased, coarsened, and partially become globular. Before the homogenous temperature, in the 2.process specimens of 45% deformed, recrystallized specimens have more refined and equiaxed microstructure. Concerning mechanical properties of all specimens, best value of elongation at fracture is the specimen of 2.process having 560°C homogenous annealing and 260°C softening heat treatment with 19,2%. The best results of Erichsen tests, firstly 560°C homogenized then at 260°C and 290°C softening heat treatment applied 2mm-thickness specimens, are 8,83 and 8,94, respectively.