İkincil eritmenin zamak alaşımlarının mikroyapı ve mekanik özellikleri üzerindeki etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of secondary melting on microstructre and mechanical properties of zamak alloys
Yazar: İSMAİL AKTUNA
Danışman: PROF. DR. HASAN ERDEM ÇAMURLU
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Sanayide zamak 5 (%3,7-4,3 Al, %0,7-1,25 Cu, %0,02-0,06 Mg, kalanı Zn) ve zamak 3 (%3,7-4,3 Al, %0,05'e kadar Cu, %0,02-0,06 Mg, kalanı Zn) alaşımları yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu alaşımlarından üretilen endüstriyel ürünlerin hatalı olanları, (zamak dışı metaller ile montajlanmış, boyanmış veya kaplanmış durumda) direkt olarak enjeksiyon döküm sisteminin sıcak kamarasına çeşitli nedenlerle beslenemediğinden, geri dönüşüm tesisinde 650°C'ye varan sıcaklıklarda ikincil olarak (yeniden) eritilip (geri dönüşüm) külçe haline getirilmektedir. Yüksek sıcaklıklarda alaşımın yeniden eritilmesi sonucu bazı kritik elementlerin oranları, standart limitlerin dışına çıkmaktadır. Bu çalışmada bu alaşımlar "ikincil eritme" olarak tanımlanmıştır. 
Çalışmada, farklı zamanlarda geri dönüşüm atölyesinden temin edilmiş olan iki farklı ikincil eritme zamak alaşımı (bu çalışmadaki notasyonu: E1, E2) kullanılmıştır. İkincil eritmenin, standart zamak 3 ve zamak 5 alaşımlarının mikroyapı ve mekanik özellik üzerindeki etkilerinin incelenmesi amaçlanmıştır.
Alaşımların kimyasal bileşimleri optik emisyon spektrometresi ile belirlenmiştir. İkincil eritme alaşımlarda alüminyum ve magnezyumun limit değerlerin altında olduğu, ilaveten alaşımda istenmeyen empüritelerin varlığı tespit edilmiştir. 
Standart ve ikincil eritme ürünü külçelerinden kesilen parçalar grafit döküm potasında 500°C'de eritilmiştir ve çelik kalıba döküm yapılmıştır. İkincil eritmenin mekanik özellikler üzerindeki etkisi, uzun zaman içinde ortaya çıkabilmektedir. Literatürde zamak 3 ve zamak 5 alaşımlarının 105°C'de 24 saat bekletilmesi ile, 365 gün oda sıcaklığında bekletilmesi sonucundaki mekanik özelliklerdeki değişimin benzer olduğu belirtilmiştir. Bu çalışmada her alaşıma ait numuneler 80°C, 105°C ve 130°C'de 24 saat süreyle bekletilerek yaşlandırma işlemi yapılmıştır ve oda sıcaklığında uzun süre sonrasında ortaya çıkabilecek mekanik özellik değişimleri belirlenmeye çalışılmıştır. Yaşlandırma işlemi uygulanmamış ve uygulanmış olan numuneler üç nokta eğme testleri, sertlik ölçümleri ve mikroyapı incelemelerine tabi tutulmuştur.
Eğme dayanımları kıyaslandığında, döküm sonrası ve yaşlandırma sonrasında ikincil eritme külçelerden elde edilmiş olan E1 ve E2 numunelerin, orijinal zamak 3 ve zamak 5 alaşımlarına kıyasla daha düşük değerlere sahip olduğu belirlenmiştir. E1 ve E2 alaşımlarında alüminyum ve magnezyumun standart değerlerin altında olmasının ve yapılarında empürite elementlerin bulunmasının dayanımı olumsuz yönde etkilediği düşünülmektedir. Bununla birlikte, tüm alaşımlarda artan yaşlanma sıcaklığına bağlı olarak sertlik ve mukavemet değerlerinde azalma tespit edilmiştir. 
Zamak 3 alaşımının döküm sonrası eğme dayanımı 490MPa, sertliği 88,73 HB10, 130°C'de 24 saat yaşlandırma sonrası dayanımı 414 MPa, sertliği 75,38 HB10, zamak 5 alaşımının döküm sonrası eğme dayanımı 457MPa, sertliği 104,13 HB10, yaşlandırma sonrası dayanımı 387 MPa, sertlği 87,08 HB10 ölçülmüştür. İkincil eritme-1 alaşımının döküm sonrası eğme dayanımı 444MPa, sertliği 93,59 HB10, yaşlanma işlemi sonrası dayanımı 391 MPa, sertliği 82,40 HB10, ikincil eritme-2 alaşımının döküm sonrası eğme dayanımı 383MPa, sertliği 76,80 HB10, yaşlanma işlemi sonrası dayanımı 325 MPa, sertliği 66,72 HB10 olarak ölçülmüştür. E1 alaşımı numunelerinin sertlik değerleri zamak 5 alaşımından düşük olurken, zamak 3 alaşımından yüksek olmuştur. Bunun nedeninin, E1 alaşımında bakırın zamak 3'tekinden yüksek olması ve empürite elementi olarak demir bulunması olduğu düşünülmektedir.
Mekanik testlerin akabinde numuneler zımparalama, parlatma ve dağlama işlemi yapıldıktan sonra optik mikroskop ile incelenmiştir. İkincil eritme veya yaşlandırmaya bağlı olarak alaşımların mikro yapısında optik mikroskopla belirgin bir değişiklik gözlemlenmemiştir. E1 alaşımının mikroyapısında diğer alaşımlarda var olmayan partiküller tespit edilmiş olup, enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDS) analizlerinde bu partiküllerin demir ve alüminyum bulundurduğu tespit edilmiştir ve demir-alüminyum içeren metallerarası bileşik olduğu düşünülmüştür.
Optik mikroskop incelemeleri sonrası daha detaylı inceleme adına numunelerin parlatılmış olan ve kırık yüzeyleri taramalı elektron mikroskobunda (SEM) incelenmiştir. Kırık yüzey incelemelerinde, tüm alaşımlarda yapının genelinin düz yüzeyli olduğu ve gevrek kırılma gösterdiği, ancak bazı bölgelerde kırılmanın sünek karakterde (çukurcuklu) olduğu görülmüştür. Yapılan EDS analizlerinde, sünek kırılma gösteren fazın alüminyumca zengin α (alfa), gevrek kırılan kısımların çinkoca zengin η (eta) fazı bölgeleri olduğu belirlenmiştir.
Bu çalışma sonucunda, ikincil eritme zamak alaşımlarının genel özelliklerinin kimyasal bileşimlerindeki uygunsuzluklar nedeniyle olumsuz etkilendiği tespit edilmiştir. Bu sebeple üretimde ikincil zamak kullanmadan önce kimyasal kompozisyon tespiti yapılması ve bu alaşımların kontrollü olarak kullanılması tavsiye edilmektedir. İş parçası tasarımında ikincil eritme zamak alaşımının kullanılabileceği var sayılarak, ek emniyet katsayısıyla tasarım yapılmasının gerektiği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
In industry, zamak 5 (3.7-4.3 Al, 0.7-1.25 CU, 0.02-0.06 mg, Zn) and zamak 3 (3.7-4.3 al, 0.05 cu, 0.02-0.06 mg, zn) alloys are used commonly. The faulty ones of the industrial products produced from these alloys can not be not fed directly to the hot chamber of the injection molding system (as painted, coated or assambled with non-zinc metals). They are re-melted (secondary) at temperatures up to 650°C in the recycling process and recycled ingots are produced. As a result of re-melting of the alloy at high temperatures, the values of some critical elements fall out of standart limits. In this study, these alloys were defined as "secondary melted". 
In this study, two secondary melted zamak alloys (notation: E1, E2), which were obtained at different times from the recycling workshop, were used. It was aimed to investigated the effects of secondary melting on microstructure and mechanical properties of standard zamak 3 and zamak 5 alloys.
Chemical compositions of alloys were determined by optical emission spectrometer. In secondary melting alloys, aluminum and magnesium were found to be below the limit values, and in addition, the presence of undesired impurity elements was determined in the alloy.
Parts which were cut from standard and secondary melted ingots were melted at 500°C in a graphite crucible and cast into a steel mold. The effects of secondary melting on mechanical properties can occur over a long period of time. In the literature, it was stated that the changes that take place in mechanical properties of zamak 3 and zamak 5 alloys in 24 hours at 105°C are similar to those ocur in 365 days at room temperature. In this study, the samples of each alloy were held for 24 hours at 80°C, 105°C and 130°C and the aging process was performed and changes in the mechanical properties that may occur after a long time at room temperature were attempted to be investigated. After casting and aging, the samples were subjected to three point bending tests, hardness measurements and microstructure examinations.
When the bending strength values were compared, it was determined that the E1 and E2 samples obtained from secondary melting ingots had lower strength values after casting and after aging. It is thought that aluminum and magnesium in E1 and E2 alloys being below the limit values and the presence of impurity elements has a negative effect on the strength. In addition, in all alloys, hardness and strength values were found to decrease as a result of increasing aging temperature.
After casting, bending strength of zamak 3 alloy was measured as 490MPa, its hardness was 88,73 HB10; after aging for 24 hours 130°C its strength was 414 MPa, hardness was 75,38 HB10. after casting bending strength of zamak 5 alloy was 457MPa, hardness was 104,13 HB10; after aging its strength was 387 MPA, hardness was 87,08 HB10. Bending strength of E1 alloy after casting wsa 444MPa, its hardness was 93,59 HB10; its strength after aging was 391 MPA, hardness was 82,40 HB10. Strength E2 alloy after casting was 383MPA, hardness was 76,80 HB10; its strength after aging was 325 MPA, hardness was 66,72 HB10. Hardness values of E1 alloy samples were lower than those of zamak 5 alloy, where as they were higher than those of zamak 3. The reason for this can be that the value of copper in E1 was higher than that in zamak 3, and iron was present as an impurity element in the alloy.
After mechanical tests, the samples were examined with an optical microscope after grinding, polishing and etching. No apparent changes were observed with optical microscopy in the microstructure of the alloys related to secondary melting or aging. In the microstructure of E1 alloy, some particles that were not present in other alloys were determined, and in energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) analyses, these particles were found to contain iron and aluminum and were thought to be iron -aluminum intermetallic compounds.
After the optical microscope examinations, the polished surfaces and fracture surfaces of the samples were examined in scanning electron microscope (SEM). Fracture surface examinations showed that the structure was generally flat, presenting brittle fracture, but in some regions the fracture was ductile (with dimples). In EDS analyses, it was determined that the ductile phase was aluminum-rich α (alpha), and the brittle parts were zinc-rich η (eta) phase regions.
As a result of this study, it was determined that the general properties of secondary melted zinc alloys were negatively affected due to their improper chemical compositions. For this reason, it can recommended in production operations to check the chemical composition before utilization of secondary melted alloys and to use these alloys in a controlled manner. Considering that secondary melted zinc alloys can be used in workpiece design, it was conclued that it is necessary to design with additional safety coefficient.