Yenilikçi yarıkatı döküm yöntemiyle üretilen alüminyum alaşımlarının tribolojik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of tribological behavior of aluminum alloys produced by innovative semi-solid casting
Yazar: YILMAZ CAN TEZGEL
Danışman: PROF. DR. ÖZGÜL KELEŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Alüminyum malzemeler günümüzde uzay sanayinden, tıp ve havacılığa kadar çeşitli alanlarda çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. Sahip olduğu mekanik ve fiziksel özellikler sayesinde bir çok malzemenin yerini almaktadır. Son dönemdeki teknolojik gelişmeler ve malzeme bilimindeki araştırmalar alüminyum ve alaşımlarının yaygınlaşmasına sebep olmuştur.
Alüminyum alaşımları döküm ve dövme alüminyum olarak iki ayrı sınıfa ayrılmaktadır, iki ayrı sınıfın da kendine has ayrı özelliklerinin olduğunu görülmektedir. Dövme alaşımlar daha çok hafiflik aranan yerlerde panel ve boru gibi yapısal elemanlar olarak kullanılırken, döküm alaşımları makine parçaları, dişli yuvaları ve makine blokları gibi aşınma ve yükle karşı karşıya gelen uygulamalarda kullanılmaktadır. 
Döküm ve dövme alaşımları; bulundurdukları kütlece alaşım elementi oranlarına göre birbirinden ayrılmaktadır. Alaşım elementleri; alüminyum ve diğer alaşım elementleriyle bir araya gelerek ikincil fazlar oluşturmaktadır.
Bu sayede alüminyum ile belli oranlarda oluşturdukları ikincil fazlar matris içerisinde oluşarak; yumuşak bir matris içerisinde bölgesel sertlikler oluşturarak malzemenin yük taşıma ve aynı zamanda aşınmaya karşı direncinde artış sağlamaktadır.
Alüminyumun silisyumla alaşımlandırıldığı seri olan 4xxxx serileri, günümüzde yaygın olarak aşınma direnci gerektiren uygulamalarda kullanılan alüminyum serilerinden biridir. 4xxxx serilerinde silisyumun oranına bağlı olarak mikroyapı değişir, bu sayede malzemenin makro ölçekte fiziksel ve mekanik özelliklerinde iyileşmeler sağlanmaktadır.
Yarı katı döküm teknolojilerinin (Gas Induced Semi-Solid, GISS) geliştirilmesi ve uygulanmasındakı temel hedef malzeme kalitesini geliştirmek ve üretim esaslı porozite ve çekinti gibi problemleri engellemektir.
Beyaz eşya, uçak-uzay ve otomotiv gibi sanayilerde; son dönemlerde hafiflik ve enerji tasarrufu gerektiren uygulamalarda özellikle alüminyumun kullanımında artış gözlenmektedir. Alüminyumun üstün özellikleri sayesinde, çeşitli uygulamalarda farklı malzemelere alternatif olarak kullanılmaktadır; son dönemde özellikle birbirlerine karşı çalışan makine parçalarındaki aşınma problemlerine engel olabilmek adına alüminyum alaşımları kullanılmaktadır. 
Bu çalışmada; 46000 (AlSi9Cu3(Fe)), 48000 (AlSi12CuNiMg) ve 48100 (AlSi17Cu4Mg) alüminyum alaşımları olmak üzere 3 farklı alüminyum alaşımı üretim için seçilmiştir. Seçilen alüminyum alaşımları; yüksek basınçlı döküm yöntemi ve yenilikçi yarı-katı döküm yöntemiyle üretilmiştir. Bu çalışmanın amacı 3 farklı alüminyum alaşımının 2 ayrı üretim yöntemiyle ve 2 ayrı ısıl işlem koşuluyla üretimi sağlanarak, aynı koşullarda tekrarlı tribolojik deneyler sonucunda malzemelerin davranışlarını ve performanslarını gözlemlemektir. Bu çalışmanın orijinalliği de; özellikle GISS yöntemi kullanılarak üretilen alüminyum alaşımlarının tribolojik davranışlarının henüz literatürde yer bulmamasıdır.
Yapılan çalışmalarda, ısıl işlemin de etkileri incelenmek üzere üretilen malzemeler ikiye ayrılarak, bir kısmına alüminyum alaşımlarında aşınma dirençlerinde iyileştirme sağlamak aynı zamanda ısıl işlemsiz malzemelerle karşılaştırma yapabilmek için T6 ısıl işlemi gerçekleştirilmiştir. T6 ısıl işlem parametreleri 3 ayrı alaşım ve 2 ayrı üretim yöntemi için aynı koşullarda gerçekleştirilmiştir. Son durumda 3 farklı silisyum oranına sahip alüminyum alaşımlarının 2 farklı üretim yöntemiyle üretimi gerçekleştirilmiş, aynı zamanda bir kısmına ısıl işlem yapılarak 12 farklı malzeme elde edilmiştir. Tüm malzemelerin mikroyapıları ve sertlik değişimleri incelenmiştir.
Aşınma davranışlarını incelemek için; disk malzemesi olarak alüminyum malzemeler kullanılmış, karşıt malzeme olarak da HT-250 serisi gri dökme demir pim kullanılmıştır. Ortama testler süresince belirli miktarda yağ beslenmiştir. Her bir malzeme için testler en az 2 defa tekrar edilmiştir. Testler 5 N normal yük uygulanarak, 60 dk boyunca, 2000 rpm hızla, 4 mm dönme yarıçapında saat yönünün tersinde gerçekleştirilmiştir. Ortam sıcaklığı 25 °C ve bağıl nem %45 olarak sabit tutulmaya çalışmıştır.
Testler sonrasında tüm parçaların yüzeyleri; optik profilometre ve SEM-EDS kullanılarak incelenmiştir. Disk ve pim malzemelerindeki aşınma hacimleri incelenmiş, kayıp hacimler hesaplanmıştır. Tribosistemlerin aşınma davranışları karşılaştırılırken sürtünme katsayıları, aşınma yüzeyleri ve kayıp hacimler kullanılmış; mevcut çalışma koşulları ve deneme üretim şartları gözönüne alınarak malzemelerin aşınma davranışları incelenmiştir. 
Bu çalışma sonucunda; yarı-katı yöntemle üretilmiş alaşımlarda daha az porozite gözlendiği söylenebilir. Aynı zamanda yarı-katı yöntemle üretilen malzemelerde bir miktar sertlik artışı gözlenmiştir. Isıl işleme girmiş numunelere bakıldığında; ısıl işlem sonrasında yüzey porozite oranlarında artış gözlenmiştir. Yarı-katı yöntemle üretilen 48100 alaşımının dışında, ısıl işlem sonrasında sertlik artışmıştır. Ortalama porozite boyutlarına bakıldığında; yarı-katı yöntemle üretilen malzemelerde daha küçük çaplı poroziteler olduğu gözlenmiştir. Isıl işlem sonrasındaki ortalama porozite boyutlarına bakıldığında; ısıl işlem sonrasında ortalama porozite boyutlarındaki artışın yarı-katı yöntemle üretilen malzemelerde daha fazla olduğu tespit edilmiştir.
Yapılan tekrarlı testler sonucunda; sürtünme katsayıları 0,03 ve 0,08 arasında birbirlerine yakın ve kararlıdır. Optik profilometre yapılan yüzey analizleri sonucunda, ısıl işlem görmemiş numunelerde yarı-katı yöntemle üretilen disk malzemelerinde aşınma daha az gözlenmiştir. Isıl işlem görmüş malzemelerde ise; ısıl işlem sonrasında kayıp hacimlerde düşüş gözlenmiştir. HT-250 serisi dökme demir pimlerin aşınmalarına bakıldığında; 48100 ve versiyonlarına karşı çalıştırılmış pimlerin kayıp hacimlerinin daha fazla olduğu belirlenmiştir. T6 ısıl işleminin de pim aşınmalarında artışa neden olduğu hem disk hem de pim malzemelerinin toplam sistem kayıplarına bakıldığında, en çok hacim kaybının 48100 alaşımlarında daha fazla olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
Nowadays, aluminum materials can be used at different applications and different field such as medicine, aviation and space industry because of advanced mechanical and physical properties of aluminum alloys. Therefore, development and improvement at the material science and new production methods help the aluminum gets widespreading.
Aluminum alloys divided into two different class which are cast aluminum alloys and wrought aluminum alloys that have different properties and behaviours. 
Wrought aluminum alloys commonly used as structural panels and pipe which lightness is important. Beside, cast aluminum alloys used as machine parts, gear parts and machine blocks which the parts encountering high loads and wear.
Cast and wrought aluminum alloys have different alloying elements such as nickel , iron, silicon, magnesium and manganese with different ratio in the composition. Aluminum can clustered to other alloying elements and new hard secondary phases could be formed in the alloy matrix. 
Hard secondary phases which are located in soft aluminum matrix can formed local high hardness areas and due to the hard secondary phases, aluminum alloys can have higher hardness and resistant to the heavy conditions.
Especially, 4xxxx aluminum alloys contain %2 to %20 silicon in composition; which is one of the cast aluminum alloys; have higher mechanical and wear properties due to silicon content. Thus, they are widely used in heavy conditions like, gear parts and machine parts.
Today, cast aluminum alloys can be produced by different types of production methods such as high pressure die casting and also semi solid casting. But, high pressure die casting is the most common method, semi-solid casting methods are widespreading today.
The main goal of the Semi-solid casting technology is to reduce porosity due to production and to improve quality and mechanical properties of the last product. 
In these days, energy saving, recycling and effectively resource using are the most and hot topics which are considered by all around the world.  Today,  usage of aluminum is rising increasingly at home appliances, aeronautics-astronautics and automotive industry where lightness and energy saving is crucial. 
Because of the superior properties of aluminum and aluminum alloys can be used as an option in different applications such as machine parts which encounter tough conditions.
In this study, 46000 (AlSi9Cu3(Fe)), 48000 (AlSi12CuNiMg) and 48100 (AlSi17Cu4Mg) aluminum alloys chosen for the production. These alloys produced separately by 2 different types of method which are high pressure die casting and Gas Induced Semi-Solid(GISS) method. 
The aim of this study is to characterize tribological behaviours of 3 different aluminum alloys which are produced by 2 different production methods and implemented 2 different heat treatment conditions. 
Motivation of the study is to investigate tribological behaviour of the aluminum discs which are produced by innovative gas induced semi-solid (GISS) method and to contrast with same aluminum alloys produced by widely using high pressure die casting method.
Aluminum discs were produced by high pressure die casting method and gas induced semi-solid (GISS) method. To understand the effect of the T6 heat treatment conditions, some of aluminum discs which were produced by 2 different production methods were applied T6 heat treatment. T6 heat treatment application was realized at the same conditions for 46000, 48000 and 48100 discs.
During the study, 12 different aluminum discs were produced. Aluminum discs got proper shape into for tribological tests. All aluminum discs were characterized microstructuraly, mechanicaly and tribologicaly. 
Microstructural analyzes were performed under optical microscope and SEM-EDS, discs hardness were characterized by using Brinell hardness testing machine and tribological tests were performed under pin-on-disk conditions with hydrodynamic conditions. Therefore, optical profilometry was used for to examine surface topography of the aluminum discs.
While tribological tests, 12 different aluminum discs were used as contact material. Counter contact material selected as HT-250 gray iron and got into pin shape for tribological tests. material. Lubricator was injected periodically on the aluminum discs. 
All tests were repeated 2 times. Test were realized under 5 N normal load, 2000 rpm rotation speed, 4 mm turning radius and counterclockwise rotation direction. Room temperature was 25 °C and relative humidity was 45%.
After the tribological testes, all worn disc surfaces and worn pin surfaces were analized by SEM-EDS, optical microscope and optical profilometry to characterize tribological behaviour of aluminum discs. Volume loss of aluminum discs calculated using by optical profilometry photography and volume loss formula by multiplication of average worn surface depth, average worn surface length and circumference of worn surface.
Volume loss of HT-250 gray iron pins calculated using optical microscope photography and volumetric loss formula based on ASTM G99-17 – Standart Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus.
Coefficient of friction (COF), loss volume of worn surfaces aluminum discs and iron pin were concerned while specifying the chacterization of tribological behaviour of aluminum discs.
As a result of this study, aluminum discs which are produced by gas induced semi-solid (GISS) method have lower porosity and higher hardness than other discs that are produced by high pressure die casting method. Porosity ratio of the discs which are T6 heat treated were increased after heat treatment. 
Hardness of all aluminum discs, apart from 48100, which are produced by GISS method and heat treated were increased. 
Average porosity diameter of the aluminum discs produced by GISS method, were lower than other discs which produced by high pressure die casting method. Average porosity diameter of aluminum disk which produced by GISS, were more expanded after the T6 heat treament. 
Finally, coefficient of friction (COF) of all aluminum disks were near and stable between 0,03 and 0,08 value. Aluminum discs which are produced by gas induced semi-solid (GISS) method has lower wear loss on non heat treated conditions while concerned optical profilometry analyzes. Volume loss of all aluminum discs, were dropped after T6 heat tretment.
Volume loss of HT-250 gray iron pin materials which tested along with 48100 alloys were higher than iron pins tested along with 46000 and 48000 discs. Volume loss of iron pins that are worned by 46000 and 48000 discs were close each other. 
T6 heat treatment effect negatively the volume loss of iron pin that countered by aluminum discs, so volume loss of the pins were increased after T6 heat treatment. 
Total tribosystem volume loss calculated by sum up of aluminum disc volume loss and iron pin volume loss that were tested together. 48100 discs and counter pins were have higher wear loss than 46000 and 48000 tribosystems which have close volume loss each other.