Alüminyum ve Alaşımları

Alüminyum ve alaşımları günümüzde bir çok endüstri dallarında kullanım olanağı mevcut bir elementtir. Alüminyum ve alaşımları hafif metal alaşımları olmaları nedeniyle ısıl işlemler sonucu mekanik özellikleri iyileştirilebilir.

Burada ısıl işlemler sonucu mekanik özelliklerinin çeşitli alüminyum ve alaşımlarında incelenerek kaynak kabiliyetleri incelenmeye çalışılmıştır.
Döküm, dövme ve işleme ile ilgili elde edilmesi güç olan parçalarda kullanılan kaynak usullerinin, parça üzerindeki etkisi ve kaynak öncesi yapılan ısıl işlemlerin, kaynak işleminden sonraki mukavemetlerinin değişimi bu projede incelenmeye çalışılmıştır.

2.1 Alüminyum ve Alaşımların Tarihçesi

1911 yılında Alman metalurjisti ALFRED WILM uçak endüstrisinde kullanılabilecek çok hafif ve sağlam bir alüminyum alaşımını geliştirmeye çalıştı.

1919 yılında NERİCA-WALTENBERG-SCOTT yaşlanmış olabilmesi için alaşımının nasıl bir faz diyagramına sahip olması gerektiğini buldular.

1920’de FRAENKEL ve SENG yaşlanma sırasında elektrik iletkenliği değişimini tesbit ettiler.

1926da SCHMIDT ve WASSERMAMN yaşlanma esnasında castis parametresinin değişimini tesbit ettiler.

1930’da FRAENKEL aşırı yaşlanmayı gözledi ve açıkladı.

1935’de WASSERMANN ve WEENT alüminyum bakır alaşımlarında X- ışınları ile inceleme yaparak alüminyum bakır denge diyagramında görülen 0 fazına benzer fakat aynı olmayana bir faz gördüler ve 0 ile gösterip “trancition lattice” (geçiş latisi) adını verip aynı isimli teoriyi ortaya attılar.

1936 FINK ve SMITH yaşlanma sertleşmesinin ilk kademelerinde meydan gelen çökeltileri duraluminde metolografik olarak tesbit ettiler.

1938’de GUINIER ve PRESTON yaşlanma sertleşmesinin kaynağını teşkil eden “GP” zonlarını buldular.

Günümüzde yaşlanma teorisinin MEHL ve JEFFER tarafından ortaya atıldı.

2.2 Alüminyum ve Alaşımlarının Özellikleri:
2.2.1 Alüminyum Özellikleri

Alüminyum hafif metaller gurubuna giren ve teknik alanda çok kullanılan bir etaldir. Özgül ağırlığı 3.8 gr/cm3’den küçük olan elemanlar hafif metaller grubuna girer. Hafif metaller sınıfında alüminyum, magnezyum, potasyum, lityum ve berilyum bulunur. Bunlardan özellikle alüminyum ve magnezyum en önemlileridir. Alüminyumun önemli olmasının sebebi hafif olmasıdır. Ayrıca yüksek elektrik ve ısıl iletkenliği atmosferik dayanıklılığı, imal kolaylığı ve diğer metaller ile yüksek çekme mukavemetine sahip alaşımlar oluşturabilmesi diğer önemli hususlardır.

Alüminyum doğada bol bulunduğu için kullanılma sahaları çoktur. Bütün metallerde yaygın olana yer kabuğunun %15’ini (Al203)olarak oluşturmaktadır (3)

Alüminyum kaynak, sıcak ve soğuk lehim ve ya mekanim bağlanma usulleri ile kolayca birleştirilebilmektedir. Alüminyum diğer metallerde kullanılan cihazlar ve teknikle birleştirme yöntemini belirleyen faktördür. (4)

2.2 Alüminyumun Genel Karakteristikleri:
Alüminyum ağırlık olarak hafiftir. Bazı alaşımlar yumuşak çelikle mukayese edilecek derecede sağlamdır. Sıfır derecenin altında şekil değiştirme kabiliyetine sahiptir. Karozyona direnci fazladır. Zehirleyici değildir. Elektrik ve ısı iletkenliği iyidir. Isı ve ışığa çok iyi yansıtır. Manyetik değildir. (3)

Alüminyum imali kolaydır. Bükülebilir. Haddelenebilir,
Preslenebilir, çekilebilir, bükülüp uzatılabilir ve rulo haline getirilebilir. Metal ayrıca çekiçle dövülüp, kızdırılıp işlenebilir veya kalıptan çekilerek çok büyük şekiller verilebilir. (3)



2.3 Birleştirme ile ilgili Karakteristikler (4)
Saf alüminyum 1220 F’dan ergir. Alaşımları ise alaşım muhteviyatına göre 900-1220 F’da ergir. Kaynak ya da lehimleme sırasında alüminyum ısınsa da rengi değişmez. Bu yüzden metalin ergime noktasına gelip gelmediği kolay gözlenemez.

Çeliğe nazaran yüksek ısı iletkenliği, ergitme kaynağı için fazla ısı verilmesi gereklidir. Büyük parçalarda ön ısıtma gereklidir.

Yüksek elektrik iletkenliğinden dolayı ise çelikle mukayese edilirse yüksek akımlar gerekecek ve direnç kaynağında kaynak süresi kısa tutulacaktır. Kaynak değişkenlerinin de daha keskin kontrolleri gerekecektir.

Alüminyum alaşımları havayla temas edince hemen yapışkan ve kolay giderilemez bir oksit filmi oluşturur. Ergitme kaynağında alimünyum parça ve ilave metalin uygun birleşmesi ve lehimlemenin veya yapıştırmanın iyi olması için bu oksit film takip edilmelidir. Temizleyici maddelerde, soygaz atmosferlerindeki koruyucu gaz arkıyla veya mekanik ya da kimyasal yöntemlerle oksit filmi giderilmeye çalışılır.

2.4 Alüminyumun Başlıca Özellikleri:
Alüminyum ve alaşımların kaynağında müspet neticeler almak için alüminyum ve alaşımlarının özelliklerini iyi bilmek gerekir.



2.4.1 Alüminyum Saflık Dereceleri (2)
Gıda ve elektrik endüstrisinde kullanılan alüminyum %99,99 saflık derecesindedir. Alüminyum borular ve saçlar %99,5 ile %99,8 bazen %98-99 derecesinde saftırlar. Geri kalan kısımlar genellikle silisyum ve demirden ibarettir. Demir (Al3fe) alüminyum 250-350 C’da tavlanırsa, katı eriyik halinde bulunan silisyum, alüminyumdan ayrılır. 350 C üzerinde tekrar katı eriyik haline geçer. Silisyumun ayrılmasıyla alüminyum mukavemeti düşer. Bu nedenle soğurken bu bölgeyi hızlı geçmek gerekir. Kaynaktan sonra dikiş 400 C’den itibaren birdenbire suya daldırılarak çabuk soğutulmalıdır.

Alüminyum 99,0-99,5-99,7,99,8-99,9-99,99 saflıkta üretilir. %99,99 saflıktaki alüminyum yüksek nitelikte alüminyum olarak bilinir. Burada fiziksel ve mekanik özellikler belirli şekilde kendini gösterir.

Yüksek nitelikteki alüminyum yumuşak, kolay işlenebilir, ısı ve ışığı verimi bir şekilde yansıtır; ısı ve elektriği iyi iletir, korozyona karşı çok dayanıklıdır.

2.4.2 Alüminyumun Fiziksel Özellikleri: (2)
aton ağırlığı 26,97
özgül ağırlık
Dökme Al 2,65-2,69(gr/cm3)
Hadde Al 2,7 (gr/cm3)
Ergime noktası 658 C
Kayama noktası 1800 C
Isı geçirgenlik katsayısı 173

Sıcaklık tesiri ile uzama:
0..50 C 1,17 (mm/m)
100 C 2,38 (mm/m)
200 C 4,94 (mm/m)
400 C 10,60 (mm/m)
500 C 13,70 (mm/m)
Kendini çekme miktarı 1,7..1,8%
Katı halden sıvı hale geçerken
Meydana gelen hacim büyümesi 6,5%

2.4.3 Alüminyum Mukavemet Özelikleri (2)
Mukavemet özellikleri, malzemenin saflığına ve imal şekline bağlıdır.


Döküm Al.
Hadde Al.
Is. İşl.Tb. Tut. Al.
Çekme muk. (kg/mm2)
Akma muk (kg/mm2)
Uzama (%)
Büzülme (%)
Sertlik (Brinell)
9-12
3-4
18-25
40-55
24-32
18-28
16-24
3-5
60-85
45-60
7-11
5-11
30-40
80-95
80-95

Saf alüminyum dinamik dayanıklılığı, statik dayanıklılığının 0,4-0,5 katıdır.
Soğuk şekil değiştirmiş alüminyuma kaynak yapıldığında ısıdan etkilenen bölgenin mukavemeti düşer. Kaynak esnasında parça tavlandığı için mukavemeti azalmaktadır. Kaynaktan sonra parça soğuk olarak çekiçlenirse dayanıklılık kazanır.

2.4.4 Korozyona Karşı Mukavemet (2)
Alüminyum oksijene karşı ilgisi çok fazladır. Hava ile temas neticesinde, kısa zaman oksijen ile birleşerek alümin (Al2O3) oluşturur. Bunun sonucu bütün yüzeyi çok renkli alümin tabakası ile örtülür. Alüminyum bu özellikleri korozyona karşı mukavemetini yükseltmektedir. Oluşan bu oksit tabakası su ile yıkamak suretiyle çıkartılmaz. Alüminyum bu özelliği kullanma sahasını genişletmiştir. Soğuk şekil değiştirme korozyon mukavemetini düşürür. Alüminyum saflık derecesi azaldığı takdirde de korozyon mukavemeti düşer. Yabancı elemanlar, korozyon mukavemetini azaltmaktadır.

2.4.5 Soğuk Şekil Değiştirme ve Sıcak Değiştirme (2)
Sıcak ve soğuk şekil değiştirme, yeniden billurlaşma sıcaklığı yardımıyla şu şekilde ifade edilir: Soğuk şekil değiştirme, yeniden billurlaşma sıcaklığının altında sıcak şekil değiştirme ve yeninden billurlaşma sıcaklığı üzerinde yapılan şekil değiştirmedir.

Soğuk şekil değiştirmeden sonra taneler bozulmuş olarak kalır; sıcak şekil değiştirmeden sonra ise taneler tekrar düzgün bir halde teşekkül eder.

Alüminyum oda sıcaklığında soğuk şekil değiştirildiği takdirde, çekme ve akma mukavemeti yükselir. Buna karşılık uzama miktarı ve şekil değiştirme kabiliyeti azalır. Bu artma ve azalma şekil değiştirme (haddeleme) derecesi bağlıdır. Sert (yani soğuk şekil değiştirmiş) alüminyum, yumuşak alüminyumdan daha az bir korozyon mukavemetine sahiptir.

Daha önce soğuk şekil değiştirmiş bir alüminyum parça sıcak şekil değiştirilebilir. Fakat kaynakta olduğu gibi mukavemet düşer. Sıcak şekil değiştirme sıcaklığı 300-450 C arasındadır.

2.5 Alüminyum Alaşımları ve Özellikleri
Alüminyum katılan alaşım elemanları, mukavemet özelliklerini yükseltir. Özellikle mukavemet artar. Başlıca alaşım elemanları: Magnezyum, manganez, silisyum, bakır, çinko ve bazen de kurşun, nikel ve titandan ibarettir.

Alaşım elemanları alaşım için üç farklı halde bulunur:
1)Alüminyum içinde katı halde eriyebilirler (katı eriyik)
2)Karı halde alüminyumda erimeyip veya sınırlı eriyip mekanik bir karışım teşkil ederler.
3)Alüminyumla veya birbirleriyle metallerarası veya kimyasal bileşik teşkil ederler.

Alüminyum alaşımları imal tarzına göre iki ana gruba ayrılabilir:
1)Hadde alaşımları (dövülmüş alaşımlar)
2)Döküm alaşımlar

Hadde Alaşımlar: (4)
Bu alaşımlar da ısıl işlem neticesinde sertleşen ve tabii sert alaşımlar olmak üzere ikiye ayrılır. Dökme dövme, haddeleme, çekme ve ekstruziyon gibi mekanik operasyonlar istenilen harici şekilleri elde etmek için kullanıldığı gibi, ısıl işlemler de, iç yapıyı değiştirerek sertlik, mukavemet süreklilik v.s. iç yapıyı mekanik özeliklere tesir etmek üzere kullanılır.

Döküm Alaşımlar: (4)
Başlıca döküm alaşımları şunlardır.
AlCu, AlZnCu, AlCuNi, AlSi, AlSiNi, AlSiMg, AlMg, AlMgmm, AlMgSi.

2.6 Alüminyum ve Alaşımlarda Isıl İşlemler
2.6.1 Isıl İşlem Esası
Alüminyum ile ısıl işlem neticesinde sertleşen alüminyum alaşımları arasında şu fark vardır. alüminyum tavlandıktan sonra mukavemetini bir miktar kaybeder ve yalnız soğuk şekil değiştirme neticesinde sertleşir. Buna karşılık sertleşen alüminyum alaşımları, belirli sıcaklıklarda belli zaman bekletilerek mukavemeti ve sertliği yükseltilebilir. Bu bekletmeye yaslandırma* ve bu olaya da ayrışma sertleşmesi denir.
Yaşlandırma belirli sıcaklıkta yapılırsa suni yaşlandırma oda sıcaklığında yapılırsa tabii yaşlandırma adını alır.
Bir alüminyum alaşımının ısıl işlemle sertleştirilmesi 4 kademede incelenir:
1)Önceden tayin edilen bir sıcaklığa kadar ısıtma.
2)Belirlenen bir sürede bu sıcaklıkta bekletme.
3)Düşük bir sıcaklığa hızla su verme.
4)Su vermeye takiben, yaşlandırma veya çökelme sertleşmesi.

2.6.2 Tavlama
Mekanik yollarla elde edilen işlenmiş alüminyum alaşımların çok zaman birçok imal işlemlerinden sonra tavlama işlemini tatbik etmek lazımdır. Tavlama soğuk şekil değiştirme neticesinde sertleşmiş olan malzemeden sertliği kaldırmak veya ısıl işleme tabi tutularak yaşlandırılan malzemeyi yumuşatmak için kullanılır.
Yapıda mevcut tanelerin yeniden krsitalleşmesini sağlamak amacıyla, alaşımı eritmek ve çökeltme ısıl işlemleri sıcaklıkları arasında bir derece kadar ısıtmak tavlamanın esasıdır.

Bu işlem yaşlanma sertleşmesinin, sertleşme etkilerini yok eder. metalin soğuk işleme tabi tutulması da sertliğini ve çekme mukavemetini arttırır. Fakat sürekliliğini azaltır. Metalin soğuk olarak işlenmesini devam ettirebilmek için tavlama işlemi uygulanarak metal yumuşatılır.

Isıl işlemde alaşım tav süresi önemlidir. Örneğin yeniden billurlaştırma işleminde alaşım gereken sıcaklık ve sürede tutulmazsa yeninden teşekkül eden kristallerin şekil ve özelliklerini tamamıyla değiştirmezler. Bunu sağlamak için belirli sıcaklık ve zaman süresinde alaşımı bekletmek gerekir. Ayrıca tavlanan alaşımın kenar kısımlarının ve ince yerlerinin hızlı tavlama ile bozulmaması için sıcaklığı yavaş yavaş arttırmak gerekir.


Tamamıyla sıvı halde iken A noktasında bulunan saf metalin soğuma sırasında sıcaklığın zaman bağlı olarak değişimi şekilde görülmektedir. Sıcaklık azalıp B noktasına gelince bu noktada katılaşma ve billurlaşma başlar. Saf alüminyumun katılaşma noktası 658 C’dir. saf maddeler sıvı halden katı hale geçerken, sıvılar katılara ısı verirler. Katılaşma başlangıcından katılaşma sonuna kadar (katılaşma süresince) sıcaklık sabit kalır.

Bu durum soğuma eğrisinde BC doğrusu ile gösterilir. Tamamıyla katılaştıktan sonra, sıcaklık D eğrisi boyunca zamana bağlı olarak düşmeye devam eder. bu eğri sadece saf mahsustur.

Birbiri içinde erimiş, tamamen ergimiş iki saf maddenin birlikte soğuması incelenirse, burada sıcaklık fazlası kanuna göre katılaşma sırasında değişir. Yani katılaşma sabit sıcaklıkta olmayıp, E, F, G gibi bir katılaşma aralığında meydana gelir. Soğuma eğrisi katılaşmanın başladığı ve bittiği noktalarda kires kırılma gösterir.

2.6.3 Solusyona Alma İşlemi
Solüsyona alma işlemi de kendi arasında safhalar şeklindedir.

2.6.3.1 Önceden Tayin Edilen Bir Sıcaklığa Kadar Isıtma (2)
Bu işlemin amacı alüminyum içindeki esirliği düşük sıcaklıklarda az buna karşılık yüksek sıcaklıklarda fazla olan alaşım elemanlarının erisliliğini, alaşımı yüksek sıcaklıklara çıkarmak suretiyle artırmaktadır. Yalnız burada dikkat edilmesi gereken noktalar şunlardır.

A) Bu işlemin yapıldığı sıcaklık hassasiyetle seçilmelidir. Çünkü eriyebilen elemanlar alüminyum içinde katı eriyik halinde kalmalıdır. Çok düşük sıcaklıklarda az mukavemet elde edilemeyeceği gibi çok yüksek sıcaklıklarda eriyebilen elemanların ergime tehlikesi mevcuttur. Ayrıca ergime olacak çok yüksek sıcaklıklarda kullanılması halinde renk değişimi meydana gelir ve su verme sırasında gerilmeler artar. Bu nedenle mevcut alaşım elemanlarının içinde en düşük ergime sıcaklığına sahip olan elementin ergime sıcaklığının altında bir sıcaklık derecesi seçilmelidir. Bu alaşımlarda küçük bir sıcaklık artışı malzemenin ergimesine sebep olur ki, bu takdirde alaşımı tamamen ergitmek gerekir.

B) Isıtma hızı çok önemlidir. Genellikle orta hızlı bir ısıtma tavsiye edilir. şayet yavaş ısıtma tatbik edilirse, eriyebilen elemanların difüzyonu fazla olur. Aynı zamanda büyük tanelerin teşekkülüne meyil gösterir. Şayet malzeme soğuk şekil değiştirmeye tabi tutulmuş ise dane büyümesine engel olmak için ısıtma hızı yeter derecede yüksek olmalıdır. Genel olarak söylenebilir ki, malzeme kritik denecek kadar soğuk şekil değiştirme miktarı mevcut değil ise dane büyümesi tehlikesi yoktur.

2.6.3.2 Belirli Bir Süre Bekletme (2)
Isıtma hızı çok önemlidir, bunu belirtmiştik. Bunun yanında bekletme süresi de büyük önem taşımaktadır. Bekletme süresi, malzemenin çıkarıldığı sıcaklığa, tavlama şekline, malzemenin cinsine ve buna benzer faktörlere bağlı olarak değişir. Uzun bir süre bekletme dane büyümesine difüzyonun artmasına ve renksizleşmeye neden olur. Sıcaklıkta bekletme süresinin ölçülmesine, malzemenin en soğuk kısmının istenilen minimum sıcaklık değerine varıldığında başlanır. Tablolar bu esasa göre tesbit edilir düzenlenmiştir.

Bekletme süresi alaşımın cinsine bağlı olarak, ince parçalarda 10 dakikadan başlar ve kalın parçalarda 12 saate kadar çıkar. Kalın parçalar için itibari olarak kesitteki kalınlığın her 1,5 cm’si için 1 saat bekleme süresi kabul edilir. bekletme süresi bütün eriyebilen elemanların katı eriyik haline geçebilmelerini sağlayacak kadar uzun seçilir. Kısaltılmış bir bekleme süresinin etkileri çok kötü olduğu gibi fazla bekletmede de oksidasyon tehlikesi artar.

2.6.3.3 Isıtmanın Meydana Getirdiği Değişiklikler (2)
Bu değişiklikleri aşağıdaki gibi maddeler halinde incelemek daha uygun olur.

2.6.3.3.1 Üniform Dağılımı
Yapı aşırı doymuş hale gelmiştir. Ayrıca bu sıcaklıkta bekletme yapılarak homojen bir dağılım sağlanmıştır.
2.6.3.3.2 Toparlanma
Isıl işleme tabi tutma esnasında meydana gelir. Bu sayede iç gerilmelerden bir kısmı ortadan kalkar. Bu sırada soğuk işlem sırasında kaybolan şekil alma özelliği yeninden kazanılmış olur. Bu işleme gerilim giderme tavı da denir.

2.6.3.3.3 Yeniden Kristalleşme
Soğuk işlenmiş malzeme, yeter derecede yüksek bir sıcaklığa kadar ısıtıldığında, soğuk şekil değiştirme sonucu meydana gelmiş olan parçalanmış partiküller malzemenin tabi tutulduğu şekil değiştirme derecesi yeterli ise, yeniden gerilimsiz tanecikler oluştururlar. Bu olaya yeniden kristalleşme denir.

Soğuk şekil değiştirme esnasında meydana gelen yüksek enerjili noktalar, yeni danelerin meydana gelmesinde çekirdek rolü oynar. Soğuk şekil değiştirme derecesi yeterli değil ise yeninden kristalleşme olmaz.

Kullanılan sıcaklık derecesine yeninden kristalleşmeyi meydan getirecek kadar tam soğuk şekil değiştirme varsa elde edilen malzeme gayet iri daneli olur.

2.6.3.3.4 Dane Büyümesi
Yeniden kristalleşmeden sonra yeni daneler az enerjili duruma gelmek üzere büyümeye adaydırlar. Bu büyümeye etki eden nedenleri maddeler halinde şöyle sıralayabiliriz.

a) Başlangıçtaki dane büyüklüğü:
Ancak küçük soğuk şekil değiştirme derecelerinde kendini gösterir. Belirli bir soğuk şekil değiştirme derecesinde elde edilen sertleşme derecesi, iri daneli malzemeler için daha az olmak üzere, malzemenin dane büyüklüğüne tabiidir. Plastik şekil değiştirme derecesinin az olduğu hallerde başlangıçtaki malzemenin dane büyüklüğünün, son dane büyüklüğüne, kayda değer derecede tesiri vardır.



b) Soğuk şekil değiştirme derecesi:
Limitli fakat kritik derecede bir soğuk şekil değiştirmeye maruz malzeme, yeninden kristalleştirmeden sonra anormal derecede büyük danelere sahip olurlar.

c) Isıtma Hızı:
Küçük bir ısıtma hızı, normalden büyük toplama periyodunun sebep olacağından, yeninden kristalleşme ile elde edilen daneler biraz iri olur.

d) Son sıcaklık derecesi:
Yeniden kristalleştirmeden sonra daneler büyümeye meğillidirler. Bu büyüme danelerin en alçak dereceli enerji seviyesine sahip olmak istemeleri yüzündendir. Teorik olarak son sıcaklığın yükselmesi danelerin büyümesin yardım eder.

e) Yüksek sıcaklıkta bekletme süresi:
Yüksek sıcaklıkta bekletme süresi arttıkça danelerin büyüme oranı da artar.

f) Malzemenin terkibi

2.6.3.4 Su Verme
Eriyebilen elemanların katı eriyik haline geçmelerinden sonra yeninden çökelmelerine engel olmak veya geciktirmek amacıyla malzemeye su vermek gerekir. üç farklı su verme metodu mevcuttur. Bu üç metot, istenen özelliklere ve gösterdikleri kolaylıklara göre kullanılır.

2.6.3.4.1 Soğuk Suda Su Verme
Hafif dövmeli elde olunan alaşımlara soğuk su banyolarında su verilir. Su verme önceki su sıcaklık max. 300C olmalıdır. Sıcaklık değişimi 10C geçmemesi için yeterli hacimde su bulundurulmamalıdır. Böyle bir su verme şekli çok etkilidir.