alüminyum silisyum alaşımı

Alüminyum-Silisyum Sistemi

Alüminyum-silisyum sistemi Şekil 7'de görüldüğü gibi, % L65 Si İçeren alüminyum katı eriyiği ile bemerj hemen saf silisyum (1190 °C’de Si İçerisinde maksimum % Atomik 0.016±0.003 Al çözünürlüğü) arasında 577 °C'de ağırlıkça % 12.5 Si bileşiminde basit birotektik oluşturmaktadır. Silisyumun ana alaşım elementi olarak bulunduğu alüminyum alaşımları, yüksek akıcılık, döküm sırasında düşük çekme, iyi krozyon direnci, kaynak edilebilirlik ve düşük ısıl genleşme katsayısı gibi önemli avantajlara sahiptir.
Silisyum birim hücrede 5 atoma sahip elmas kübik yapıda, alüminyum ile dengede olduğu zaman 5.4285 x10-10 m kafes parametresine, 2600 kg/m3 yoğunluğa sahiptir. Sertliği 600 °K'e kadar sabit olmak üzere 8700-13500 MN/m2, 900 °K'de ise 3000 MN/m2 Vickers değerine düşmektedir. Sabit sıcaklıkta vizkozite, çözünürlük sınırında(% 1.65 Si) maksimuma ulaşır, daha sonra düşmeye başlar ve sıvı sıcaklığı yükselmesine ve ötektik bileşim geçilmesine rağmen bu devam eder. Modifikasyon işlemi, ultrasonic veya diğer vibrasyon hareketleri akıcılığı arttırmaktadır. Silisyum ilaveleri alüminyumun yüzey gerilimini önemli derecede etkilemektedir.
Silisyum, alüminyumun katılaşması üzerinde belirgin bir tane inceltme etkisine sahip değildir, ancak döküm ve kaynak işleminde sıcak yırtılmayı oldukça etkilemektedir. Sıvı-katı aralığının maksimum olduğu katı eriyebilirlik sınırında sıcak yırtılma maksimuma ulaşmaktadır, daha sonra ötektik bileşimde minimum değere düşmektedir.
Silisyum alüminyumun plastikliğini azaltmaktadır. 700 °K üzerinde alaşımlar süperplastiklik göstermektedir. Bu etki muhtemelen yüksek sıcaklıklarda silisyumun küreleşmesi ve pıhtılaşması ile ilgilidir. Alüminyum-silisyum alaşımlarının Vickers sertliği % 15 Si'da 500-700 MN/m2 ve % 60 Si da 1000 MN/m2 olacak şekilde doğrusal olarak artmaktadır. İkili alaşımların mekanik özellikleri, bileşimden daha çok silisyum partiküllerinin şekli ve dağılımına bağlıdır. Küçük, yuvarlak ve düzgün dağılmış primer veya ötektik partikûller, nispeten yüksek mukavemet ile birlikte, yüksek süneklik sağlamaktadır.

Silisyum (% Atomik)

Silisyum (% Ağırlık)
Şekil 7. Al-Si Denge Diyagramı

Façatalı, iğnesel silisyum kristalleri az derecede daha yüksek mukavemet temin edebilir, ancak çok daha düşük süneklik darbe ve yorulma direnci oluşturmaktadır. Bu yüzden alüminyum alaşımlarında tane inceltmenin yanında modifikasyon da özellikler açısından büyük önem taşımaktadır. Modife edilmiş alüminyum-silisyum alaşımları, kaba lamel tipi ötektik morfolojisine sahip modife edilmemiş alaşımların aksine, ince fibersi yapı sergilemektedir. Modifikasyon işlemi sıvıya düşük miktarlarda sodyum, stronsyum, antimuan ilave edilerek veya hızlı soğutma ile gerçekleştirilmektedir. Al-Si alaşımlarının geçişli elektron difraksiyon ve mikroskop çalışmaları sonucu, modifikasyon işleminin ötektik silisyumda ikiz yoğunluğunu arttırdığı gözlenmiştir. Modife edilmemiş alaşımda, 50-150 °C katı-sıvı arayûzey sıcaklık gradyantı aralığında, 5-100 µms-1 arasındaki katılaşma hızlarında, büyüme durumunda Al-Si alaşımlarında silisyum fazı lamelsi morfolojide katılaşma göstermekledir. Ayrı olacak lameller, yeniden, ortaya çıkan ikiz düzlemi mekanizması ile Sekil 8 (a)'da görüldüğü gibi <112> büyüme yönüne paralel oluşmuş (111)A ve (lll)B iç ikiz düzlemleri oluşturmaktadır. (lll)A ve (lll)B düzlemleri tarafından oluşmuş büyüme ucunda yeni oluşan kenar sıvıdan silisyum atomlarını alma eğilimi göstermekte ve ikiz düzlem üzerinde uzanan <112> doğrultusu, boyunca daha hızlı büyümeyi teşvik etmektedir. Lamel Şekil 8 b ve c'de görüldüğü gibi kanat üzerinde ikiz çekirdeklenmesi ile büyük açılar ile yön değiştirebilir. Dallanma açıları 70.5° ve 109° dir. Modife edilmiş alaşımlarda ise zigzag şeklinde dönüşümlü iki <112> yönüne sahip silisyumun çoklu ikizlenmesi sözkonusudur. Dönüşümlü olarak meydana gelen parçalar hacim ve sayıca eşi: ise Şekil 9'de görüldüğü gibi silisyum fiberlerinin tümünün ilerleme ekseni <001> veya <110> yönüne paralel olarak büyüyecektir. Modifikasyon işlemi sırasında sodyum, stronsyum gibi ilaveler büyüyen silisyum önünde etkin kirlilik birikimi oluşturmakta, bu kirlilik birikiminin silisyum fazının büyümesinde, böylece ötektiğin katılaşmasında önemli etkilere sahip olduğu görülmekledir. Bu, façetasız(geride kalan) alüminyum fazı üzerinde façetalı(önde giden) silisyum fazının büyümesini geciktirmekte, böylece çiftli ötektik büyümeyi teşvik etmektedir. Si büyümesinin geciktirildiği proseste kirlilik birikimi, silisyum fazında yüksek ikiz yoğunluğunu teşvik etmek üzere yeniden ortaya çıkan ikiz düzlemi mekanizması yardımı ile zigzag büyümeye neden olmakta ve silisyum kafesinde dizilim hataları oluşturmak için kristalleşme sırasında silisyum atomlarının yığın oluşturmasını engellemektedir. Bu işlem ile ötektik sıcaklık 12 °C kadar düşmekte, ötektik bileşim ise bir miktar sağa doğru kaymaktadır. Modifikasyon işlemi için sodyum kullanımının dezavantajı hızlı sönüme uğraması ve akıcılığı azaltmasıdır. Bunun yerine stronsyum modifikasyonu kullanımı, sönümü en aza indirmektedir. Ötektik üstü alaşımların modifikasyonu durumunda, ötektik karışımı değil, sadece primer silisyum plakalarını incelten kırmızı fosfor kullanılmaktadır. Fosfor ile işlem yapılmış alaşıma magnezyum ilavesi sodyum kadar olmasa da bir miktar ötektiğin inceltilmesini sağlamaktadır.

Şekil 8,9 Stronsyum ile modife edilmiş Al-Si otektiğinde tamamıyla modife edilmiş Si fiberlerinin büyüme modeli

Her ne kadar ikili Al-Si alaşımları, hızlı soğuma ile alüminyum fazının silisyumca asın doyması nedeniyle ısı işleme bir miktar cevap verebilmekle beraber, bakır ve magnezyum gibi diğer alaşım elementlerinin ilavesi ile daha yüksek mukavemet elde edilebilmekledir. Her nekadar dökülebiliriliği, sünekliği ve krozyon direncini azalmakla beraber, bakır mukavemeti artırılmakta ve işlenebilirliği geliştirmektedir. Farklı özellik aralığına sahip bu alaşımlar yıllardır üretilmekle olup, % 3-10 Si ve % 1.5-4.5 Cu bileşimine sahiptirler. Düşük silisyum ve yüksek bakirli ( Al-% 3 Si - % 4 Cu) alaşımlar kum ve kokil dökümler için kullanılırken, yüksek silisyumlu (Al-% 10 Si-% 2 Cu) alaşımlar basınçlı döküm için kullanılmaktadır. Bu malzemelerin mukavemet ve işlenebilirliği suni yaşlandırma (T5 ısı işlemi) ile geliştirilebilir. İçten yanmalı motorlarda piston alaşımı olarak Al % 12 Si- % 1 Cu - % 1 Mg - % 2 Ni bileşimi seçilmektedir. Özellikle nikel, dağınım sertleşmesine neden olan kararlı intermetalik bileşikler oluşturarak yüksek sıcaklık özelliklerini geliştirmektedir. Kum ve kokil dökümlerde yüksek kullanım kapasitesine sahip diğer bir alaşım Al-Si-Mg (Al-% 7 Si - 03 Mg) bileşimine sahiptir. Burada nispeten az miktarda Mg ilavesi alüminyum matrikste Mg2Si çökeltisi vasıtasıyla önemli yaşlanma sertleşmesi temin etmektedir. Bu alaşımın T6 şartlamadaki mukavemeti, benzer siliyum içeriğine sahip ikili alaşımın iki katıdır.