Alüminyum alaşımlarında gaz giderme

Bu yazıda, alüminyum alaşımlarına dair bilinen en yaygın problemlerden bir tanesini ele alacağız: Hidrojen gözenekleri.

Bu problemin arkasında anlaması oldukça basit bir mekanizma yatıyor. Sıvı alüminyumun hidrojen çözebilme kapasitesi katı alüminyuma göre oldukça düşük. Teknik literatürde sunulan bilgilere göre, katılaşma sıcaklığının biraz üzerinde 100 gramlık sıvı alüminyum 0,65 cm3 gibi oldukça yüksek bir değerde gaz çözebilirken, katılaşma sıcaklığının hemen altında bu değer 0,034 cm3’e düşüyor: Burada verdiğimiz 0,65 değeri üst sınır bir değer olsa da, bu tür sınır durumlarda %95’e varan oranlarda bir çözünürlük kaybı olabildiğini görebiliyoruz [1].

Dolayısıyla, yüksek döküm sıcaklığında sıvı alüminyum içinde çözünmüş olarak bulunan hidrojen gazının büyük bir kısmı, katılaşma sırasında dışarı atılıyor. Bu da, tıpkı bir bardak kola içinde oluşan kabarcıklar gibi, sıvı içinde hidrojen kabarcıklarının oluşmasına neden oluyor. Sonuç olarak bu kabarcıkların, dökülen parça içinde gaz gözenekleri yapısında kaldıklarını görüyoruz. Tahmin edebileceğiniz gibi, parça yapısında oluşan bu boşluklar mekanik özellikleri olumsuz bir şekilde etkiliyor.

Bu gaz gözeneklerini döküm parçalardan uzak tutmak için yapabileceğimiz iki şey var: Ya hidrojenin sıvı içine girmesini engelleyeceğiz, ya da girmiş olan hidrojeni dökümden önce almanın bir yolunu bulacağız.

Hidrojeni sıvıdan nasıl uzak tutabiliriz?

Hidrojenin sıvı içine girmesini engellemek için sanayide kullanılan bazı koruyucu örtü tozları olduğunu biliyoruz. Bu örtü tozları, ocaktaki sıvının hidrojen kapmasını engellemek için eriyiğin üzerinde sıvı bir tabaka oluşturuyorlar.

Fakat bu örtü tozlarının fayda sağlayamadığı durumlar da var: Hidrojen sıvı içine esas olarak nem ile temas sonucunda giriyor. Dökümde kullanılan potalar, astarlar ve çeşitli alyajlar beklerken mutlaka yüzeylerinde bir miktar nem biriktiriyorlar. Ön ısıtma her ne kadar bu nemin giderilmesi için bir çözüm sunsa da, maliyet ve zaman kaybı gibi nedenlerle bu işlemler her zaman yapılmıyor. O nedenle bu örtü tozlarının sadece sıvı fazda yüzeyden kapılan hidrojeni durdurabileceğini ve hidrojenin bu saydığımız farklı kaynaklardan da gelebileceğini aklımızda tutalım.

Alüminyum içine hidrojen bir kere girmişse, bu sefer bu gazı dökümden önce almak için bazı yöntemlere başvurmamız gerekiyor. Şimdi teker teker kısaca bu yöntemlere bakalım.

Gaz giderme yöntemleri

Asal (inert) gaz uygulaması

Herhalde akla gelen ilk ve en basit yöntem, sıvı alüminyum içinden argon ya da azot gibi bir gaz geçirmek [2]: Sıvıyla reaksiyona girmeyen ve sıvı içinde çözünmeyen bu gazları sıvı içine verdiğimiz zaman, yüzeye doğru giden ufak kabarcıklar oluşturuyorlar: Bir pipetle su dolu bir bardağın içine üfleyerek kabarcık oluşturduğunuzu düşünün. Olan, bunun aynısı. Bu işlemin etkinliğini arttırmak için gazı sadece yüzeye değil, en dipten gelecek şekilde vermeniz gerekiyor. Yüzeye giden bu kabarcıklar, sıvı içindeki hidrojen gazını toplayarak sıvıyı temizleyebiliyorlar [3]. Gaz kullanılmayan durumlarda, bu kabarcıkları oluşturmak için hegzakloretan (C2Cl6) tabletlerinden de faydalanabileceğimizi belirtelim.

Bu yöntemin etkinliği arttırmak için yapabileceğimiz birkaç işlem var: Örneğin sıvı içine eklenen çok az miktarda Mg, alaşımın yüzey gerilimini düşürdüğü için, gaz giderme sırasında oluşan kabarcıkların çok daha büyük, dolayısıyla da geniş yüzey alanına sahip olmasını sağlıyor. Azot ya da argon kabarcıkları bu şekilde büyüdükleri zaman, işlem sonrasında yapıda kalan hidrojen miktarı daha da azaltılabiliyor [4]. O nedenle, örneğin bir Al-7Si alaşımı yerine, az miktarda Mg de içeren A356 alaşımının dökülmesi, parçanın daha iyi mekanik özellikler sergilemesini sağlayabiliyor.

Vakum yöntemi

Bu yöntemden farklı olarak vakum yöntemiyle de sıvı alüminyum alaşımları içindeki gaz seviyesinin düşürülmesini sağlayabiliyoruz. Adından da anlaşılabileceği gibi, bu yöntemde sıvı alaşım vakum altına alınarak, sıvı yüzeyinin üzerindeki basınç düşürülüyor. Gaz çözünürlüğü sadece sıcaklığa değil, aynı zamanda ortam basıncına da bağlı olarak azaldığı için, eriyik bu düşük basınç altında içindeki hidrojeni yüzeyinden kusmaya başlıyor. Bu yöntemde dökümhane içine bir vakum sistemi kurulması gerekeceği için, vakum yönteminin maliyetinin göreceli olarak yüksek olacağını anlayabiliyoruz.

Ultrasonik yöntem

Son olarak bir de ultrasonik yöntemlerle gaz gidermeden bahsedelim. Yine adından anlaşılabileceği üzere, sıvı içinde basınç dalgaları yaratarak, çok sayıda küçük oyuklar oluşmasını sağlıyoruz: Yani aslında gaz kabarcığı oluşturmak yerine, aynı mekanizmayı ses dalgaları yardımıyla devreye sokmaya çalışıyoruz. Bu şekilde oluşan minik oyukçuklar, basınç dalgalarının etkisiyle birbirleriyle çarpışarak daha büyük oyukların oluşmasına yol açıyorlar. Bu şekilde sıvı içinde oluşan gözenekler, tıpkı diğer yöntemlerde olduğu gibi sıvı içindeki hidrojeni temizleyerek yüzeye gidiyorlar.

Bu yöntemin bahsetmemiz gereken birkaç güzel yönü var: Her şeyden önce çevreye verdiği zararın oldukça düşük olması açısından oldukça güzel bir proses olduğunu söyleyebiliriz. Ayrıca gaz giderme sırasında bir karıştırıcı kullanılmıyor olması nedeniyle, sıvı yüzeyinde oluşan oksit tabakasını sıvının içine karıştırma gibi yan etkileri bulunmuyor. Teknik literatürde sunulan bilgilere bakılırsa, bu yöntem aynı zamanda sıvı içinde bulunan inklüzyonların temizlenmesine de yardımcı olabiliyor [5].

Gaz giderme sonrasında yeniden gaz girişi

Literatüre baktığımız zaman, alüminyum alaşımlarında gaz giderme için kullanabileceğimiz çeşitli yöntemler üzerine sayısız araştırma yapıldığını görüyoruz. Bu araştırmalar, sıvı içindeki gazın nasıl giderilmesi gerektiği konusunda yeterli düzeyde bilgi sunmalarına rağmen, gaz giderme sonrasında sıvının tekrar gaz kapma eğilimi konusuna pek dikkat etmiyorlar. Fakat literatürde sunulan bilgilere bakılırsa, böyle bir durum gerçekten de gözlenebiliyor.

Burada anlamamız gereken önemli nokta şu: Sıvı içinde hidrojenin bulunması gereken bir yakın-denge (quasi-equilibrium) konsantrasyonu var. Bu değer, sıvının kompozisyonu, sıcaklığı ve ortam basıncı gibi değerelere bağlı olarak değişiklik gösterebiliyor.

Örneğin Baena’nın [1] çalışmasına baktığımız zaman 20°C ortam sıcaklığında eritilen A356 alaşımı için bu yakın-denge konsantrasyonunun 0,17 cm3/100g olduğunu görüyoruz. 16°C ortam sıcaklığında dökülen A380 alaşımı içinse bu değer 0,11 cm3/100g olarak verilmiş.

Yapılan çalışmada, hidrojen konsantrasyonu bu değerin altına çekilecek şekilde gaz giderme yapıldığında, sıvı alaşımın yaklaşık 40 dakikalık bir süre zarfında bu yakın-denge konsantrasyonuna ulaşacak şekilde tekrar gaz kapabildiği gösteriliyor. (Çalışmada 4 kilogramlık eriyikler kullanılmış.) Fakat eğer gaz giderme sonrasında sıvıdaki gaz konsantrasyonu bu yakın-denge değerinin üzerinde kalırsa, sıvı alaşım tekrar gaz kapmadan bekletilebiliyor.

O nedenle gaz giderme sırasında bu bekleme süresinin de dikkate alınması ve bu tür durumlarda iki aşamalı bir gaz giderme işleminin kullanılması tavsiye edilebilir. Bu konuda ayrıntılı bilgi isteyen okurlarımız, aşağıda bilgileri bulunan Baena’nın [1] çalışmasına göz atabilirler.

Kaynaklar ve ek bilgiler

Kinetics of ultrasonic degassing of aluminium alloys. N.A. Baena, D. Eskin. Light Metals (2013) 957-962.
A scientific basis for degassing of aluminium. G. K. Sigworth. AFS Transactions, Vol. 95 (1987) 73–78.
Effects of degassing and fluxing on the quality of Al-7%Si and A356.2 alloys. T.S. Shih, K.Y Wen. Material Transactions, Vol. 46 (2005) 263-271.
Effect of a degassing treatment on the quality of Al-7Si and and A356 melts – Degassing diffusers. T.S. Shih, K.Y. Weng. Materials Transactions, Vol. 45 (2004) 1852-1858.
New trends in aluminium degassing – A comparative study. H. Puga, J. Barbosa, E. Seabra, S. Ribeiro, M. Prokic. 4th International Conference on Advances and Trends in Engineering Materials. AES – ATEMA (2009) Hamburg.

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.)