Alüminyum-silisyum alaşımlarının ötektik modifikasyonu

Bu yazıda, sanayide en çok dökülen alüminyum alaşımı olarak nitelendirebileceğimiz alüminyum-silisyum (Al-Si) alaşımların özelliklerini önemli ölçüde etkileyen bir element üzerinde duracağız: Stronsiyum (Sr).

Oldukça hafif bir malzeme olması nedeniyle alüminyum alaşımları otomotiv ve özellikle havacılık sektöründe gittikçe artan miktarda kullanım alanı buluyor. Tabii bu tür uygulamalarda kullanılabilmesi için bir malzemenin sadece hafif olması yetmiyor: aynı zamanda uygulamanın gereksinimlerini karşılayabilecek mekanik özellikleri de sergileyebilmesi gerekiyor. İşte bu yazıda üzerde duracağımız stronsiyum, Al-Si alaşımlarının mikroyapısını, bunun sonucu olarak da mekanik özelliklerini önemli ölçüde etkileyebilen bir element. Konunun ayrıntısına girmeden önce, ilk olarak Sr’nin nasıl bir etki ortaya çıkardığına bakalım.

(A) Al-%10 Si alaşımının mikroyapısı; (B) aynı alaşımın 200 ppm Sr eklendikten sonraki mikroyapısı (Kaynak: Timpel, Wanderka et al: The role of strontium in modifying aluminium-silicon alloys).

Yukarıda (A) ile gösterilen soldaki resimde %10 oranında silisyum içeren, ötektik altı bir Al-Si alaşımının mikroyapısı gösteriliyor. Açık renkli ve birbirine bağlı görünen yapılar, α-Al olarak tanımladığımız alüminyum dendritlerinin kesitleri. Bu dendritler arasında kalan ve iğnemsi olarak görünen koyu renkli yapı ise, ötektik reaksiyon sonucunda ortaya çıkan silisyum tabakaları. Tabaka yapısındaki bu silisyum parçaları, kesilip parlatılmış bir yüzey üzerinde yukarıdaki resimde olduğu gibi iğnemsi bir yapıda görünüyorlar. Yukarıda (B) ile gösterilen sağdaki resimde ise, 200 ppm oranında Sr takviyesinin aynı alaşımda yarattığı değişim gösteriliyor. Dikkat ederseniz α-Al dendritleri üzerinde önemli bir etki göze çarpmamasına rağmen, ötektik silisyum tabakaları çok daha incelmiş ve tabakadan ziyade elyafımsı bir yapıda ortaya çıkmış durumdalar.

Al-Si alaşımlarında Sr’nin etkisini bu fotoğraflar üzerinde tekrar bir özetleyelim: Döküm öncesinde sıvı alaşıma eklenen eser miktarda Sr, ötektik silisyum tabakalarının ince elyaf yapısına kavuşmalarına yol açıyor. Hem malzemenin dayancını, hem de sünekliğini olumsuz şekilde etkileyen bu sert Si tabakaları Sr sayesinde ince fiber yapısında ortaya çıkınca, ister istemez malzemenin hem dayancında, hem de sünekliğinde önemli bir artış elde ediyoruz.

Bu tür bir etki sadece Sr ile değil, sodyum (Na) ya da antimon (Sb) gibi elementlerle, ya da soğuma hızını arttırarak da elde edilebiliyor. Fakat kokil ve basınçlı dökümde soğuma hızı üzerinde önemli bir kontrol şansı olmaması ve eser miktarda Sr’nin bu etkiyi ortaya çıkartabilmesi nedeniyle, sanayide bu amaçla yaygın şekilde Sr’nin tercih edildiğini görüyoruz. Aynı zamanda Sr’nin modifiye edici etkisinin sodyuma göre daha uzun sürmesi de, bu elementin tercih edilme nedenlerinden bir diğeri.

Ötektik üstü alaşımlarda modifikasyon

Yukarıdaki mikroyapı fotoğrafları, katılaşmanın α-Al dendritleriyle başladığı ötektik altı alaşımların genel durumunu temsil ediyor. Tabii bu noktada, bu alaşımlara aşinalığı olan birçok kişinin aklına, ötektik üstü alaşımlarda ortaya çıkan birincil silisyum parçacıklarının bu modifikasyondan nasıl etkileneceği sorusu geliyor olabilir. Stronsiyum, bu birincil silisyum parçacıklarının boyutları üzerinde de bir incelme etkisi yaratıyor. Fakat bu parçacıkların özellikle inceltilmek istenildiği durumlarda, stronsiyuma ek olarak, alaşım içine bir miktar fosfor da ekleniyor. Teknik literatürde sunulan çeşitli çalışmalarda, birincil silisyum parçacıklarının AlP üzerinde çekirdeklendiğine dair bulgular görebiliyoruz. Bu nedenle stronsiyuma ek olarak az miktarda fosfor da kullanılması, bu büyük silisyum parçacıklarının hem incelmelerini, hem de yapıda daha homojen bir şekilde dağılmalarını sağlayabiliyor.

(A) %18 oranında Si içeren ötektik üstü Al-Si alaşımının mikroyapısı; (B) aynı alaşımın 50 ppm P ve 200 ppm Sr eklendikten sonraki yapısı (Kaynak: Helal, Stone et al. Simultaneous primary Si refinement and eutectic modification in hypereutectic Al-Si alloys).

Fakat literatürdeki bilgilere baktığımızda, fosfor ve stronsiyumu aynı anda ekleyerek hem birincil, hem de ötektik silisyum parçacıklarının modifiye edilemediğini görüyoruz. Bu zorluğunu üstesinden gelmek amacıyla, fosfor eklenmiş ötektik üstü alaşımla, stronsiyum eklenmiş ötektik kompozisyona sahip alaşımları karıştırarak, iki aşamalı bir döküm yaklaşımının geliştirilmesi üzerine çalışmalar yapıldığını görüyoruz. Böyle bir çalışmanın sonuçlarını yukarıdaki mikroyapı resimleri üzerinde görebilirsiniz. Karıştırılarak üretilmiş bir alaşımdaki sadece 50 ppm fosfor ve 200 ppm stronsiyum, hem birincil, hem de ötektik silisyum parçacıklarının yapısını inceltebiliyor. Teknik literatürde sunulan verilere göre bu modifikasyon bu tür ötektik üstü bir alaşımın çekme dayanımında %15 oranında bir artış sağlayabilirken, sünekliğin ise iki katına çıkmasına yol açabiliyor.

Kaynaklar ve ek bilgiler

İçerik hazırlığında kullanılan tüm kaynakların listesi için bu bağlantıyı takip edebilirsiniz.

Yazan: Dr. Arda Çetin. (Dökümhane Akademi ekibi hakkında ayrıntılı bilgi için bu bağlantıyı takip edebilirsiniz.)