Alüminyum Kolayeriraltı (Hipoötektik) Alaşımlar

18 Kasım 2020

Alüminyum döküm alaşımları, kimya ve/veya proses kontrolü yoluyla geniş bir mekanik performans yelpazesini kapsayacak şekilde özelleştirilebilir.

Al-Si (-Cu), Al-Cu, Al-Mg (-Si) ve Al-Zn (-Si) – Mg sistemlerine dayanan dört ana aile vardır. Dökme Al bileşenlerinin büyük çoğunluğu, iyi dökülebilirliği nedeniyle Al-Si sistemidir. Bazı Al-Cu, Al-Mg ve Al-Zn alaşımları, Al-Si alaşımlarından daha iyi özellikler sergiler, ancak döküm özellikleri genellikle zayıftır. Özellikle sıcak yırtılma eğilimi gösterirler.

Kolayeriraltı (Hipoötektik) Al-Si bazlı alaşımlar, dökülebilirlik, kaynaklanabilirlik, düşük ısıl genleşme katsayısı, iyi korozyon direnci ve işlenebilirlik gibi oldukça tercih edilen özelliklerin kombinasyonuna sahip iyi bilinen döküm alaşımlarıdır. Bu özellikleri sebebiyle, Al-Si alaşımlarının otomotiv endüstrisinde, özellikle motorlar, krank kutuları, emme manifoldları, silindir blokları, silindir kafaları, pistonlar, döküm yağ karterleri ve valf kaldırıcıların üretiminde kullanılmasını sağlar.

Mekanik özellikler esas olarak döküm yapı tarafından kontrol edilir. Katılaşma sırasında hipoötektik Al-Si alaşımlarının mikroyapı evrimi iki aşamadadır: Birincil dendrit Al fazı oluşumu (α-matris) ve sonraki ötektik dönüşüm (α-matris içinde ötektik Si parçacıkları). Al-Si ikili diyagramına göre, AlSi7Mg0.3, AlSi9Cu3, AlSi6Cu4 gibi yaygın olarak kullanılan hipoötektik Al-Si alaşımlarında Al-Si ötektik hacim fraksiyonu %50’den fazla olabilir. Tipik olarak Al-Si ötektik, bu alaşımların %50-90’lık bir hacim fraksiyonunu oluşturur.

T. Szymczak, G. Gumienny, I. Stasiak ve T. Pacyniak araştırmalarının amacı, aynı anda eklenen Cr, V ve Mo’nun hipoötektik Al-Si alaşımının basınçlı dökümde kristalleşme süreci, mikroyapısı ve mekanik özellikleri üzerindeki etkisini görmekti.

Araştırma, İnovasyon ve Uygulama Şirketi Wifama-Prexer Ltd., Polonya’nın üretim koşulları altında gerçekleştirildi. Çalışmada 226 standart hipoötektik alüminyum alaşımı ile basınçlı döküm kullanılmıştır. Kimyasal bileşimi Tablo 1’de verilmiştir.

Tablo 1: Test edilen 226 Al-Si alaşımının kimyasal bileşimi, ağırlıkça %. [3]

Test edilen katkı maddeleri AlCr15, AlV10 ve AlMo8 ana alaşımları olarak eklenmiştir. Test edilen alaşımlar DTA örnekleyicisine ve ayrıca basınçlı döküm kullanılarak döküldü. Alaşımdaki Cr, V ve Mo katkı maddelerinin bir miktarı DTA örnekleyiciye dökülerek yaklaşık %0,05-0,35 aralığı içerisindedir. Basınçlı döküm için alaşımlar, %0.05-0.20 Cr, V ve Mo içeriyordu. Kristalizasyon işlemi, türev termal analiz (DTA) kullanılarak incelendi.

Yaklaşık olarak %0.30 ve %0.35 Cr, Mo ve V içeren Al-Si alaşımının DTA eğrilerinde, muhtemelen yukarıda bahsedilen katkı maddelerini içeren intermetalik fazların peritektik kristalizasyonunun neden olduğu ek bir termal etki olduğu gösterilmiştir. Bu fazlar, duvara benzer bir morfolojiye ve nispeten büyük bir boyuta sahiptir. Benzer fazlar, %0.10 veya daha fazla Cr, V ve Mo ilavesi içeren basınçlı döküm alaşımlarında da meydana gelir.

Basınçlı döküm Al-Si alaşımlarında bu fazların görünümü, gerilme mukavemeti Rm ve uzama A değerinde bir azalma ile çakışmaktadır. Yukarıda bahsedilen katkı maddelerini içeren Al-Si alaşımlarından yapılan basınçlı dökümlerin “226 alaşımından” daha yüksek bir Rm ve A’ya sahip olduğu gösterilmiştir.

Şekil 1, 1000 ve 10 000 ppm Sb içeren ve içermeyen dökme AlSi6Cu4 alaşımında ötektik Si’nin SEM mikro yapısını ve üç boyutlu morfolojisini göstermektedir. Şekil 1a’da görülen mikro yapı, ince, ancak yine de plaka benzeri ötektik silikon ortaya çıkarmaktadır. Şekil 1a, 1b’de, ince ötektik Si trombositlerinin, Sb’nin eklenmesinden sonra boyutlarının gittikçe daha fazla azaldığı ve morfolojiyi kompakt plaka benzeri biçimden çubuk veya lifli hale değiştirdiği açıktır. 10 000 ppm’lik numunelerdeki Si parçacıkları, muhtemelen aşırı modifikasyonun bir sonucu olarak kabalaşır (Şekil 1c). [2]

Isıl işlem görmüş tüm numunelerde (Şekil 2) ötektik Si’nin morfolojisi yuvarlak parçacıklar olarak gözlenmiştir. Derin dağlamadan sonra ince kompakt Siplate benzeri fazın parçalanmasını ve bunun ince çubuk benzeri faza dönüşümünü gözlemledik (Şekil 2a, 2b, 2c).

Referanslar: 1. [1] Products-Cast alloys and products, The Aluminium Automotive Manual, https://www.european-aluminium.eu/media/1544/aam-products-6-castalloys-and-products.pdf/Accessed 20 March 2019;/; 2. [2] M. Farkašová, E. Tillová, M. Chalupová: Modification of Al-Si-Cu cast alloy, FME Transactions, N°3, 2013, Vol. 41, p.210-215; 3. [3]T. Szymczak, G. Gumienny, I. Stasiak, T. Pacyniak: Hypoeutectic Al-Si Alloy with Cr, V and Mo to Pressure Die Casting, Archives of Foundry Engineering Volume 17, Issue 1, 2017, p.153-156; ISSN 2299-2944

 

 

Dr. Zoran Slović

Baş Mühendis
Key to Metals AG
Total Materia