Alüminyum yüksek basınçlı dökümde fosforun etkisi

Daha önce Dökümhane’de, alüminyum silisyum alaşımlarındaki ötektik modifikasyon üzerine çeşitli yazılar yayımlamıştık. Dikkatli okuyucularımız hatırlayacaktır: Ötektik ve ötektik üstü kompozisyona sahip alaşımlarda ortaya çıkan büyük, birincil silisyum parçacıklarının Sr ya da Na gibi elementlerle yapılan modifikasyondan etkilenmediğini, o nedenle bu parçacıkları inceltmek için fosfordan faydalandığımızı belirtmiştik.

Şimdi bu yazıda dikkatimizi ülkemizde oldukça yaygın bir şekilde kullanılan yüksek basınçlı döküm teknolojisine verip, yüksek basınçlı dökümde fosforun nasıl bir etki ortaya çıkardığını anlamaya çalışacağız.

Yüksek basınçlı dökümde birincil silisyum parçacıkları

Fosfora ek olarak, bu büyük birincil silisyum parçacıklarını inceltmenin bir diğer yolu da, alaşımın hızlı soğumasını sağlamak: Yani yüksek basınç altında soğutmak. Zaten bu nedenle yüksek basınçlı döküm yöntemiyle üretilen parçalarda, bu birincil silisyum parçacıklarının zaten incelmiş olduklarını gözlemliyoruz. Teknik literatürde sunulan verilere baktığımızda, bazı kaynaklar yüksek basınçlı döküm yönteminde fosfor kullanılmasına gerek olmadığını belirtiyorlar [1]. Fakat bazı kaynaklar, yüksek basınçlı dökümde fosforun birincil silisyum parçacıklarını ekstradan %50’ye varan bir oranda inceltebildiğine işaret ediyor [2]. Bu veriler arasında bir çelişki olup olmadığını anlamak için, biraz konunun derinine inelim.

Yukarıdaki resimde (a) fosfor eklenmeden kokil dökümle üretilmiş bir ötektik alaşımın mikroyapısı ve, (b) aynı alaşımın 30 ppm fosfor ilavesi ve basınçlı döküm sonrasındaki mikroyapısı gösteriliyor [2]. Her iki resimde de birincil silisyum parçacıkları, gri, köşeli parçacıklar halinde görünüyor. (İki resim arasındaki ölçek farkında dikkat ediniz.)

Bu çalışmada [2] sunulan verilere göre, çubuk formunda eklenen kırmızı fosfor takviyesi fosforsuz dökülen alaşıma kıyasla bir fark ortaya çıkarmamasına rağmen, Al-15Fe-P formunda eklenen fosfor, yüksek basınçlı dökümde silisyum parçacıklarının boyutlarını ortalama %45 oranında inceltiyor (fosforsuz ortalama boyut = 3,8 μm, 30 ppm fosfor takviyesi sonrasında ortalama boyut = 2,1 μm).

Her ne kadar teknik literatürde yayımlanmış bir çalışma da olsa, biz yine de kuşkuculuğumuzu elden bırakmadan şu noktayı bir açıklığa kavuşturalım: Bu çalışmada, fosfor takviyesi sonrasında döküme gitmeden sıvının ne kadar bir süre bekletildiğine dair bir bilgi bulunmuyor. Fosfor takviyesi sonrasında esas inceltici etkiyi ortaya çıkaran AlP parçacıklarının zaman geçtikçe topaklanarak, inceltici etkilerini yitirdiklerini biliyoruz. O nedenle kırmızı fosfor eklendiğinde ekstra bir incelmenin ortaya çıkmamış olmasını, spekülatif bir yorum olsa da, daha uzun süre beklenmiş olmasıyla açıklamamız mümkün olabilir. Daha doğrusu, bu konuda net bir bilgi sahibi olmadan, bu iki yöntemin kıyaslamasını sadece eklenen yüzdelere bakarak kıyaslamamız doğru olmaz dememiz lazım. Böyle bir kıyaslama yapılabilmesi için, mutlaka bekleme süresinin de dikkate alınması gerekir. O nedenle bu araştırmada sunulan bu bilgiyi bir soru işaretiyle birlikte aklımızda tutmamızda fayda var.

Yüksek basınçlı dökümde fosfor gerekli mi?

Burada sorulması gereken bir diğer soru da, fosfor takviyesi olmadan 3,8 μm ortalama boyuta sahip olan silisyum parçacıklarını, fosfor takviyesiyle 2,1 μm ortalama boya indirmemizin mekanik özellikleri ne şekilde etkileyeceği. Sadece kırılgan yapı sergileyen bir malzemede bu kadar ufak bir farkın kırılma tokluğunu arttırmasını bekleyebiliriz. Fakat alüminyum alaşımları gibi plastik deformasyon kapasitesine sahip alaşımlarda, bu ufak farkın kırılma tokluğu ve aşınma direnci üzerindeki etkilerinin çok yüksek olmasını bekleyemeyiz. O nedenle zaten yüksek soğuma hızı altında 3 – 4 mikron mertebesine inmiş parçacık boyu üzerinde 1 mikron daha inceltme elde etmek için ekstra fosfor takviyesi yapmanın pek gerekli görünmediğini söyleyebiliriz.

Kaynaklar ve ek bilgiler

1. The treatment of liquid Al -Si alloys. J.E. Gruzsleski, B.M. Closset. American Foundrymen’s Society (1990) 107-126.
2. Microstructural effects of phosphorus on presure die cast Al-12Si components. B. Suarez-Pena, J. Asensio-Lozano, J.I. Verdeja-Gonzalez, J.A. Pero-Sans Elorz. Revista de Metalurgia 43 (2007) 352-359.
3. A new method for the refinement of the primary Si of hypereutectic casting alloys in direct chill and ingot casting. Light Metals (1993) 815-820.

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.)