Sağlığımız için büyük öneme sahip magnezyum aynı zamanda en hafif yapısal metal olarak mühendislik uygulamaları için de ciddi bir öneme sahip ve gelişen imalat, ısıl işlem yöntemleri ile daha da sağlam bir yeri olacak gibi.
Bu yazımda bir fotoğraf makinesi gövdesinde, araba jantında, bir motor bloğunda veya helikopter şanzıman kutusunda hatta futbol kramponlarında kullanılan magnezyum alaşımlarını ve ısıl işlemlerini irdeleyeceğim.
Magnezyum sıklıkla alüminyum, çinko, mangan, silisyum, bakır ve zirkonyum ile alaşım oluşturur. Metal enjeksiyon, ekstrüzyon, dövme ve kuma döküm gibi yöntemler ile şekillendirilebilir.
İyi spesifik mukavemete sahip olmaları ve kolay işlenebilirlik magnezyum alaşımlarını yüksek sıcaklık dayanımı getirmeyen uygulamalarda
Üç grupta incelenirler,
1. Magnezyum-Mangan alaşımları:
İyi kaynaklanabilme özelliğine sahip ve ince plaka şekilde imal edilebilirler. Örnek, MgMn2 veya MgMn1,5 alaşımları
2. Magnezyum-Alüminyum-Çinko alaşımları:
Metal enjeksiyon, kuma döküm, ekstrüzyon ve dövme ile üretilir, ısıl işlem ile mukavemet kazanabilirler. Örnek, AZ81A veya AZ63A
3. Magnezyum-Çinko-Zirkonyum ve Toryum alaşımları:
İyi darbe tokluğu, işlenebilirlik ve korozyon dirençleri vardır. Isıl işlem ile mukavemetleri artar. Örnek, ZK61A, AZ31A veya HZ11
Magnezyum alaşımlarının isimlendirilmesinde çelik veya alüminyum malzemelerde olduğu gibi yaygın bir standart yoktur. Çoğunlukla ASTM B275'de tanımlandığı şekilde içeriğinde bulunan alaşımların baş harfleri ile anılırlar.
Örneğin, AZ91C ismini içerdiği % 9 alüminyum, % 1 çinkodan alır. C harfi ise bu bileşime benzer 3. alaşım olarak kayıt altına alınmasından gelir. Malzemenin ısıl işlem durumuna göre de sonuna aşağıdaki harf ve bir sayı eki gelir.
F : Üretildiği şekilde (as fabricated)
O : Tavlanmış halde
H1 : Soğuk şekillendirilmiş
T4 : Çözeltiye alınmış
T5 : Yapay yaşlandırılmış
T6 : Çözeltiye alınmış ve yaşlandırılmış
Alaşımın tam ismi şöyle oluyor: AZ91C-T6
Magnezyum alaşımlarının ısıl işlemleri:
Magnezyum alaşımları 450°C'ye kadar olan uygulamalarda havada ısıtılabilirler. Ancak daha yüksek sıcaklıklarda koruyucu ortam kullanılmalıdır. Magnezyum alaşımlarının yüzeyinde oluşabilecek oksidasyon mukavemet değerlerini çok aşağı çekecektir. Ayrıca yüksek sıcaklıklarda (600°C'nin üzeri) magnezyumun yanma riskini koruyucu atmosfer engeller. Inert gazlar kullanılabileceği gibi karbondioksit, sülfürhektaflorid ve sülfürdioksit gazları da kullanılabilir. Fırına yüklenmeden önce kesinlikle işleme yağları, kir ve tozdan arındırılmalıdırlar. Tuz banyolarında ısıl işleme uygun değildirler. İşlemlerin yapılacağı fırınlar ±6 °C hassasiyet ile çalışmalıdır.
Form verme operasyonları sonrasında oluşabilecek gerilimleri almak için parçalar tam tavlamaya tabi tutulurlar. İşlem sıcaklığı 290 - 455°C arasındadır.
Gerilim giderme haddelenmiş, soğuk çekilmiş, kaynaklanmış, dövülmüş, talaşlı imalat ve dökülmüş tüm magnezyum alaşımlarında oluşan gerilimleri azaltmak için uygulanır. Gerilme korozyonuna karşı hassas oldukları için özellikle döküm parçaların gerilim giderme yapılması gerekir. Gerilim giderme sıcaklıkları alaşıma bağlı olmak ile birlikte 260 - 425°C arasındadır.
Diğer metallerin aksine çok uzun çözeltiye alma sürelerine sahiptirler. Kesit kalınlığı ve alaşımın tipi bu sürenin değişmesine en büyük etkendir. Örneğin ZK61A 493 - 502°C'de 2 saat süre ile çözeltiye alınırken aynı kalınlıktaki AM100A 421 - 432°C'de 16-24 saat arasında bekletilir. Hemen hepsi hava, basınçlı gaz ile soğutulabilirken bazı istisna alaşımlar için su soğutma ihtiyacı vardır.
EQ21A3, EV31A3 ve QE22A3 alaşımları 60-91 °C'de su banyosunda soğutulmalıdır. Bazı magnezyum alaşımları alüminyum alaşımları gibi düşük sıcaklık uzun süre veya nispeten yüksek sıcaklık kısa süre yaşlandırılır. Bazıları ise tek sıcaklıkta yaşlandırılmalıdır.
AZ92A alaşımı T5 için 5 saat 232 °C'de veya 4 saat 260 °C'de kalmalıdır. Aynı alaşımın T6 ısıl işlemi ise 5 saat 218 °C'de veya 16 saat 168 °C'dedir.
ZK61A alaşımın T6 kalitesine ulaşabilmesi için 48 saat 129 °C'de kalması gerekir.
Magnezyum alaşımlarında ısıl işlemin etkileri
Isıl işlem sonrası magnezyum alaşımlarında sertlik kontrolü yapılabilir. Ancak sertlik ölçümü tek başına mekanik özellikleri simgeleyemez. Brinel ve Rockwell E metodu kullanılır.
Yaşlandırma seviyesini belirlemek için en etkin metot çekme testi ve mikro yapı analizidir. Magnezyum alaşımları farklı temper sıcaklıkları için farklı dağlanma özellikleri gösterirler.
Örneğin, ZE41A alaşımı döküm yapısında dağlandığında mavi dağlanırken T5 ısıl işlemli halinde kahverengimsi bir tonda dağlanır.
Yukarıda ısıl işlem sıcaklıklarını verdiğim ZK61A'nın (UNS M16611) T6 yaşlandırma sonrası mekanik özellikleri şöyledir;
Çekme mukavemeti : 310 MPa
Akma mukavemeti : 195 MPa
Sertlik : 80 HV
Bu alaşımın detaylı mekanik özellikleri için aşağıdaki bağlantıyı inceleyebilirsiniz,
Yüksek özgül dayanımları sayesinde belirli sıcaklığa (90 - 100°C) kadar olan mühendislik uygulamalarında kullanımları imal yöntemleri ve ısıl işlemlerinde ki gelişmelere paralel olarak artmaktadır.
Günümüzde zaten kullanılan ama önümüzdeki günlerde hayatımızda daha fazla yer alacağını düşündüğüm magnezyum alaşımlarını ve ısıl işlemlerini bu yazımda özetlemeye çalıştım. Umarım faydalı olmuştur.