ZK60 magnezyum alaşımlarının döküm ve ekstrüzyon sonrası mekanik ve korozyon özelliklerine alaşım elementlerinin etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of alloying elements on mechanical and corrosion properties of ZK60 magnesium alloys after casting and extrusion
Yazar: HÜSEYİN ZENGİN
Danışman: DOÇ. DR. YUNUS TÜREN
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, ZK60 (Mg-6Zn-0,5Zr ağ.%) magnezyum alaşımlarına farklı alaşım elementlerinin mikroyapı, tekstür (tane yönlenmesi), çekme dayanımı, aşınma direnci ve korozyon direncine etkileri incelenmiştir. Alaşım elementi ilaveleri lantan (La) içerenler ve neodimyum (Nd) içerenler olmak üzere iki gruba ayrılmıştır. Öncelikle ZK60 alaşımına La ve Nd ilaveleri ayrı ayrı ağ.%0,2, 0,5 ve 1 oranlarında yapılmış ve daha sonra ağ.%1 La ve ağ.%1 Nd içeren alaşımlara itriyum (Y) ilavesi ağ.%0,5, 1 ve 2 oranlarında yapılmıştır. Son olarak en yüksek alaşım elementi oranlarına sahip olan ZK60-1La-2Y ve ZK60-1Nd-2Y alaşımlarına ağ.%0,5 oranında kalsiyum (Ca) ilavesi yapılmış ve bu alaşımın tek oranda etkileri de incelenmiştir. Alaşımların üretimi düşük basınçlı döküm yöntemi ile kontrollü argon (Ar) gaz atmosferi altında yapılmıştır. Üretilen alaşımlara 400 C' de 24 saat boyunca homojenleştirme tavlaması uygulanmış daha sonra hidrolik pres altında 16:1 ekstrüzyon oranında, 0,3 mm/s  hızın- 
da ve 300 C ve 400 C olmak üzere iki farklı sıcaklıkta ekstrüzyon uygulanmıştır. Daha sonra döküm, homojen ve ekstrüzyon sonrası numunelerin mikroyapı incelemeleri yapılmıştır. Tane yönlenmeleri, çekme, aşınma ve korozyon deneyleri sadece döküm ve ekstrüzyon numunelerine uygulanmıştır. Mikroyapı incelemeleri, döküm halinde alaşımlama miktarı arttıkça birincil -Mg tane boyutunun azaldığını ve ikincil fazların hacim oranının önemli ölçüde arttığını göstermiştir. Ayrıca Nd içeren alaşımlarda -Mg tanelerinin La içerenlere nazaran daha etkin küçüldüğü ancak ikincil fazların hacim oranının daha az olduğu gözlenmiştir. Homojenleştirme sonrası -Mg tane boyutu bir miktar artmış, ikincil faz oranları ciddi miktarda azalmıştır. Ekstrüzyon sonrası bütün alaşımlarda dinamik yeniden kristalleşme mekanizması ile tane boyutları döküm ve homojen mikroyapılarına kıyasla aşırı derecede incelmiştir. Yeniden kristalleşme oranı alaşımlama miktarı ve ekstrüzyon sıcaklığı arttıkça artış göstermiştir. Yeniden kristalleşmiş tane boyutu ise alaşımlama miktarı arttıkça azalmış, ekstrüzyon sıcaklığı arttıkça artmıştır. Ayrıca La içeren alaşımlarda, döküm mikroyapısına zıt olarak, yeniden kristalleşmiş tane boyutunun Nd içeren alaşımlara kıyasla daha ince olduğu gözlenmiştir. Buna sebep olarak, La içeren alaşımların daha fazla ikincil faz partikülü içerdiği ve bu partiküllerin deformasyon sırasında daha etkin parçacık tesirli çekirdeklenme bölgeleri oluşturması gösterilmiştir. Alaşımlama miktarının ve ekstrüzyon sıcaklığının artması ile tabansal tekstür yoğunluğu azalma eğilimi göstermiştir. Mekanik testler sonucunda, döküm numunelerinde artan alaşım elementi ilavesi ile akma gerilmesinde sürekli bir artış gözlenmesine rağmen, maksimum çekme gerilmesinde ve % uzama değerlerinde sadece ağ. 0,2 La ve ağ. 0,2 Nd içeren alaşımlarda artış gözlenmiştir. Bu ilavelerin üzerinde maksimum çekme gerilmesi ve % uzama değerleri kaba ikincil fazların varlığı sebebiyle azalma göstermiştir. Ekstrüzyon sonrası mekanik özellikler döküm hallerine kıyasla ciddi miktarda artış göstermiştir. 300 C' de ekstrüzyon sonucunda 400 C' dekilere göre daha yüksek akma ve çekme değerleri elde edilmiştir ancak % uzama değerleri artan ekstrüzyon sıcaklığı ile artış göstermiştir. Korozyon deneyleri sonucunda, döküm halinin ekstrüzyon haline göre daha iyi korozyon direnci gösterdiği, alaşım elementi ilavesinin artması ile döküm ve ekstrüzyon halinde korozyon direncinin bir miktar azaldığı görülmüştür. Ekstrüzyon sıcaklığının korozyon direnci üzerinde kayde değer bir değişime neden olmadığı görülmüştür. Aşınma deneyleri sonucunda, artan alaşım elementi ilavesi ile aşınma dirençlerinde artış görülmüştür ve 300 C' de ekstrüze edilmiş numuneler diğerlerine göre daha iyi aşınma direnci göstermiştir.

Abstract:
In this study, the effects of different alloying additions on microstructure, texture (grain orientation), tensile strength, wear resistance and corrosion resistance of ZK60 (Mg-6Zn-0.5Zr wt.%) magnesium alloys were investigated. The alloying elements were separated into two groups, one containing lanthanum (La) and one containing neodymium (Nd). First, the addition of La and Nd alloys to ZK60 alloys was carried out at 0.2, 0.5 and 1 wt.%, respectively, and then the addition of yttrium (Y) to alloys containing 1 wt.% La and 1 wt.%, 1 and 2 respectively. Finally, the addition of calcium (Ca) at 0.5 wt.% to ZK60-1La-2Y and ZK60-1Nd-2Y alloys, which have the highest alloying element ratios, has been made and the effects of Ca addition at one ratio have also been investigated. The production of alloys was carried out under controlled argon (Ar) gas atmosphere by low pressure casting method. Homogenization annealing was applied to the produced alloys at 400 C for 24 hours and then extrusion was applied   
at two initial billet temperatures of 300 C and 400 C under a hydraulic press at an extrusion ratio of 16:1 and extrusion speed of 0.3 mm/s. Microstructure studies were carried out on the as-cast, homogenized and extruded samples. The texture analyses, tensile, wear and corrosion tests were applied only to cast and extruded specimens. Microstructure investigations have shown that as the amount of alloying additions increases, the primary α-Mg grain size decreases and the volume ratio of secondary phases increases significantly. In addition, it was observed that Nd-containing alloys have smaller α-Mg grains than La-containing alloys but lower volume ratio of secondary phases. After homogenization, the α-Mg grain size increased slightly and the secondary phase ratios decreased dramatically. After extrusion, dynamic recrystallization occured and grain size of all the alloys were extensively reduced compared to casting and homogenized microstructures. The degree of recrystallization increased as the amount of alloying and the extrusion temperature increased. The recrystallized grain size decreased as the amount of the alloy increased and it increased as the extrusion temperature increased. Furthermore, in La-containing alloys, it was observed that the recrystallized grain size is finer than that in the alloys containing Nd, contrary to the casting microstructure. It has been shown that the La-containing alloys contain more secondary phase particles and these particles form more efficient particle-stimulated nucleation zones during deformation. The increase in the amount of alloying and the extrusion temperature tended to decrease the basal texture intensity. As a result of the mechanical tests, a continual increase in yield stress was observed with the addition of alloying elements in the as-cast specimens, but only the alloys containing 0.2 wt.% La and 0.2 wt.% Nd showed an increase in maximum tensile strength and elongation-to-fracture values. The maximum tensile stress and elongation-to-fracture values above these amount of additions decreased due to the presence of coarse secondary phases. Mechanical properties after extrusion showed a significant increase compared to the their as-cast states. Higher yield and tensile values were obtained for the alloys extruded at 300 °C than those at 400 °C, but elongation-to-fracture values increased with increasing extrusion temperature. Corrosion tests have shown that as-cast alloys have better corrosion resistance than extruded alloys and with an increase in the alloying element additions, the corrosion resistance of as-cast and extruded alloys was deteriorated. It was found that the extrusion temperature does not cause any significant change in the corrosion resistance. As a result of the wear tests, an increase in wear resistance was observed with increasing additions of alloying elements and the samples extruded at 300 °C showed better wear resistance than the others.