Alüminyum ve alaşımlarının sıvı metal kalitesinin arttırılması
Improving liquid metal quality of aluminum and its alloys
Yazar: ÇAĞLAR YÜKSEL
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ÇİĞDEM
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Metal döküm = Metal casting

Özet:
Döküm alaşımlarının mekanik özellikleri doğrudan doğruya içyapı kusurlarından etkilenmektedir. Bu kusurların karakteristik davranışlarını, oluşum mekanizmalarını ve birbirleri ile olası etkileşimlerinin anlaşılması ve bu olguların doğru bir şekilde yönetilmesi ile döküm parçalarının mekanik özellikleri (örn. yorulma dayancı) dolayısıyla da çalışma ömürleri gibi dolaylı özellikleri geliştirilebilir. Birincil alüminyumdan üretilen malzemelerin dökümü ya da daha doğru bir ifade ile kalıp dolumu sırasında yolluk tasarımı, döküm sıcaklığı, kalıp sıcaklığı, döküm hızı, vs. gibi parametrelerden herhangi biri hatalı tasarlanmaz/seçilmez ise büyük ihtimalle döküm malzemesinden istenen şartnamedeki değer aralıkları elde edilebilir. Ancak ikincil alüminyum yani hurda malzeme kullanılarak ergitme işlemi yapılıyorsa, mutlak suretle dikkatli ve çok doğru sıvı metal işlemleri yapılması gerekmektedir. Aksi takdirde örneğin son derece iyi yolluk tasarımına sahip uygun döküm sıcaklığı seçilerek yapılan döküm işleminde dahi döküm malzemesinde muhakkak döküm hataları oluşacaktır. 
Alüminyum ve alaşımlarının dökümlerinde ise en genel karşılaşılan döküm hatalarının başında katlanmış oksit filmleri yani çift-katlı oksitler (bifilmler) gelmektedir. Bu çalışmada alüminyum alaşımlardan en yaygın olarak kullanılan Al7Si0,3Mg (A356) alaşımının hurdasından yüksek kalitede malzeme üretimi üzerine odaklanılmıştır. Ergitme esnasında kullanılan şarjda birincil ve ikincil alüminyum oranları yüzdesel olarak birbirine eşittir (ağ.%50 birincil + ağ.%50 ikincil). Sıvı metal işlemlerinin en önemli basamakları gaz giderme ve eritkenlemedir (flakslama). Deneylerde kullanılan gaz giderme cihazı sanayide kullanılan cihazların laboratuvar ölçeğine düşürülerek gaz giderme prosesi etkin bir şekilde gerçeği yansıtması sağlanmıştır. Gaz giderme işleminde %99,9 saafiyette Ar gazı ve eritkenleme işleminde ise metal ağırlığının %2'si kadar eritken kullanılmıştır. Eritken kullanılarak askıda kalan katışkıların(inklüzyon) yani bifilmlerin giderilmesi amaçlanmıştır. Bifilmler yapı içerisinde kolayca fark edilemeyebilirler. Bifilmlerin tespiti için en kolay, hızlı, tekrarlanabilir test yöntemi vakum altında katılaştırma (VAK=RPT) cihazı kullanılarak yapılan Bifilm İndeksi'dir. Bifilm İndeksi ile askıda kalan çift katlı oksitlerin açılması sağlanarak sıvı metal kalitesinin sayısallaştırılması sağlanmıştır.
Döküm alaşımlarının mekanik özellikleri doğrudan doğruya içyapı kusurlarından etkilenmektedir. Bu kusurların karakteristik davranışlarını, oluşum mekanizmalarını ve birbirleri ile olası etkileşimlerinin anlaşılması ve bu olguların doğru bir şekilde yönetilmesi ile döküm parçalarının mekanik özellikleri (örn. yorulma dayancı) dolayısıyla da çalışma ömürleri gibi dolaylı özellikleri geliştirilebilir. Birincil alüminyumdan üretilen malzemelerin dökümü ya da daha doğru bir ifade ile kalıp dolumu sırasında yolluk tasarımı, döküm sıcaklığı, kalıp sıcaklığı, döküm hızı, vs. gibi parametrelerden herhangi biri hatalı tasarlanmaz/seçilmez ise büyük ihtimalle döküm malzemesinden istenen şartnamedeki değer aralıkları elde edilebilir. Ancak ikincil alüminyum yani hurda malzeme kullanılarak ergitme işlemi yapılıyorsa, mutlak suretle dikkatli ve çok doğru sıvı metal işlemleri yapılması gerekmektedir. Aksi takdirde örneğin son derece iyi yolluk tasarımına sahip uygun döküm sıcaklığı seçilerek yapılan döküm işleminde dahi döküm malzemesinde muhakkak döküm hataları oluşacaktır. 
Alüminyum ve alaşımlarının dökümlerinde ise en genel karşılaşılan döküm hatalarının başında katlanmış oksit filmleri yani çift-katlı oksitler (bifilmler) gelmektedir. Bu çalışmada alüminyum alaşımlardan en yaygın olarak kullanılan Al7Si0,3Mg (A356) alaşımının hurdasından yüksek kalitede malzeme üretimi üzerine odaklanılmıştır. Ergitme esnasında kullanılan şarjda birincil ve ikincil alüminyum oranları yüzdesel olarak birbirine eşittir (ağ.%50 birincil + ağ.%50 ikincil). Sıvı metal işlemlerinin en önemli basamakları gaz giderme ve eritkenlemedir (flakslama). Deneylerde kullanılan gaz giderme cihazı sanayide kullanılan cihazların laboratuvar ölçeğine düşürülerek gaz giderme prosesi etkin bir şekilde gerçeği yansıtması sağlanmıştır. Gaz giderme işleminde %99,9 saafiyette Ar gazı ve eritkenleme işleminde ise metal ağırlığının %2'si kadar eritken kullanılmıştır. Eritken kullanılarak askıda kalan katışkıların(inklüzyon) yani bifilmlerin giderilmesi amaçlanmıştır. Bifilmler yapı içerisinde kolayca fark edilemeyebilirler. Bifilmlerin tespiti için en kolay, hızlı, tekrarlanabilir test yöntemi vakum altında katılaştırma (VAK=RPT) cihazı kullanılarak yapılan Bifilm İndeksi'dir. Bifilm İndeksi ile askıda kalan çift katlı oksitlerin açılması sağlanarak sıvı metal kalitesinin sayısallaştırılması sağlanmıştır.
Yedi farklı türdeki eritkenlere ilave bileşiklerin eklenmesi ile hazırlanan eritkenlerle yapılan dökümlerden elde edilen numunelere çekme testi uygulanmıştır. Çekme testinden kopma uzaması, çekme dayancı, tokluk değerleri üretilerek alaşımın ayırt edici mekanik özellikleri ortaya çıkartılmıştır. En yüksek kopma uzaması değerleri Na2SiF6 (MgCl2-KCl) karışımlarından sağlanmıştır. Çekme dayancı ve tokluk değerlerinde ise NaF/AlF3 = 1,85 ile NaF karışımlarından oluşan eritken gruplarının Na2SiF6 (MgCl2-KCl) karışımı ile yarış halinde olduğu görülmektedir. Bu iki mekanik özellik arasında Na2SiF6 (MgCl2-KCl) karışımı eritkenler ikinci sırada yüksek özellik göstermelerine rağmen diğer iki eritken grubunda standart sapmalar çok yüksek olmasından dolayı istikrarlı ve güvenilir sonuçlar elde edilemeyecektir. Bununla birlikte Bİ farkının yani giderme oranının en yüksek olduğu eritken de Na2SiF6 (MgCl2-KCl) karışımıdır. Genel olarak döküm haliyle (as-cast) çekme dayanımları 180 MPa civarlarında seyrederken kopma uzaması değerleri eritkenin cinsine ve eklenme oranına bağlı olarak %1 – 8,5 aralığında ve tokluk değerleri de 279 – 900 mJ aralığında değişmektedir. Katışkıların kopma uzaması ve tokluk değerleri üzerine doğrudan ve keskin etkilere sahip olmalarından dolayı çekme dayancının aslında malzeme seçimi ve tasarımında kopma uzaması ve tokluk gibi çok da önemli bir ölçüt olmadığı bu tezle de bir kere daha ortaya konmuştur.

Abstract:
Mechanical properties of the casting alloys are directly affected by structural defects. By understanding the characteristic behaviors, formation mechanism and revealing the interactions with each other of these defects, mechanical properties and working life of casting parts can be improved. If the smelting process is performed with primary aluminum alloy and the conditions even an accurate statement mold filling, runner design, casting temperature, molding temperature, casting speed are chosen accurately most likely the properties of casting part will be in the range of desired specifications. However, if the smelting process is done by using secondary or scrap aluminum alloy it is vital to perform very careful and accurate melt treatment operations. Otherwise even in the best runner designed or most accurate temperature selected operations are cannot be impeccable. Folded double oxide films (bifilms) are one of the most common problems encountered during casting aluminum and its alloys. Al7Si0.3Mg (A356) is most widely used aluminum casting alloy and in this study it was focused on to production of high quality material from the scrap of this alloy. Primary and secondary aluminum rates used in the charge are equal (wt.%50 primary + wt.%50 secondary). Most important stages of melt treatment are degassing and fluxing. In degassing Ar gas with high purity levels and in fluxing fluxes with wt.%2 of the liquid metal weight were used. Degassing equipment is the laboratory scale of the industrially used degassing device. By using this device degassing process is tried to simulate as is on the industrial applications. By using fluxes, it is aimed to eliminate the inclusions and bifilms. Bifilms may not be observed easily in the melt. Easiest, fastest and most reproducible test method for determining bifilms is calculating bifilm index by using reduced pressure test device (RPT). It is aimed to quantify the melt quality using bifilm index by opening the suspended double oxides films in the melt.
Tensile tests were performed via cast specimens obtained from seven different flux mixtures include some additives with different portions from %5 to %40. From tensile test, elongation, tensile strength and toughness values were retained and characteristic values of alloy were established. Highest elongation values were assigned from mixtures of Na2SiF6 (MgCl2-KCl) fluxes. On the other hand, both highest tensile strength and toughness values run against NaF/AlF3 = 1,85 and Na2SiF6 (MgCl2-KCl) flux mixtures. Even though in these two mechanical properties Na2SiF6 (MgCl2-KCl) mixtures have second highest values among two other flux mixtures, Na2SiF6 (NaCl-KCl) and NaF/AlF3 = 1.85, standart deviation of these two fluxes are bigger than Na2SiF6 (MgCl2-KCl) fluxes, thus this makes this flux more reliable, consistent and viable against them. However highest BI difference were obtained from Na2SiF6 (MgCl2-KCl) mixtures. In general all the cast specimens exhibit about 180 MPa tensile test values whilst elongation and toughness values are evolved due to both flux type and addition portions from %1 – 8,5 and 279 – 900 mJ, respectively. Actually with this thesis, in material selection and design criterias it is revealed once more that tensile strength is not a specific criteria like elongation and toughness, since inclusions have direct and sharp effects on elongation and tougness instead of UTS.