İkincil eritmenin zamak alaşımlarının mikroyapı ve mekanik özellikleri üzerindeki etkilerinin incelenmesi

Abstract

Sanayide zamak 5 (%3,7-4,3 Al, %0,7-1,25 Cu, %0,02-0,06 Mg, kalanı Zn) ve zamak 3 (%3,7-4,3 Al, %0,05'e kadar Cu, %0,02-0,06 Mg, kalanı Zn) alaşımları yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu alaşımlarından üretilen endüstriyel ürünlerin hatalı olanları, (zamak dışı metaller ile montajlanmış, boyanmış veya kaplanmış durumda) direkt olarak enjeksiyon döküm sisteminin sıcak kamarasına çeşitli nedenlerle beslenemediğinden, geri dönüşüm tesisinde 650°C'ye varan sıcaklıklarda ikincil olarak (yeniden) eritilip (geri dönüşüm) külçe haline getirilmektedir. Yüksek sıcaklıklarda alaşımın yeniden eritilmesi sonucu bazı kritik elementlerin oranları, standart limitlerin dışına çıkmaktadır. Bu çalışmada bu alaşımlar "ikincil eritme" olarak tanımlanmıştır. Çalışmada, farklı zamanlarda geri dönüşüm atölyesinden temin edilmiş olan iki farklı ikincil eritme zamak alaşımı (bu çalışmadaki notasyonu: E1, E2) kullanılmıştır. İkincil eritmenin, standart zamak 3 ve zamak 5 alaşımlarının mikroyapı ve mekanik özellik üzerindeki etkilerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Alaşımların kimyasal bileşimleri optik emisyon spektrometresi ile belirlenmiştir. İkincil eritme alaşımlarda alüminyum ve magnezyumun limit değerlerin altında olduğu, ilaveten alaşımda istenmeyen empüritelerin varlığı tespit edilmiştir. Standart ve ikincil eritme ürünü külçelerinden kesilen parçalar grafit döküm potasında 500°C'de eritilmiştir ve çelik kalıba döküm yapılmıştır. İkincil eritmenin mekanik özellikler üzerindeki etkisi, uzun zaman içinde ortaya çıkabilmektedir. Literatürde zamak 3 ve zamak 5 alaşımlarının 105°C'de 24 saat bekletilmesi ile, 365 gün oda sıcaklığında bekletilmesi sonucundaki mekanik özelliklerdeki değişimin benzer olduğu belirtilmiştir. Bu çalışmada her alaşıma ait numuneler 80°C, 105°C ve 130°C'de 24 saat süreyle bekletilerek yaşlandırma işlemi yapılmıştır ve oda sıcaklığında uzun süre sonrasında ortaya çıkabilecek mekanik özellik değişimleri belirlenmeye çalışılmıştır. Yaşlandırma işlemi uygulanmamış ve uygulanmış olan numuneler üç nokta eğme testleri, sertlik ölçümleri ve mikroyapı incelemelerine tabi tutulmuştur. Eğme dayanımları kıyaslandığında, döküm sonrası ve yaşlandırma sonrasında ikincil eritme külçelerden elde edilmiş olan E1 ve E2 numunelerin, orijinal zamak 3 ve zamak 5 alaşımlarına kıyasla daha düşük değerlere sahip olduğu belirlenmiştir. E1 ve E2 alaşımlarında alüminyum ve magnezyumun standart değerlerin altında olmasının ve yapılarında empürite elementlerin bulunmasının dayanımı olumsuz yönde etkilediği düşünülmektedir. Bununla birlikte, tüm alaşımlarda artan yaşlanma sıcaklığına bağlı olarak sertlik ve mukavemet değerlerinde azalma tespit edilmiştir. Zamak 3 alaşımının döküm sonrası eğme dayanımı 490MPa, sertliği 88,73 HB10, 130°C'de 24 saat yaşlandırma sonrası dayanımı 414 MPa, sertliği 75,38 HB10, zamak 5 alaşımının döküm sonrası eğme dayanımı 457MPa, sertliği 104,13 HB10, yaşlandırma sonrası dayanımı 387 MPa, sertlği 87,08 HB10 ölçülmüştür. İkincil eritme-1 alaşımının döküm sonrası eğme dayanımı 444MPa, sertliği 93,59 HB10, yaşlanma işlemi sonrası dayanımı 391 MPa, sertliği 82,40 HB10, ikincil eritme-2 alaşımının döküm sonrası eğme dayanımı 383MPa, sertliği 76,80 HB10, yaşlanma işlemi sonrası dayanımı 325 MPa, sertliği 66,72 HB10 olarak ölçülmüştür. E1 alaşımı numunelerinin sertlik değerleri zamak 5 alaşımından düşük olurken, zamak 3 alaşımından yüksek olmuştur. Bunun nedeninin, E1 alaşımında bakırın zamak 3'tekinden yüksek olması ve empürite elementi olarak demir bulunması olduğu düşünülmektedir. Mekanik testlerin akabinde numuneler zımparalama, parlatma ve dağlama işlemi yapıldıktan sonra optik mikroskop ile incelenmiştir. İkincil eritme veya yaşlandırmaya bağlı olarak alaşımların mikro yapısında optik mikroskopla belirgin bir değişiklik gözlemlenmemiştir. E1 alaşımının mikroyapısında diğer alaşımlarda var olmayan partiküller tespit edilmiş olup, enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDS) analizlerinde bu partiküllerin demir ve alüminyum bulundurduğu tespit edilmiştir ve demir-alüminyum içeren metallerarası bileşik olduğu düşünülmüştür. Optik mikroskop incelemeleri sonrası daha detaylı inceleme adına numunelerin parlatılmış olan ve kırık yüzeyleri taramalı elektron mikroskobunda (SEM) incelenmiştir. Kırık yüzey incelemelerinde, tüm alaşımlarda yapının genelinin düz yüzeyli olduğu ve gevrek kırılma gösterdiği, ancak bazı bölgelerde kırılmanın sünek karakterde (çukurcuklu) olduğu görülmüştür. Yapılan EDS analizlerinde, sünek kırılma gösteren fazın alüminyumca zengin α (alfa), gevrek kırılan kısımların çinkoca zengin η (eta) fazı bölgeleri olduğu belirlenmiştir. Bu çalışma sonucunda, ikincil eritme zamak alaşımlarının genel özelliklerinin kimyasal bileşimlerindeki uygunsuzluklar nedeniyle olumsuz etkilendiği tespit edilmiştir. Bu sebeple üretimde ikincil zamak kullanmadan önce kimyasal kompozisyon tespiti yapılması ve bu alaşımların kontrollü olarak kullanılması tavsiye edilmektedir. İş parçası tasarımında ikincil eritme zamak alaşımının kullanılabileceği var sayılarak, ek emniyet katsayısıyla tasarım yapılmasının gerektiği sonucuna varılmıştır.