Alüminyum Alaşımlarının Isıl İşlemleri

 

Piyasadaki alüminyum alaşımları genel olarak, dövme ve dökme alaşımlar diye iki kısma ayrılır. Dövme alaşımlar fabrika mamulleri olup, son geometrik şekilleri mekanik işlemlere tabi tutularak elde edilmiştir. Bu işlemler ise; dövme, haddeleme, çekme ve ekatrüziyon'dan ibarettir. Lâmalar, levhalar, çubuklar, borular köşebent ve profiller, teller bu sınıfa girerler. Kumda, kokilde döküm ve basma döküm usulleri ile ergimiş madenin istenilen tarz ve boyutu haiz bir kalıp içerisinde katılaştırma suretiyle şekil alan parçalar dökme mamuller gurubuna girer.

Ekseriyetle dövme alüminyum alaşımlarının ısıl işlemlerinde kullanılan prensip ve metotlar dökme alaşımlarda aynen tatbik edilebilir. Fakat bazı hallerde, bilhassa tavlamada, dökme alaşımlar için tatbik edilen metotlar dövme alaşımlarınkinden farklıdır.

Dökme, dövme, haddeleme, çekme ve ekstrüziyon gibi mekanik operasyonlar, istenilen harici şekilleri elde etmek için kullanıldığı gibi; ısıl işlemlerde, içyapıyı değiştirerek sertlik, mukavemet, süneklik v.s. gibi mekanik özelliklere tesir etmek üzere kullanılır.

Alüminyum alaşımları en büyük yüzde miktarı alüminyum olmak üzere I-9 kadar yabancı eleman ihtiva edebilir. Bu elemanlardan bazıları, alaşıma arzu edilen özellikler vermek üzere bilinerek katılır. Bazıları da tasfiye edilemeyen madde olarak bulunur. Alüminyum alaşımlarındaki (bakır gibi) bazı elemanların mevcudiyeti, mukavemeti ve sertliği ısıl işlemle arttırılabilen metelik bir yapı meydana getirir. Fakat bazen de alaşım elemanı olarak katılan elemanlar ısıl işleme tabi tutulamayacak durumlar meydana getirir. Dolayısıyla ısıl işleme karşı gösterdikleri hassasiyete göre dövme veya dökme alüminyum alaşımları ısıl işleme tabi tutulabilen ve ısıl işleme tabi tutulamayan alaşımlar diye iki guruba ayrılır. 

Önerilen Makale: Çelik boru malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için hassas çelik boru fiyatları sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.


Isıl İşleme Tabi Tutulabilen Alaşımlar

Dövme alaşımlar arasında ısıl işleme tabi tutulabilenler gurubuna dahil olanlar; 2011, 2014, 2017, 2018, 2218, 2024, 2025, 4032, 6151, 6061, 6063, 7075 dir. 

Dökme alaşımlar arasında bu guruba; I22, AI32, D I32, I42, I95, B I195, 319, 333, 355, ve 356 dahil olmaktadır. 

Bu alaşımların ihtiva ettikleri elemanlar veya eleman gurupları, yüksek sıcaklıklarda büyük ölçüde katı halde erime özelliklerini haiz olmakla beraber düşük sıcaklıklarda bu özellikler sınırlı olmaktadır. Bu önemli karakteristik alaşımı ısıl işleme tabi tutulabilen bir hale koymaktadır. Bu guruba yüksek bakır yüzdeli yatak alaşımları (2014, 2017, 2024, ve 2025), magnezyum silikat alaşımları (6051, 6081) ve yüksek çinko yüzdeli yatak alaşımları (7075) dahil bulunmaktadır. 

Bu alaşımların mukavemeti evvela ısıl işlemle arttırılabilir. Isıl işlem iki kısımdan ibarettir. Evvela yüksek sıcaklıklardan soğutucu ortamda su verme, sonra ya çökeltme veya alçak sıcaklıklarda yaşlandırma. Bu alaşımlar genel olarak, bazı hususi hallerde plastik deformasyon ile tamamlanan ısıl işlemlerle de mukavemet kazanırlar. Tavlanmış malzeme "0" temperi olarak gösterilir. Bu çökeltme ısıl işleminden hemen sonra malzeme "FQ" temperi yani, yeni su verilmiş durumda bulunmaktadır. 

2017 ve 2024 alaşımları oda sıcaklığında çökelme ile sertleşen (çökelme sertleştirilmesi) alaşımlar olduğundan tabii yaşlanan alaşımlar diye tanınmaktadır. Suni yaşlandırma tretmanı icap ettiren alaşımlar ise, oda sıcaklığında, sertleşme derecesi ulaşıma göre değişen ve belirli bir dereceye kadar sertleşen alaşımlardır.

Tabii yaşlandırma ile tam mukavemet ve sertliğe erişebilen alaşımlara "T4" temper işareti verilir. Şayet "T4" malzemesi üzerinde mekanik özellikleri ıslah için yeter derecede soğuk şekil değiştirme yapılmış ise "T3" işareti verilir. Isıl işlem ile suni olarak yaşlandırılan malzeme "T6" ile işaretlenir. İlaveten yapılan dengeleştirilme ısıl işlemi veya soğuk şekil değiştirme için malzeme "T7" ile "T9" temperleriyle işaretlenir. 

Son plastik deformasyondan sonra hiç bir ısıl işleme tabi tutulmayan yani dövme haliyle kalmış malzeme de "F" işareti ile gösterilir.  

Isıl İşleme Tabi Tutulamayan Alaşımlar

Bu alaşımların mukavemeti, son tavlama işleminden sonra tatbik edilen soğuk şekil değiştirme derecesine bağlıdır. Bu şekilde elde edilen özellikler muhtelif tavlamalar ile kayıp olurlar. Ve sonradan soğuk şekil değiştirme tatbik edilmedikçe tekrar elde edilemezler. 

"0" sembolü ile gösterilen yumuşak veya tavlanarak gerilme giderilmiş temperden, II00 ve 3003 içinde "HI9" ve 5052 içinde "H39" olarak gösterilen çok sert tempere kadar sıralanan 6 temper mevcuttur. 

Ayrıca dövme haliyle kalmış alaşımların "F" temperi vardır. "F" temperi değişik derecede gerilme sertleştirmesi ile elde edilmektedir. İnce kısımlar tavlama temperine, kalın kısımlar ise "H I4" (yarı sert) temperine takriben yaklaşan özellikleri haizdir. Tamamıyla tespit edilmiş mekanik özellikler arzu edildiği takdirde, "F" temperi kullanılmaz, Dövme haliyle kalmış malzemeler için kolaylıkla uniform özellikler elde edilebilir zannedilirse de, hakikatte bu özellikler garanti değildir. 

Mekanik yollarla elde edilen işlenmiş alüminyum alaşımlarının çok zaman birçok imal işlemlerinden sonra tavlama ısıl işlemini tatbik etmek lazımdır. Tavlama, soğuk şekil değiştirme neticesinde sertleşmiş olan malzemeden sertliği kaldırmak veya asıl işleme tabi tutularak yaşlandırılan malzemeyi, yumuşatmak için kullanılır. Bu özelliklere varabilmek için farklı yollar takip edilirse de neticede, malzemeden en uygun işleme kabiliyete göre seçilir. Buna göre, birçok soğuk şekil değiştirmelerden sonra daha fazla deformasyona imkan kalmayan malzemeyi, yumuşatıp yeniden işlenebilir hale getirmek ancak tavlama ile mümkündür. 

Tavlamanın Mekaniği

a- Toparlanma: Bu olay tavlamanın başlangıç safhalarında husule gelir. Bu safha esnasında iç gerilmeler ortadan kalkar ve soğuk şekil değiştirme işlemiyle kaybolan uzama kabiliyeti geri gelir. 

b- Yeniden Billurlaşma: Tavlama olayı devam ettikçe sıcaklık, başlangıçtaki orijinal tanelerin bir kısmı yeniden billurlaşıp gerilmesiz tanelerin meydana gelebildiği değere kadar yükselir. Bu, ancak malzemede yeter derecede soğuk şekil değiştirme mevcut olduğu takdirde husule gelebilir. 

c- Tane Büyümesi: Yeniden billurlaşmadan sonra yeni taneler en az enerjili duruma gelmek üzere büyümeğe namzettirler. Genel olarak tavlanmış malzemenin tane büyüklüğü, yeniden billurlaşmadan sonra tane büyüklüğüne tabi değildir. Bunun en önemli istisnası tamamıyla saf alüminyumdur. Toparlanma, yeniden billurlaşma ve dane büyümesi periyodları arasında tamamıyla tayin edilmiş bir ayırma noktası mevcut değildir. 

d- Eriyebilen Bileşiklerin Rolü: Genel olarak soğuk şekil değiştirilmiş alaşımların tavlanması prensip olanak bütün alüminyum alaşımları için aynıdır. Isıl işleme elverişli kılan elemanların katılma ile bu alaşımlar için kullanılan metotların değişmesini sağlar. 

e- Ön Isıl İşlemin Rolü: Evvelce ısıl işleme tabi tutulmuş ve yaşlandırılmış malzemenin tavlama usulünde, bazı hususi değişiklikleri icap ettiren ve nihai çökelmiş malzemenin koalezansını temin için normalden fazla bir sıcaklık kullanılmalıdır. 

Tavlama Pratiği

Esas itibariyle alüminyum alaşımlarında kullanılan 3 tip tavlama usulü vardır. 

a- Yatay Tavlama: Genel olarak tavlama hızı kritik olmadığı zaman kullanılır. 

b- Düşey Tavlama: Hızlı bir ısıtma istendiğinde kullanılır. Bu usulde malzeme fırına düşey olarak konur ve bu suretle hızlı ve uniform bir ısıtma temin edilmiş olur. 

c- Hızlı Tavlama: Küçük izafi olarak ince ve aynı zamanda hızlı ısıtmayı gerektiren parçalar için idealdir. Bu usulde malzeme fırın dâhilinde mütemadiyen hareket eden bir ızgara üzerinde bulunur. 

Tavlama müddeti, ızgaranın hareket hızı, fırın genişliği ve sıcaklığı ile kontrol edilir. 

Tavlamada Meydana Gelebilecek Zorluklar 

Alüminyum alaşımlarının tavlanmasında aşağıdaki zorluklarla karşılaşıla bilinir. 

a- Çok Sert Malzeme: Yüksek çekme mukavemeti ve yüksek akma sınırı ile anlaşılır. Şayet uzama yüzdesi az ise, bu olay alçak sıcaklıkta veya kısa müddet tavlamadan dolayı meydana gelir. 

b-Büyük Tane İriliği: Şekil vermeden sonra, portakalımsı bir kabuğun meydana gelmesinden anlaşılır. Bu olay soğuk şekil değiştirmenin az olmasındandır. 

c- Kötü Çekilme Kabiliyeti: Tavlama sonunda normal mekanik özelliklerle beraber, kötü çekilme kabiliyeti zuhur edebilir. Bu olay çökeleklerin dağılmasından ve çok yüksek tavlama sıcaklığı kullanılmasından ileri gelir. Kötü çekilme kabiliyeti aynı zamanda, iyi seçilmemiş pres boyutları, yanlış çekme basıncı, kafi derecede yeter olmayan yağlama ve yanlış çekme derecesinden ileri gelir. 

d- Renk Değiştirme: Mevzii lekeler genel olarak yağ ve suyun tesirinden ileri gelir. Daha yüksek tavlama sıcaklıkları ve tavlama esnasında havanın mevcudiyeti, genel olarak yağdan husule gelen lekeleri ortadan kaldırır. Bütün yüzeyin fazlasıyla koyulaşması, çok yüksek bir tavlama sıcaklığının veya yüksek sıcaklıkta uzun müddet bekletmenin neticesidir. 5052 alaşımı genel olarak yüksek sıcaklıklarda renk değiştirmeye mütemayildir,
 

Sertleştirme Operasyonları

Bir alüminyum alaşımının ısıl işlemle sertleştirilmesi 4 kademe ile olur. 

a- Evvelce tayin edilen bir sıcaklığa kadar ısıtma. 

b- Tayin edilen bir müddetle bu sıcaklıkta beklet-me. 

c- Alçak bir sıcaklıktan hızla su verme. 

d- Su vermeyi müteakip, yaşlandırma, veya çökelme sertleştirmesi. Bu işlem kendiliğinden oda sıcaklığında veya alçak sıcaklıkta ısıl işlemle temin edilir. 

İlk üç işleme eriyik ısıl işlemi ve sonuncuya da çökeltme adı verilir. 

"W" Temperi

Tam olarak mukavimleşmeleri için, (çökeltme) suni yaşlandırma ısıl alemine ihtiyaç gösteren bazı alaşımlar, aynı zamanda (mukavimleşme hızı ve derecesi alaşıma bağlı olarak değişen) oda sıcaklığında da tabii olarak yaşlandırılabilir.

 "T"3" ve "T 4" temperi ile gösterilen bazı alaşımlar, birkaç gün zarfında oda sıcaklığında tabii olarak yaşlanarak maksimum mukavemetlerine ulaştıkları halde bazı alaşımların yaşlanarak mukavimleşmeleri için uzun müddet beklemeleri lazımdır. 

Sıcaklık Faktörü

Muhtelif alaşımların eriyik ısıl işleminde kullanılan sıcaklıklar 440- 525 °C derece arasında değişir. Tam arzu edilen bir neticeye varabilmek için, bu sıcaklıklar 5 °C gibi gayet kısa bir bölge dâhilinde kontrol edilmelidir. Çok düşük sıcaklıklarda mukavemet maksimum değere varamadığı gibi, çok yüksek sıcaklıklarda da eriyebilen elemanların ergime tehlikesi mevcuttur. Buna rağmen, ergime husule gelebilecek çok yüksek sıcaklık kullanma halinde, renk değişmesi husule gelir ve su verme esnasında gerilmeler artar. 

Belirli Bir Sıcaklıkta Bekletme Müddeti

Sıcaklıkta bekletme müddetinin ölçülmesine, malzemenin en soğuk kısmının istenilen minimum sıcaklık değerine verildiği zaman başlanır. Bekletme müddeti ataşıma bağlı olup ince parçalarda 10 dakikadan başlayarak, kalın parçalar için 12 saate kadar değişebilir. Kalın parçalar için itibari olarak kesitteki kalınlığının her pus (2,5cm) için 1 saat bekletme müddeti kabul edilir. 

Bekletme müddeti, bütün eriyebilen elemanların katı eriyik haline geçebilmelerini sağlamak kadar uzun seçilir. Kısaltılmış bir bekletme müddetinin tesirleri kötüdür. Fazla bekletmede uygun şartlar husule gelirse de oksidasyon tehlikesi artar. 

Isıtma Hızı

Şayet malzeme soğuk şekil değiştirmeye tabi tutulmuş ise dana büyümesine mani olmak veya geciktirmek için ısıtma hızı makul derecede yüksek olmalıdır. Genel olarak malzemede kritik denecek kadar soğuk şekil değiştirme miktarı mevcut değilse, dane büyümesi tehlikesi yoktur. 

Su Verme
 
Eriyebilen elemanlar katı eriyik haline geçtikten sonra, yeniden çökelmelerine mani olmak veya geciktirmek amacıyla, malzemeye su vermek icap eder. 3 değişik su verme metodu olup bunlar arzu edilen özelliklere ve gösterdikleri kolaylıklara göre kullanılır. 

Soğuk Suda Su Verme

Ekstrüziyon, tüp çekme, hafif dövme gibi ve bunlara benzer işlemlerle elde edilen parçalara genel olarak soğuk su banyolarında su verilir. Su vermeden evvel suyun sıcaklığı 30 °C dereceyi geçmemelidir. Sıcaklık değişimi 10 °C dereceden fazla olmaması için, yeter miktarda su hacmi bulundurmalıdır. Böyle bir su verme şekli gayet tesirli olup, 2017 ve 2024 gibi alaşımların korozyona karşı mukavemetlerini maksimuma çıkarır. Bunun için daha yavaş bir su verme arzu edilen mekanik özellikleri temin etmesine rağmen ekseriya tesirli su verme tercih edilir. 

Sıcak Suda Su Verme

Büyük ve kalın kesitli dövme parçalara sıcak ( 75- 90 °C ) hatta kaynar yani (100°C) suda su verilir. Bu tip su verme, defarmisiyonu minimum kılar ve eşit olmayan sıcaklık dağılışından doğan çatlama tehlikesini önlemiş olur. Su vermede kullanılan suyun sıcaklığı, malzemenin korozyon mukavemetine büyük ölçüde tesir etmeyen dövme alaşımlarda, bu tip şu verme usulü kullanılır. Buna ilaveten, kalın kesitli parçaların korozyon mukavemeti, ince kesitli parçalarda olduğu kadar kritik değildir. 

Püskürterek Su Verme

Yüksek hızla su püskürterek su verme usulü, levhalara veya geniş yüzeyli parçalara tatbik edilir. Bu tip su verme deformasyonu minimum kılar. Aynı zamanda su vermeden mütevellit çatlamayı önler. Buna rağmen, 2017 ve 2024 alaşımlarının korozyon mukavemetleri azaldığından, nizamnameler gereğince bu tip su verme yasaklanmıştır. 

Bekletme Müddeti ve Su Verme İlişkisi 

Malzemenin fırından çıkarılıp su verilmesine kadar geçen müddet bazı alaşımlar için gayet önemli olup, bu müddeti mümkün olduğu kadar minimuma indirmek lazımdır. Mesela: 2017 ve 2024 alaşımları levhalar halinde iken, bu müddet 10 saniyeyi geçmemeli; fakat kesit büyüdükçe bu müddet uzatılabilir. Malzemeye su vermeden evvel soğumaya terkedilmesi, katı eriyiklerin çökelmesine sebep olabilir. Bu çökelme dane sınırlarında ve kayma düzlemlerinde husule geldiği için şekil değiştirme kabiliyetini azaltır. 2017, 2024 alaşımları için daneler arası korozyon mukavemetine önemli derecede tesir eder. 

Alüminyum ve Alüminyum Alaşımlarının Isıl İşleminde Meydana Gelebilecek Zorluklar 

Eriyik ısıl işlemi sırasında şu zorluklarla karşı karşıya kalınabilir. 

Düşük Çekme ve Akma Mukavemeti

Bunun sebepleri şunlar olabilir. 

a- Kısa müddet bekletme veya düşük sıcaklıkta tavlama. 

b- Fırından, su verme banyosuna geç nakletme. 

c- Yavaş su verme. 

d- Aşırı tavlama. 

e- Yüksek sıcaklıkta oksitleşme. 

Levha Halindeki Malzemelerde Fazla Difüzyon 

Bunun sebepleri şunlardır: 

a-Eriyik ısı işlemi sırasında uzun müddet veya bu işlemden evvel yüksek sıcaklıkta tavlama. 

b-Fazla sayıda ısıl işlem. Bazı parçalarda, yüzeydeki difüzyon arzu edilen mekanik özelliklerin elde edilmesine mani olur. 

Taneler Arası Korozyon

Bu korozyon tuzlu atmosferde uzun müddet bekletmekten ileri gelir. Bu daneler arası korozyon, çekme mukavemetini ve yüzeyde uzamayı önemli miktarda düşürür. Sebepleri: 

a- Fırında su verme ortamına uzun müddet sonra nakletmek. 

b- Uygun gelmeyen bir şekilde su verme. 

c- Isıl işlemden sonra, kontrolsüz veya lüzumsuz olarak yüksek sıcaklıkta tekrar tavlama. 

Aşırı Tavlama

Bu aşırı tavlama, ergime, ötektik ergimesi, dane sınırı ergimesi namı ile tanınmış olup, birçok hallerde mukavemeti azaltır. Aynı zamanda su verme esnasında çatlamalara da sebep olur. Bu olay ancak metalografik incelemelerle anlaşılır.

Yüksek Sıcaklıkta Oksitleşme 

Genel olarak nava fırınlarında ısıl işleme tabi tutulan çubuk şeklinde malzemelerde rastlanır. Bunun sebepleri: 

a- Yüksek sıcaklıkta uzun müddet bekletme. 

b- Fırınların atmosferi. Bu olaya bilhassa yağ ve gaz yakan fırınlarda rastlanır. 

Sülfür bileşkelerinin mevcudiyeti, durumu kötüleştirir.

Su Vermede Çatlamalar

Genel olarak su verme esnasında veya daha sonra kesitlerinde büyük değişiklikler gösteren parçalarda husule gelir. Bunun sebebi çok tesirli su vermedir.

Fazla Deformasyon ve Kayma 

Bu olaya sebep olan amiller şunlardır: 

a- Fırında homojen bir ısı dağıtımı meydana gelmediği takdirde, parça yüzeyinin muhtelif noktalarının farklı sıcaklıklarda bulunması. 

b- Isıtma periyodu esnasında parçanın iyi yerleştirilmemiş olması. 

c- Çok tesirli bir su verme kullanılması. 

Düşük Uzama

Yüzde uzamanın düşük değerlerde olması şu sebeplerden ileri gelir:

a- Aşırı tavlama. 

b- Yüksek sıcaklıkta oksitleşme. 

c- Su verme ameliyesinden sonra fazla miktarda mukavimleşme. Bu halde düşük uzama miktarına karşılık anormal derecede yüksek bir akma sınırı elde edilir. 

d- Dövülen parçalarda hatalı dövme usulleri. Genel olarak dövülen parçalarda yüzde uzama miktarı tabii olarak oldukça düşüktür.