İkiz merdane sürekli döküm yöntemi ile üretilen 3005 alüminyum alaşımının şekillendirilebilirlik kabiliyetinin optimize edilmesi
The optimization of 3005 aluminum alloy formability produced by twin roll casting method
Yazar: MERT GÜLVER
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ CEVAT FAHİR ARISOY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Günümüzde artan üretim ve tüketim oranları ile birlikte alüminyum demir dışı sektöründe lider konumda görülmektedir. Alüminyum ve alaşımlarının tüketimindeki belirgin artışın ve kullanım alanlarındaki gelişmelerin, bu metalin pek çok üstün özelliği ile bağlantılı olduğu söylenebilir. Bu üstün özellikleri olarak yüksek spesifik mukavemet, ısıl ve elektriksel iletkenlik ile korozyon dayanımı sayılabilir. 
Yarımamül alüminyum rulolar doğrudan soğutmalı döküm (DC) ve ikiz merdane sürekli döküm (TRC) yöntemi ile üretilebilir. Doğrudan soğutmalı döküm yöntemi ile ilk olarak slab-ingot (50- 60cm) elde edilirken, ikiz merdane sürekli döküm yöntemi ile 3-10mm kalınlığında yassı alüminyum rulolar elde edilebilir. İkiz merdane sürekli döküm yönteminde doğrudan soğutmalı döküm yöntemine göre daha düşük kalınlıklarda ve daha düşük maliyetlerde yarımamül edilirken proses aşamalarında zamandan da tasarruf edilmektedir.
TRC yönteminin avantajları sayılırken su soğutmalı iki döküm merdanesi arasında hızlı katılaşması sonucu oluşan mikroyapısal farklıklar ve deformasyon sonucu tane yapısında oluşan yönlenmeler derin çekme uygulamalarında beklentilerin karşılanmamasına sebebiyet verebilir.
Bu çalışmada 7,7mm ve 6mm döküm kalınlığına sahip TRC 3005 levha ve aktarma kalınlığı (coiling thickness – DC yönteminde sıcak haddeleme sonrası soğuk haddelemeye geçilen kalınlığı temsil etmektedir.) 7mm olan DC 3005 levhaların farklı termo-mekanik prosesler ile üretilerek 0,38mm'de şekillendirilebilme özellikleri mikroyapı , doku gelişimi ve mekanik özelliklerinin davranışları karşılaştırılarak incelenmiştir.
Termo-mekanik prosesler döküm kalınlığında (7,7mm - 6mm) homojen tavlı ve  soğuk deformasyon sonrası ( 7,7mm'den 6mm'ye) homojen tavlı ve homojen tav olmadan uygulanacak şekilde tasarlanmıştır. Bunlarla beraber tasarlanan tüm prosesler 2mm kalınlığında ara tav ve 0,38mm kalınlığında yumuşatma tavına sahiptir. 
Karşılaştırma aşamasında kullanmak istediğimiz doğrudan soğutmalı döküm yöntemi ile üretilen 3005 levha ise ingot –slab kalınlığında homojen tav işlemi gördüğüden dolayı aktarma kalınlığından itibaren homojen tav olmadan 2 mm kalınlığında ara tavlı ve 0,38 mm kalınlığında yumuşatma tavına sahip olacak şekilde üretilmiştir.
İkiz merdane döküm yöntemi ile üretilen ve homojen tavsız termo-mekanik proses ile işleme alınan levhaların 2 mm kalınlığındaki ara tav sonrası elde edilen mikroyapı incelemeleri sonucunda taneler kesit boyunca yeniden kristallenmediğinden dolayı 0,38 mm kalınlığında uygulanan yumuşatma tavı sonrası 0-45-90° açılı çekme testi numuleri , erichsen ve kulaklanma test numuneleri 2 mm kalınlığında ara tav sonrası kesit boyunca yeniden kristallenen homojen tavlı numunelerden hazırlanmıştır.
Sonuç olarak;  TRC yöntemi ile döküm kalımlığı 7,7 mm olacak şekilde üretildikten sonra 6mm kalınlığına haddelenenerek homojenizasyon uygulanan 3005 alaşımın tasarlanan diğer TRC 3005 ve DC 3005 alaşımlarına göre daha iyi şekillenebilirlik özelliklerine sahip olduğu görülmüştür.

Abstract:
Nowadays considering the increase in Aluminum production and consumption rates, aluminum is the leading material in non-ferrous sector. It can be said that the significant increase in the consumption of aluminum and its alloys, and developments in its usage areas are related to many superior properties of this metal. High specific strength, thermal and electrical conductivity and corrosion resistance could be the examples of its superior properties. 
Semi-finished aluminum coils can be produced by direct chill casting (DC) and twin roll continuous casting method (TRC). While slab-ingot (50- 60 cm) is obtained through direct chill casting method, flat aluminum rolls (3-10 mm) is obtained through twin roll continuous casting method. Compare to direct chill casting method, twin roll continuous casting method enable to obtain less thick and low cost semi-finished aluminum coils can be produced while saving time in process stages. 
DC process has been used since 1930's for the producing of non-ferrous ingots for subsequent processing. At the begining of the process, a starter block is partially inserted into a water-cooled copper or aluminum mould. The mould is then field with liquid metal until desired mould metal level is reached, then the bottom block is gradually lowered into a casting pit carrying with it the solidifing ingot. Cooling water circulates in the water block of the mould and heat is extracted from the liquid metal. The removal of heat extraction through the mould walls is called primary cooling The direct contact between the cooling wayer and the ingot surface is known as secondry cooling. The casting operation continue to reach desired ingot dimensions in terms of length and amount. The ıngots must be scalped , pre heated pripor to hot rolling. Subsequent process contain also cold rolling and other steps depending on the customer requests.
Twin-roll casting (TRC) is an economical way of producing thin aluminum sheets due to its lower investment and operational costs. Twin roll casting is a production method that combines both solidification and rolling in the same process. The liquid metal is fed through a ceramic nozzle into the roll bite. 
The caster rolls are composed of two structural parts: core and shell shrink-fitted around the core. Cooling water is circulated between the core and the shell through the grooves machined on the core. Contact time along the contact arc between the liquid, and further solidified metal, is so short that highest temperature at the outer skin of the shell cannot diffuse through all the way down to the interface between core and shell. Hence, limited depth of shell is exposed to thermal cycle between the liquid metal temperature and shell surface temperature at every revolution of the caster roll. Having considerable massive geometry and the material of which produced, caster roll is exposed to cyclic mechanical loading generated by the bending of the whole structure due to distributed load exerted by the solidified metal. At every revolution of the roll, load at certain point of the outer skin of the shell oscillates between compression and tension.
The method combines rapid solidification and hot rolling into a single operation resulting in distinctive microstructural features. 

Microstructural indications of the materials exposed to thermo-mechanical processes are substantially inherited by initial as-cast features, which are dictated by the casting parameters. However, appropriate design of downstream processes, which is in conformance with as-cast properties, can allow to manipulate microstructural evolution during processing in such a way and that to obtain desired material properties.
Although TRC methods have many advantages, microstructural differences caused by rapid solidification between water-cooled cast rollers and the formation of grain structure because of deformation can lead to the failure to meet the expectations in deep drawing methods.
In this study,  the formability properties of TRC 3005 sheet (7.7 mm and 6mm casting thickness) and DC 3005 (7 mm coiling thickness, representing the thickness passed to cold rolling after hot rolling by DC method), produced by different thermo-mechanical processes, were examined through comparison with their microstructure, texture development, and mechanical properties.
These termomechanical process are designed in such a way that contain homogenization, intermediate and soft annealing. Intermediate and soft annealing is applying at the same thickness while the homogenization is performing at different thickness.
7,7 mm TRC as cast sample produced with homogenization at as cast thickness and 6mm after cold deformation while the last process was without homogenization. All process produced also by intermediate and soft annealing process at same thickness.
6mm TRC as cast sample produced with and without homogenization at as cast thickness. All process produced also by intermediate and soft annealing process at same thickness.
In addition to this, in order to compare the mechanical and microstructral properties with DC sample, it produced by only intermediate and soft annealing process which is performed at the same thickness with TRC process.
Microstructral analysis of the process were compared in all steps such as before and after homogenization, intermediate anneling. After investigating the microstructres, TRC 3005 which have microstructrual indication like DC after different thermo-mechanical process were determined and prepared mechanical test sample.
Mechanical properties were oberved in 0-45 and 90 direction and anisotropy, erichsen values were calculated while earing behaviour were also observed.
As a result, it can be interpreted that homogenous annealing process applied at 6 mm after the cold deformation to the sheet having a cast thickness of 7,7 mm has better formability properties than other TRC and DC 3005.