Alüminyum alaşımlarında intermetaliklerin yapılarına giriş

Dökümhane sitesinde ele aldığımız malzemeler, aslında doğaları gereği oldukça karmaşık yapılar sergiliyorlar. Dökümcülük her ne kadar birçok kişi tarafından yıllanmış ve şifresi çözülmüş bir alan gibi algılansa da, dökümhane mühendislerinin bildiği gibi endüstriyel ölçekte kontrolü zor ve karmaşık malzemelerle uğraşıyoruz.

Örneğin alüminyum: Kulağa sanki anlaşılması basit ve yalın bir malzeme gibi geliyor belki. Ama sergilediği çok fazlı yapı ve eser miktarda elementlerin oluşturduğu çeşitli intermetalik bileşiklerin karmaşık etkileri, alüminyum dökümünün büyük bir ciddiyetle ve ince bir mühendislik işi olarak ele alınmasını gerektiriyor.

Basit bir örnek vermek adına Al-Si alaşımlarını ele alalım. Alüminyum içindeki silisyum parçacıklarının yapıda çözünmek yerine ikinci bir faz halinde çökeliyor olmaları, zaten bu malzemeyi aslında bir kompozit malzeme haline getiriyor: Çünkü iki ayrı faz, birbirinden net sınırlarla ayrılarak katılaşıyor. Üstüne üstlük bir de bu silisyum parçacıklarının soğuma hızı yanında tane inceltici ya da ötektik modifikasyon gibi kimyasal etkilere bağlı olarak biçim değiştiriyor olmaları, bu malzemenin aslında pek de kolay bir malzeme olmadığını bir başka açıdan gösteriyor.

Alüminyum alaşımlarını zor kılan bir diğer etken ise, yapıda karşımıza çıkan ufak intermetalik parçacıklar. Alaşım içinde eser miktarda bulunan elementlerin ortaya çıkartabildiği bu minik yapılar, boyutlarının aksine alaşımın mekanik özellikleri üzerinde oldukça büyük etkiler yaratabiliyorlar. Bu yazıda, ne tür parçacıklardan ve yapılardan bahsettiğimizi göstermek ve konuya basit bir giriş yapmak adına Al-Si-Mg-Mn alaşımlarında karşımıza çıkan iki parçacığın yapısına biraz yakından bakacağız: Mg2Si ve Al6Mn.

Çin alfabesinin alüminyumda ne işi var?

İlk olarak Mg2Si ile başlayalım: Bu faz, Mg içeren Al -Si alaşımlarında iskeleti andıran bir yapı halinde katılaşıyor. Mikroskop altında baktığımız zaman, sanki Çin alfabesinden alınmış bir harfi de andırdığı için, bazı kaynaklarda bu fazdan Chinese script adıyla bahsedildiğini de görebilirsiniz. Oldukça kırılgan bir yapı sergileyen bu fazın yapıda bulunması en yüksek çekme dayanımını 150 MPa mertebesine, uzama değerlerini ise %1 civarına kadar düşürebiliyor. Yanda gösterilen ve Mrowka-Nowotnik’in [1] çalışmasından alınan mikroyapı resminde, 6082 alaşımında bu fazın nasıl bir yapı sergilediğini görebilirsiniz. Yapıda β olarak gösterilen diğer bileşik ise, demir de içeren β-Al5FeSi intermetalik parçacığı.

Mg2Si fazı böyle bir mikroyapı resmi üzerinde her ne kadar Çin alfabesinden alınmış bir harfi andırsa da, ölçeği biraz arttırıp daha yakından baktığımız zaman, bu fazın aslında yan yana dizilmiş plakalar halinde bir yapı sergilediğini görüyoruz. Metalurji ile aşina olan okuyucularımız kolaylıkla anlamışlardır: Aslında bu dizilmiş plakalar, bildiğimiz ötektik yapının oluştuğunu gösteriyor: Yani katmanlar halinde sıralanmış bir Al-Mg2Si ötektiği var karşımızda. Fakat şunu da özellikle vurgulamamız lazım: Bu faz her zaman plaka yapısında katılaşmıyor. Alaşımı yüksek bir soğuma hızı altında katılaştırdığımız zaman, küreselleşme eğilimi de gösterebiliyor.

Soğuma hızının etkisi

Bu son cümle üzerinde biraz daha durmamız faydalı olabilir: Eğer hızlı katılaşma koşullarını elde edebilirsek, herhangi bir kimyasal takviye kullanmaya gerek kalmadan bu parçacıkları küreselleştirme fırsatı bulabildiğimizi söylüyoruz. Bu mekanik özellikler açısından iyi bir haber. Fakat burada bahsettiğimiz yüksek soğuma hızlarının gerçekten de yüksek değerlere tekabül ettiğini belirtmemiz lazım. Örnek olarak kokil döküm ile bu etkiyi elde etmemiz oldukça zor. Ancak saniyede 1000°C’ye varan soğuma hızlarının elde edilebildiği ikiz merdane döküm yönteminde Mg2Si parçacıklarının gerçekten de küresel bir yapı sergilemeye başladıklarını görebiliyoruz.

Soğuma hızının, yapısında önemli bir değişiklik yaratmadığı bazı parçacıklarda var. Bunu özellikler vurgulamakta fayda olabilir, çünkü soğuma hızının artması mutlaka bütün parçacıkların yapısını inceltecek diye bir kural yok. Örnek olarak yukarıda gösterilen mikroyapı resimlerinde (a) kokil döküm, ve (b) ikiz merdane döküm yöntemleriyle üretilen alaşımlarda Al6Mn parçacıklarının yapısı gösteriliyor [2]. Resimde de görülebileceği üzere soğuma hızının nispeten yavaş olduğu kokil dökümde çubuğumsu yapısı sergileyen bu faz (solda, a), soğuma hızının çok daha yüksek olduğu ikiz merdane döküm parçalarda biraz küreselleşiyor (sağda, b). Fakat bu değişime rağmen ölçek bazında baktığımızda, bu parçacıkların soğuma hızından önemli bir şekilde etkilenmiş olduklarını söyleyemeyiz.

Kaynaklar ve ek bilgiler

Intermetallic phase particles in 6082 aluminium alloy.G. Mrowka-Nowotnik, J. Sieniawski, M. Wierzbinska. Archieves of Materials Science and Engineering. Vol. 28 (2007) 69.
Effect of cooling rates during solidification of Al-5.5%Mg-2.3%Si-0.6%Mn and Al-13%Mg2Si pseudo-binary alloys on their secondary-particle morphology and tear toughness. D. Shimosaka, S. Kumai, F. Casarotto, S. Watanabe. Materials Transactions. Vol. 52 (2011) 920.
Casting aluminum alloys.V.S. Zolotorevsky, N.A. Belov, M.V. Glazoff. Elsevier (2007).
Mechanical and microstructural characterisation of A356 castings realised with full and empty cores. M. Merlin, G.L. Garagnani. Metallurgical Science and Technology. Vol. 27-1 (2009) 21.

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.)