aliminyum ve özellikleri

Alüminyum element olarak 13 atom numarası, 26,98 atom ağırlığı ve 2,7 gr/cm3 özgül ağırlığa sahip oldukça hafif bir metaldir. Kristal yapıda 12 koordinasyon sayısına ve birim hücrede 4 atom bulunan yüzey merkezli kübik yapıya, 25 °C de 4.049596 x 10-10 m kafes parametresine, 660 °C ergime sıcaklığına ve 2330 °C kaynama sıcaklığına sahiptir. Çeliğin yaklaşık üçte bir yoğunluğuna, iyi ısı, elektrik iletkenliği ve krozyon direncine sahip olup, manyetik ve zehirli olmayan, oldukça endüstriyel kullanım alanı bulmuş bir metaldir. Her ne kadar ticari saflıktaki alüminyum ve özellikle yüksek saflıktaki alüminyum tam tavlanmış şartlarda çok yumuşak olmasına rağmen, alasımlama ve şekil değiştirme sertleşmesi, eriyiğe sokma ısı işlemi, çökelme sertleşmesi gibi çok yönlü işlemler ile mukavemeti arttırılabilir. Alüminyum birçok element ile alaşımlanabilmekle beraber nispeten az sayıda element, ajna alaşım elementi olarak hizmet etmek için yeterince katı eriyebiliriğe sahiptir. Genel olarak kullanılan elementi erden sadece Cu, Zn, Mg ve Si yüksek çözünürlüğe sahiptir ve çökelme sertleşmesinde önemli rol oynamaktadır. Bazı elementlerin alüminyum içinde katı çözünürlüğü Tablo 3’de verilmiştir. Bununla beraber % Tin altında çözünürlüğe sahip birçok diğer element alaşım özelliklerinde önemli gelişmelere katkıda bulunmaktadır. Fe, Cr, Mn ve Zr gibi birçok geçiş elementleri, toparlanma ve yeniden kristalleşme kontrolü ile tane yapısında Önemli gelişmeler sağlamak üzere intermetalik bileşikler oluşturmak için öncelikle kulanılmaktadır.
Mekanik özellikler dışında saf alüminyumun düşük akıcılığı katılaşma ve karılaşmadan hemen sonra çatlamaya neden sıcak yırtılma eğilimi nedeniyle, bu malzemeden döküm yoluyla sağlam parça elde etmek oldukça güçtür. Bu nedenle alüminyum farklı gereksinimleri karşılamak üzere değişik elementler ile alaşımlandınlmaktadır. Alüminyum alaşımları sıvı halde hidrojen absorsiyonuna çok duyarlı olup, katı halde çözünürlüğü çok düşüktür. Hidrojen, alüminyumda sıvı halde hissedilir şekilde çözünen tek gazdır. Metalm oksijene olan afinitesi nedeniyle. Eşitlik (2.1)'de görüldüğü gibi hidrojenin ana kaynağı, sıvı ile temas halindeki atmosferde bulunan su buharının indirgenmesidir.
3H20+2Al à 6+A1A (2.1)
Sıcaklık yükseldikçe hidrojenin çözünürlüğü üssel olarak artmaktadır. Metalin gaz almasını en aza indirmek için ergitme sırasında aşın ısıtmadan kaçınılmalıdır. Değişik alüminyum alaşımları gaz alma yönünden farklı duyarlılıklar göstermektedir, şayet giderilmesi sağlanamazsa gaz porozitesine neden olmaktadır. Alüminyum alaşımlarında başlıca alaşım elementlerinden silisyum ve bakır miktan artarken hidrojen çözünürlüğü azalmaktadır. Diğer taraftan magnezyum, hidrojen çözünürlüğünü arttırmaktadır.
Hidrojenin çözünürlüğü katılaşma sıcaklığında hızla düşmekte, katılaşma sırasında sıvıdan kovulmakta ve poroziteye neden olmaktadır. Alüminyum alaşımlarında nispeten yüksek katılaşma çekmesi bu problemi daha du şiddetlendirmektedir. Katılaşma ilerlerken sıvıda hidrojen içeriği artmakta ve sonuçta çozünebilirlik sınırını aşmaktadır. Bu noktada ideal olarak bir gözenek çekirdeklenmesi gerekmektedir, ancak bir gözeneğin oluşumu için yeni bir yüzeyin oluşması gerekmektedir.

Tablo 3. Bazı Elementlerin Alüminyum İçinde Katı Çözünürlüğü

Bu yüzey engeli nedeniyle, sıvıda hidrojen içeriği, gözeneklerin oluşmaya başlayacağı maksim tun değere ulaştığı çözünebilirlik sınırı üzerine kadar artmaya devam eder. Bu noktada gözenekler çekirdeklenmeye başlar, başta dendirit kökleri veya inklizyonlar gibi diğer heterojen noktalarda meydana gelebilmektedir. Gözeneğin çekirdeklenmesi ile birlikte hızlı bir büyüme olur ve sıvıda hidrojen içeriği azalır, daha sonra gözenek dendirit kolundan ayrılır ve büyüme için deodiritler arası bölgeden daha büyük alan bulunan taneler arası bölgeye hareket eder. Bu sıradaki büyüme nispeten daha düşük hızda gerçekleşir. Sıvıda bulunan inklizyonlar, gözenekler için heterojen çekirdeklerime noktalan meydana getirir ve gözenek oluşumunu teşvik eder. Az miktarda inklizyon bulunması durumunda dahi porozite oluşumu için kritik hidrojen içeriği oldukça düşmektedir. İnklizyonlann bulunmaması durumunda, gaz kabarcığı oluşturmak amacıyla ilk hidrojen moleküllerinin birleşmesi sağlayacak yüzey gerilimi kuvvetinin aşılması için, aşırı derecede yüksek gaz basıncına gereksinim bulunmakladır. İnklizyonların porozite ve mekanik özellikleri düşürme dışında, düşük akıcılık ve işlenebilirlik, zayıf yüzey kalitesi ve basınç sızdırmazlığını kaybetmesi gibi ciddi olumsuz etkileri bulunmaktadır. Gaz oluşumunun engelenmesi veya giderilmesi için koruyucu örtü kullanımı, vakura altında ergitim veya ticari gaz gidericilerin kullanımı, vakum altında döküm, ultrasonic vibrasyon ve sıvı içerisinden inert gaz kabarcıklarının geçirilmesi gibi yöntemler kullanılmaktadır. Sıvı içerisinden gaz geçirmek için döner başlığın kullanıldığı etkin gaz giderme yöntemlerinde, süreye ve başlık dönme hızına bağlı olarak boron ve stronsyumun kayba uğradığı tespit edilmişrir. Alüminyumun oksidasyonu, oda sıcaklığında kolaylıkla gerçekleşebilen ve malzemeyi daha fazla oksidasyondan koruyan alüminyum oksit filmi oluşturan bir reaksiyondur. Sıcaklıktaki artış ile oksidasyon artmakta ve sıvı alüminyum hemen yoğun bir oksit filmi meydana getirmektedir. Sıvı alüminyumda, alüminyum oksit (2.1) nolu eşitlikte belirtilen reaksiyona göre gerçekleşmekledir. Sıvı içerisinde alüminyum oksit oluşumunun nedenleri, temizlik yönünden uygun olmayan malzeme kullanımı, metalin türbülanslı transferi, ergitme ünitesi ve potalar içerisinde dikkatsiz karıştırmadır. Alüminyum oksit sıvı alüminyumdan daha yüksek yoğunluğa sahiptir. Buna rağmen alüminyum oksitin gözenekli olması ve gözenekler içerisinde yakalanmış bir miktar gaz bulunması nedeniyle sıvıdan ayrılmamakta, askıda kalmakta ve yüzmektedir. Al2O3 2050 °C’de ergir ve 2250 °C’de kaynamaktadır, bu yüzden sıvı alüminyum içerisinde çözünmemektedir. Tüm diğer döküm malzemelerde olduğu gibi özellikle mekanik özellikler açısından dendirit kollan arası mesafe, tamamen homojen bir yapı elde etmek için ergiyik elementlerin difüz etmesi gereken mesafeyi belirlemesi nedeniyle büyük önem taşımaktadır. İkincil dendirit kollan arası mesafe, temel olarak alaşım bileşimi, soğuma hızı, bölgesel katılaşma zamanı ve sıcaklık gradyantı tarafından belirlenmektedir. Aynca ikincil dendirit kolları arası mesafe döküm parçada porozite ve intermetalik partiküllerin dağılımını kontrol eder. Segregasyon oranının, dendiritler arası bölgedeki maksimum konsantrasyonun dendirit kökündeki minimum konsantrasyona oranı olması nedeniyle, dendirit kollan arası mesafe ile doğrudan ilgilidir. Bu mesafe azalırken, porozite ve ikinci faz elemanları daha ince ve düzgün olarak dağılmaktadır. Mikroyapıdaki bu incelme mekanik özelliklerde önemli gelişmeler sağlanmaktadır. Tipik bir örnek olarak Al-%7 Si-%0.5 Mg alaşımında 100 µm dendirit aralığına sahip bir malzemede 46.000 Psi maksimum çekme dayanımı, 42.000 Psi akma dayanımı, % 1 uzama elde edilirken, 35 µm dendirit aralığına sahip aynı malzemede 52.000 Psi maksimum çekme dayanımı, 42.000 Psı akma dayanımı ve % 11 uzama elde edilmiştir. Ayrıca sıvı metale uygulanan tane inceltme işlemi, porozitenin azaltılması ve yeniden dağılımı, sıcak yırtılma direncinin ve besleme özelliklerinin geliştirilmesi gibi birçok avantaj sağlamaktadir. Alüminyum döküm alaşımlarında tane yapısının kontrolü için titanyum veya Ti-B master alaşımları veya TiC parçacıkları ile inceltme işlemi yapılır. Alaşıma tane inceltme işlemi uygulandığı zaman dendiritik ağ kırılarak, küçük eşeksenli tanelere dönüşür ve bu dendirit kırıkları döküm parça içerisinde hareket eder ve bu şekilde beslemeye önemli katkı yapar.