Demir Dışı Metaller Kalay-Kurşun Alaşımları ÖZET Ülkemizde genel olarak büyük ölçekli kuruluşlar teknoloji transferi yapmakta, orta ve küçük ölçekli firmalar ise mevcut tasarımlara dayalı teknik resimlerle üretim yapmaktadır. Bilimi ileri düzeyde uygulayarak makine tasarımı henüz yeterli değildir. Bilgisayar destekli tasarım (Computer Aided Design-CAD) teknolojisinin gelişmesi ile bu teknolojileri uygulayamayan kuruluşların rekabet şansı azalmıştır. Ülkemizde CAD genelde bilgisayarla yapılan çizim olarak anlaşılmaktadır. Ancak CAD konuları içerisinde katı modelleme, teknik resim, mekanizma tasarımı, kuvvet analizi, parçaların dinamik yükler altında mukavemeti ve ömrü yer almaktadır. Ticari CAD programlarında farklı modüller tasarımın değişik aşamalarını gerçekleştirmede kullanılmaktadır Eğitim alanında bilgisayar destekli tasarımın kullanımı gün geçtikçe yaygınlaşmaktadır.Bu da etkili bir görsel eğitim imkanı sağlamaktadır.Bir çok bilgiyi bir sayfaya sığdırma imkanı sağlamakla birlikte bilgiye ulaşım da kolaylaşmaktadır Bu çalışmada Pb-Sn sisteminin bilgisayar destekli tasarımının yapılması için sisteme ait bilgiler ve veriler toplanmıştır.Toplanan bu bilgiler bilgisayarda en uygun program kullanılarak görsel bir materyal haline getirilecektir. Bu çalışma daha çok eğitim amaçlı kullanılacak şekilde tasarlanmıştır. Çalışmada Pb-Sn alaşım sistemine ait faz diyagramını, çeşitli mikro yapıları faz oranları ve soğuma eğrileri incelemektedir. 1.BÖLÜM FAZ DİYAGRAMLARI(DENGE DİYAGRAMLARI) 1-1. Giriş Faz diyagramları denge diyagramları olup yavaş soğuma şartlarında oluşur.Yavaş soğuma şartlarında yönlü katılaşma oluşur buda dengeli katılaşmadır.(1) Faz diyagramlarında üç bağımsız değişken vardır.Bunlar sıcaklık, kompozisyon (Bileşim) ve basınçtır (1 atm ). Burada basınç faz diyagramını üç boyutlu hale getirir. Faz diyagramları oluşturulurken basınç sabit kabul edilir.(2) *Faz diyagramları mikro yapı ile ilgili bilgi verir. *Mikro yapıyı takip ederek mekanik özellikler üzerinde yorum yapılır.(1,2) FAZ DİYAĞRAMI - - MİKRO YAPI - - MEKANİK ÖZELLİKLER 1-2. FAZ DİYAGRAMI İLE İLGİLİ TEMEL KAVRAMLAR ALAŞIM: İki veya daha fazla elementten oluşan bir malzeme. BİLEŞEN(COMPONENT): Bir alaşımın kompozisyonunu belirlemek için kullanılabilen bir kimyasal element. ÇÖZEN(SOLVENT): Diğerine göre büyük miktarda bulunan bileşen. ÇÖZÜNEN(SOLUTE): Diğerine göre küçük miktarda bulunur. Çözen içinde çözünür. SİSTEM: Aynı bileşenden oluşan bir dizi alaşım. Örneğin Pb-Sn denge diyagramı bir sistemdir. KATI ÇÖZELTİ: Burada en az iki farklı tip atom bir araya gelir.Çözünen, çözen içinde iki farklı şekilde yer alabilir. Bunlar yealan ve arayerdir. ÇÖZÜNÜRLÜK SINIRI(SOLUBILELY LİMİT): Verilen bir sıcaklık için çözünen atomların çözen içinde en fazla çözünebileceği miktar.Bu sınır üzerinde çözünen eklenmesi sonucunda farklı kompozisyona sahip bir katı çözelti veya bileşik oluşur.(2) Küçük bir miktar tuz (birinci faz) bir bardak suya (ikinci faz) katılıp, karıştırıldığında tuz tamamen su içerisinde erir. Suya daha fazla tuz katıldığında tuz bardağın dibine çöker. Şimdi, tuzla doymuş su çözeltisi ve çözünmeyen tuz kristalleri olmak üzere iki faz vardır. Böylece tuzun su içerisinde sınırlı eriyebilirlik sergilediği görülür. SERBEST ENERJİ: Sistemin iç enerjisi ve düzensizliğinin ölçüsüne bağlı termodinamik büyüklük. Verilen bir sıcaklık ve basınç için sistemin net enerjisinde bir azalma olmadığı sürece hiçbir reaksiyon ortaya çıkmaz.(1,2) FAZLAR: Sistemin düzgün ve sürekli fiziksel ve kimyasal özelliklerine sahip homojen kısmı saf malzemeler her katı, sıvı, gaz sisteminde birden fazla faz bulunuyorsa her fazın kendine özgü özellikleri vardır ve aralarında ayırıcı bir sınır oluşur. Bu sınır geçildiği anda fiziksel ve kimyasal kompozisyonlar aniden değişebilir.Ancak iki faz arasında aynı anda hem kimyasal hem de fiziksel özelliklerin değişmesi gerekmez sadece birinin farklı olması yeterlidir. Bir fazda bulunan özellikler; 1) Bir fazın her yerinde yapı ve atomik diziliş aynıdır. 2) Bir faz kabaca her yerinde aynı kimyasal bileşim ve özelliklere sahiptir. 3) Bitişik veya civar fazlar arasında kesin bir arayüzey vardır.(3) . FAZ DİYAGRAMI: Birden fazla faz bulunduğunda aralarındaki denge dikkate alınmalıdır. Serbest enerjinin incelenmesi bir sistemin denge durumuyla ile ilgili bize bilgi verir. Bu çok önemlidir ancak bu diyagramlarda yeni bir denge durumu için zaman gösterilmez. Katı sistemler tam olarak denge durumuna ulaşamazlar bunun nedeni dengeye ulaşma hızının yavaş olmasıdır. Ancak atomun yayılması (düfüzyon) ile olanaklıdır. Bu tip durumlarda sistem yarı kararlı olur ve denge dışı bir durumdur. Mikro yapı ve faz yapısı ile ilgili bilgilerin çoğu faz diyagramlarından elde edilir. Faz diyagramları faz dönüşümlerinin ve oluşacak mikro yapıların deney yapılmadan tahmin edilmesi için kullanılır.(1) İKİLİ FAZ DİYAGRAMI: Sadece iki bileşenin olduğu faz diyagramlarıdır. HUME-ROTHERY ŞARTLARI: Metallerde sınırsız katı eriyebilirliğe sahip olmak için yerine getirilmesi gerekli şartlardır. Bunlar; 1) Metal atomlarının yarıçap farkı % 15’ den büyük olmayacak şekilde benzer olmalıdır. Yoksa farklı atom boyutlarının neden olduğu, kafesteki genleşme, sınırsız eriyebilirliğe izin vermez. 2) Metaller aynı kristal yapıya sahip olmak zorundadır.Eğer böyle değilse belli bir noktada bir fazdan değişik yapıda ikinci bir faza geçiş vardır. 3) Metal atomları aynı valansa sahip olmak zorundadır. Yoksa değişik valans elektronları katı eriyik yerine daha çok bileşik oluşturmayı teşvik ederler. 4) Metal atomları yaklaşık aynı elektro negatifliğe sahip olmak zorundadır. Eğer elektro negatiflikleri önemli ölçüde farklı olursa, sodyum ve klor’un birleşerek sodyum klorür oluşturduğu gibi, bileşik oluşumuna olan eğilim yine artar.(3) 2. BÖLÜM 2-1. İKİLİ ÖTEKTİK SİSTEMLER Pb-Sn sistemi ikili ötektik faz diyagramı olarak bilinir (Şekil 2-1). Bu alaşım sistemi lehimleme için yaygın olarak kullanılan alaşımlar için bir temel oluşturur. Şekil 2-1 Pb-Sn faz diyagramı(4) Pb-Sn faz diyagramını incelersek; *Üç tane tek fazlı bölge (?,ß,sıvı) vardır. Burada ? fazı katı bir çözeltidir, içinde çözünen olarak Sn bulunur. ? katı çözeltisinde çözünen olarak Pb bulunur. L + ? ? L + ? ? ?? ?? ? ? 2 0 0 T(°C) 19.2 C o , wt% Sn 20 40 6 0 8 0 10 0 0 3 00 1 00 ? ? L (SIVI) ? ? 183 °C 61.9 97.8 Bu iki katı faz içindeki çözünürlük sınırlıdır. 183°C altındaki her sıcaklık için Pb içinde sınırlı miktarda Sn çözünür (? fazı için). Sn içinde sınırlı miktarda Pb çözünür (ß fazı için). ? fazı için çözünürlük sınırı çizgisi ? ile ?+ß ve ? ile ?+sıvı arasındaki çizgidir. Bu sınır sıcaklığa bağlı olarak 19.2 Sn sınırında bir maksimuma ulaşır(183°C) ve daha sonra saf Pb ergime sıcaklığında 0 düğümüne ulaşır(327°C). ? ile ?+L(sıvı) fazları arasındaki çizgi solidus (katılaşma) ve ? ile ?+ß fazları arasındaki çizgi solvus çizgisi olarak adlandırılır. Burada ß fazı için de solvus ve katılaşma çizgisi bulunduğu dikkate alınmalıdır.(2,4,6,7) *Çözünürlük sınırlarının maksimum noktalarını birleştiren çizgi kompozisyonun eksenine paralel olarak uzanır. Bu çizgi aynı zamanda katılaşma çizgisi olarak da adlandırılır. Bu çizgi denge halinde herhangi bir Pb-Sn alaşımı için sıvının görülebileceği veya bulunabileceği en düşük sıcaklıktır. *Pb-Sn sisteminde aynı zamanda üç tane iki fazlı bölge vardır (?+ß, ?+L, ß+L ) *L(sıvı) ile ?+L ve ß+L fazları arasındaki çizgi sıvılaşma(likidus) çizgisidir. Sıvılaşma çizgilerinin ötektik noktaya doğru eğimle birleşmesinin anlamı alaşım elementi eklendikçe ergime sıcaklığının azalacağını ifade eder. Yani saf Pb içine Sn ilave edildikçe ergime sıcaklığının düştüğü sıvılaşma çizgisinden takip edilir. Bu iki sıvılaşma çizgisi ötektik noktada birleşir. Sistemde bu noktanın kompozisyonu 61.9 %Sn olarak verilmektedir. *? +ß faz alanı içinde her sıcaklık ve kompozisyonda ? ve ß katı çözeltisi birlikte bulunurlar. ?+L ve ß+L fazları da kendi bölgelerinde beraber bulunurlar. Kompozisyonlar ve fazların birbirlerine oranları bağ çizgileri ile ters kaldıraç kuralı uygulanarak bulunabilir.(Şekil-2.2) Şekil 2-2’de 40 wt % Sn – 60 wt % Pb kompozisyonuna sahip C0 bileşiminin 150°C sıcaklıktaki kompozisyon ve faz oranlarının nasıl bulunduğu incelenirse;(4) Bağ çizgisi veya manivela kuralı ile ? ve ß fazının kompozisyonu bulunur. C ? = 11wt%Sn C ? = 99wt%Sn Faz oranları ise (miktar); 99 – 40 69 ? = ———— = ———— = %67 99 – 11 88 40 – 11 29 ß = —————— = ———— = % 33 99 – 11 88 Şekil 2-2 Pb-Sn faz diyagramı da 40wt%Sn-60wt%Pb ve 150°C ötektik altı alaşımda kompozisyon ve faz oranlarının hesaplanmasının gösterimi.(4) L + ? ? L + ? ? ?? ?? ? ? 2 0 0 T(°C) 19.2 C o , wt% Sn 20 4 0 6 0 8 0 10 0 0 C o 3 00 1 00 L (SVI) ? ? 183 °C 61.9 97.8 150 11 99 R S ? ? ÖRNEK:Kurşun Kalay Denge Diyagramı yardımı ile % 33 Kalay (Sn) , % 67 Kurşun (Pb) alaşımının her faz alanındaki fazların miktarlarının ve bileşimlerinin bulunması, faz yapılarının çizilmesi.(5) Şekil 2-3 Ötektik altı alaşım ( Pb %33 Sn) 1) Bu bölgede iki farklı faz olmadığından ( yani tek bir faz olduğundan) kaldıraç yöntemi uygulanamaz. Bu bölgede faz yapısı tamamen sıvıdır. 2-2.ÖTEKTİK ALAŞIMLARDA MİKRO YAPILARIN OLUŞUMU İkili alaşımlarda yavaş soğuma şartlarında kompozisyonu farklı mikro yapılar oluşabilir.Bu yapıları faz diyagramını bölümlere ayırarak inceleyebiliriz.Burada sıkça kullanılan Pb-Sn ötektik faz diyagramını dört bölümde inceleyebiliriz.(2- 7) 2-2.1BİRİNCİ BÖLÜM:Saf metaller ile oda sıcaklığında o metalin en fazla katı çözünürlük sınırı arasıdır. Bu bölüm katı eriyik alaşımları olarak da adlandırılmaktadır. Şekil 2-4 Pb-Sn faz diyagramında birinci bölüm ve bu bölümde oluşan mikro yapıların şematik gösterimi (C o < 2wt%Sn).(4) L + ? 2 0 0 T(°C) C o , wt% Sn 1 0 2 2 0 0 C o 3 00 1 00 L ? ? 3 0 L: C o wt%Sn ? L ? : C o wt%Sn ? + ? 4 00 T E (Pb-Sn Sistem) (a) (b) (c) (d) Şekil 2-5 (a) 1wt%Sn alaşımının katılaşması(C0=1) (b) C0 bileşiminin A noktasındaki mikro yapısı (c) C0 bileşiminin B noktasındaki mikro yapısı (d) C0 bileşiminin C noktasındaki mikro yapısı.(6,7) Pb-Sn sisteminde birinci bölüm olarak adlandırdığımız bu aralık 0-2 % Sn kompozisyonuna denk gelir.Bu bölgeyi şekil 2-5.a’ da gösterilen C0 kompozisyonu üzerinde incelersek; Burada C0 kompozisyonuna sahip bir alaşım düşünelim, alaşımı yavaşça soğuttuğumuzda sıvılaşma çizgisine kadar sıvı faz bulunur. Burada C0 bileşimindeki alaşım A noktasında tamamen sıvı durumdadır ve mikro yapısı şekil 2-5.b’ de gösterilmektedir. Soğuma devam ettikçe sıvılaşma çizgisi geçildikten sonra (~330 C) katı ? fazı oluşmaya başlar.Burada soğuma devam ettikçe daha fazla katı ? oluşur.Buna ek olarak sıvı ve katı faz kompozisyonları sürekli değişir ve sırasıyla sıvılaşma ve katılaşma çizgilerini takip ederler.Bu bölgedeki B noktasındaki mikro yapı şekil 2-5.c’ de gösterilmektedir. Daha sonra sıvı+? fazında bulunan C0 bileşimi katılaşma çizgisini geçtiği anda bütün alaşım tek bir ? katı olarak katılaşır.Burada çok kristalli düzgün C0 kompozisyonlu yapı elde edilir. Bu noktadan sonra oda sıcaklığında soğuma sırasında yapıda belirgin bir değişim gerçekleşmez. Bu alaşımlar katı eriyik, pekleşme ve tane yapısını incelten katılaşma işleminin kontrolü ile mukavemetlendirilir.(4-6) İKİNCİ BÖLÜM: Oda sıcaklığında çözünürlük sınırı ile ötektik sıcaklığındaki maksimum çözünürlük sınırı arasında kalan bölgeyi inceleyelim. Bu bölge eriyebilirlik sınırını aşan alaşımları kapsamaktadır Bu aralıkta Pb-Sn sisteminin (Kurşunca zengin bölüm için) 2wt%Sn