Tavlama, söndürme ve yaşlandırma, alüminyum alaşımlarının temel ısıl işlem türleridir. Tavlama, alaşımın bileşimini ve yapısını homojen ve kararlı hale getirmeyi, iş sertleşmesini ortadan kaldırmayı ve alaşımın plastisitesini geri kazandırmayı amaçlayan bir yumuşatma işlemidir. Söndürme ve yaşlandırma ise alaşımın mukavemetini artırmayı amaçlayan bir güçlendirme ısıl işlemidir ve esas olarak ısıl işlemle güçlendirilebilen alüminyum alaşımları için kullanılır.
1 Tavlama
Farklı üretim gereksinimlerine göre alüminyum alaşımı tavlama işlemi çeşitli formlara ayrılır: külçe homojenizasyon tavlaması, kütük tavlaması, ara tavlama ve bitmiş ürün tavlaması.
1.1 Külçe homojenizasyon tavlaması
Hızlı yoğunlaşma ve denge dışı kristalleşme koşulları altında, külçenin bileşimi ve yapısı düzensiz olmalı ve ayrıca büyük bir iç gerilime sahip olmalıdır. Bu durumu değiştirmek ve külçenin sıcak işlenebilirliğini iyileştirmek için genellikle homojenleştirme tavlaması gereklidir.
Atomik difüzyonu teşvik etmek için, homojenleştirme tavlaması için daha yüksek bir sıcaklık seçilmelidir, ancak bu sıcaklık alaşımın düşük erime noktalı ötektik erime noktasını aşmamalıdır. Genellikle, homojenleştirme tavlama sıcaklığı erime noktasından 5-40℃ daha düşüktür ve tavlama süresi çoğunlukla 12-24 saat arasındadır.
1.2 Kütük tavlama
Kütük tavlama, basınç işlemi sırasında ilk soğuk deformasyondan önce gerçekleştirilen tavlamayı ifade eder. Amaç, kütüğün dengeli bir yapı elde etmesini ve maksimum plastik deformasyon kapasitesine sahip olmasını sağlamaktır. Örneğin, sıcak haddelenmiş alüminyum alaşımlı levhanın haddeleme ucu sıcaklığı 280-330℃'dir. Oda sıcaklığında hızlı soğutmanın ardından, iş sertleşmesi olgusu tamamen ortadan kaldırılamaz. Özellikle, ısıl işlem görmüş güçlendirilmiş alüminyum alaşımları için, hızlı soğutmanın ardından yeniden kristalleşme süreci sona ermemiş ve aşırı doymuş katı çözelti tamamen ayrışmamış ve iş sertleşmesi ve söndürme etkisinin bir kısmı hala korunmuştur. Tavlamadan doğrudan soğuk haddeleme yapmak zor olduğundan, kütük tavlaması gereklidir. LF3 gibi ısıl işlem görmemiş güçlendirilmiş alüminyum alaşımları için tavlama sıcaklığı 370-470℃'dir ve 1,5-2,5 saat sıcak tutulduktan sonra hava ile soğutma yapılır. Soğuk çekme boru işlemede kullanılan kütük ve tavlama sıcaklığı uygun şekilde daha yüksek olmalı ve üst sınır sıcaklığı seçilebilir. LY11 ve LY12 gibi ısıl işlemle güçlendirilebilen alüminyum alaşımları için, kütük tavlama sıcaklığı 390-450°C'dir ve bu sıcaklıkta 1-3 saat tutulur, ardından fırında saatte en fazla 30°C hızla 270°C'nin altına soğutulur ve ardından fırından hava ile soğutularak çıkarılır.
1.3 Ara tavlama
Ara tavlama, soğuk deformasyon işlemleri arasında yapılan tavlama işlemidir. Amacı, iş sertleşmesini ortadan kaldırarak sürekli soğuk deformasyonu kolaylaştırmaktır. Genel olarak, malzeme tavlandıktan sonra, %45-85 soğuk deformasyona uğradıktan sonra ara tavlama yapılmadan soğuk işleme devam etmek zor olacaktır.
Ara tavlamanın işlem sistemi temel olarak kütük tavlama ile aynıdır. Soğuk deformasyon derecesi gerekliliklerine göre ara tavlama üç türe ayrılabilir: tam tavlama (toplam deformasyon ε≈%60-70), basit tavlama (ε≈%50) ve hafif tavlama (ε≈%30-40). İlk iki tavlama sistemi kütük tavlama ile aynıdır; ikincisi 320-350℃'de 1,5-2 saat ısıtılır ve ardından hava ile soğutulur.
1.4. Bitmiş ürün tavlama
Son ürün tavlaması, ürün teknik koşullarının gereklerine göre malzemeye belirli organizasyonel ve mekanik özellikler kazandıran son ısıl işlemdir.
Bitmiş ürün tavlama, yüksek sıcaklıkta tavlama (yumuşak ürün üretimi) ve düşük sıcaklıkta tavlama (farklı hallerde yarı sert ürün üretimi) olarak ikiye ayrılabilir. Yüksek sıcaklıkta tavlama, tam bir yeniden kristalleşme yapısı ve iyi bir plastiklik elde edilmesini sağlamalıdır. Malzemenin iyi bir yapı ve performans elde etmesini sağlamak için, tutma süresi çok uzun olmamalıdır. Isıl işlemle güçlendirilebilen alüminyum alaşımlarında, hava soğutmanın söndürme etkisini önlemek için soğutma hızı sıkı bir şekilde kontrol edilmelidir.
Düşük sıcaklıkta tavlama, esas olarak saf alüminyum ve ısıl işlem görmemiş güçlendirilmiş alüminyum alaşımları için kullanılan gerilim giderme tavlaması ve kısmi yumuşatma tavlamasını içerir. Düşük sıcaklıkta bir tavlama sistemi formüle etmek, yalnızca tavlama sıcaklığı ve bekletme süresinin değil, aynı zamanda safsızlıkların, alaşım derecesinin, soğuk deformasyonun, ara tavlama sıcaklığının ve sıcak deformasyon sıcaklığının etkisinin de dikkate alınmasını gerektiren oldukça karmaşık bir iştir. Düşük sıcaklıkta bir tavlama sistemi formüle etmek için, tavlama sıcaklığı ile mekanik özellikler arasındaki değişim eğrisinin ölçülmesi ve ardından teknik koşullarda belirtilen performans göstergelerine göre tavlama sıcaklığı aralığının belirlenmesi gerekir.
2 Söndürme
Alüminyum alaşımının söndürülmesine çözelti işlemi de denir; bu işlemde, yüksek sıcaklıkta ısıtma yoluyla metaldeki mümkün olduğunca çok alaşım elementi ikinci faz olarak katı çözeltiye çözülür, ardından ikinci fazın çökelmesini engellemek için hızlı bir soğutma uygulanır ve böylece bir sonraki yaşlandırma işlemi için iyi hazırlanmış, aşırı doymuş alüminyum esaslı bir α katı çözeltisi elde edilir.
Aşırı doymuş α katı çözeltisi elde etmenin öncülü, alaşımdaki ikinci fazın alüminyumdaki çözünürlüğünün sıcaklığın artmasıyla önemli ölçüde artması gerektiğidir, aksi takdirde katı çözelti işleminin amacına ulaşılamaz. Alüminyumdaki çoğu alaşım elementi bu özellikte ötektik faz diyagramı oluşturabilir. Örnek olarak Al-Cu alaşımını ele alırsak, ötektik sıcaklık 548℃'dir ve bakırın alüminyumdaki oda sıcaklığındaki çözünürlüğü %0,1'den azdır. 548℃'ye ısıtıldığında çözünürlüğü %5,6'ya yükselir. Bu nedenle, %5,6'dan az bakır içeren Al-Cu alaşımları, ısıtma sıcaklığı çözünme çizgisini aştıktan sonra α tek faz bölgesine girer, yani ikinci faz CuAl2 matriste tamamen çözünür ve söndürmeden sonra tek bir aşırı doymuş α katı çözeltisi elde edilebilir.
Söndürme, alüminyum alaşımları için en önemli ve en zorlu ısıl işlem işlemidir. Önemli olan, uygun söndürme ısıtma sıcaklığını seçmek ve yeterli söndürme soğutma hızını sağlamak, fırın sıcaklığını sıkı bir şekilde kontrol etmek ve söndürme deformasyonunu azaltmaktır.
Söndürme sıcaklığının seçilme prensibi, alüminyum alaşımının aşırı yanmasını veya tanelerin aşırı büyümesini önleyerek söndürme ısıtma sıcaklığını mümkün olduğunca artırmak ve böylece α katı çözeltisinin aşırı doygunluğunu ve yaşlandırma işleminden sonraki mukavemeti artırmaktır. Genellikle, alüminyum alaşımlı ısıtma fırını, fırın sıcaklık kontrol hassasiyetinin ±3℃ içinde olmasını gerektirir ve fırın sıcaklığının homojenliğini sağlamak için fırın içindeki havanın sirkülasyonu sağlanır.
Alüminyum alaşımının aşırı yanması, ikili veya çok elemanlı ötektikler gibi metalin içindeki düşük erime noktalı bileşenlerin kısmi erimesiyle oluşur. Aşırı yanma, yalnızca mekanik özelliklerin azalmasına neden olmakla kalmaz, aynı zamanda alaşımın korozyon direnci üzerinde de ciddi bir etkiye sahiptir. Bu nedenle, bir alüminyum alaşımı bir kez aşırı yakıldığında, ortadan kaldırılamaz ve alaşım ürünü hurdaya çıkarılmalıdır. Alüminyum alaşımının gerçek aşırı yanma sıcaklığı esas olarak alaşım bileşimi ve safsızlık içeriği tarafından belirlenir ve aynı zamanda alaşımın işleme durumuyla da ilgilidir. Plastik deformasyon işlemine tabi tutulmuş ürünlerin aşırı yanma sıcaklığı, dökümlerden daha yüksektir. Deformasyon işlemi ne kadar büyükse, denge dışı düşük erime noktalı bileşenlerin ısıtıldığında matrise çözünmesi o kadar kolay olur, böylece gerçek aşırı yanma sıcaklığı artar.
Alüminyum alaşımının su verme işlemi sırasındaki soğutma hızı, alaşımın yaşlanmaya karşı güçlenme kabiliyeti ve korozyon direnci üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. LY12 ve LC4'ün su verme işlemi sırasında, özellikle 290-420°C gibi hassas bir sıcaklık aralığında α katı çözeltisinin ayrışmaması ve yeterince yüksek bir soğutma hızı sağlanması gerekir. Soğutma hızının genellikle 50°C/sn'nin üzerinde olması, LC4 alaşımı için ise 170°C/sn'ye ulaşması veya aşması öngörülür.
Alüminyum alaşımları için en yaygın kullanılan söndürme ortamı sudur. Üretim uygulamaları, söndürme sırasındaki soğutma hızı ne kadar yüksekse, söndürülen malzeme veya iş parçasının artık gerilimi ve deformasyonunun da o kadar büyük olduğunu göstermektedir. Bu nedenle, basit şekillere sahip küçük iş parçaları için su sıcaklığı biraz daha düşük, genellikle 10-30℃ olabilir ve 40℃'yi geçmemelidir. Karmaşık şekillere ve duvar kalınlıkları arasında büyük farklar bulunan iş parçaları için, söndürme deformasyonunu ve çatlamayı azaltmak amacıyla su sıcaklığı bazen 80℃'ye kadar yükseltilebilir. Ancak, söndürme tankının su sıcaklığı arttıkça, malzemenin mukavemetinin ve korozyon direncinin de buna bağlı olarak azaldığı unutulmamalıdır.
3. Yaşlanma
3.1 Yaşlanma sürecinde örgütsel dönüşüm ve performans değişiklikleri
Söndürme ile elde edilen aşırı doymuş α katı çözeltisi kararsız bir yapıdır. Isıtıldığında ayrışarak bir denge yapısına dönüşür. Örnek olarak Al-4Cu alaşımını ele alırsak, denge yapısı α+CuAl2 (θ fazı) olmalıdır. Söndürme sonrası tek fazlı aşırı doymuş α katı çözeltisi yaşlandırma için ısıtıldığında, sıcaklık yeterince yüksekse θ fazı doğrudan çökelecektir. Aksi takdirde, aşamalar halinde gerçekleşecek, yani bazı ara geçiş aşamalarından sonra son denge fazı CuAl2'ye ulaşılabilir. Aşağıdaki şekil, Al-Cu alaşımının yaşlandırma işlemi sırasında her çökelme aşamasının kristal yapı özelliklerini göstermektedir. Şekil a, söndürülmüş haldeki kristal kafes yapısıdır. Bu anda, tek fazlı α aşırı doymuş bir katı çözeltidir ve bakır atomları (siyah noktalar) alüminyum (beyaz noktalar) matris kafesinde eşit ve rastgele dağılmıştır. Şekil b. Çökelmenin erken aşamasındaki kafes yapısını gösterir. Bakır atomları matris kafesinin belirli bölgelerinde yoğunlaşarak GP alanı adı verilen bir Guinier-Preston alanı oluşturmaya başlar. GP bölgesi son derece küçük ve disk şeklindedir, çapı yaklaşık 5 ~ 10 μm ve kalınlığı 0,4 ~ 0,6 nm'dir. Matristeki GP bölgelerinin sayısı son derece fazladır ve dağılım yoğunluğu 10¹⁷ ~ 10¹⁸cm-³'e ulaşabilir. GP bölgesinin kristal yapısı hala matrisinkiyle aynıdır, her ikisi de yüzey merkezli kübiktir ve matrisle tutarlı bir arayüzü korur. Ancak, bakır atomlarının boyutu alüminyum atomlarınınkinden daha küçük olduğundan, bakır atomlarının zenginleşmesi bölgeye yakın kristal kafesinin büzülmesine neden olur ve bu da kafes bozulmasına yol açar.
Al-Cu alaşımının yaşlanma sırasında kristal yapı değişimlerinin şematik diyagramı
Şekil a. Söndürülmüş hal, tek fazlı α katı çözeltisi, bakır atomları (siyah noktalar) eşit olarak dağılmıştır;
Şekil b. Yaşlanmanın erken evresinde GP bölgesi oluşur;
Şekil c. Yaşlanmanın geç evresinde yarı tutarlı bir geçiş fazı oluşur;
Şekil d. Yüksek sıcaklıkta yaşlanma, tutarsız denge fazının çökelmesi
GP bölgesi, alüminyum alaşımlarının yaşlandırma işlemi sırasında ortaya çıkan ilk ön çökelme ürünüdür. Yaşlandırma süresinin uzatılması, özellikle yaşlandırma sıcaklığının artırılması, diğer ara geçiş fazlarının da oluşmasına neden olur. Al-4Cu alaşımında, GP bölgesinden sonra θ” ve θ' fazları bulunur ve son olarak denge fazı CuAl2'ye ulaşılır. θ” ve θ', θ fazının geçiş fazlarıdır ve kristal yapı kare kafes şeklindedir, ancak kafes sabiti farklıdır. θ'nin boyutu, yaklaşık 15~40 nm çapında ve 0,8~2,0 nm kalınlığında, hala disk şeklinde olan GP bölgesinin boyutundan daha büyüktür. Matrisle tutarlı bir arayüz oluşturmaya devam eder, ancak kafes bozulma derecesi daha yoğundur. θ” fazından θ' fazına geçişte boyut 20~600 nm'ye, kalınlık 10~15 nm'ye ulaşır ve tutarlı arayüz de kısmen yok olur ve Şekil c'de gösterildiği gibi yarı tutarlı bir arayüz haline gelir. Yaşlanma çökelmesinin son ürünü denge fazı θ'dir (CuAl2), bu noktada tutarlı arayüz tamamen yok olur ve Şekil d'de gösterildiği gibi tutarsız bir arayüz haline gelir.
Yukarıdaki duruma göre, Al-Cu alaşımının yaşlandırma çökelme sırası αs→α+GP bölgesi→α+θ”→α+θ'→α+θ şeklindedir. Yaşlandırma yapısının aşaması, alaşım bileşimine ve yaşlandırma spesifikasyonuna bağlıdır. Genellikle aynı durumda birden fazla yaşlandırma ürünü bulunur. Yaşlandırma sıcaklığı ne kadar yüksekse, denge yapısına o kadar yakındır.
Yaşlandırma işlemi sırasında, matristen çökelen GP bölgesi ve geçiş fazı küçük boyutlu, oldukça dağılmış ve kolayca deforme olmayan bir yapıya sahiptir. Aynı zamanda, matriste kafes bozulmasına neden olarak bir gerilim alanı oluştururlar. Bu da dislokasyonların hareketini önemli ölçüde engelleyerek alaşımın plastik deformasyona karşı direncini artırır ve mukavemetini ve sertliğini iyileştirir. Bu yaşlanma sertleşmesi olayına çökelme sertleşmesi denir. Aşağıdaki şekil, Al-4Cu alaşımının su verme ve yaşlandırma işlemi sırasındaki sertlik değişimini bir eğri şeklinde göstermektedir. Şekildeki Aşama I, alaşımın orijinal halindeki sertliğini temsil eder. Farklı sıcak işleme geçmişleri nedeniyle, orijinal haldeki sertlik genellikle HV=30~80 arasında değişecektir. 500°C'de ısıtılıp söndürüldükten sonra (aşama II), tüm bakır atomları matris içinde çözünerek HV=60 sertliğinde tek fazlı, aşırı doymuş bir α katı çözeltisi oluşturur. Bu, tavlanmış haldeki sertliğin (HV=30) iki katıdır. Bu, katı çözelti sertleştirmesinin bir sonucudur. Söndürme işleminden sonra, oda sıcaklığına yerleştirilir ve GP bölgelerinin sürekli oluşumu nedeniyle alaşımın sertliği sürekli olarak artırılır (aşama III). Oda sıcaklığında gerçekleşen bu yaşlandırma sertleştirme sürecine doğal yaşlandırma denir.
Ben—orijinal halim;
II—katı çözelti hali;
III—doğal yaşlanma (GP bölgesi);
IVa—150~200℃'de regresyon tedavisi (GP bölgesinde yeniden çözüldü);
IVb—yapay yaşlandırma (θ”+θ' fazı);
V—aşırı yaşlanma (θ”+θ' fazı)
Aşama IV'te, alaşım yaşlandırma için 150°C'ye kadar ısıtılır ve sertleştirme etkisi doğal yaşlandırmaya göre daha belirgindir. Bu sırada çökelme ürünü esas olarak Al-Cu alaşımlarında en büyük mukavemetlendirme etkisine sahip olan θ” fazıdır. Yaşlandırma sıcaklığı daha da artırılırsa, çökelme fazı θ” fazından θ' fazına geçer, sertleştirme etkisi zayıflar ve sertlik azalarak aşama V'e girer. Yapay ısıtma gerektiren herhangi bir yaşlandırma işlemine yapay yaşlandırma denir ve aşama IV ve V bu kategoriye aittir. Sertlik, alaşımın yaşlandırmadan sonra ulaşabileceği maksimum sertlik değerine ulaşırsa (yani aşama IVb), bu yaşlandırmaya tepe yaşlandırma denir. Tepe sertlik değerine ulaşılmazsa, yetersiz yaşlandırma veya eksik yapay yaşlandırma denir. Tepe değer aşılır ve sertlik azalırsa, aşırı yaşlandırma denir. Stabilizasyon yaşlandırma işlemi de aşırı yaşlandırmaya aittir. Doğal yaşlandırma sırasında oluşan GP bölgesi çok kararsızdır. Yaklaşık 200°C gibi daha yüksek bir sıcaklığa hızla ısıtılıp kısa bir süre sıcak tutulduğunda, GP bölgesi tekrar α katı çözeltisine dönüşecektir. θ” veya θ' gibi diğer geçiş fazları çökelmeden önce hızla soğutulursa (söndürülürse), alaşım orijinal söndürülmüş haline geri dönebilir. Bu olguya "regresyon" denir ve şekildeki IVa aşamasında noktalı çizgiyle gösterilen sertlik düşüşüdür. Regresyon uygulanan alüminyum alaşımı, aynı yaşlanma sertleşme kabiliyetine sahiptir.
Yaşlandırma sertleştirmesi, ısıl işlem uygulanabilen alüminyum alaşımlarının geliştirilmesinin temelini oluşturur ve yaşlandırma sertleştirme yeteneği doğrudan alaşım bileşimi ve ısıl işlem sistemiyle ilişkilidir. Al-Si ve Al-Mn ikili alaşımları, denge fazı yaşlandırma işlemi sırasında doğrudan çökeltildiği için çökelme sertleştirme etkisine sahip değildir ve ısıl işleme tabi tutulamayan alüminyum alaşımlarıdır. Al-Mg alaşımları GP bölgeleri ve geçiş fazları β' oluşturabilmesine rağmen, yalnızca yüksek magnezyumlu alaşımlarda belirli bir çökelme sertleştirme yeteneğine sahiptir. Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si ve Al-Zn-Mg-Cu alaşımları GP bölgelerinde ve geçiş fazlarında güçlü çökelme sertleştirme yeteneğine sahiptir ve şu anda ısıl işlem uygulanabilen ve güçlendirilebilen ana alaşım sistemleridir.
3.2 Doğal Yaşlanma
Genellikle, ısıl işlemle güçlendirilebilen alüminyum alaşımları, söndürme işleminden sonra doğal yaşlanma etkisine sahiptir. Doğal yaşlanmanın güçlenmesi, GP bölgesinden kaynaklanır. Doğal yaşlanma, Al-Cu ve Al-Cu-Mg alaşımlarında yaygın olarak kullanılır. Al-Zn-Mg-Cu alaşımlarının doğal yaşlanması çok uzun sürer ve kararlı bir aşamaya ulaşması genellikle birkaç ay sürer, bu nedenle doğal yaşlanma sistemi kullanılmaz.
Yapay yaşlandırma ile karşılaştırıldığında, doğal yaşlandırma sonrası alaşımın akma dayanımı daha düşük, ancak plastikliği ve tokluğu daha iyi ve korozyon direnci daha yüksektir. Al-Zn-Mg-Cu sistemindeki süper sert alüminyumun durumu biraz farklıdır. Yapay yaşlandırma sonrası korozyon direnci genellikle doğal yaşlandırma sonrası korozyon direncinden daha iyidir.
3.3 Yapay yaşlandırma
Yapay yaşlandırma işleminden sonra, alüminyum alaşımları genellikle en yüksek akma dayanımına (çoğunlukla geçiş fazı güçlendirmesi) ve daha iyi organizasyonel kararlılığa ulaşabilir. Süper sert alüminyum, dövme alüminyum ve döküm alüminyum çoğunlukla yapay olarak yaşlandırılır. Yaşlandırma sıcaklığı ve yaşlandırma süresi, alaşım özellikleri üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Yaşlandırma sıcaklığı çoğunlukla 120-190℃ arasındadır ve yaşlandırma süresi 24 saati geçmez.
Alüminyum alaşımları, tek aşamalı yapay yaşlandırmaya ek olarak kademeli bir yapay yaşlandırma sistemi de kullanabilir. Yani, ısıtma işlemi farklı sıcaklıklarda iki veya daha fazla kez gerçekleştirilir. Örneğin, LC4 alaşımı 115-125℃'de 2-4 saat, ardından 160-170℃'de 3-5 saat yaşlandırılabilir. Kademeli yaşlandırma, yalnızca süreyi önemli ölçüde kısaltmakla kalmaz, aynı zamanda Al-Zn-Mg ve Al-Zn-Mg-Cu alaşımlarının mikro yapısını iyileştirerek mekanik özellikleri temelde azaltmadan gerilim korozyon direncini, yorulma dayanımını ve kırılma tokluğunu önemli ölçüde iyileştirebilir.
Gönderi zamanı: 06-03-2025
