Alüminyum ve Alaşımlarda Isıl İşlemler

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.

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.

Solusyona Alma İşlemi

Solüsyona alma işlemi de kendi arasında safhalar şeklindedir.

Önceden Tayin Edilen Bir Sıcaklığa Kadar Isıtma

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.


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.

Isıtmanın Meydana Getirdiği Değişiklikler (2)

Bu değişiklikleri aşağıdaki gibi maddeler halinde incelemek daha uygun olur.

Üniform Dağılımı
Yapı aşırı doymuş hale gelmiştir. Ayrıca bu sıcaklıkta bekletme yapılarak homojen bir dağılım sağlanmıştır.

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.

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.

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

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.

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.

Sıcak Suda Su Verme
Büyük ve kalın kesitli dökme parçalara 75-90 C’de hatta kaynar suda, yani 100 C’da su verilir.
Bu tip su verme, distarsiyonu minimum kılar ve eşit olmayan sıcaklık dağılışından doğan çatlama tehlikesi önlenmiş olur. Su vermede kullanılan suyun sıcaklığı malzemenin korozyon mukavemetine büyük ölçüde etki etmeye dövme alaşımlarda, bu tip su verme usulü kullanılır. Şunu da belirtelim ki, kalın kesitli parçaların korozyon mukavemeti ince kesitli parçalarda olduğu kadar kritik değildir.

Püskürterek Su Verme
Yüksek hızla su püskürtülerek su verme usulü, levhalar ve geniş yüzeyli parçalara tatbik edilir. Bu tip su verme distarsiyonu minimum kılar ve su vermeden dolayı olan çatlamayı önler. 2017 ve 2024 için korozyon mukavemetini azalttığından kullanılmaz.

Solüsyona Alma ve Su Verme Sırasında Dikkat Edilecek Noktalar ve
Karşılaşılan Güçlükler

Bekletme süresi ile su verme arasında önemli bir ilişki vardır. malzemenin fırından çıkarılıp su verilmesine kadar geçen süre gayet önemlidir. Bu süre mümkün olduğu kadar minimum seviyeye indirilmelidir. 2017, 2024, 7178 alaşımları levha halinde iken bu süre 10sn. geçmemelidir. Fakat kesit büyüdükçe bu süre uzatılabilir.

Malzemeyi su vermeden önce soğutmaya terk etme katı eriyiklerin çökelmesine sebep olabilir. Bu çökelme dane sınırlarında ve kayma düzlemlerinde oluştuğundan, şekil değiştirme kabiliyetleri azalır. Ayrıca bazı alaşımlarda da daneler arası korozyon mukavemetine etki eder. (2024, 2017)

Isıl işleme tabi tutulabilen alaşımlar herhangi bir kötü etki görülmeksizin birçok defa solüsyona alma ısıl işlemine tabii tutulabilir. Yalnız levhalarda bu durum sınırlıdır.

Solüsyona Alma ve Su Verme Sırasında Karşılaşılan Zorluklar

A)Düşük çekme ve akma mukavemeti:
Sebepleri:

a)Kısa sürede bekletme veya düşük sıcaklıkta tavlama
b)Fırında su banyosuna geç nakletme
c)Yavaş su verme
d)Aşırı ısıtma
e)Yüksek sıcaklıkta oksitlenme

B)Daneler Arası Korozyon:

Bu korozyon tuzlu atmosferde uzun süre bekletmekten ileri gelir. Bu, daneler arası korozyon, çekme mukavemetini ve yüzde uzamayı düşürür.

C)Aşırı Tavlama

Otektik ergimesi, dane sınırı ergimesine sebep olur. mukavemeti azaltır.

D) Fazla Deformasyon ve Kayma
Sebepleri:

a)Fırında ısıtılmanın homojen olmaması halinde, parça yüzeyinin çeşitli noktalarının farklı sıcaklıklarda bulunması
b)Isıtma peryodu esnasında parçanın iyi yerleştirilmemiş olması
c)Çok tesirli bir su verme kullanılması

E) % Uzamanın Düşük Olması
Sebepleri:

a)Aşırı tavlama
b)Yüksek sıcaklıkta oksitlenme
c)Su vermeden sonra fazla sertleşme
d)Hatalı işlenme

Yaşlanma Olayı (5)

Yaşlanma ile sertleşme elde etmek için önce katı eriyiğe alma yapılır. ardından aşırı katı eriyik elde etmek için alaşıma su verilir. Su verme işlemi genel olarak çökelme süratinin çok yavaş olduğu bir sıcaklıkta yapılır. Su verdikten sonra çökelmenin çok uzun bir sürede meydana gelmesine engel olmak için alaşım ortalama bir sıcaklığa ısıtılır.

Ayrıntılı incelemeler yaşlanma sertleşmesini şöyle açıklamaktadır: Aşırı doymuş atomlar belli kristal düzlemleri boyunca toplanma eğilimi gösterirler. Bu eriyikteki CU atomlarını toplanması (eriyen atomlar) diğer taraftan Cu yoğunluğunu azaltır, daha az aşırı doymuş ve dolayısıyla daha kararlı bir kristal yapısı oluşturur. Bu durumdaki bakır atomları henüz fark edilecek bir faz yapmamışlardır, hududun iki tarafındaki iki yapı arasında atom bağlaçları vardır. Dislakasyon hareketinin bu düzensiz alanlardan geçmesi zordur. Bu sebeple metal sertleşir dolayısıyla gerilmeler altında deformasyona daha dayanıklı olur.

Bölgesel toplama olayı uzun süre devam ederse hakiki bir çökelme ve aşırı yaşlanma veya yumuşama olur.

Tanımı
Aşırı doymuş bir katı fazdan zaman ve sıcaklığın etkisi ile yani bir fazın meydana gelmesi olayına teknolojide “yaşlanma olayı” diyoruz. Burada dikkat edilecek husus, meydana getirilen ikili fazın (üçlü ve daha fazla olabilir)

B şeklinde değil de B fazının fazı içinde hapsedilerek meydana getirilmesi gerektiğidir. Bu durum ise katı-hal reaksiyonları vasıtasıyla gerçekleştirilebilir. Aslında esas olarak yaşlanma olayı da bir katı-hal reaksiyonudur.
Yaşlanma olayı uygulanabildiği alaşımlarda müsbet yönde büyük mekanik özellik değişimleri oluşturur.

Safhaları
Yaşlanmanın bir katı-hal reaksiyonu olduğunu belirtmiştik. Bir reaksiyonun meydana gelmesi ise bazı özel şartların varlığı ile mümkün olur. reaksiyon başlangıcında ise beli safhalardan geçerek, evrimini tamamlar. Bu genel açıklamada olduğu gibi yaşlanma olayı da bazı şartların sağlanmasıyla ve bazı safhalardan geçerek evrimini tamamlar.

Solüsyon Alma
Alaşım tek fazlı bölgeye kadar ısıtılır. Aşırı doymuş hale getirilir ve homogenizasyon sağlamak için bir süre bu sıcaklıkta tutulur.

Su Verme
Eriyebilen elemanlar katı eriyik haline geçtikten sonra yeniden çökelmelerine engel olmak için malzemeye su vermek gerekir. Su verme sırasında katı eriyik kararsız hale gelir ve çökelme eğilimindedir.

Çökelme
Aşırı doymuş alaşım birden soğutulduğunda eriyebilirlik sınırlarının hemen altında, atomların kolaylıkla yayınladığı gren hudutlarında çökmeler yaşlanma yayınmanın daha zor olduğu gren için çökelme alçak sıcaklıklarda devam eder.

Yaşlan Teorisi
Yaşlanma olayını izah eden bir çok teori ortaya atılmış olmasına rağmen bunlardan en tutarlısı 1935 yılında Wassermann ve Weert tarafından ortaya atılmıştır. Uzun çalışmalar sonucu ortaya konan bu teori şöyledir.
Bu iki bilgin teorilerini Al-Cu alaşımını X-ışını ile inceledikten sonra ortaya atmışlardır. Bu incelemelerde Wasserman ve Weert Al-Cu denge diyagramından görülen q fazı ya da CuAl2’a benzeyen bir faz gördüler.

Çok küçük partiküllerden ibaret olan bu faz aynı q fazı gibi fakat, matriks ile q fazı arasında bir kompozisyondaydı. Bu faza geçiş fazı (geçiş latisi) adını verip q ile gösterdiler.
Ayrıca içinde bulunduğu matrikse bağlı olarak yönlenme özelliğine bağlı olarak yönlenme özelliğine bağlı olduğunu buldular. Yaptıkları açıklamada da dengeli çökeltinin ancak bu geçiş latisinin gelişip büyümesi ile meydana geldiğini belirttiler.

Daha sonra, Mehl, Barret ve Geisler Widmanstatten yapılarının oluşumuna ilişkin bir teori ortaya attılar. Teoriye göre bu yapının oluşumu: Nükleasyon kademesine ve içinde oluştuğu matriksle kohorent (atom dizilişi uygun) bir yapı oluşturmasına çökelen tanelerin büyümesine ihtiyaç gösterir. Atom dizilişleri uygun olması buradaki en önemli faktördür. Atom dizilişleri çökelti ve matriks gibi kristalografik yönden kesin bir sütrüktür tarafından paylaşılmalıdır.

Çok tabiidir ki her bir yapı ve atom düzlemi benzer atomik dizilere ve boşluklara sahip olmalıdır. Öyle ki küçük bir şekil değişimi ile uygunluk sağlansın. Bu teoride yaşlanma sertleşmesi matriks içine bir şekilde değiştirme ile ve onları koherent safhada birbirine uyduracak çökelme ile ilgili tutulmuştur. Aşırı yaşlanmanın nedeni olarak da, yapının oluşumu ile koherensliğin kaybolması gösterilmiştir. Daha sonraları bu teoriye “Transmisyon Latis Teorisi” adı verilmiştir.

1938’de Preston ve Guinier birbirlerinden habersiz olarak transmisyon latis çökelmesinin bir önceki kademesini buldular. Diffüze olmuş değişmelerin matriks bölgesinde olduğunu gösterdiler. Şayet çözünen atomlar, çözücü atomlardan boyut yönünden önemli miktarda farklı ise matriks latisi distarsiona uğrar. Fakat yeni ve kesin olmayan kristal strüktürleri bu kademede de zenginleşen bölgelerde birleşemez. Bu bölgelerde “BUINIER-PRESTON” ya da “GP” zonu denir.

Guinier’in açıklamasına göre GP zonları düğüm yada salkım şeklindedir ve yaşlanma sertleşmesinin kaynağını tekil etmektedirler. Geissler ve arkadaşları, Guinier ve Preston tarafından gözlenen difaksion için ayrı bir açıklama yaptılar.

Onlar difüze çizgileri, çok küçük boyutlardaki partiküller ve bu partikülleri de q¢ transmisyon latisinin ilk büyütme durumunun kaynağı olarak açıkladılar. Bu görüşe göre GP zonları transmisyon latisinin büyümesi ile oluşur. Bugün en iyi açıklamayı yapan teori yukarıdaki açıklamaların ve gelişmelerin bir sonucudur. Şöyle ki:

Alaşımdaki kimyasal elemanların yer ye konsatre olması sonucunda çökeleğin ilkel çekirdekleri oluşur. Bu çekirdekler eriyen metal atomları cinsinden zengindirler.
Bu nedenle, çekirdeklerin büyümesi de ancak eriyen atomların bu çekirdeklere yayınmasıyla mümkündür. Çökelmenin yayınma ile kontrol edilebilir olması, çökeltme ısıl işlem sıcaklığı yükseldikçe çökelme hızının niçin arttığını açıklamak için yeterlidir.
Birçok çökelme sertleşmesi sistemlerinde billur yapıları transmisyon kafesi teşkil edecek derecede gelişmeden sonra ana kafesten ayrılır ve denge halinde çökelek durumuna geçerler. Denge çökeleği içinde oluştuğu matrikse göre belirli doğrultularda bulunuyorsa da ara billur yapılarını teşkil eden bu kafes arasında atom atoma bir uyuşum yani koherans durumu yoktur. Fakat denge çökeleğinin meydana getirdiği sertlik düşüktür. Dolayısıyla aşırı yaşlanma (yumuşama) bu dengeli yapının oluşumu ile ilgilidir. Birçok alaşım sistemlerine ara yapı yeterli miktarda bir kafes distorsionu meydana getirmeden önce çökeleği oluşturduğundan önemli derecede sertleşme olur.

Yaşlanmaya Etki Eden Faktörler (5)
Bu faktörleri şöyle sıralayabiliriz.
A)SICAKLIK
Sıcaklık arttıkça yaşlanma süresi kısalır. Yani sıcaklık yaşlanma oranını arttırır.

B) GREN HUDUTLARI
İyi grenli alaşımlar aynı sıcaklıkta daha iyi çökebilen ve bu çökelme gren hudutlarında olur.

C) KOMPOZİSYON
Sabit sıcaklıkta hem yaşlanma hem de maximum sertlik, eriyen elementin artışı ile artar. Bunun derecesi de eriyebilirlik üst sınırına kadardır.

D) SOĞUK İŞLEM
Soğuk işlem varlığı yaşlanma oranını arttırır.

E) ZAMAN
Yaşlanma zaman doğru orantılıdır.