Al-Si alaşımlarında çözeltiye alma sıcaklığının silisyumun yapısına etkisi

Dökümhane sitesinde yer alan önceki yazılarda, alüminyum-silisyum alaşımları üzerine temel bir giriş yapmıştık. Bu yazılarda özellikle alüminyum-silisyum (Al-Si) alaşımları üzerinde duruyoruz, çünkü sergiledikleri özellikler nedeniyle tüm alüminyum alaşımları içinde Al-Si alaşımlarının ayrı bir yeri var. Örneğin, şu anda otomotiv sektörü için dökülen alüminyum alaşımlarının neredeyse %90 gibi bir oranının Al-Si bazlı alaşımlardan üretildiği göz önüne alınırsa, Dökümhane sitesinde bu alaşımlara neden bir ayrıcalık verdiğimiz de anlaşılabilir. Tabii bu alaşımlar sadece alüminyum ve silisyumdan oluşmuyor: Alaşımlarda değişen miktarlarda bakır (Cu), magnezyum (Mg) ve mangan (Mn) gibi alaşım elementleri de bulunuyor. Fakat alaşımın temel yapısını alüminyum ve silisyum elementleri oluşturuyor.

Bakır ve magnezyum elementleri, alüminyum alaşımlarını ısıl işlem görebilir bir hale getirdiği için kullanılıyor. Bu tüm alüminyum alaşımı üreten dökümcüler tarafından bilinen bir gerçek olsa da, burada bir noktayı açıklığa kavuşturmak gerekiyor: Alaşım ısıl işlem görebilir hale geliyor derken, alaşımı çözeltiye alıp su vererek ve ardından yaşlandırarak, malzemenin dayancını arttırmaktan bahsediyoruz. Yani yüksek sıcaklıkta elde ettiğimiz katı çözeltiyi ilk olarak hızlıca soğutuyoruz. Ardından, düşük sıcaklıkta aşırı doymuş hale gelen bu katı çözeltiyi yaşlandırma (İngilizce: ageing) işlemine tabi tutarak, çok ufak yapıda çökeltilerin oluşmasını ve bu şekilde malzemenin dayancını arttırmayı hedefliyoruz.

Bu ısıl işlem süreçlerinin ayrıntılarından ilerleyen yazılarda bahsedeceğiz. Fakat burada dikkatimizi çoğu zaman gözden kaçabilen bir noktaya vermek istiyoruz: Biz dikkatimizi ısıl işlem sonucunda oluşan çökeltilere vermişken, yapıda bulunan esas alaşım elementi silisyum ısıl işlemden nasıl etkileniyor?

Isıl işlem sıcaklığı ve silisyumun yapısı

Al-Si alaşımlarındaki temel alaşım elementi olan silisyumun biçimsel özellikleri, alaşımın mekanik özelliklerini önemli bir şekilde etkiliyor. Herhangi bir tane inceltici ya da modifiye edici kullanılmadan döküldüğünde plaka yapısı sergileyen ötektik silisyum parçacıklarını, çeşitli işlemlerle küçültüp küreselleştirebiliyoruz. Fakat eğer bu tür bir işlem yapmadan alaşımı direkt olarak kalıba dökersek, o zaman silisyumun büyük plakalar halinde ortaya çıktığını gözlemliyoruz. Örnek olarak aşağıdaki resimde, direkt kum kalıba dökülmüş ve tane inceltici ya da modifiye edici kullanılmamış bir Al-Si-Cu alaşımındaki silisyum parçacıklarının yapısını görebilirsiniz. Tahmin edebileceğiniz üzere, silisyumun bu şekilde büyük plakalar halinde yapıda yer alması, mekanik özellikler açısından olumsuz bir etki ortaya çıkartıyor.

Kum kalıba dökülmüş Al-Si-Cu alaşımında ötektik silisyum plakaları. Solda: mikroyapı görüntüsü. Sağda: derin dağlanmış bir numunede silisyum plakalarının yapısı açık bir şekilde görülüyor.

Herhangi bir tane inceltici ya da modifiye edici kullanılmadığında plaka yapısı sergileyen silisyum parçacıkları, doğal olarak, ısıl işlem sırasında biçimsel olarak değişebiliyor. Fakat bu parçacıkların şeklini ne oranda değiştireceği, çözeltiye alma işleminde uygulanan sıcaklığa ve işlemin süresine ciddi şekilde bağlılık gösteriyor. Bu biçimsel değişim sırasında silisyum plakalarının ilk olarak ufak parçalara ayrıldığını, ardından gelen ikinci adımda ise, bu ufak parçaların küreselleşmeye başladıklarını görüyoruz. Bu iki adımın da peş peşe gerçekleşebilmesi için, çözeltiye alma sıcaklığının yeterince yüksek ve ısıl işlem süresinin de yeterince uzun olması gerekiyor. Örneğin yukarıda bahsettiğimiz Al-Si-Cu alaşımı 505°C’de 4 saatlik bir işlemle çözeltiye alındığında, silisyum plakalarında bir miktar ayrışma olduğunu, fakat küreselleşmenin henüz başlamadığını görüyoruz.

505°C’de 4 saat süreyle çözeltiye alınmış bir alaşımda silisyum plakalarının yapısı. Solda: mikroyapı fotoğrafı. Sağda: derin dağlanmış numune silisyum tabakalarının yapısı.

Aynı malzemeyi, sıcaklığı sadece 10°C arttırarak 515°C’de 4 saatlik bir işlemle çözeltiye aldığımızda, bu sefer silisyum parçacıklarının hem ayrıştıklarını, hem de ciddi bir şekilde küreselleştiklerini görüyoruz. Yani sadece 10°C’lik bir fark bile mikroyapı ve dolayısıyla mekanik özellikler açısından ciddi bir fark ortaya çıkartabiliyor.

515°C’de 4 saat süreyle çözeltiye alınmış bir numunede küreselleşmiş silisyum parçacıkları. Solda: mikroyapı fotoğrafı. Sağda: derin dağlanmış bir numune silisyumun dallantılı yapısı daha açık görülüyor.

Son olarak, aynı işlem 525°C’de 4 saat boyunca yapıldığında nasıl bir durumla karşılaşıyoruz, ona bakalım. Sıcaklık daha da arttığı için, doğal olarak küreselleşme açısından bir problem görmüyoruz. Fakat bu yüksek sıcaklık, küreselleşen silisyum parçacıklarının aynı zamanda bir miktar büyümelerine de neden oluyor. Yani ısıl işlem sıcaklığındaki bu kadar ufak bir fark bile, bu parçacıkların boyutlarını ve dolayısıyla da elde edilecek mekanik özellikleri etkileyebiliyor.

525°C’de 4 saat süreyle çözeltiye alınmış alaşımda küreselleşmiş ve büyümüş silisyum parçacıkları. Solda: mikroyapı fotoğrafı. Sağda: silisyumun dallantılı yapısı daha açık görülüyor.

Sonuç

Bu değerlendirmede dikkate aldığımız alaşımda herhangi bir tane inceltici ya da modifiye edici kullanılmadığı için, ısıl işlem parametrelerinin silisyum parçacıklarının biçimsel özelliklerini nasıl etkilediğini direkt olarak gözleme şansı bulabiliyoruz. Fakat sanayide kullanılan üretim süreçlerinde ötektik silisyum parçacıklarını küreselleştirmek için çeşitli işlemler uygulandığını daha önce yayımladığımız bu yazıda ele almıştık. Fakat burada ele aldığımız durum öyle gösteriyor ki, silisyum parçacıklarının ısıl işlem parametrelerinden ne kadar hassas bir şekilde etkilendiğine dikkat etmemizde büyük fayda var. Bu hassasiyeti göz önüne dikkatli bir şekilde alabilirsek, üretim süreçlerinde kullanılan Sr miktarı üzerinde düşünmemiz ve mikroyapı optimizasyonu için daha farklı yaklaşımlar geliştirmemiz mümkün olabilir.

Kaynaklar ve ek bilgiler

1. E. Tillova, M. Chalupova, L. Hurtalova (2012) Evolution of Phases in a Recycled Al-Si Cast Alloy During Solution Treatment, Scanning Electron Microscopy, Dr. Viacheslav Kazmiruk (Ed.), ISBN: 978-953-51-0092-8, InTech.

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.)