DEMİR OLMAYAN ALAŞIMLAR

Genel :

Demir olmayan alaşım tabirinden maksat herhangi bir metalde esas elemanın demir olmadığı alaşımlar anlaşılır. Uygulamada oldukça yaygın olarak çoğu metalsel malzemeler bu grupta incelenir.

Çok özel durumların dışında demir olmayan metallerde alaşım elemanları ihtiva eder, saf halde kullanılmazlar. Alaşımların mekanik özellikleri saf metallerin özelliklerine nazaran daha iyidir. Yoğunlukta çok önemli bir değişiklik meydana gelmemesi bu alaşım üretimini destekler mahiyettedir.

Ana hatları ile demir olmayan metallerin demir esaslı olanlara nazaran bazı üstünlükleri vardır. Bunlar özetle şunlardır:

a. Düşük yoğunluk (bakır hariç).

b. Yüksek elektrik iletkenliği.

c. Yüksek ısı iletkenliği.

d. Manyetik değillerdir.

e. Atmosferik şartlarda daha iyi korozyon direnci.

f. Özel kimyasal etkili şartlarda iyi korozyon direnci.

g. Kolay işlenebilme özelliği.

h Daha iyi görünüm.



Demir esaslı malzemelerin demir dışı metallere karşı üstünlükleri şöyledir:

a. Yüksek maliyet.

b. Daha küçük dayanım.

c. Yüksek genleşme katsayısı.

d. Düşük ergime noktası.

e. Daha küçük Young modülü (Elastisite modülü)

f Daha pahalı kaynak, lehim tekniklerine ihtiyaç vardır.



Alüminyum ve Alaşımları :

Alüminyum tabiatta bi çok bileşik halinde bulunmakla beraber alüminyum üretiminde kullanılan cevher Boksit`tir. Boksit &65 Al2 O3, %28 Fe2 , O3, %7 Si O2 ve %12-13 H2O `dan oluşur. Daha küçük miktarda Al2 O3 içeren boksit, refrakter malzeme yapımında kullanılır. Alüminyum üretiminde iki safha vardır. Alümina eldesi (Al2 O3) ve alüminadan Alüminyum metali elde etme, Yurdumuzda Alüminyum Seydişehir`deki Etibank alüminyum Tesislerinde üretilmektedir.

Alüminyumun Özellikleri :

Alüminyum çok düşük yoğunluklu (2,7 g/cm) hafif bir metaldir, yoğunluğu çeliğin yoğunluğunun yaklaşık üçte biridir. Ergime sıcaklığı 680 oC ve parlak gümüş renklidir. Yüzeyinde oluşan oksit filmi sayesinde korozyona karşı dirençlidir. Ancak bakır ile teması halinde Elektro kimyasal korozyona uğrayabilir. Bakırdan sonra elektriği en iyi ileten metaldir. Elektrik iletkenliği bakırın üçte ikisi mertebesindedir. Aynı zamanda ısıyı da iyi iletir. Çelikten beş kere daha iyi ısı iletir. Çok yumuşak ve sünek olduğu için soğuk şekil alma kabiliyeti iyidir. Ancak talaş kaldırılarak işlenmesi zordur.Talaşı kırılgan yapmak için içine kuruşun alaşım elemanı olarak katılabilir. Saf halde iken dayanımı oldukça düşüktür. Ancak alaşımları konstrüksiyonlarda kullanılabilir. Young modülü çeliğin değerlerinden üç kere düşüktür. Alüminyumun kendini çekmesi oldukça yüksektir(%6,6). Bundan dolayı dökümü yapılmak istenirse alaşımlarından istifade etmek gerekir. Sertliği 25-40 BSD değerindedir. Isıl genleşme katsayısı çelikten iki kere büyüktür.



Yukarıda bahsedilen özelliklerin izafi olması alaşımların bu özelliklerin karşılaştırmasını yapmakta geliştirilen bir kavram vardır. Mekanik ve fiziksel özelliklerin yoğunluğa oranı şeklinde tariflenir. Bu sebepten mesela özgül elektrik iletkenliği, özgül çekme dayanımı gibi tabirler getirilmiştir.

Elektrik İletkenliği

Özgül Elektrik İletkenliği = -------------------------------

Yoğunluk

Çekme Dayanımı

Özgül Çekme Dayanımı = ------------------------------

Yoğunluk

Young Modülü

Özgül Young Modülü = -------------------------------

Yoğunluk

Alüminyumun özgül elektrik iletkenliği bakırın özgül elektrik iletkenliğinden daha iyidir. Bakırın yoğunluğu alüminyumun yoğunluğunun yaklaşık üç katıdır. Benzer tarzda diğer özellikleri de karşılaştırmak mümkündür.

Kullanılma Yerleri : Mutfak eşyaları, ev eşyaları, bina kaplamaları, elektrik iletkenleri, kimya ve gıda sanayiindeki kaplar, havacılıkta, motor parça ve gövde dökümünde, kapı pencere yapımında vb. yerlerde kullanılır.

Alüminyum Alaşımları :

Bundan beklenen, yapılan alaşım ilavesi bu metalin sünekliğini ve korozyon direncini bozmadan düşük olan akma ve çekme mukavemetlerinin yükseltilmesine sebep olmaktır. Başlıca ilave elemanları mangan, Silisyum, Magnezyum, Çinko, Bakırdır. Yüksek oranda bulunan söz konusu alaşım elemanlarıyla alüminyum, metaller arası bileşikler oluşturur. Bunlar sert ve kırılgandır. Böylece sertlik ve mukavemetle artış olurken, şekillendirilebilme kabiliyeti düşer.

Sıvı alüminyum başta hidrojen olmak üzere gazları çözme eğilimi fazla olduğundan 800 0C `ın üstünde uzun süre ergitme yapılmamalıdır.

Alüminyum alaşımlarını yapılan işleme bağlı olarak iki gruba ayırmak mümkündür.



a. Mukavemeti ve Sertliği Deformasyonla Artırılan Alaşımlar: İstenilen mukavemet ve sertlik deformasyon oranıyla kontrol edilebilir. Gerektiğinde tavlama ile yumuşatılabilir. En önemli ısıl işlemle sertleştirilemeyen alüminyum alaşımlarında %10-13 Si bulunur. Bu dökümü kolaylaştırmakta ve basınca dayanıklı dökümün elde edilebilmesini sağlar. Bu alaşımlar dişli kutuları, uçaklar, otomobil dökümleri gibi yerlerde kullanılırlar. Korozyon dirençleri iyidir. Ancak deniz şartlarında alüminyum-magnezyum alaşımı kadar korozyona direnç gösteremezler.

b. Isıl İşleme Tabi Tutulabilen Alaşımlar : Bunlarda geçici olarak sağlanan yumuşaklık süresinde yüksek oranda deformasyona tabi tutulabilir ve sonra istenilen mukavemete ve sertlik değerine ısıl işlemle ulaşılabilir.

Bunlarda geçici olarak sağlanan yumuşaklık süresinde yüksek oranda deformasyona tabi tutulabilir ve sonra istenilen mukavemete ve sertlik değerine ısıl işlemle ulaşılabilir.

Burada yaşlanma olayı ile malzemenin sertlik ve mukavemeti artırılır. Suni ve tabii yaşlanma işlemi uygulanabilir. Tabii yaşlanma 100 gün kadar sürerken, suni yaşlanma 0,24 saatte tamamlanır.

Çökeltme sertleşmesi olarak ta isimlendirilen yaşlanmanı oluşabilmesi için denge diyagramlarında katı fazda çözünürlük oranının sıcaklıkla artması gereklidir (Şekil. 22). Böyle bir sistemde x kompozisyona sahip alaşım α bölgesine ısıtılır. Bu arada bir müddet tutulursa - solisyona alma işlemi- ve hızlı soğutularak oda sıcaklığının üstünde bir sıcaklıkta bir süre bekletilirse alaşımın sertliği ve mukavemetinin arttığı tespit edilmiştir. Eğer hızlı soğutmadan sonra oda sıcaklığında bekletme yapılırsa bu tabii yaşlandırma işlemi olarak adlandırılır.

Yaşlandırma ve sertleştirilebilen alüminyum alaşımlarına en iyi örnek Al - %4 Cu alaşımıdır. Şekil 22. de gösterilen alüminyum bakır ikili denge diyagramının alüminyumca zengin bölgesi incelenirse alüminyum içinde bakırın erime oranının sıcaklıkla arttığı görülür. Eğer X kompozisyonlu alaşım To sıcaklığına ısıtılırsa çok miktarda bakır alüminyum içinde erir. Bu sıcaklıktan eğer alaşım hızlı olarak soğutulursa -su ile soğutulabilir- daha sonra CuAl2 bileşiği çökelecektir. Zira çökelme zaman ve sıcaklığa bağlı bir düfüzyon işlemidir. To sıcaklığından hızlı soğutulan alaşımın yapısı oda sıcaklığında aşırı doymuş katı eriyiktir ve dengesizdir. Belirli bir süre sonra Cu Al2 çökelmesi görülmeye başlanacaktır. Bu ise dayanımda önemli bir artış meydana getirirken sünekliğinde düşüş görülür. Söz konusu çökelme işlemi düşük sıcaklıkta bekletmekle hızlandırılabilir. Bu sıcaklıkta -120-200 0C- belli bir süre bekletmekle işlem daha kısa sürede tamamlanmaktadır. Ancak burada bekletme süresi önem kazanır. Şekil. 23 suni yaşlandırma işlemi olarak adlandırılan bu işlemi şematize etmektedir. Eğer yaşlandırma sıcaklığında uzun süre bekletilirse çökelen iki fazın bir araya toplanması söz konusu olur. bu ise mukavemet ve sertlikte düşüş demektir. Bu tür alaşımlara istenilen şekil verilir ve sonra yaşlandırılarak sertleştirilir.

Çinko ve Çinko Alaşımları :

Yurdumuzda Kayseri`de üretilen çinko, 419 0C ergime noktasına sahip, 7,10 g/cm33 yoğunluklu korozyon dirence yüksek ancak kimyasal etkilere dayanımı yüksek olmayan bir metaldir.Daha çok metallerin yüzeylerinin, korozyona karşı koymak için, kaplanmasında kullanılır. Burada Zn aşınarak diğer metali korur. Gerçekte çinko-demir koroziv ortamda pil teşkil eder. Ancak çinkonun aşınma ürünü pelte şeklindedir ve yalıtkan görevi yapar, reaksiyonu keser. Elektrik iletkenliği bakırın değerinin üçte biri kadardır. Isıl ve iletkenliği çelikten iki kere iyidir. Young modülü çeliğin değerinin yarısından azdır. Isıl genleşme katsayısı çeliğin üç katıdır.

Değişik yöntemlerle çinko korunması istenen parçaların yüzeyine kaplanır. Daldırma yöntemi, elektrolizme, shererdizing, püskürtme yöntemi bunlardan başlıcalarıdır.

Çinko döküme uygundur. Ancak hassas boyut gerektiren yerlerde döküm 100 0C de altı saat bekletilerek dengeli hale getirilmelidir. Haddelenmiş halde mukavemeti 20 kg/mm2 olup, kopya uzaması %20 civarındadır. Konstrüksiyon malzemesi olarak, oda sıcaklığında bile büyük uzama gösterdiğinden pek kullanılmaz. Ancak Al ve Cu ilavesi ile elde edilen alaşımlar basınçlı döküme çok uygundur. Korozyon direnci saf çinkoya göre düşüktür.

Alaşım halindeki çinkonun çekme dayanımı değeri yükselir, sertliği artar. Kum döküm, kokil döküm ve basınçlı dökümü mümkündür. Maksimum mukavemet basınçlı döküm yöntemiyle üretilmesi durumunda sağlanır.

Kapı kolu, karbüratör gövdeleri gibi otomobil parçaları, akülerde kuru hücrelerin kaplanmasında, elektrikli süpürge parçaları vb. aletlerin imali gibi tipik kullanım alanları vardır.

Magnezyum ve Magnezyum alaşımları :

Magnezyumun en büyük özelliği çok düşük yoğunluğa sahip olmasıdır. Yoğunluğu çeliğin değerinin dörtte birinden daha azdır(1.74 g/cm). Elektrik iletkenliği yaklaşık bakırın yarısı kadardır.

Young modülü yaklaşık çeliğin değerinin dörtte biridir Ergime sıcaklığı 650 0C olan metalin, korozyon direnci iyi olmakla beraber asitlere, deniz suyuna ve tuz çözeltilerine karşı dayanıksızdır. Ağır metallerle temas ederse kuvvetli elektro kimyasal korozyon oluşur. Önlemek için yüzey yağlanır veya greslenir. Ayrıca uygun yüzey işlemleriyle korozyon direnci artırılabilir.

Toz halindeki magnezyum tutuşmaya hazırdır ve parlak bir alevle yanar. Talaşlı işleme esnasında benzer tarzda talaşlar tutuşabilir. Bununla birlikte bu metal döküm yoluyla ve dövme şeklinde şekillendirilebilir.

Magnezyum saf halde kullanılması -çoğu diğer metallerde olduğu gibi, dayanımının düşük olmasından dolayı mümkün değildir. Bu değişik alaşımlarının üretilmesini gerektirmiştir.Magnezyum alaşımlarının da en önemli özelliği hafifliktir. Bu açıdan bazı magnezyum alaşımlarının özgül çekme dayanımı alüminyum ve çeliğin özgül çekeme dayanımından daha büyüktür. Bundan dolayı bugün uçak sanayiinde yaygın olarak magnezyum alaşımları kullanılır. Magnezyum alaşımlarının oda sıcaklığında şekillendirilebilmeleri zor olmakla beraber kaynak edilebilirler. Magnezyum alaşımlarında en önemli iki alaşım elemanı alüminyum ve çinkodur. Alüminyum dayanımı, çinko tokluğu artırır. Ayrıca mangan ilavesi korozyon direncini artırır.

Bakır ve Bakır Alaşımları :

En büyük özelliği ısıyı ve elektriği çok iyi iletmesi ve korozyon direnci yüksek olan bakırın yoğunluğu 8,9 g/cm3, ergime sıcaklığı 1083 0C dır. Young modülü çeliğin değerinin yarısından biraz fazladır. Isıl genleşme kat sayısı çelikten bir buçuk kere büyüktür. Soğuk şekillendirmeye çok uygun olması yanında, 650 0C ın üzerinde çok iyi sıcak şekil verilebilir. Geçiş sıcaklığı oldukça düşüktür yani süneklik ve tokluğunu kaybetmez. Buna karşılık içerisinde gazları hapsettiği için döküme uygun değildir. 500-600 0C ın üzerindeki sıcaklıklarda, hidrojen bakırda difüze olarak oksijen ile birleşir, yüksek basınçlı su buharı oluşur ve çatlamalara sebep olur. buna hidrojen hastalığı denir. Bunu önlemek için oksijeni giderilmiş bakır kullanılabilir. Ayrıca talaşlı işlemeye uygun değildir. Isıl işlemle sertleştirilemez, aksine yumuşar. Alaşımlandırma ile sertleştirilebilirse de elektrik iletkenliği düştüğü için soğuk şekillendirmeyle sertleştirilmesi tercih edilir.

Bakır Alaşımları :

Endüstride kullanılan en önemli alaşımlar pirinçler ve bronzlardır. Genel olarak bakır alaşımları aşağıdaki ortak özelliklere sahiptir.

a. Daha dayanıklı ve serttirler. Isıl işlemle ve soğuk şekillendirme ile sertleştirilebilirler.

b. Döküme elverişlidirler.

c. Korozyon dirençleri daha fazladır.

d. Zn ile yaptığı alaşımları daha ucuzdur.

e. Bakıra nazaran daha elastikidir.

Pirinçler :

Bileşimlerinde en az %53 bakır ve ikinci eleman olarak çinko ihtiva eden alaşımlardır. Çinko bakırda hem sıvı hem de katı fazda erir. Mikro yapılarına göre tek fazlı pirinç (Cu %63) yada iki fazlı ( α + β ) pirinci (%63 Cu %53) olmak üzere ikiye ayrılırlar. Pirinçler soğuk şekil değiştirmeye çok elverişli ve korozyona daha dayanıklıdırlar. Talaşlı işlemeyi kolaylaştırmak için pirinçlere gerekirse kurşun ilave edilir. Bakır miktarı %80 den az olan pirinçler gerilmeli korozyona uğrayabilirler. Çinko miktarı yükseldikçe gevreklik artar.

Özel pirinçler : Ni, Mn, Al, Sn, Si ilavesiyle pirinçlerin dayanım değerleri ile aşınma ve korozyon direnci artırılır. Alüminyum lehimlemeyi güçleştiriri. Silisyum sünekliği azaltır. Demir taneleri küçültmekle mukavemeti artırmakla beraber, korozyon dayanımını düşürürü. Bu nedenle kondansör borularında kullanılan Cu Zn 28 Sn ve Cu Zu 20 Al Alaşımlarında demir miktarı %0,07 den az olmalıdır.

Bronzlar :

Bileşiminde en az %60 bakır ve en önemlisi çinko olmamak üzere diğer elemanlar bulunduran alaşımlardır. Bakır dışındaki önemli elemana göre isim alan bronzlar korozyon ve aşınmaya karşı pirinçlere karşı daha az dayanırlar.

Kalay bronzları :

Fosfor ilavesiyle oksit giderildiği için az miktarda fosfor ihtiva eder. Eskiden fosfor bronzu denilmesine rağmen bu uygun değildir. Ancak fosfor alaşım elemanı olarak ilave edilebilir ve aşınma dayanımı artırılabilir. En çok %9 kalay ihtiva eden dövme kalay bronzları soğuk çekilebilir ve haddelenebilirler. %10-12 kalay ihtiva eden dökme kalay bronzları daha çok kullanılırlar. Bunların döküm kabiliyeti iyidir, aşınmaya dayanıklıdırlar. Örneğin aşırı yüklenen ve yüksek hızla çalışan sonsuz vida çarkı ve özellikle kaymalı yatak malzemesi olarak kullanılırlar. Deniz suyuna dayanıklıdırlar.

Kızıl Döküm :

Bir kısım kalayın yerine daha ucuz olan çinko ilavesiyle elde edilir ve benzer şartlarda -ağır olmayan durumlarda- kullanılırlar.

Kurşun ve Kalay-Kurşun Bronzları : Kurşun en çok %35 olmak üzere döküm alaşımı olarak üretilir. Yatak malzemesi olarak kullanılırlar. Kurşun, katı çözelti oluşturmaz. Ancak Cu içinde düzgün dağılışı yatakların kayma özelliğini iyileştirir. Bu nedenle çok kere savurma döküm yapılır. Mukavemet değeri düşüktür, çelik yatak zarfları içine ince bir tabaka halinde dökülür. Bu tabakanın ince olması, dayanıklılık (darbeye) o derece fazladır.

Alüminyum Bronzları :

Bu tür bronzlar maksimum %14 Al ve bazen Nikel, Demir ve Mangan gibi elementler ihtiva eden dökme veya dövme alaşımlardır. Soğuk şekil değiştirme ile sertleştirilebildiği gibi çökeltme yoluyla da sertleştirilebilirler. Korozyon direnci yüksek (oksit filmi) ve mukavemeti yükseltir. Nikel ilaveli alaşımları kızgın buhar boru donatımlarında kullanılır.

Bakır - Nikel Alaşımları :

Cu-Ni ile %100 oranında eriyebilen alaşımlar yapabilir. Kondanser boruları, bozuk para yapımı, elektrik direnç telleri yapımında kullanılır.

%5-10 Ni Kondonser boruları yapımında,

%15-25 Ni Bozuk para yapımında,

Cu Ni 30 Mn (Nikelin) ve Cu Ni 44 (Konstantan) Elektrik direnç teli yapımında kullanılır.



Demir Olmayan Alaşımların Seçilmesi :

Demir olmayan alaşımların kullanılmak üzere seçilmesinde etkili olan faktörler mevcuttur. Söz konusu faktörlerden hareketle seçimin yapılması en uygun dizaynın yapılması demektir. Faktörler şunlardır:

a. Dizayn Gereklilikleri:

1. Çalışma şartları.

2. Tahmini çalışma ömrü.

3. Gerekli statik dayanım.

4. Beklenilen kritik hasar tipleri.

5. Diğerleri (Sertlik, aşınma dayanımı gibi)

b. Üretilecek parça sayısı.

c. Kullanılan üretim yöntemi (Döküm, dövme, kaynak).

d. İstenilen formda malzemenin hazır bulunabilmesi.

Sayılan bu faktörler bitirilmiş her bir parçanın maliyeti üzerinde önemli derecede etkilidir. Malzeme seçim temeli olarak parça maliyetinin önemi parçanın tabiatı ve uygulama yerine bağlı olacaktır. Örneğin uçak sanayiinde parçanın kritik hasar türü parça maliyetine göre birinci dereceden önemi haizdir. Diğer yandan otomobil sanayiinde parça maliyetini düşürmek üzere kritik hasar türü ihmal edilebilir. Bunda esas neden diğer üreticilerle rekabet edebilmektir.

Çalışma ortamı şartlarından en önemlisi korozyon etkisidir. Özellikle atmosferik şartlara dayanım söz konusu olduğunda çoğu demir olmayan metallerden korunmasız alüminyum ve magnezyum en çok dirence sahiptir. Ancak bunların korozyon dirence değişik yüzey işlemleriyle artırılabilir.

Bu açıdan çoğu uygulamalarda atmosfer şartlarında korozyon önemli bir sınırlayıcı faktör olmaz. Buna karşılık bakır, alüminyum ve magnezyum alaşımları gerilmeli korozyona maruz kalabilir. Bu aynı anda hem gerilme hem de koroziv etkinin bulunması durumunda ortaya çıkar.

Kolay işlenebilirlik düşünülmesi gerekli bir başka faktördür. Bu açıdan bakıldığında aşağıda belirtilen faktörler malzeme seçiminde etkili olur.

a. Bazı bakır ve çinko alaşımları ısıtılmış halde işlem görmek zorundadır. Bu durum maliyeti artırır.

b. Talaş şekli önemlidir. Mesela alüminyumda talaşlı imalat zordur. Eleman ilavesiyle veya ısıl işlemle bu iyileştirilebilir. Maliyeti artırıcı unsurdur.

c. Eğme veya uzatmayla şekillendirmek gerektiğinde malzeme tavlanmış şartlarda kolay şekil verilebilir.

d. Bazı yüksek dayanımlı alüminyum ve magnezyum alaşımlarını alışılmış yöntemlerle kaynak etmek zordur.

e. Kaynak işleminden sonra genellikle gerilim giderme işlemi gerekir.k

f. Çinko alaşımlarını lehimlemek zordur.

Malzeme seçiminde son olarak ham malzeme maliyeti dikkate alınır. Ancak ham malzeme maliyeti bitirilmiş parça maliyeti üzerinde önemli bir etkiye sahip olmayabilir

alıntıdır