6063 Alüminyum Ekstrüzyon Alaşımının Metalurjisi
Alüminyum ekstrüzyon endüstrisinde en çok kullanılan malzemelerden birisi olan AA 6063 alaşımı, ısıl işlem ile sertleştirilebilen alüminyum alaşımları grubundandır. Biçimlenebilme kabiliyeti yüksek olan, ısıl işlem ile mekanik değerleri önemli ölçüde arttırılabilen bu alaşım, genel olarak bir Al-Mg-Si alaşımıdır.
TS 412 numaralı Türk Standardında AlMgSi0,5 kısa gösterilişi ile verilen bu alaşımın bir ikiz kardeşi de 6060 alaşımıdır. AA 6063 alaşımının, ekstrüzyon yöntemiyle üretilen profillerinin en yaygın kullanıldığı sektörler, inşaat/mimari (cephe kaplama, pencereler, kapılar, dekorasyon, mobilya), otomotiv, elektrik/elektronik ve makine imalat sektörleridir. AA 6063 alaşımının eloksal (anodik oksidasyon) kaplanabilme özelliği de son derece iyidir.
AA 6063 alaşımının kimyasal bileşimi aşağıda gösterilmiştir (ağırlıkça %) (Tablo1):
Alaşım elemanlarının geniş sınırlara sahip olması nedeniyle, üreticiler, daha yüksek dayanım, daha iyi yüzey kalitesi veya daha üstün ekstrüze edilebilme açısından, alaşımın kullanım yerine uygun olarak daha dar sınırlı kimyasal bileşimler kullanırlar. (Örneğin, Fe: 0.20, Si:0.42, Mg:0.50, Ti:0.015, Mn: 0.02, Cr: 0.02 ve Zn: 0.02)
Ekstrüzyon sektöründe çok yaygın kullanılan AA 6063 alaşımının, kullanım yerine bağlı olarak geliştirilen üç adet versiyonun kimyasal bileşimi aşağıda gösterilmiştir (Tablo 2):
Görüldüğü gibi, Mg ve Si esas alaşım elementleri olup, Fe kontrolü gereken bir elementtir. Cr, Zn gibi diğer elementler daha minör empürütelerdir. Alüminyum içindeki Mg ve Si, Mg2Si bileşiğini oluştururlar. Mg2Si bileşiği, ağırlıkça %63,4 magnezyum, %36,5 silisyum’dan oluşur. (Ağırlık oranı:1,73 / 1).
Şekil 1’de alüminyum ile Mg2Si bileşiğinin faz diyagramı görülmektedir.
Şekil 1’de gösterilen gölgeli alan, ekstrüzyon üreticileri için, AA 6063 alaşımını kapsaması dolayısı ile özel önem taşır. Dikey çizgiler, AA 6063 içindeki Mg2Si miktarının sınırlarını vermektedir. Solvüs eğrisi ise, Mg2Si’nin alüminyum katı eriyiği içindeki erirlik limitlerini belirlemektedir. Solvüs eğrisi, alüminyum AA 6063 alaşımının ergimiş halinden, ısıl işlem görmüş profil kondisyonuna kadar, beş kez geçilir.
Mg2Si bileşiğinin, 6063 alaşımı içindeki katı erirliği, 274°C’de %0,71 ila 552°C’de %1,42 arasında değişir. Nominal bileşime sahip 6063 alaşımında, % 1,0 Mg2Si bulunur ki, 500°C’de alüminyum içinde erir. Bu orandan yüksek miktardaki Mg2Si, fazla miktardaki magnezyuma bağlı olarak, solübilite özelliğini düşürür. Mg2Si oluşturacak miktardan fazla miktardaki silisyum ve normal seviyedeki demir, Mg2Si’nin erirliğini az miktarda düşürürler.
Alaşım, solvüs eğrisinin altındaki bir sıcaklığa düştüğünde, Mg2Si çökelir. Çökelen partiküllerin miktar ve büyüklüğü zaman ve sıcaklığa bağlıdır. Üst sıcaklık derecelerinden yavaş soğuma yapılır ise, büyük partiküller çökelir. Solvüs sıcaklığının yukarısından oda sıcaklığına ani soğutma, magnezyum ve silisyumun çözelti içinde kalmasına ve aşırı doymuş bir katı çözelti oluşmasına neden olur.
Bu aşırı doymuş katı çözelti, 204°nin altındaki bir sıcaklığa çıkarılıp belli süre tutulursa, mikroskobik ölçülerdeki Mg2Si partikülleri çökelir ve “çökelme sertleşmesi” (precipitation hardening) etkisi ile malzeme sertleşir. AA 6063 alaşımının endüstrideki önemi, bu özelliğinden kaynaklanır.
Şekil 1’deki solvüs eğrisi, denge durumları için uygulanır. Bir başka deyişle, belirtilen sıcaklık derecesinde uygun süre beklenmelidir. Endüstri tesislerinde ise denge durumu nadiren oluşur. Mg2Si’nin alüminyum içindeki çözünürlüğü, uygulanan sıcaklık sahasında alaşımın bileşimi ve ısıtma/soğutma işleminin hızına bağlı olarak değişir. Mg2Si’in solvüs sıcaklığı üzerinde yeniden çözünürlüğü geciktiği gibi, solvüs altındaki çözünmesi de gecikebilir.
Demir, gerek alüminyum, gerekse de silisyum ile birleşerek, döküm işlemi sırasında göreceli olarak çözünmeyen çeşitli intermetalik ötektik yapılar oluşturur. Bu yapılar, bir denge fazı olan aAlFeSi’ye dönüşmeye eğilimlidirler.
Tipik bir 6063-T6 ekstrüzyon ürünü, alüminyum katı çözeltisi (matriks) aAlFeSi ve Mg2Si çökelti partiküllerinden (mikroskobik ölçüde) oluşur. Mg2Si çökelti partikülleri, normal mikroskop ile görülemeyecek kadar küçük olduklarından elktron-mikroskop ile görülebilirler. Şekil 2’de, 6063 alaşımından ekstrüze edilmiş bir profilin tipik mikro yapısı görülmektedir.
Tipik ekstrüzyon ürününün yukarıda söz edilen yapısının oluşumu, ingot dökümünden başlayarak, tüm üretim aşamalarında alınan numunelerin su ile ani soğutulması (tam o andaki yapının korunması için) ve mikroskop altında incelenmesi ile anlaşılabilir.
6063 alüminyum alaşımının, biyet (ekstrüzyon ingotu) homojenizasyon, ekstrüzyon biyeti ön ısıtması (tavlama) ve yapay yaşlandırma (çökelme sertleşmesi) ısıl işlemlerinde oluşan mikro yapı değişikliklerini açıklamadan önce, ingot döküm katılaşmasının yapısından söz etmek faydalı olacaktır.
