Alüminyum ve Alüminyum Alaşımların Standart Gösterimleri

Yer kabuğunda en çok bulunan ikinci metalsel element olan ve günümüz endüstrisinde çelikten sonra en fazla kullanılan alüminyum ve alüminyum alaşımları; hafif olmaları, iyi ısıl ve elektrik iletkenlikleri, artırılabilen mukavemet özelikleri ve korozyona karşı dirençleri nedeniyle mühendis ve tasarımcılar için günümüzde önemli bir malzeme konumundadır. Özellikle son yıllarda, enerji tasarrufuna dönük çalışmalar, daha az yakıt harcayan hafif ve ekonomik taşıtların üretimini gündeme getirmiş ve alüminyum alaşımları, otomobillerde, otobüslerde, trenlerde, deniz taşıtları yapımında öncelikli olarak tercih edilen metalsel malzemeler olmuştur. Esasında bu alaşımlar, uzun yıllardır havacılık endüstrisinde kullanılmakta olan malzemelerdir ve artırılmış mukavemet ve darbe özelikleri sayesinde savunma sanayiinde de kullanıma girmişlerdir.
Endüstride kullanılan alüminyum alaşımları; dövme ve döküm alüminyum alaşımları olarak üretilmektedirler ve özellikle dövme alüminyum alaşımlarının ısıl işlem uygulanamayan (soğuk şekil değiştirme sertleştirmeli) ve ısıl işlem uygulanabilen (çökelme sertleştirmeli) birçok türü taşıt yapım endüstrisinde (otomobil, raylı taşıt, zırhlı taşıt vb.), uçak ve uzay araçları yapım ve gemi yapım endüstrisinde geniş uygulama alanı bulmaktadır. Bunlar; 2xxx, 5xxx, 6xxx ve 7xxx serisi alüminyum alaşımlarıdır. Bu çalışmada, dünyada ve ülkemizde endüstriyel uygulamaları hızla artan alüminyum ve alüminyum alaşımlarının tanıtımı yapıldıktan sonra, endüstride en çok kullanılan dövme alüminyum alaşımlarının Avrupa Standardlarına (EN) göre sınıflandırılmaları ve gösterimleri ele alınmaktadır. Alüminyum ve alüminyum alaşımları, günlük yaşantımıza kadar girmiş ve yaşamımızın ayrılmaz bir endüstriyel malzemesi konumuna gelmiştir. 19. yy.’da yeni tür metal alaşımları arayışı içinde olan bilim adamları, alüminyumun eldesiyle yeni bir metal türünün ortaya çıkmasının birçok problemi çözebileceğini düşünmüşlerdir. Az miktarlarda üretimi için oldukça pahalı olan, fazla enerji tüketen alüminyum, altından daha değerli bir metal konumuna gelmiştir. Günümüzde alüminyum ve alüminyum alaşımları, gıda, kimya, otomotiv ve gemi yapım, taşıt yapım, uçak yapım endüstrisi, makina ve cihaz yapımı ile mimari alanda ve inşaat sektöründe geniş kullanım alanına sahiptirler ve birçok özelikleri nedeniyle mühendis ve tasarımcılar için tercih edilen malzemeler konumuna gelmişlerdir. Alüminyumun ilk ticari uygulamaları, ayna çerçeveleri ve tepsilerde görülmüş; ana ürün olarak pazara sunulmuş, zaman içinde kullanımıyla doğrudan veya dolaylı olarak her yönüyle modern hayatta çeşitli uygulama alanları bulmuştur (Anderson 2000, Mathers 2002).
Çelikten sonra günümüz endüstrisinde en fazla kullanılan metalsel malzeme olan ve yer kabuğunda en çok bulunan ikinci element olmakla birlikte mühendislik uygulamalarında ekonomikliğiyle ön plana çıkan bir metal olan alüminyum ve alüminyum alaşımları; hafiflikleri, iyi ısıl ve elektrik iletkenlikleri, artırılmış mukavemet özelikleri ve korozyona karşı dirençleri nedeniyle mühendis ve tasarımcılar için tercih edilen malzemeler konumuna gelmişlerdir. Alüminyum, endüstriyel malzemeler içinde son keşfedilen metallerden biridir ve bu alaşımların kullanım alanının yaygınlaşmasında savunma, otomotiv ve havacılık endüstrisinin büyük bir katkısı olmuştur (Avner 1974, Tülbentçi 1987, Welding Handbook 1996, Anderson 2000, Mathers 2002).
Endüstride kullanılan alüminyum alaşımları; dövme ve döküm alüminyum alaşımları olarak üretilmektedirler ve özellikle dövme alüminyum ve alüminyum alaşımlarının ısıl işlem uygulanamayan (soğuk şekil değiştirme sertleştirmeli) ve ısıl işlem uygulanabilen (çökelme sertleştirmeli) birçok türü taşıt yapım endüstrisinde (otomobil, raylı taşıt, zırhlı taşıt vb.), uçak ve uzay araçları yapım ve gemi yapım endüstrisinde geniş uygulama alanı bulmaktadır. Bunlar; 2xxx, 5xxx, 6xxx ve 7xxx serisi alüminyum alaşımlarıdır.
Alüminyumun en önemli özelikleri olarak; özgül ağırlığının düşük olması, elektriği ve ısıyı çok iyi bir şekilde iletmesi, çok yumuşak ve sünek olması ile bazı alaşımlarının çökelme yolu ile sertleştirilebilmesi sayılabilir.
Alüminyumun ergime sıcaklığı düşük, buna karşın kendini çekmesi çok fazladır, bu bakımdan döküm yolu ile şekillendirme için saf alüminyum yerine, alüminyum alaşımları tercih edilir (Anık ve Dorn 1995, Tülbentçi 1987).
Alüminyum saflık derecesine göre sınıflandırılır. Mekanik özelikleri, içeriğindeki Si, Fe, Ti, Cu ve Zn gibi elementlerin etkisi ile yükselmesine karşın kimyasal maddelere karşı olan direnci azalır; mekanik özelikler alüminyuma uygulanan şekil verme işlemine bağlı olarak ta büyük ölçüde değişir (Tülbentçi 1987, Anık ve diğ. 1993).
Alüminyum % 99.0- 99.5- 99.8- 99.99 safiyet derecelerinde üretilir; % 99.99 saflıktaki alüminyum yüksek nitelikte saf alüminyum olarak tanımlanır ve burada fiziksel ve mekanik özelikler belirli bir şekilde kendini gösterir. Bu alüminyum yumuşaktır ve kolay işlenebilir, ısı ve elektriği iyi iletir, ışığı iyi yansıtır ve korozyona karşı oldukça dirençlidir (Tülbentçi 1987).
Bu makalede, dünyada ve ülkemizde endüstriyel uygulamaları hızla artan alüminyum ve alüminyum alaşımlarının kısaca tanıtımı yapıldıktan sonra, endüstride en çok kullanılan dövme alüminyum alaşımlarının Avrupa Standardlarına (EN) göre sınıflandırılmaları ve gösterimleri ele alınmaktadır.
2. Alüminyum ve Alüminyum Alaşımlarının Sınıflandırılması,
Standard Gösterimleri ve Uygulanan Sertleştirme İşlemlerine Göre Simgelendirilmeleri
Alüminyum alaşımları, alaşım elementlerinin çok farklı etkileri dolayısı ile, birbirinden çok farklı özeliklere sahiptirler ve bunlar genellikle dövme ve döküm alüminyum alaşımları olmak üzere iki ana gruba ayrılırlar.
2.1. Dövme alüminyum alaşımları
Bu türe giren alaşımlar Cu, Mg, Mn, Si ve Ni gibi elementler içerirler; çoğu kez önce sürekli döküm yöntemi ile blok biçiminde elde edildikten sonra, homojenleştirme tavı uygulanır, haddeleme veya ekstrüzyon ile biçimlendirilirler. Döküm yapısındayken tane sınırlarında oluşan sürekli gevrek fazlar, şekillendirme sırasında parçalanır ve ana kütleye dağılır ve böylece alaşım soğuk şekillendirmeye uygun duruma geçer (Domke 1988).
Dövme alüminyum alaşımlarının simgelendirilmesi ve standardlaştırılmaları ilk olarak sistematik biçimde 1954 yılında Alüminyum Birliği tarafından gerçekleştirilmiştir. Burada dört numaralı bir tanımlama sistemi kullanılır. Bu sistem günümüzde hala geçerli olan bir sistemdir ve gerek Amerikan gerekse de Avrupa Standardlarının temelimni oluşturur.
Çeşitli ülkelerin ulusal standardlarında farklı simgelendirme ile tanımlanan dövme alüminyum alaşımları EN 573 serisi standardlarda detaylı olarak ele alınmıştır. Dövme alüminyum ve alüminyum alaşımlarının simgelendirilmesi ve kimyasal bileşimleri EN 573-3: 1995’te tanımlanmıştır. Ülkemizde de TS EN 412/Ocak 1987 "Biçimlenebilen Alüminyum ve Alüminyum Alaşımları- Kimyasal Bileşimi" olarak standardlaştırılmışlardır. Bu konudaki TS EN standardı hazırlık aşamasındadır.
Değişik serilerdeki alüminyum alaşımlarının karakteristiklerinde dikkate alınacak farklılıklar bulunmaktadır ve bunlar alaşımların uygulama alanlarında farklılıklar yaratmaktadır.
Standard tanımlama sistemini anladıktan sonra, bir sonraki nokta önceden bahsedilen seriler içinde iki belirgin farklı alüminyum türü olduğunu kabul etmektir. Bunlar ısıl işleme tabi tutulabilen ve bu sayede mukavemetleri artırılabilen alüminyum alaşımları ve ısıl işleme tabi tutulamayan alüminyum alaşımlarıdır. Ark kaynağı uygulamalarının bu iki tür alaşım serisi üzerindeki etkileri göz önünde tutulduğunda bu fark özellikle önemlidir. Alüminyum ve alüminyum alaşımlarına uygulanan mukavemet artırıcı yöntemlere göre simgelendirme EN 515: 1993’te yer almaktadır.
EN 573’e göre standard gösterimleri verilen alüminyum ve alüminyum alaşımları içinde en çok kullanılan alaşımlar 1xxx, 2xxx, 4xxx, 5xxx, 6xxx ve 7xxx serisi alaşımlardır bu alaşımların standard gösterimleri ve içerikleri sırasıyla Tablo 3, 4, 5, 6a, 6b, 7 ve 8’de verilmektedir.
1xxx, 3xxx ve 5xxx serisi dövme alüminyum alaşımları ısıl işlem uygulanamayan türlerdir ve bunlar yalnızca şekil değişimiyle sertleştirilebilirler. 2xxx, 6xxx ve 7xxx serisi dövme alüminyum alaşımları ise ısıl işleme tabi tutulabilirler. 4xxx serisi hem ısıl işleme tabi tutulabilir hem de ısıl işleme tabi tutulamaz alaşımlar içerir (Anderson 2000).
Isıl işleme tabi tutulabilir alaşımlar, en yüksek mekanik özeliklerini en genel olarak çözeltiye alma ısıl işlemi ile kazanırlar. Çözeltiye alma ısıl işleminde alaşım, çözelti içine alaşım elementleri veya bileşik katmak için yaklaşık 530°C‘ye kadar ısıtılır, arkasından hızlı soğutma gelir, bu işlem; oda sıcaklığında aşırı doymuş çözelti sağlamak için genelde su içinde yapılır. Genellikle bunu, yaşlandırma ısıl işlemi takip eder. Yaşlandırma; istenen akma özelikleri için, aşırı doymuş çözeltiden bir miktar element veya bileşiğin çökeltilmesidir. Burada, çökelme sonucunda tanelerin içinde, ışık mikroskobu ile seçilemeyen çok ufak zerreler oluşur. Bu submikroskobik zerreler kafeste kaymayı önler böylece alaşım sertleşir ve akma ve çekme mukavemeti yükselir (Tülbentçi 1987, Anık ve diğ. 1993).
Isıl işleme tabi tutulamayan alaşımlar en yüksek mekanik özeliklerini, soğuk şekillendirme yoluyla sertlik ve mukavemeti artırma yöntemi olan şekil değiştirme sertleştirmesi ile kazanırlar. Alüminyum ve alüminyum alaşımlarına uygulanan temel sertleştirme işlemlerinin gösterimi Tablo 9, 10 ve 11’de verilmiştir. Ayrıca, ülkemizde hala geçerli olan TS 1321’e göre de tanımlanan bu işlemler toplu olarak Tablo 12’de gösterilmiştir.
6061-T6, 6063-T4, 5052-H32 ve 5083-H112 alaşımlarının gösteriminde olduğu gibi alaşım numaralama sistemini ısıl işlemle bir tire ile birleştiren, serilerin harflerini alaşım gösterim numarasının takip ettiği sistemdir ve bu gösterim tüm standardlarda aynıdır.
2.2. Döküm alüminyum alaşımları
Bu tür alaşımların büyük çoğunluğu silisyum içerir; %11.7Si içeren alaşım ötektik bileşimde olduğundan çok üstün döküm özeliklerine sahiptir. Bu alaşımın korozyona direnci ve kaynak kabiliyeti de oldukça iyidir. Döküm alüminyum alaşımlarına bir miktar bakır katılması, talaş kaldırma özeliklerini geliştirir, buna karşın, korozyon direncinde azalmaya neden olur (Tülbentçi ve Kaluç 1985).
Döküm alüminyum alaşımlarına silisyumdan başka magnezyum katılarak çökelme yolu ile sertleştirilebilen ve deniz suyunun korozif etkilerine dirençli alaşımlar elde edilir.
Alüminyum Birliği’nin standardizasyonuna göre alaşımları ülkemizde de TS 410/Nisan 1975’de yayımlanmış "Alüminyum Alaşımlarından Yapılan Dökümlerin Bileşimi" adlı standardda tanımlanmışlardır. Günümüzde bu tür alaşımlar için hazırlanmış olan EN 1706 ve EN 1780 serisi standardlar geçerlidir.
3. Sonuç
Günümüzde, alüminyum ve alüminyum alaşımları düşük yoğunlukları, yüksek mukavemetleri, iyi korozyon dirençleri ve uygun kaynak kabiliyetleri nedeniyle çeliklerden sonra en çok kullanılan metalsel malzemelerdir. Alüminyum ve alüminyum alaşımları, eklenen alaşım elementlerinin etkisiyle mekanik özelikleri ve korozyon dirençleri değiştiğinden dolayı saflık derecesine göre sınıflandırılırlar.
Alüminyuma eklenen alaşım elementleri, alaşımın mekanik özeliklerini değiştirebildiği gibi ısıl işlem ve kaynak kabiliyetini de önemli ölçüde etkiler. Bu açıdan, dünyada öncelikle Alüminyum Birliği tarafından sınıflandırılması yapılan alüminyum ve alüminyum alaşımları Avrupa Birliği tarafından da Avrupa Standardları bazında sınıflandırılmışlardır. Bu standardlar, DIN standardlarındaki gösterimden tamamen farklı olup büyük ölçüde Amerikan Standardlarına yakınlık göstermektedir. Ülkemizde, bu konudaki standardlar, henüz hazırlanmamıştır. Bu açıdan, bu sektörlerde çalışan mühendis ve teknik elemanların özellikle yeni Avrupa Standardlarına (EN) göre gösterimleri bilmelerinde yarar vardır. Bu amaçla bu çalışmada, endüstriyel olarak alüminyum ve alüminyum alaşımlarını kullanan ve/veya kullanacak olan sektörlerdeki mühendis ve teknik elemanların yararlanması amacıyla alüminyum ve alüminyum alaşımları tanıtılmış ve sınıflandırılması, ilgili Avrupa Standardlarındaki (EN) gösterimleri açıklanmıştır.