Magnezyum alaşımlarının ergitme prosesinde kullanılan koruyucu gaz atmosferlerinin incelenmesi
Investigation of the protective gas atmospheres used for melting process of magnesium alloys
Yazar: MELTEM DEMİRCİ
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN SÖNMEZ ; DR. ALİ SERDAR VANLI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İmal Usulleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Basınçlı döküm = Pressure die casting ; Magnezyum alaşımları = Magnesium alloys

Özet:
Uygun karakteristikleri sayesinde birçok sektörde kullanılabilen magnezyum alaşımları, özellikle otomotiv, havacılık ve elektronik sektöründe hafifliği ve dayanımı dolayısıyla tercih edilmektedir. Magnezyum alaşımlarının basınçlı dökümü, magnezyum endüstrisi içinde en hızlı büyüyen ve global ölçekte en çok gelişen segment olmuştur. Basınçlı döküm, ergimiş magnezyumu tam ölçüde ve sorunsuz bir şekilde, mümkün olan en kısa çevrim süresinde, istenilen forma dönüştürme konusunda benzersiz bir yeteneğe sahiptir. Ancak ülkemizde basınçlı döküm yöntemiyle magnezyum alaşımlarından mamul üretimi yapan kurulu işletme sayısı yok denilebilecek kadar az sayıdadır. Bu konudaki bilgi ve tecrübe eksikliğinden dolayı sanayimiz, bu sektörden uzak durmakta ve dünyada yaygın olarak kullanılan ve avantajlı özelliklere sahip olan bir metalin ürünlerinden ancak ithalat yolu ile yararlanabilmektedir. 
Ergimiş magnezyum alaşımları, alüminyumdan farklı davranış göstermektedir. Ergiyik üzerinde oksijen geçirgen ince bir film oluşmakta ve oksitlenme giderek artmaktadır. Bu oluşum oksijenin içeriye girmesini ve oksit tabakası altında yanmanın oluşmasına sebep olmaktadır. Bu hızlı oksitlenme reaksiyonlarının kontrol altına alınması, güvenli ve verimli magnezyum üretimi için çok önemlidir. 
Ergiyik magnezyum, koruyucu toz (flux) veya koruyucu gaz (fluxless) olmak üzere iki şekilde korunabilmektedir. Koruyucu tozlar kullanım sırasında korozif HCl ve MgCl2 dumanı salınımına sebep olmaktadır. Bu duman flux kirliliği yaratarak dökümün korozyon direncini azaltmakta ve metal içerisinde bir çamur oluşturarak, eriyik kütle kaybına uğramaktadır. Dolayısıyla maliyet olumsuz etkilenmektedir. Bu sebeplerden fırın içerisinde bir koruyucu gaz sisteminin kullanılması gerekmektedir. 
Ergiyik magnezyum yüzeyini korumak için renksiz, kokusuz ve zehirsiz SF6 gazı genelde tercih edilmektedir. SO2 ve BF3 gazları da aynı koruyucu özellikleri göstermelerine rağmen zehirli olduklarından kullanımları sakıncalı olmakla beraber, SF6 ile kıyaslandıkları zaman daha korozif etki göstermektedirler. SF6 gazı, CO2, kuru hava, N2 gibi gazlar ile karışım halinde kullanılmakta ve konsantrasyonlarında değişiklikler farklı etkiler yaratmaktadır. Mg alaşımlarına çok az miktarda berilyum ilavesi de alaşımın yanmasını engelleyici olarak etki etmektedir. Oksitlenme sıcaklığını ve magnezyumun yanma direncini artırmaktadır. SF6 gazının kullanımı uzun yıllardır magnezyum endüstrisinde koruyucu gaz olarak tercih edilmektedir. Ancak bu gazın yüksek küresel ısınma potansiyeli sebebiyle, kendisinden 18 kat daha az küresel ısınma potansiyeline sahip bir hidroflorokarbon gaz olan HFC-134a, SF6'ya alternatif olarak denenmektedir.
Bu tez çalışmasında, azot taşıyıcı gaz olarak kullanılarak, SF6 ve HFC-134a'nın koruyucu gaz olarak denenmesi ile magnezyum ergiyiği üzerinde oluşan koruyucu film tabakası oluşumu incelenmiştir. Koruyucu film tabakası oluşumunda etkili olan parametreler, etkileyiş yönleriyle birlikte değerlendirilmiş olup, film kalınlığına olan etkileri belirlenmiştir. Koruyucu film tabakasını oluşturan değerleri daha ayrıntılı bir şekilde tespit edebilmek için Taguchi L9 ortogonal deneysel tasarım düzleminden yararlanılmıştır. Koruyucu gaz parametreleri olarak incelenen kontrol faktörler sırasıyla; ergiyik banyo sıcaklığı, koruyucu gaz derişim oranı, koruyucu gaza maruz kalma süresi (tutma süresi) ve koruyucu gaz debisidir. Optimum proses parametrelerinin belirlenmesinde; optik mikroskop ile elde edilen film kalınlığı ölçümleri yanıt faktörleri olarak değerlendirilmiş olup, Taguchi deney tasarımı, bu faktörlere ait S/N oranları için büyük olan değer en iyidir yaklaşımı dikkate alınarak analiz edilmiştir. Buna göre SF6 gazı için film kalınlığının optimum olduğu seviyeler; 660°C ergiyik banyo sıcaklığında, 60 dakika bekleme süresinde, hacimce % 0.25 SF6 – N2 karışımıyla ve 600 l/h debisinde meydana gelmekte, HFC-134a gazı için bu değerler; 660°C ergiyik banyo sıcaklığında, 60 dakika bekleme süresinde, hacimce %0.30 HFC134a-N2 karışımında ve 600 l/h debisinde olmaktadır.
Bu çalışmanın amacı, ergiyik magnezyum üzerinde optimum koruyucu özelliğe sahip film tabakasını oluşturabilmek için gerekli olan koruyucu gaz cinsini, derişimini ve debisini saptayabilmek; ve bu film tabakasının oluşumunda ergimiş metal sıcaklığının ve koruyucu gaza maruz kalma süresinin etkilerini belirleyebilmektir. Bu yüksek lisans tezi ve projesi, magnezyum alaşımlarının dökümü konusunda çalışan araştırmacılara ve imalatçılara rehber niteliği taşıması yönüyle önem kazanırsa, amacına ulaşmış olacaktır.

Abstract:
Magnesium alloys have been used and preferred in many sectors, especially in automotive, aerospace and electronic industries with its appropriate characteristics like lightness and strength. High pressure die casting of magnesium alloys has been the fastest grown up and the most globally developed section in magnesium industry. High pressure die casting has a unique ability to transform the molten magnesium into an accurately dimensioned form in the shortest possible cycle time without any problem. However, there isn't any manufacturer engaged in pressure die casting of magnesium alloys products in Turkey. Due to the lack of experience and knowledge in this area, our industry is keeping away from this sector thus can not be benefited from this metal that is widely used around the world by importation.
Molten Mg alloys behave differently than molten Aluminium. A thin film which is porous, forms on the melt surface and oxidize increase. This formation allows oksijen entering inside and leads to ignition under the oxide layer. Control of these rapid oxidation reactions is very important for the safe and efficient production of magnesium. 
Molten magnesium can be protected by protective sand (flux) or protective gas (fluxless). Usage of protective sands causes releasing of corrosive HCl and MgCl2 smoke. This smoke reduces the corrosion resistance of casting and by creating slurry inside melt, leads to mass loss. Therefore, it affects cost of production adversely.
In order to protect magnesium melt, colourless and non-toxic SF6 gas is preferred. Though SO2 and BF3 gases show the same protective behaviour, their usage is limited because of toxicity and they are more corrosive than SF6 gas. SF6 gas can be used as mixture with gases such as CO2 or dry air and its various concentrations cause different effects. Addition of small amount of Be in the Mg alloys protect the alloy from burning. It increases oxide temperature and burning resistance of magnesium. During melting and casting of magnesium, HFC-134a is trying to use as a protective gas mixtures instead of SF6 because SF6 has a high global warming potantial. HFC-134a has a globol warming potansial 18 times lower than SF6. Using nitrogen as a carrier gas, in the SF6 and HFC-134a gas mixtures as a protective gas, we will try to understand protective properties of these gases. 
The optimum protective gas parameters of the die casting magnesium alloys can be determined precisely by the experimental works. Molten magnesium is exposed to SF6 and HFC-134a with nitrogen as carrier gas.  The formation of protective film and thickness of the film on the molten magnesium was investigated.  Taguchi Lg orthogonal experimental design was used when determining the protective film parameters. Control factors are respectively; molten Mg casting temperature, amount of gas in the protective gas mixture, exposure time and the protective gas mixture flow rate. Film thickness is chosen as the response factor. The film thickness was measured by the optical microscope and with these values S/N ratios were calculated by the MİNİTAB 16 program. "Larger is better" option was used for the calculation. In order to Taguchi analyse, optimum parametres for the formation of thickest protective film at the temparature of 660°C, with the 60 minutes exposure time, a volume of 0.25 % SF6 gas mixture and 600 l/h flow rate. For HFC-134a these values do not change dramatically, optimum parametres for the formation of thickest protective film at the temparature of 660°C, with the 60 minutes exposure time, a volume of 0.30 % HFC-134a gas mixture and 600l/h flow rate.
The most important goal is to give the obtained information as knowledge to the literature and to the industry. This MSc thesis and the project will be reached its purposes only when it could guide to the researchers and the manufacturers working in the field of the die casting magnesium alloys.