Magnezyum talaşlarından malzeme üretimi
Materials production from magnesium chips
Yazar: NİHAN TAŞKIN
Danışman: PROF. DR. E. SABRİ KAYALI ; DOÇ. DR. HARUN MİNDİVAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Aşınma davranışı = Wear behavior ; Korozyon = Corrosion ; Magnezyum alaşımları = Magnesium alloys ; Mekanik özellikler = Mechanical properties ; Talaşlı üretim = Machining

Özet:
Magnezyum ve alaşımları, yüksek spesifik mukavemet ve direngenlik, düşük yoğunluk, yüksek termal iletkenlik, iyi sönümleme kapasitesi, mükemmel dökülebilirlik ve iyi işlenebilirlik gibi özelliklerinden dolayı otomotiv, havacılık ve elektronik uygulamalarında en çok dikkat çeken malzemeler arasında yer almaktadır. Bütün bu olumlu özellikler sebebiyle endüstride yaygın olarak kullanılan magnezyum alaşımlarının talaşlı imalatı veya ürün değişimi sırasında büyük miktarda hurda veya talaş oluşmaktadır. Genelde metalik talaş veya hurdalar ergitilerek geri kazanılır ve ardından şekillendirme işlemine tabi tutulur. Ancak özel koruyucu ortam ve çok dikkatli olma gerekliliği, yüksek ergitme kayıpları, taşıma sırasında patlama tehlikesi, yüksek oksit içeriği gibi olumsuzluklardan dolayı magnezyum talaşlarının ergitilerek geri kazanımı etkili bir yöntem değildir. Magnezyum alaşımlarının ergitilerek geri kazanımında karşılaşılan diğer önemli bir engel ise talaş veya hurdada büyük miktarda inklüzyon ve empürite elementlerinin bulunmasıdır. İnklüzyon süneklik kaybına sebep olurken, empürite ise korozyon direncini olumsuz yönde etkilemektedir. Hafif alaşımlı hurdaların yeniden işlenmesi sırasında karşılaşılan en büyük problem artan inklüzyon ve empürite elementleridir. Genelde inklüzyon ve empürite miktarı, flaks kullanarak veya kullanmayarak arıtma ve hidrometalurji prosesi gibi kimyasal yaklaşımlarla azaltılmaktadır. Ancak bu geri dönüşüm teknolojilerinde proses karmaşıklığı, düşük verimlilik ve yüksek enerji tüketimi gibi bazı sorunlar hala vardır. Bu nedenle, magnezyum talaşı ve hurdanın daha etkili bir şekilde geri kazanımı için ilgi artarak devam etmektedir. Son yıllarda geleneksel döküm yöntemlerine alternatif olarak katı hal geri kazanım yöntemi sayesinde düşük maliyet ve çevreye saygı gibi teknolojik avantajlar sağlanmış olacaktır. Katı hal geri kazanım yöntemi, ergitme olmaksızın talaş veya hurdanın soğuk veya sıcak preslenmesi ve ardından sıcak ekstrüzyon gibi plastik deformasyon yöntemlerini kapsamaktadır.Bu çalışmada, düşük maliyetle, ergitme ve mekanik öğütme olmaksızın elle karıştırma ve ardından sıcak ekstruder işlemi ile magnezyum talaşının geri kazanılması amaçlanmıştır. Magnezyum talaşının geri kazanımında; özellikle ülkemizde talaşlı imalat sonucunda oluşan magnezyum talaşlarının kompaktlanıp ergitildikten sonra döküm yapılarak geri kazanımı sırasında enerji maliyeti ve çevresel yaptırımların ortalama maliyeti artırması, yani bu metallerin geleneksel geri kazanım yöntemine alternatif olarak ergitme yapılmaksızın magnezyum talaşına farklı oranlarda saf magnezyum tozu (ağırlıkça % 25 - 75) ilave ederek mekanik öğütme olmaksızın elle karıştırma ve ardından sıcak ekstruder işlemi ile geri kazanımı amaçlanmıştır. Üretilen magnezyum malzemelerinin mekanik özellikleri ve korozyon davranışına magnezyum veya alüminyum toz içeriğinin etkisi inclenmiştir. Ürünlerin kalitesinin belirlemek için magnezyum malzemelerinin mikroyapısal karakterizasyonu, mekanik deneyleri, kuru ortam aşınma deneyleri ve korozyon deneyleri yapılmıştır.Mikroyapısal karakterizasyon optik ışık mikroskop incelemeleri, x-ışını difraksiyonu analizleri, yoğunluk ve elektrik iletkenlik ölçümleri ile gerçekleştirilmiştir. Mikroskobik incelemeler, standart metalografik yöntemler ile hazırlanmış ekstrüzyon ve kesit yönündeki malzemeler üzerinde yapılmıştır. Yoğunluk ölçümleri Arşimet yöntemi kullanılarak hesaplanmıştır. Elektrik iletkenliği ölçümleri ise Hocking AutoSigma 3000DL model bir ölçüm cihazı kullanılarak yapılmıştır.Mekanik özellik karakterizasyonu, sertlik ve basma deneyleriyle yapılmıştır. Sertlik ölçümleri metalografik malzemeler üzerinde, Vickers batıcı ucu ile Schimatzu Model mikrosertlik cihazında 200 gr yük altında HV0,2 cinsinden belirlenmiştir. Sertlik değerleri, en az 10 ölçümün ortalaması alınarak tespit edilmiştir. Basma deneyleri, Dartec marka üniversal test cihazında 1 mm/dak. çene hızında oda sıcaklığında yapılmıştır. Her bir malzeme grubunu temsilen üç adet basma deneyi yapılmış ve bunların aritmetik ortalaması deney sonucu olarak alınmıştır.Aşınma deneyleri ekstrüzyon yönündeki 220 ?m boyutundaki AZ91 alaşım talaşı ile magnezyum toz karışımlarından hazırlanan malzemelerin yüzeyine dört farklı kayma hızında (0.0128m/s, 0.0245 m/s, 0.0375 m/s, 0.0567 m/s) ve 10 mm kayma mesafesine sahip 10 mm çapında çelik bilyenin 1.0 N normal yük altında sürtünmesi ile gerçekleştirilmiştir. Aşınma deneyi sonrasında malzeme yüzeyleri üzerinde gelişen aşınma izleri yüzey profilometresi (Veeco Dektak 6M) ile analiz edilmiştir ve yüzey profilleri vasıtasıyla aşınma iz alanları hesaplanmıştır. En çok aşınan malzemenin (0,0375 m/s kayma hızı altında ağırlıkça %100 talaş içeren alaşım) aşınma direnci 1,0 kabul edilerek diğer malzemelerin aşınma dirençleri relatif olarak hesaplanmıştır. Aşınma izleri daha sonra taramalı elektron mikroskobunda (SEM) incelenmiştir.İncelenen malzemelerin ağırlık kaybı korozyon deneyleri, bir cam beher içerisinde bulunan % 3.5'luk NaCl çözelti içinde yüzeyi temizlenmiş malzemelerin 36 saat süreyle tutulmasıyla yapılmıştır. Malzemelerin yüzey alanına bağlı olarak çözelti miktarı 0,6 ml/mm2 olacak şekilde ayarlanmıştır. Korozyon deneyleri sırasında belirli zaman aralıklarında (3, 6, 12, 18, 24 ve 36 saat) çözeltiden çıkarılan malzemeler sırasıyla damıtılmış su ve alkol içinde ultrasonik olarak temizlendikten sonra 0,1 mg hassasiyete sahip elektronik terazide tartılmıştır. Deney sonuçları, malzemelerin birim yüzey alanı başına düşen ağırlık kaybına göre gr/cm2 cinsinden değerlendirilmiştir.İncelenen malzemelerin mikroyapısal incelemeleri, talaş ve tozun ekstrüzyon yönünde birbirine alternatif olacak şekilde uzamış katmanlı yapıda olduğunu ortaya çıkarmıştır. Mikroskobik incelemeler sırasında saf magnezyum talaşından üretilen malzemelerin XRD paternlerinde sadece magnezyum piki mevcut olup, bunun dışında herhangi bir mikroyapı bileşenine ait pik tespit edilmemiştir. MgAl2O4 fazı sadece AZ91 alaşım talaşından üretilen malzemelerin mikroyapısında bulunmuştur. Saf magnezyum talaşından üretilen malzemelerde talaş içeriğine göre yoğunluk çok fazla değişmez iken elektrik iletkenliği ise artan talaş içeriğine bağlı olarak artmaktadır. AZ91 alaşım talaşından üretilen malzemelerde de talaş içeriği arttıkça yoğunluk artmakta, elektrik iletkenliği azalmaktadır.Sertlik, basma, aşınma ve korozyon deneyleri sonunda 220 ?m boyutundaki AZ91 alaşım talaşından üretilen malzemelerde talaş içeriği arttıkça sertlik, mukavemet ve korozyon direnci artmaktadır. Ancak artan talaş içeriğine bağlı olarak elektrik iletkenliği ile birlikte aşınma direnci azalmaktadır. Diğer taraftan saf magnezyum talaşından üretilen malzemelerde talaş içeriği arttıkça sertlik, mukavemet ve korozyon hızı azalmaktadır.

Abstract:
Magnesium and its alloys are attractive malterials for use in automotive, aerospace and electronic applications because of their high specific strength and specific stiffness, low density, good thermal conductivity, good vibration damping capacity, excellent die castability and superior machinability. There is an increasing demand for magnesium and magnesium alloys in automotive, electronic and aerospace industries. However, primary magnesium production needs high energy consumption so it is important to recycle of this metal. Also, the expanding use of magnesium alloys in the automotive, aerospace and electronic industries leads to an increasing quantity of chip and scrap. Accompanying this consumption increase, chip and scrap from manufacturing and product replacement create a big amount of waste which needs recycled. In general, metallic chips and scraps always can be remelted to cast into ingot for subsequent processing. However, the high surface-to-volume ratio of magnesium chips leads to melt losses, hazards during transportation, high oxide contents. So, recycling with liquid state approaches may not be efficient to overcome in magnesium recycling because of the needs of special protective environment and extra caution. A major barrier to the recycling of magnesium alloys is the existence of substantial amount of inclusions and impurity elements in the chip and scrap, the former causes severe loss of ductility and strength, and the latter reduces significantly the corrosion resistance. The major challenges in reprocessing light alloy scrap are dealing with the increased inclusions and impurity elements. Conventional wisdom is to reduce the amount of such inclusions and impurities by a chemical approach, e.g., flux or fluxless refining, and hydrometallurgy process. However, there are still some problems in these recycling technologies, such as process complexity, low productivity and high energy consumption. Therefore, there is a growing need for more effective recycling processes for magnesium alloy chip and scrap. In recent years, recycling by solid state approaches has been shown to possess a number of technological advantages over the traditional casting processes because its cost is relatively low, also favorable for environment protection. The solid state recycling of the magnesium chips were tried first in 1995 and then method was modified in 2000. In the literatures it has been experienced that solid state recycled materials from magnesium chips have shown excellent mechanical and corrosion properties. In the solid state recycling, chips and scraps are recycled by consolidation using plastic deformation processes such as cold or hot pressing followed by hot extrusion without melting.This study aims to recycle magnesium chips by a combination of cold press and hot extrusion processes. During the re-use of magnezium chips, today in the recycling process of magnesum chips consisting of compacting, melting and casting, since metal loss due to the oxidation occurring during the melting of chips, the costs of labour and energy as well as the expenditures on environment protection raise the production cost, solid-state process of magnesium chips by cold press and hot extrusion processes without melting and milling has been introduced as an alternative magnesium recycling process. In the present study, the feasibility of recycling pure magnesium chips and AZ91 alloy chips with the help of commercially pure magnesium and aluminum powders, was investigated. For this study, the magnesum chips mixed with different amount of magnesium and aluminum powders in the range of 25-75 wt. %, after mixing by hand for 5-10 minutes those mixtures were cold pressed as one directional under 700 MPa for 10 minutes and 30 mm in length and 20 mm in diameter discs were produced. After cold press those discs were hot extruded with 9:1 ratio at 350?C to get condensed final products and to get a homogeneous microstructure by using 100 tonnes capacity vertical axis hydrolic press. After hot extrusion test specimen were produced 20 mm in diameter and 50 mm for height. Furthermore, the effect of magnesium and aluminum powders and their amounts on the mechanical properties and corrosion behaviour of the recycled magnesium materiasl were studied. To evaluate the quality of the products, the recycled materials were subjected to microstructural characterization tests, mechanical tests, corrosion tests and wear tests.Microstructural characterizations were performed by optical microscopic examination, x-ray diffraction analysis, density and electrical conductivity measurements. Microscopic examination was conducted on the extrusion and cross sections of the discs after preparing the specimens according to standard metallographic methods. The density of the recycled materials was measured by the Archimedes water immersion method. Hocking AutoSigma 3000 DL was utilized to measure the electrical conductivities of the recycled materials.Room temperature mechanical properties of the recycled materials were determined by hardness measurements and compressive tests. Hardness survey was measured on Shimadzu HMV2 microhardness tester by applying indentation load of 200 g with a Vickers indenter. At least, ten successive measurements were made for each condition. Round samples with 20 mm of length and 10 mm of diameter were tested by a Dartec Universal testing machine at a crosshead speed of 1 mm/min to determine the compression behaviour of the samples. The results of the compression tests were compiled by averaging the decision of three samples.Wear tests of the recycled AZ91 alloy with 220 µm chip size were carried out under normal atmospheric conditions (20 ? 2 oC and 30 ? 5 %RH) on a reciprocating wear tester. All experiments were carried out under a constant normal load of 1 N using a 10 mm diameter steel ball, and sliding speeds from 0.0128 to 0.0567 ms-1 with increments of 0.014 ms-1. After the wear tests, the wear tracks formed on the recycled AZ91 alloys were detected by a Veeco Dektak 6M profilometer to quantify the test results in terms of wear track area. Wear track area values were then converted into Relative Wear Resistance (RWR) by assuming the RWR of the recycled AZ91 alloy containing 100 wt.% magnesium chip under a sliding speed of 0.0375 m/s as 1.0. After the wear test, wear tracks formed on surfaces of the recycled Mg alloys were examined using a scanning electron microscope (SEM).Evaluation of the corrosion was determined by weight loss-measuring. For the weight loss-measuring test, square shape samples with an average size of 2 mm x 2 mm were ground up to 1200 grit SiC emery papers and polished 1 ?m diamond paste. After cleaning with acetone, these samples were weighed and then immersed in 3.5% NaCl solution in a Pyrex glass cell exposed to atmospheric air for 36 h. The amount of solution in the baker was estimated by taking into account the surface area of the samples as 0.6 ml/mm2. After the test, the samples cleaned/dried were weighted by an electronic balance having a resolution of ±0.1 mg. The normalized weight loss values of the investigated alloys were calculated in the unit of g/cm2 by dividing the weight loss of the each sample by their initial total surface area.Microstructural examination revealed that the recycled magnesium alloys including different amounts of chips possessed a lamellar structure composed of alternating layers of magnesium powder and magnesium chip aligned parallel to the extrusion direction.During microscopic examinations, magnesium peaks were evident on the XRD patterns obtained from the recycled pure magnesium materials. AZ91 alloys are usually charactarized with ß-Mg17Al12 phase presence and this alloy shows good mechanical properties and good corrosion resistance alternating with ß phase amount and distribution. In this study peaks of ß-Mg17Al12 intermetallic compound in the recycled AZ91 alloy were not seen. After all, beceause of severe deformation during hot extrusion at 350 ?C formation of ß-Mg17Al12 intermetallic compound is not expected. However, MgAl2O4 was present in the the recycled AZ91 alloy. The density of the recycled pure magnesium materials was not altered notably by magnesium chip addition and the recycled magnesium materials indicated close results to the theoretical density (1.74 g/cm3). While, the density of the recycled AZ91 alloy increased by increasing wt.% of chip. Furthermore, the electrical conductivity of the recycled pure magnesium materials increased by increasing wt.% of chip. On the other hand, the electrical conductivity of the recycled AZ91 alloy decreased by increasing wt.% of chip.The results from the hardness, compression and wear and immersion tests showed that the hardness, strength and corrosion resistance of the recycled AZ91 with 220 µm chip size increased progressively by increasing the chips wt.% in the products. Because of higher hardness value and more oxide content of AZ91 alloy chips hardness and compression strength of recycled AZ91 alloys were higher than those of recycled pure magnesium materials. However, the wear resistance of the recycled AZ91 with 220 µm chip size decreased along with the reduction of electrical conductivity by adding magnesium chip. On the other hand, the hardness, strength and corrosion rate of the recycled pure magnesium materials decreased progressively by increasing the chips wt.% in the products. Compatible with the literature due to the oxides network which distributed parallel with extrusion direction corrosion resistance of the materials recycled from pure magnesium chips are affected in a positive way by impede diffusion of Cl- ions to the metal surface. Localized corrosion and corrosion pits were seen both recycled pure magnesium materials and recycled AZ91 alloy materials in the wt. 3.5 % NaCl chloride media.