Al-Si alaşımlarında nadir toprak elementlerinin etkileri

Bu yazıda, alüminyum döküm sanayiinde en büyük üretim hacmine sahip olan Al-Si alaşımlarına geri dönüyoruz. Hatırlarsanız, daha önceki yazılarda bu alaşımlara uygulanan ötektik modifikasyon üzerine çeşitli yazılar yayımlamıştık. Normalde plaka yapısını andıran ve sivri köşelere sahip olarak ayrışan ötektik silisyum, ufacık bir Sr takviyesiyle hem elyafımsı bir yapıya bürünüyor, hem de malzeme içinde görmekten pek hoşlanmadığımız sivri köşelerinden arınarak yuvarlaklaşıyordu. Daha önce bu yazılara denk gelmemiş okuyucularımız bu bağlantıdan bilgi alabilirler.

Bu yazıda nadir toprak elementleri üzerinde duracağız. Daha doğrusu nadir toprak elementlerini kullanarak, stronsyum ya da sodyumun ortaya çıkardığı etkinin bir benzeri elde edilebilir mi sorusuna cevap arayacağız. Metalurji tarihiyle aşina olan okuyucularımız biliyordur: Bu modifikasyon konusunun hikayesi, 1921 senesinde Macar asıllı Aladar Pacz adındaki bir metalurjistin yaptığı bir patent başvurusuna dayanıyor [1]. Pacz’ın yaptığı patent başvurusunda, %5 ila %15 arasında silisyum içeren alüminyum alaşımlarına alkali florür bazlı flakslar (sodyum florür gibi) eklendiğinde, dökülen parçaların uzama değerlerinde bir artış olduğu ve işlenebilirliklerinin arttığı belirtiliyor. Pacz’ın elde ettiği bu iyileştirmenin kökeninde, yukarıda bahsettiğimiz ötektik silisyum parçacıklarının biçimsel bir modifikasyona girmiş olmaları yatıyor.

Bu keşfin ardından, bu etkiyi yaratabilecek, kullanımı daha güvenli ve kolay olan farklı elementlere yönelik bir arayış başlıyor. Bugün geldiğimiz noktada alüminyum dökümhanelerinde bu iş için az miktarda (100 – 250 ppm) stronsyum (Sr) kullanıldığını biliyoruz.

Peki, metalurjinin pek çok farklı alanında kendine kullanım alanı bulan nadir toprak elementleri? Bu elementler de acaba ötektik modifikasyon amacıyla kullanılabilir ve bir avantaj sağlayabilir mi?

Sr’ye bir alternatif aramak neden?

Bu iş için hâlihazırda kullanılan ve oldukça iyi sonuçlar verebilen stronsyum gibi bir element varken, durduk yerde icat çıkartıp başka elementler aramak neden? Çünkü Sr’nin de kendine özgü bazı problemli yönleri var: Örneğin dozunu biraz fazla kaçırdığımız zaman, alüminyum ve silisyum ile birleşip istenmeyen intermetalik fazların (Al2SrSi2 ve Al4SrSi2 gibi) oluşmasını sağlayabiliyor. Ayrıca ötektik üstü alaşımlarda görülen birincil silisyum parçacıklarını inceltmek için eklenen fosfor ile birlikte kullanılmasında da sıkıntılar olduğunu biliyoruz.

Nadir toprak elementerinin etkileri

Şimdi kısaca literatürde sunulan bilgilere dayanarak nadir toprak elementlerinin etkilerini bir derlemeye çalışalım. İlk olarak şunu söylememiz lazım ki, stronsyum kadar düşük seviyede eklenip de benzer bir etki ortaya çıkartabilen bir nadir toprak elementi yok. Ayrıca teknik literatüre göre, birçok nadir toprak elementi ötektik silisyumu bir şekilde etkiliyor olsa da, stronsyumun ortaya çıkarttığı kadar temiz bir modifikasyon etkisini tek başına ortaya çıkartabilen element sayısı da çok sınırlı. Örneğin Nogita [2], Ce, La, Eu, Gd, Dy, Tb, Er, Pr, Sm, Nd, Ho, Ym ve Tm gibi birçok nadir toprak elementini teker teker ekleyerek etkilerini inceleme yoluna gitmiş. Ortaya koyduğu sonuç ise oldukça enteresan: Tüm bu element arasında, sadece 600 ppm seviyesindeki europiumun (Eu) tek başına eklendiği zaman tam anlamıyla bir modifikasyon etkisi yaratabildiği görülüyor. Diğer elementler de bir şekilde ötektik silisyum ile etkileşiyorlar, fakat tam anlamıyla bir modifikasyon etkisi ortaya çıkartamıyorlar.

Ötektik altı ve üstü alaşımlarda yapılan çalışmalarda ise varılan genel sonuç, %1 oranında eklenen La’nın, 100 ppm Sr eklenmesine denk bir etki çıkarttığı yönünde [3, 4]. Fakat bu çalışmalarda da silisyum parçacıklarının inceldiğini, ama yine tam anlamıyla bir modifikasyon etkisinin elde edilemediği görüyoruz. Örneğin Li’nin çalışmasında da %1 oranında eklenen La ve Ce’nin silisyum parçacıklarını incelttiği ama modifiye edemediği göze çarpıyor [5]. Modifikasyonun olmadığı bu incelme etkisini aşağıdaki mikroyapı fotoğrafları üzerinde görebilirsiniz.

Bu noktada kısa bir özet yapmak istersek, bu araştırmaların aslında stronsyumun yerini alabilecek bir alternatif üretemediklerini söyleyebiliriz. Fakat bu araştırmaların sonuçlarına göre, birkaç elementi karıştırarak kullandığımız zaman enteresan sonuçlar elde edebiliyoruz. Örneğin Mousavi’nin [4] çalışmasında, La, Ce, Pr ve Nd’nin karışımından oluşan bir mischmetal kullanılarak modifikasyon etkisi elde edilebildiği görülüyor. Üstelik bu karışımın ince kesitler için %0,1, kalın kesitler ise %0,3 oranında kullanılmasının yeterli geldiği belirtiliyor. Farklı bir çalışmada ise ötektik üstü alaşımlara La eklendiğinde, fosforun birincil silisyum parçacıkları üzerindeki inceltici etkisinin daha da kuvvetlendiğini görüyoruz [6].

Son olarak Alkahtani’nin [7] çalışmasına baktığımız zaman, Ce ve La gibi elementlerin ancak %1,5’in üzerinde eklendikleri zaman modifikasyona yakın bir etki sağlayabildiklerini gözlemliyoruz. Fakat bu iki element de Sr ile reaksiyona girme eğiliminde olduğu için, Sr ile birlikte kullanılmaları durumunda modifikasyon etkisinin zayıfladığını, yine bu çalışmada sunulan sonuçlar arasında görebiliyoruz.

Kaynaklar ve ek bilgiler

  1. A. Pacz. US Patent No: 1,387,900. 16 Ağustos 1921.
  2. K. Nogita, S.D. McDonald, A.K. Dahle. Eutectic modification of Al-Si alloys with rare-earth metals. Materials Transactions Vol. 45, No. 2 (2004) 323-36.
  3. J. Zhang, H. Chen, H. Yu, Y. Jin. Study on dual modification of Al – 17% Si alloys by structural heredity. Metals 5 (2015) 1112-26.
  4. G.S. Mousavi, M. Emamyn, J. Rassizadehghani. The effect of mischmetal and heat treatment on the tensile properties of A357 Al-Si casting alloy. Materials Science and Engineering A 556 (2012) 573-81.
  5. H.J. Li, S. Shivkumar, X.J. Luos, D. Apelian. Influence of modification on the solution heat treatment response of cast Al-Si-Mg alloys. Cast Metals 1 (1989) 227-34.
  6. Z.Y. Ouyang, X.M. Mao, M. Hong. Multiplex modification with rare earth elements and P for hypereutectic Al-Si alloys. Journal of Shangai University (English Edition) Vol 11 (2007) 400-02.
  7. S.A. Alkahtani, E.M. Elgallad, M.M. Tash, A.M. Samuel, F.H. Samuel. Effect of rare earth metals on the micrsotructure of Al-Si based alloys. Materials 9, 45 (2016) 1-13.

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.)