3XXX alüminyum alaşımlarında magnezyum ve alternatif proseslerin etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of magnesium and alternative processes on 3XXX series aluminum alloys
Yazar: ÇİSEM DOĞAN
Danışman: PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
3XXX serisi Alüminyum  (Al) alaşımlarının temel alaşım elementi Manganez  (Mn)'dir. Orta seviye mukavemete, iyi işlenebilirliğe ve korozyon dayanımına sahip 3XXX serisi alaşımlar temel olarak 3003, 3103, 3004 ve 3005 serisi alaşımlardır. Birincil kullanım şekli yassı mamul olan bu alaşımlar yaygın olarak, içecek kutuları, ısı dönüştürücüler, mutfak eşyaları, depolama tankları, çatı, cephe ve mimarı uygulamalarda kullanımı bulunmaktadır. İkiz merdaneli döküm yöntemiyle üretilen alüminyum levhalar gerekli haddeleme ve tav süreçlerinden geçerek yarı mamul olarak prosesi tamamlanır. Üretilen yarı mamuller ilgili kullanım alanlarına yönelik proseslerden geçirilerek son ürün eldesi sağlanmaktadır.
İkiz merdaneli döküm yöntemi ile üretilen Al alaşımların şekillendirilebilirlik özellikleri üzerine gerçekleştirilmiş olan bu çalışmada, termo-mekanik proseslerin ve alaşım elementlerinin etkileri incelenmiştir. Temel olarak, döküm esnasında oluşan mikro ve makro yapısal levha özellikleri ve sonrasında uygulanan tav ve haddeleme süreçleri levhaların şekillendirilebilirliğine doğrudan etki eden parametrelerdir. 
Bu çalışmada, ikiz merdaneli döküm yöntemi ile üretilmiş 3XXX serisi Al levha numuneleri içerisinden farklı Mg oranlarına sahip 3 adet alaşım serisi seçilmiştir. Buna bağlı olarak, farklı Magnezyum  (Mg) oranlarının nihai malzemenin temel olarak şekillendirilebilirlik ve mukavemet özelliklerine etkisi alternatif iki proses  (döküm kalınlığında homojen tavlam ve deformasyon sonrası homojen tavlama) uygulanarak incelenmiştir. Magnezyum etkisinin yanı sıra, her iki prosesin de nihai malzeme üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Seçilen her bir alaşım için farklı iki proses uygulanarak direkt olarak prosesin de şekillendirilebilirliğe etkisi gözlemlenmiştir. Her bir alaşım için denemesi gerçekleştirilen farklı iki proses sonuçları mekanik ve mikro yapısal özellikler temelinde incelenmiştir. Mikro yapısal incelemeler döküm tekstüründen başlayarak nihai malzeme sonrası özelliklerin incelenmesine kadar devam etmiştir. Mikro yapı analizleri optik mikroskop kullanılarak tamamlanmıştır. Mekanik özellikler ise 3 yönlü çekme testi sonuçları ile malzemenin hem şekillendirilebilirliği hem de mukavemeti kapsamında değerlendirilmiştir. 
Nihai koşullarda elde edilen tüm numuneler O kondisyonda olup, %1Mg içeriğine sahip AA 3004 bilinen en mukavim alaşımdır. Mg etkisi ile yapıya mukavemet kazandırılmıştır. % 0,5 Mg içeren AA 3005 (AlMn1Mg0.5) ise; AA 3004 (AlMn1Mg1)'e kıyasla daha düşük fakat Mg içermeyen AA 3003 (AlMn1)'e kıyasla daha yüksek mukavemete sahiptir. Bu durum, hem şekil alma kabiliyeti yüksek hem de mukavemet gerektiren uygulamalarda AA 3004 ve AA 3005 alaşımlarının kullanılabileceğini göstermektedir. 
Her bir alaşımın döküm mikro yapıları kıyaslandığında, Mg etkisi net bir şekilde göze çarpmıştır iki alaşımın döküm mikro yapısında bu duruma rastlanmıştır. Yüksek Mg oranına sahip AA3004 alaşımının nihai mikro yapısı ince ve eş eksenli olup şekillendirilebilirliğe olumlu etkide bulunmuştur. AA 3003 alaşım nihai mikro yapısında taneler oldukça kabadır. Bu durum, hem mekanik özellikleri hem de malzemeye şekil verildiğinde malzeme yüzey özelliklerini etkileyecektir. %0,5Mg'ye sahip AA 3005 alaşımı ise taneleri incedir fakat orta seviye magnezyumun etkisi tane yapısında oldukça net bir şekilde gözlemlenmiştir. Taneler ince ve eş eksenlidir fakat AA 3004'e göre daha kaba tanelidir. 
Artan Mg oranı malzemenin düzlemsel anizotropisinde düşüşe sebebiyet vermiştir. AA 3004 en düşük düzlemsel anizotropi değerlerine sahip olup bu üç alaşım içerisinde şekillendirilebilirliği en yüksek alaşımdır. AA 3003 ise genel hatlarıyla en yüksek düzlemsel anizotropi değerine sahiptir.
Prosesin şekillendirilebilirlik üzerine olan etkisinde ise en göze çarpan sonuç homojen tav prosesinin etkisi olmuştur. Bunun yanı sıra, ara tav ve nihai tav proseslerinin malzemenin 3 yönlü özelliklerine etkisi homojen tav prosesi kadar olmamıştır. Döküm mikro yapısındaki kusurlar ve intermetalikler uygun süre ve sıcaklıkta yapılan homojen tav pratiği ile giderilerek malzemedeki homojenite sağlanmıştır. Bu homojenlik ise malzemenin nihai şekillendirilebilirlik özelliklerine dahi tesir etmektedir.

Abstract:
The main alloying element of 3XXX series aluminum alloys is manganese. 3XXX aluminum alloys series, basically 3003, 3103, 3004 and 3005, have the mid-level strength, good machinability and corrosion resistance. Major usage of the 3XXX series aluminum alloys are beverage cans, heat exchangers, household foils, storage tanks, roof, side and arcitectural applications which produced from flat rolled semi-finished products. Flat rolled products which is the semi-finished product for the end users, is produced by starting with twin roll casting process and then, rolling and annealing processes of interest.
Twin roll casting method was used to produce sheets that is used in this study. This casting method is continous, the molten metal is fed into the casting machine rollers. Molten metal is solidified as it contacts with the rollers which cooled with the water. With this method, molten metal solidifes quickly. Therefore, as-cast micro structure of the aluminum alloys has heterogeneous structure which is fine and featureless section in the outermost layers and more equiaxed grains in the centerline. Because of the high solidification rate, centerline segregation is exist in the centerline of the aluminum alloy strips. 
Thermo-mechanical processes are one of the main mechanism for improving the materials final properties. Final processes of the aluminum alloys indicates the materials temper which represents the mechanical properties of each alloy. Individually, annealing and rolling processes directly affects the texture of the aluminum alloy. For instance; homogenization annealing processes has enormous effect on materials' deep drawing properties. On the other hand, with rolling processes aluminum alloys are deformation hardened. When forming the deformation hardened aluminum alloy without annealing process, crack or tear are formed. Formability of aluminum alloys are hardly dependent on the materials final texture which can be annealing or rolling. 
The defects in the casting microstructure and the intermetallics were eliminated with homogenous application in the appropriate time and temperature and homogeneity was achieved in the material. This homogeneity even affects the final formability of the material. 
The effects of thermo-mechanical processes and alloying elements were investigated in this study, which was carried out on the forming properties of aluminum materials produced by twin roll casting method. Basically, the micro and macro structural sheet properties formed during the casting, also, the annealing and rolling processes applied are the parameters that directly affect the formability of the sheets. With rolling process, aluminum alloy has elongated grain structure through the rolling direction. On the other hand, when annealing process is accomplished, grain structure of aluminum alloy is likely to more equiaxed and finely dispersed. 
In this study, 3 alloy series with different magnesium ratios were selected from 3XXX series aluminum plate samples produced by twin roll casting method. Accordingly, the effect of different magnesium ratios on the basic formability and strength properties of the final material has been investigated by carrying out two alternative processes. Besides the magnesium impact, the results of both processes on the final material were investigated. The outcome of the process on the formability was observed by accomplishing two different processes for each selected alloy. Two different process results for each alloy were examined on the basis of mechanical and microstructural properties. Microstructural analysis maintained from the casting texture to the examination of the properties after the final material. The optical microscope was used in order to observe the impact of the annealing procedure on microstructure. Mechanical properties are evaluated with 3-direction as 0o, 45o and 90o tensile test results and both the formability and strength of the material. 
In this study, AA 3003, AA 3005, AA 3004 were used in order to examine Mg ratio effect on the materials micro and macro structure. AA 3004 has the highest Mg ratio which is 1% and AA 3005 has the moderate Mg ratio which is 0,5%, while the AA 3003 has no Mg element. Two alternative processes were applied to these three different aluminum alloy individually.  
All samples obtained under the final conditions are the O condition. On the other hand, the AA 3004 alloy with a  1Mg% content is the strongest in the alloy. With the effect of Mg%, AA 3004 was strengthened.  The alloy with the highest Mg% has the highest strength. This demonstrates that AA 3004 and AA 3005 can be used in applications requiring both formability and strength. Increased Mg% caused a decrease in the planar anisotropy of the material. The AA 3004 has the lowest planar anisotropy values and has the highest formability alloy of these three alloys. AA 3003 has the highest planar anisotropy value in general and which affects formability of materials adversely.
Compared with the casting microstructures of each alloy, the Mg% effect is clearly noticeable. The final microstructure of the AA3004 alloy with a high Mg% ratio was fine and equiaxed and had a positive effect on formability. In the final microstructure of the AA 3003 alloy, the grains are quite coarse. This will affect both the mechanical properties and the material surface properties when the material is formed. The AA 3005 alloy with a 0.5Mg% ratio has fine grains; however, the effect of medium magnesium ratio is clearly observed in the grain structure of AA 3005. In comparison to AA 3004, the grains of AA 3005 are coarse, yet normally they are fine and equiaxed. 
The most striking result was the effect of homogenous process on the formability of the process.With homogenous annealing, final samples' planar anisotropy properties was enhanced. The planar anisotropy values of final samples were diminished by increasing homogenization annealing temperature. Also, the Erichsen values of the final samples was enhanced in general with the increasing homogenous annealing. In addition, the effect of intermediate annealing and final processes on the 3-direction properties of the material was not as much as the homogenous process. 
With alternative 2 processes, thermo-mechanical processes were analyzed. While one process is homogenization annealed as-cast thickness, the other process is conducted homogenization annealing process as 25% deformed. Both processes temperatures are exact same with each other. After homogenization annealed at as-cast thickness, the grains on the outermost layers of the sample are abnormally coarsened. With increasing homogenization annealing temperature as-cast thickness, the coarsening distance from the outermost layers was increased which is undesirable properties fort he homogeneity of the aluminum alloy. However, after homogenization annealing is completed deformed aluminum alloys, grain structure of the aluminum alloys was more equiaxed and finely dispersed. Yet, the outermost layers has some grain coarsening as well as the process that is homogenization annealed at as-cast thickness. Grain coarsening distance of the outermost layers of the process which is homogenization annealed at deformed condition are less than the process that is homogenization annealed at cast thickness. Grain coarsening of the process which is homogenized at cast thickness has influence on the final thickness material even if there is intermediate annealing and rolling processes are exist.