Ötektik üstü Al-Si alaşımlarında mikroyapı kontrolü
Dökümhane Akademi’de daha önce alüminyum-silisyum alaşımlarına temel bir giriş niteliğinde birkaç yazı yayımlamıştık. Bu yazıları okuyan okuyucularımızın da bildiği üzere, dikkatimizi esas olarak sanayide en yaygın şekilde üretilen alüminyum-silisyum alaşımlarına yöneltmiş ve özellikle ötektik altı kompozisyona sahip alüminyum alaşımları üzerinde durmuştuk. Bu yazıda, henüz pek üzerinde durmadığımız ve kendine has bir kullanım alanı olan ötektik üstü alaşımlar üzerinde duracağız.
Her şeyden önce, ötektik üstü kompozisyona sahip bu alaşımlarda katılaşma sürecinin birincil alüminyum dendritleri ile değil, birincil silisyum kristalleri ile başladığını belirterek başlayalım. Bu temel fark nedeniyle ötektik üstü alaşımların mikroyapılarına baktığımız zaman ötektik altı alaşımlardan farklı olarak dendritler yerine bu büyük silisyum parçacıklarını görüyoruz. Her iki alaşım türü de ötektik reaksiyona girdiği için, doğal olarak her iki durumda da yapıda mutlaka ince fiber yapısındaki ötektik silisyum ortaya çıkıyor. Fakat aradaki temel fark, dediğimiz gibi, malzemenin çekme mukavemetini arttıran birincil dendritler yerine, yapıda büyük birincil silisyum parçacıklarının ortaya çıkıyor olması. Bu temel fark nedeniyle, ötektik üstü alaşımların çekme dayançlarının ötektik altı alaşımlara kıyasla daha düşük olduğunu görüyoruz.
Birincil silisyum parçacıklarının en belirgin özelliği, oldukça sert ve kırılgan bir yapıya sahip olmaları. Bu nedenle bu parçacıkların varlığı, ötektik üstü alüminyum alaşımlarının yüksek aşınma ve korozyon direnci sergilemelerini sağlaması yanında, aynı zamanda yüksek sıcaklıktaki dayanımlarının da artmasını ve nispeten daha düşük bir ısıl genleşme katsayısına sahip olmalarını sağlıyor.
Ötektik üstü alaşımların çekme dayanımlarının birincil dendritlerin yokluğu nedeniyle daha düşük olduğunu yukarıda söylemiştik. Ötektik üstü alaşımların tokluğunun da ötektik alaşımlara kıyasla daha düşük olduğunu görüyoruz. Bu alaşımlarının mekanik özelliklerinin daha zayıf olmasının tek nedeni, yapıda birincil dendritlerin olmaması değil: Sert ve kırılgan silisyum parçacıklarının varlığı bir yandan aşınma ve korozyon direncini arttırırken, diğer taraftan malzemenin çekme dayanımının da düşmesine yol açıyor. Özellikle büyük, sert ve sivri köşelere sahip silisyum parçacıkları gerilimin yoğunlaşmasına yol açtığı için, malzemenin çekme dayanımının düşmesine yol açıyor.
O zaman aslında basit bir noktaya geliyoruz: Eğer bu büyük silisyum parçacıklarını bir şekilde küçültmeyi becerebilirsek, o zaman bir yandan malzemenin aşınma ve korozyon direncini korurken, diğer yandan mekanik özelliklerini biraz daha arttırmanın yolunu bulabiliriz.
Açıkçası teknik literatüre baktığımız zaman, bu amaçla yapılan birçok işlem olduğunu görüyoruz. Birkaç örnek vermek gerekirse, alaşımı yüksek basınçlı döküm yöntemiyle dökmek ya da hızlı katılaştırma uygulamak, bu büyük silisyum parçacıklarını küçültebilmenin yollarından bazıları. Fakat bu yöntemleri doğal olarak her prosese uygulayabilmemiz mümkün değil. Ayrıca bu süreçler malzemenin bütün yapısını etkilediği için, ister istemez malzemenin başka özelliklerini istemediğimiz farklı şekillerde etkilemeleri de mümkün olabiliyor.
Alaşıma az miktarda fosfor ekleyerek de bu büyük silisyum parçacıklarını inceltmemiz mümkün olabiliyor. Hem kolay uygulanabilir, hem de etkin sonuçlar veren bu yöntem, silisyum parçacıklarının boyutlarını 20 – 30 mikron mertebesine kadar düşürebiliyor. Fakat fosforun ötektik modifiye edici bir etkisi olmadığı için, ötektik silisyum fosforun varlığından etkilenmiyor. Eğer istediğiniz bir şeyse bu, buna bir avantaj olarak bakabilirsiniz. Fakat büyük silisyum parçacıklarını inceltirken bir yandan da ötektiği modifiye etme düşünceniz varsa, o zaman aradığınız şeyin fosfor olmadığını söyleyebiliriz.
Bu amaçla, yani bir yandan birincil silisyum parçacıklarını inceltirken, bir yandan da ötektiği modifiye etmek için deneyebileceğiniz bazı alaşımlar mevcut. Örnek vermek gerekirse teknik literatürde (ilgili kaynakları aşağıda bulabilirsiniz) hem tane inceltici hem de modifiye edici etki yaratması için geliştirilen Al-Ti-B-Sr alaşımlarından bahsedildiğini görebiliyoruz. Fakat bu çalışmalarda sunulan sonuçlara bakılırsa, alaşımda hem B hem de Sr’nin bulunması sonucunda SrB6 bileşiği oluşuyor ve bunun sonucu olarak hem tane incelticinin, hem de modifiye edicinin performansı düşüyor. Fakat Al-Ti-C-Sr alaşımlarıyla yapılan denemelerde, çok daha olumlu sonuçlar elde edilebildiğini görüyoruz.
Kaynaklar ve ek bilgiler
- M. Easton, D. John. Grain refinement of aluminum alloys. Met. Mater. Trans. A 1999, 30, 1613.
- T. Sagstad, E. Bhondus. Master alloy for modification and grain refining of hypoeutectic and eutectic Al-Si foundry alloys. US6531092 B2. 11 March 2001.
- H.L. Zhao, H.L. Bai, J. Wang, S.K. Guan. Preparation of Al-Ti-C-Sr master alloys and their refining efficiency on A356 alloy. Mater. Character. 2009, 60, 377-383.
İçerik hazırlığında kullanılan tüm kaynakların listesi için bu bağlantıyı takip edebilirsiniz.
Yazan: Dr. Arda Çetin. (Dökümhane Akademi hakkında ayrıntılı bilgi için bu bağlantıyı takip edebilirsiniz.)
