Yüksek işlenebilirlik kabiliyetine sahip 2011 alüminyum alaşımı geliştirilmesi
Development of highly machinable 2011 aluminium alloy
Yazar: İLYAS ARTUNÇ SARI
Danışman: PROF. DR. ONURALP YÜCEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Alüminyum alaşımları = Aluminum alloys ; Kimyasal analiz = Chemical analysis ; İşlenebilirlik = Machinability

Özet:
Alüminyum, yerkabuğunda en çok bulunan metallerin arasındadır ve endüstrinin birçok dalında kullanımı günden güne artış göstermektedir. Doğada boksit cevheri olarak bulunmaktadır ve boksit cevherinden önce Bayer Prosesi, ardından Hall-Héroult prosesi ile metalik alüminyum elde edilmektedir.
Alüminyumun diğer metallere karşı üstün özellikleri bulunmaktadır. Bunların başında korozyona karşı yüksek direnç gelmektedir. Oluşturduğu doğal pasivasyon tabakası ile oksidasyona karşı yüksek direnç göstermektedir. Düşük yoğunluğa rağmen sahip olduğu yüksek mukavemet, spesifik mukavemet (mukavemet/yoğunluk) oranının yüksek olmasını sağlamaktadır. Bu durum, hafifliğin önem arz ettiği otomotivden uçak-uzay endüstrisine kadar tüm sektörlerde alüminyumu değerli kılmaktadır. Alüminyumun bir diğer avantajı ise diğer metallere göre çok daha kolay geri dönüştürülebilir olmasıdır.
Alüminyum alaşımları dövme ve döküm yöntemleri ile nihai haline getirilmektedir ve yapıldıkları işleme göre sınıflandırılmaktadır. Alüminyum döküm yöntemlerine örnek olarak kum kalıba döküm, enjeksiyon döküm, alçak basınç döküm yöntemleri verilebilir. Çok farklı tipte dövme yöntemleri bulunmakla beraber, belirli fiziksel özelliklerin kontrolünün önemli olduğu hallerde dövme yöntemine başvurulmaktadır.
İşlenebilirlik, günümüzde birçok sektörde önemli bir malzeme özelliği olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu durum için farklı metaller ve alaşımlar geliştirilip kullanılmaktadır. İşlenebilirliğin önemli olduğu ürünlerden biri de valflerdir. Valflerin üretiminde tolerans aralıkları çok düşüktür.  Dolayısıyla bu alanda, işlenebilirliği iyi olan pirinç alaşımları tercih edilmektedir. Pirinç alaşımlarının korozyon direnci de yüksektir ve bu alaşımların mekanik özellikleri genel olarak Zn içeriğine bağlıdır. Ancak diğer alaşım elementleri de mekanik özelliklerini etkilemektedir. 
Alüminyum alaşımlarının pirinç alaşımlarına göre birtakım avantajları mevcuttur. Bunlar üretim kolaylığı, ekonomik karşılaştırılabilirliği, alaşımın hafifliği ve yüksek spesifik mukavemetidir. Bu avantajlar gözetilerek, valf olarak kullanılabilecek alüminyum alaşımlarının geliştirilmesi ve kullanılması hedeflenmektedir. 2011 alüminyum alaşımı, içerdiği düşük ergime sıcaklığına sahip bizmut ve kurşun elementleri sayesinde yüksek işlenebilirlik kabiliyetine sahip bir alaşım olarak karşımıza çıkmaktadır. Bizmut ve kurşunun oluşturduğu fazlar tane sınırına çökelmekte ve istenen kalitede talaş oluşumunu sağlamaktadır. Bu sayede kesici takımın yağlanması daha kolay gerçekleşmektedir. 
Bu çalışmada valf olarak kullanılabilecek kalitede alüminyum alaşımlarının üretilmesi ve geliştirilmesi amaçlanmıştır.
ASAŞ Alüminyum fabrikasında 2011 alaşımının üretimi gerçekleştirilebilmektedir. Bu alaşım, üretimi yapılırken sırasıyla doğrudan ani soğutmalı döküm, homojenizasyon ve ekstrüzyon aşamalarından geçmektedir. Doğrudan ani soğutmalı döküm yönteminde öncelikle alüminyum külçeler ve/veya hurdalar fırına şarj edilmekte ve metalin ergime işlemi gerçekleştirilmektedir. Ardından metal rafinasyonu ve gaz alma işlemleri yapılır. Bu işlemlerden sonra ise döküm prosesi başlatılır. Döküm prosesi sırasında döküm yolluğundan ilerleyen ergiyik metal, seramik filtrelerden geçerek döküm tablasına ulaştırılır. Üretimi gerçekleştirilecek biyetlerin çapına göre kullanılan döküm kalıpları istenen döküm hızında döküm tablasından uzaklaşır. Aynı anda su spreyi ile soğutma işlemi uygulanarak biyet üretimi gerçekleştirilir. 
Homojenizasyon işlemi biyetlerin tane yapısının daha homojen hale getirilmesi ve mekanik özelliklerin biyetin her yerinde aynı olması amacıyla yapılmaktadır. Biyetler sürekli veya batch tipi homojenizasyon fırınlarına alınarak alaşıma göre belirlenen sıcaklık ve sürelerde tutulmaktadır. Homojenizasyon işlemi genel olarak alaşımın ötektik sıcaklığının hemen altında gerçekleştirilmektedir. Daha yüksek sıcaklıklarda kısmi ergimeler söz konusu olabileceğinden, homojenizasyon prosesi hem bu hataların önlenmesi hem de en iyi mekanik özelliklerin sağlanabilmesi açısından önemli bir prosestir.
Ekstrüzyon prosesi, doğrudan ani soğutmalı döküm yöntemiyle üretilen biyetlerin ısıtılarak yüksek pres gücünde bir kalıptan basılması suretiyle istenilen şekillerdeki profillerin üretildiği bir prosestir. Ekstrüzyonda, biyet sıcaklığı, ekstrüzyon hızı, ekstrüzyon gücü gibi önemli parametreler mevcuttur. İstenilen alaşımlı profillerin üretilebilmesi için bu parametrelerin doğru seçilmesi önemlidir.
Bu çalışmada, tüm bu üretim aşamalarının proses parametreleri incelenmiştir. Doğrudan ani soğutmalı döküm yöntemiyle dökülen biyetlerin kimyasal kompozisyonu OES ile belirlenmiş ve DSC analizleri yapılmıştır. Sonrasında, ekstrüzyonla üretilen profillerin sertlik ölçümleri, çekme ve korozyon testleri gerçekleştirilmiştir. Mikro yapı optik mikroskop ve SEM'de incelenmiş ve EDS analizleri yapılmıştır. İşlenebilirlik kabiliyeti kontrol edilmiştir.
Gerçekleştirilen araştırmalar ve yapılan deneysel çalışmalar neticesinde, 2011 alaşımının üretim parametreleri belirlenmiş, içeriğinde bulunan bizmut ve kurşunun işlenebilirliğe pozitif etki sağladığı gözlemlenmiştir. Bunlara ek olarak yapılan çalışmalar göstermektedir ki doğrudan ani soğutmalı döküm prosesi sırasında ergiyik metal çok iyi karıştırılmalıdır. Ayrıca, alaşımda bizmut ve kurşun içeriği 1:1 oranında bulunmalıdır. Bu sayede bizmutun genleşmesi kurşunun büzüşmesi ile dengelenecektir.
Üretilen alaşımın talaşlı imalatında oluşan talaşın standartlarda istenen özellikte olduğu belirlenmiştir. Çalışmada gerçekleştirilen ekstrüzyon denemelerinde 2011 alaşımı için en yüksek ekstrüzyon hızı 1,7 mm/sn olarak belirlenmiştir. Bu hızın aşılması halinde profilde çeşitli yüzey hataları görülmektedir. Daha yüksek ekstrüzyon hızına ulaşabilmek adına, homojenizasyon sıcaklıkları değiştirilerek ileri çalışmalar yapılması önerilmektedir.
Bu çalışmada valf olarak kullanılabilecek alaşımlara eloksal kaplama yapılarak korozyona direnci de ölçülmüştür. Eloksal kaplı olmayan numunede en derin korozyon 562 μm, 4-7 μm aralığında eloksal kaplı numunede 505 μm, 19-25 μm aralığında eloksal kaplı numunede ise 201 μm olarak ölçülmüştür. 19 μm ve üzeri eloksal kaplamada uzun süreli korozyon direnci oluşturmasının mümkün olduğu görülmüştür.

Abstract:
Aluminium is among the most abundant metals in the earth and its use in many branches of industry is increasing day by day. It is found in nature as bauxite ore, and metallic aluminium is obtained from bauxite ore by the Bayer Process, followed by the Hall-Héroult process.
Aluminium has some superior properties against other metals. One of these properties is its high resistance to corrosion. It shows high resistance against oxidation with the natural passivation layer it creates. Despite its low density, its high strength ensures that the strength/density ratio is high. This makes aluminium valuable in all sectors, from the automotive to the aerospace industry, where lightness is important. Another advantage of aluminium is that it can be recycled much more easily than other metals. It is also a prominent metal in terms of machinability. Especially 2011 alloy can be machined very easily and is used in sectors where machinability is very important.
Aluminium is classified as forging and casting alloys. Sand mold casting, injection molding, low pressure casting methods can be given as examples of aluminium casting methods. While there are many different types of forging methods, forging alloys can be used when control of certain physical properties is important.
Machinability is an important material property in many sectors today. For this, different metals and alloys are developed and used. One of the products where machinability is important is valves. The tolerance ranges in the production of valves are very low. Therefore, brass alloys with very good machinability are preferred. Brass alloys have high corrosion resistance and very good machinability. Therefore, it is highly preferred in the industry. The mechanical properties of brass alloys generally depend on Zn content. However, other alloying elements also affect its mechanical properties.
Aluminium alloys have some advantages over brass alloys. These can be listed such as easy production, lightness, high specific strength and economic comparability. 2011 aluminium alloy has high machinability thanks to its low melting temperature elements such as bismuth and lead. The phases formed by bismuth and lead precipitate at the grain boundary and support the chip formation. In this way, the lubrication of the cutting tool is easier. This alloy can also be produced in the ASAŞ Aluminium factory.
The production of the 2011 alloy goes through the stages of direct chill (DC) casting, homogenization and extrusion, respectively. In the direct chill casting method, aluminium ingots and/or scraps are first charged into the furnace, and the melting process is carried out. After metal refining and degassing processes, casting process is started. The molten metal passes through the casting runner and ceramic filters and reaches the casting table. Casting molds used according to the diameter of the billets to be produced move away from the casting table at the desired casting speed. Billet production is carried out by applying the cooling process with water spray at the same time. Non-destructive testing is performed on the produced billets by ultrasonic method and their quality is checked.
Homogenization process is executed in favor of make the grain structure of the billet more homogeneous and to ensure that the mechanical properties are the same in all parts of the billet. 
Billets are taken into continuous or batch type homogenization furnaces and kept at temperatures and times determined according to the alloy. This temperature is generally selected just below the eutectic temperature of the alloy. Since partial melting may occur at higher temperatures, the homogenization step is an important process in terms of not observing these failures and providing the best mechanical properties.
Extrusion is a process in which profiles in desired shapes are produced by heating the billets produced by DC casting and pressing them from a die with high press power. There are important parameters such as billet temperature, extrusion speed, extrusion power in extrusion. It is important to choose these parameters correctly in order to produce the desired alloy profiles.
In the study, the parameters of all these production stages were examined. The chemical composition of the billets was specified by Optic Emission Spectrometry (OES) and Differantial Scanning Calorimetry (DSC) analyzes were made. Percentage of elements in the samples was determined by OES. By determining the thermal behavior of the materials, interpretation of the thermal processes can be made. Therefore, thermal analysis is important. In DSC analysis, energy change in the sample can be measured depending on the temperature changes, and the thermal behavior can be determined. Thermal behavior of 2011 alloy was studied by DSC analysis. Hardness, tensile and corrosion tests of the profiles were also carried out. 
Microstructure was examined in optical microscope and SEM and EDS analyzes were made. Cu phase is the main alloying element of 2xxx series aluminium alloys. Al2Cu phase precipitates in the microstructure and strengthens the material. In SEM analysis, this phases (Al2Cu) in the 2011 alloy were observed. The machinability ability has also been examined. As a result of the examinations, it was observed that the machinability of the 2011 alloy was very good.
The 2011 alloy was brought to T6 heat treatment condition and its mechanical properties were examined. In T6 condition, mechanical properties of the material are at the highest level. These mechanical properties were tested by performing hardness and tensile tests and it was observed that results were within tolerance ranges determined by related standard.
Aluminium is a corrosion resistant metal thanks to its natural Al2O3 layer. However, this property is not sufficient for its use in industrial sectors. The controlled formation of this layer is very important in terms of material life.When the corrosion behaviors are examined, it can be said that the anodized coating increases the corrosion resistance of the 2011 alloy. When the anodizing thickness increases, the resistance of the alloy increases and the service life is extended.
On the basis of researches and experimental studies, production parameters of 2011 alloy were determined, and it was observed that bismuth and lead contained in it had a positive effect on the machinability. Results also show that while performing the direct chill casting process, molten metal should be mixed very well, and chemical analysis should be carried out periodically in the furnace to check whether the chemical composition is within the standards or not. Therefore, care should be taken to keep the bismuth and lead content in the molten metal at a ratio of 1:1. This parameter is important as the expansion of bismuth during solidification will compensate for the shrinkage of lead.
It has been determined that the chips formed in the machining of the produced alloy has desired properties in the standards. In the extrusion trials, the highest extrusion speed for the 2011 alloy was determined as 1.7 mm/sec. If this speed is exceeded, various surface defects are seen in the profile. In order to achieve higher extrusion speed, it is recommended to carry out further studies by changing the homogenization temperatures.
In this study, the corrosion resistance was also measured by anodizing the alloys that can be used as valves. The deepest corrosion was measured 562 μm in the non-anodized sample, 505 µm in 4-7 µm anodized sample  and 201 µm in 19-25 anodized sample. Long-term corrosion resistance is possible in anodized coating of 19 μm and above.