Yoğrulabilir (6063) alaşımın yenilikçi kısmi - katı yüksek basınçlı döküm teknolojisi ile üretimi
Wrought alloy (6063) production with novel partial - solid high pressure die casting technology
Yazar: YEKTA BERK SÜSLÜ
Danışman: PROF. DR. ÖZGÜL KELEŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Alüminyum alaşımları; düşük yoğunlukları, yüksek özgül mukavemetleri, iyi korozyon dirençleri ve mükemmel şekilalabilirlikleri sayesinde mühendislikte yaygın olarak kullanılmaktadır. Gelişen teknoloji ile birlikte otomotiv, havacılık, savunma ve elektrik-elektronik gibi endüstriyel alanlarda kullanımı artmaktadır. Yenilenemez enerji kaynaklarının gittikçe azalması ve temininin zaman geçtikçe zorlaşması, enerji sarfiyatlarında yapılacak gelişmeleri tetikleyen başlıca unsurlardan olmuştur. Bununla birlikte birçok endüstride ürün hafifletme, yapılan çalışmaların ana konusu haline gelmiştir.

Alüminyum alaşımları; içerdikleri silisyum oranına bağlı olarak döküm alaşımları ve yoğrulabilir (dövme) alaşımları olarak sınıflandırılabilmektedir. Döküm alaşımları; ergiyik halde yüksek akıcılığa sahiptir ve kum kalıba döküm, kokil kalıba döküm ve basınçlı döküm gibi teknolojiler ile şekillendirilir. Yoğrulabilir alaşımlar ise çok daha az silisyum içeren (% ağ 0-4), düşük akıcılık özelliklerinden ötürü döküm ile şekillendirilebilmesi güç alaşımlardır. Çoğunlukla ekstrüzyon ve dövme gibi plastik şekil verme teknikleri ile şekillendirilirler.

Yoğrulabilir alaşımların döküm ile şekillendirilebilmesi, yarı-katı şekillendirme yöntemleri ile mümkün hale gelmektedir. Yarı-katı şekillendirmenin akıcılığı arttırmasının yanı sıra, dökümde görülmesi muhtemel porozite ve çekinti hatalarının da önlenmesinde büyük katkısı bulunmaktadır. Mekanik ya da elektromanyetik bir kuvvet ile karıştırılan ve soğutulan ergiyik alaşımlar, küresel birincil fazlar oluşturur. Küresel fazlar, enjeksiyon kuvveti ile birbirleri üzerinden daha kolay kayabildiğinden, ergiyik akıcılığı artar. Tiksotropi ile açıklanan planar/laminar akış, ergiyiğin türbülans olmadan akmasını ve kalıbı daha sakin doldurmasını sağlamaktadır; planar/laminar akış sayesinde hazne ve kalıp içerisinde bulunan hava, türbülanslı akışın aksine ergiyik içinde hapsolmaz ve bu da yüksek basınçlı dökümde yaygın bir şekilde görülen porozite hatasınının önlenmesini sağlar. Kalıp ile ergiyik arasındaki sıcaklık farkı da azaldığından, hem çekinti sorunu önlenir hem de kalıbın maruz kalacağı ısıl deformasyon şiddeti azaltılır, bu da kalıp ömrünü olumlu şekilde etkiler. Katılaşma sonrası küreselleşmiş mikroyapı, mekanik dayanım değerlerinin ve tokluğun artmasını sağlar.

Bu çalışmada, geleneksel döküm yöntemleri ile şekillendirilmesi güç olan ısıl sertleştirilebilir EN AW 6063 (AlMg0,7Si) alaşımı, 1,5 mm kesit kalınlığına sahip parça olarak yenilikçi bir yarı-katı şekillendirme yöntemi olan GISS (Gas Induced Semi-Solid) kullanılarak yüksek basınçlı döküm tekniği ile üretilmiştir. GISS yöntemi, ergiyik halde akıcılığı düşük 6063 alaşımını yarı-katı çamur formuna getirmek ve yüksek basınçlı dökümde uygulanan enjeksiyon kuvveti ile akıcılığını arttırarak alaşımın döküme uygun duruma getirilmesi için kullanılmıştır. Çıktı olarak, geleneksel sıvı faz döküm ile yarı-katı dökümün parça kalitesi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Porozite, çekinti, akıcılığa bağlı dolum ve  parçanın kalıptan sağlam çıkma yetisi, geleneksel yöntem ile yarı-katı döküm yöntemi ile üretilen parçalarda dökülebilirlik anlamında sonuç değişken olarak irdelenmiştir. Sertleştirme için 220°C sıcaklıkta 150 dakika yapay yaşlandırma ısıl işlemi gerçekleştirilmiştir. Geleneksel döküm ile yarı-katı dökümün mekanik özellikler üzerindeki etkilerinin görülebilmesi için ısıl işlem öncesi ve sonrası parçalara sertlik testi uygulanmıştır. 

Sonuçlar incelendiğinde, yarı-katı döküm yöntemi ile üretilmiş parçaların, geleneksel yöntem ile üretilmiş parçalara göre çok daha az döküm hatası içerdiği saptanmıştır. Dökülebilirliğin, yarı-katı şekillendirme ile geliştirilebildiği gözlemlenmiştir. Bununla birlikte, iki farklı yöntem ile üretilmiş parçaların sertlikleri arasında belirgin bir fark gözlenmeyip ortalama 45 HB olarak ölçülmüştür. Uygulanan yaşlandırma ısıl işlemi ile sertlik değerleri 55 HB civarına yükseltilebilmiştir. 

Çalışma kapsamında, geleneksel döküm yöntemleri ile şekillendirilmesi dökülebilirlik anlamında güç yoğrulabilir EN AW 6063 alaşımı, yenilikçi GISS yarı-katı döküm yöntemi kullanlılarak başarılı bir şekilde üretilmiştir. Yaşlandırma ısıl işlemi ile sertlik artıtılmıştır.

Abstract:
Nowadays, energy consumption is one of the main issue in our daily life. Gradually decreasing fossil fuel sources, their harm to environment and costs during production and consumption of them lead scientists and engineers developing current technologies, especially in automotive industry. More effective motor technologies and lighter vehicles are potential outcome of improvement studies being done. According to studies and developments, aluminum and magnesium as light metals are preferred instead of conventional cast iron and steel alloys. Steel is the top engineering material with high strength, easy formability and prevalence but, high density of it causes high fuel consumptions in vehicles. Reducing weight with aluminum is a proper way to decrease fuel consumption and CO2 emissions in vehicles. Aluminum alloys are one of the most favorable applicant in metallic materials. Aluminum alloys have wide usage in engineering under favour of its low density, high specific strength, good corrosion resistance and great formability properties. Use of aluminum increases in automotive, aviation and defence, electric-electronic etc. industrial areas with developing technologies. Decrease in unrenewable energy sources and getting harder supply conditions in time become essential factors impel developments in energy consumption.

Aluminum can be produced from bauxite by applying Bayer process (leaching) and Hall-Heroult process (electrolysis) respectively as primary production. These metallurgical processes, especially Hall-Heroult process, consume great amount of energy like 15 kWh/kg. Also, 4-5 kg bauxite is used for producing 1 kg aluminum. Technological developments are proceeding in primary production; according to US Department of Energy, 11 kWh/kg can be seized about in 2020. On the other hand, complicated processes and energy consumption values feature recycling as secondary production. Metallurgical improvements in recycling are promising; post-melting operations such as refining-degassing, and melt treatment helps high quality secondary products. Energy consumption in recycling is also nearly 0,8 kWh/kg.

Aluminum alloys can be classified in casting alloys, wrought alloys and heat treatable alloys by considering their chemical composition. Casting alloys have high fluidity in melt state and formed with mostly sand casting, gravity casting and die casting techniques. Commercial casting alloys contain 4-20 wt. % silicon with variable Mg, Cu, Zn ratios. The most used casting alloys are 3xx and 4xx named series which are Al-Si-Cu-Mg and Al-Si alloys, approximately constitutes 90% of aluminum casting alloys. These alloys have high fluidty, good mold filing and have resistance to hot tearing. Wrought alloys have much lower silicon with low fludity, hard to be formed with casting process. These alloys contains around 1 wt. % silicon and mostly formed with extrusion and forging like plastic deformation techniques. Heat treatable alloys are the specific ones which have contains enough alloying element for precipitation hardening.

High pressure die casting is an essential production method for producing near net shape automotive products. Production cycle time is low, 100's of parts can be cast in an hour. High solidification rate leads fine grain sized products. HPDC is an injection-like process of molten metal into steel molds. After die filling, high amount of pressure is applied to melt in the mold. With the help of pressure, porosity and shrinkage like casting defects an be minimalized. Also, vacuum systems are being used for preventing the most seen casting defect porosity. It is possible to produce variable cross sectioned and grift products. Applied injection speed helps the melt fill the mold properly, also eutectic and near eutectic die casting alloys are preferred to obtain best quality results. Achieving high strength can be provided with heat treatment but even small amount of porosity causes defects during heat treatment, especially in T6 heat treatment. Developments show using semi-solid processing and wrought alloys is the answer for stronger products.

Semi-solid processing is invented in MIT in early 70's. Researches discovered the melts viscosity can be changed by stirring and cooling. Applied shear stress reduces the viscosity of the melt. Mechanical or electromagnetic stirred and cooled melt alloys generate spherical primary phases. These spherical phases have ability to slide over each other easily with applied injection force, which helps increasing melt fluidity. Planar flow is clarified with thixotropy, helps the melt to flow without turbulance and fill the mold still; owing to planar flow, air in the shot sleeve and mold doesn't entrapped in the melt contrarity to turbulance flow and this prevents a common die casting defect, porosity. Reduced temperature difference between mold and melt also prevents shrinkage and reduces exposed to thermal deformation intensity of the mold; which affects die life positive. Spherical microstructure after solidification leads to high mechanical strength and toughness. This process helps to increase the castability of low fluidity wrought alloys.

GISS (Gas Induced Semi-Solid) is a novel semi-solid slurry generating method found in early 2000's. Inert gas is used for cooling the melt with vigorous agitation during semi-solid processing. A permeable graphite prob is used for introducing fine inert gas bubbles into the melt. Melt temperature is adjusted to a few temperature above of liquidus temperature, which enables producing semi-solid slurry after inert gas blowing. Graphite probe is immersed into the ladle just before pouring it into the shot sleeve and GISS processing can be done bot  manually and automatic mode. Immersed graphite probe enables heat transfer in melt with transmission, which occurs between hot metal and cold prob, and also with the flow of the inert gas in the melt. Vigorous agitation and heat transfer leads partial solidification in melt and a-Al particles are generated. These dendritically solidified particles are broken with the flow of the inert gas, and turn into more globular shape. These globular particles are used for thixotropic manner. And also; broken globular and relatively smaller particles are act as secondary nuclei during solidification phase. In GISS method, relatively lower solid ratio is used divergently from other main rheocasting and thixocasting methods. Thus, GISS can be mentioned as partial-solid processing instead of semi-solid processing. GISS method can be applied to both casting alloys and wrought alloys as aluminum alloys and also magnesium alloys.

In this study, hardenable EN AW 6063 (AlMg0,7Si) alloy which is difficult to be formed with conventional casting methods, produced with a novel semi-solid processing method GISS (Gas Induced Semi-Solid) adapted high pressure die casting technique. AnyCasting simulation program is used for comparison of conventional die casting and partial-solid processing. GISS method is used for forming having low fluidity in melt phase 6063 alloy to semi-solid slurry and make it suitable for die casting as increased fludity by applied injection force. Die temperature distribution is calculated with thermal camera between production cycles. As output, conventional die casting and partial-solid casting's affect on part quality is investigated. Porosity, shrinkage, mold filling based on fluidty and durable demolding ability are examined as outcome variables in both conventional and semi-solid casting methods. For hardening, aging at 220°C during 150 minutes is carried out. Radiographic analysis is used for determining internal casting defects. Hardness tests are applied to the parts before and after the heat treatment to observe the effects of conventional and semi-solid casting on mechanical properties. Metallographic and morphologic (SEM & EDS) analysis are carried out as characterization.