Metal Dünyası

Alaşımlama

Bilindiği üzere, diğer metalik malzemelerde de olduğu gibi, özellikle mekanik özellikleri iyileştirmek amacı ile alüminyum, farklı diğer malzemelerle alaşımlandırılarak kullanılır. 

Metallerde katkı elemanları ergimiş halde katılmaktadır. Değişik tür atomlar sıvı halde kolayca karışarak homojen sıvı eriyik oluştururlar. Katılaşma esnasında yabancı elemanlar kafes yapıda varlığını korursa katı eriyik elde edilmektedir.

Bu işleme alaşımlandırma, elde edilen metale alaşım ve katkı elemanına alaşım elemanı denilmektedir.

Alüminyum alaşımlandırılmada kullanılan başlıca alaşım elementleri: Mg, Si, Cu, Mn, Fe, Zr, Cr ve Ti’dur. Ek olarak, özellikle döküm alaşımlarında Sr ve P kullanımı da vardır. Hatta bazı alaşımlarda impürite olarak görülen elementler, başka bir alaşım grubu için alaşım elementi olabilir. Bununla birlikte uzun zamandır kullanılan Be, Li, B, Sr ve Ag’e ek olarak, yeni dizayn edilen alüminyum alaşımlarında nadir toprak elementleri de kullanılmaya başlanmıştır.

Alaşımlandırma işleminde temel amaç, hedef kimyasal bileşime hızlı ve ekonomik bir şekilde ulaşmaktır. Bu amaçla alaşım elementleri metalik olarak, ön-alaşım şeklinde ya da flaks tuzları ile birlikte tabletler şeklinde ergimiş alüminyuma verilir. 

Genellikle döküm proseslerinde alaşımlama aşaması çok üzerine düşülmeyen ya da yeterince üzerinde hassas olarak kafa yorulmayan bir konudur. Alaşım elementinin formunu seçimi ve alaşımlama işlemi yönteminin seçimi doğrudan son ürün performansını, proses ekonomisini, çalışma ortamında işçi sağlığı ve güvenliğini ve çevre güvenliğini etkiler.

Alaşım elementlerinin bazıları sıvı alüminyum içinde ergirken, bazıları da çözünür. Eğer alaşım elementinin ergime sıcaklığı, alüminyumun ergime sıcaklığından daha düşük ise ergime, daha yüksek ise çözünme mekanizmaları işler.

Alaşım Elementlerini Alüminyum Oksidasyonuna Etkisi
Bilindiği üzere gerek dökümhanelerde gerekse ikincil alüminyum tesislerinde metal maliyetini ve kalitesini belirleyen en önemli faktör alüminyumun oksidayonudur.

Genel anlamda şarjın ve alaşım amaçlı katkıların kimyasal kompozisyonu –her bir bileşenini farklı oksidasyon davranışından ötürü- oksidasyon oranını etkiler. Bu her bir bileşenin oksidasyona katkısı Pilling-Bedworth Oranı (PBR) ile hesaplanabilir.

PBR ˃1 olduğunda, oksit yapısı kırılgan ve koruyucudur. Oksit filmi oluştuktan sonra oksidasyon oranı hızla düşer. 

PBR ˃1 olduğunda, oksit yapısı gözenekli (porous) ve hapsettiği metali minimum hacim ile örtebilir şekildedir. Yani, koruyucu oksit filmi oluşmaz ve ergitme sonrası oksidasyon oranı hızla artar.

Tablodan görüldüğü gibi, PBR ˂1 koşulunu sağlayan Mg, Ca, Na ve Li gibi elementler oksit-yapıcı olarak bilinir.

Şarj malzemesinin kimyasal kompozisyonu ya da alaşım elementleri; yapılan testler göstermiştir ki, aşağıda sıralanmış ilaveler oksidasyon hızını arttırmaktadır:

• 700 °C ‘de Se, Ca, Na, Mg,
   
• 800 °C’de Cu, Fe, Si, Mn, Zn, Ca, Na, Se, Mg.
   

Burada özellikle Mg en kritik olanıdır. Çünkü oksijene olan ilgisi alüminyumdan daha yüksektir ve selektif oksidasyon ile curufa çok daha kolay geçer.

Alaşımlama Yönteminin Seçimi
Alaşım elementlerinin formunu ve alaşımlandırma yöntemini, sıvı alüminyum içinde ergiyen alaşım elementlerinden çok, “çözünen” alaşım elementleri üzerinden tartışmak daha yararlı olacaktır:

- Öncelikle alaşım elementi üzerinde oluşmuş oksit filminin kırılması ve katı eriyik oluşumu için bir kuluçka süresine ihtiyaç vardır. Özellikle flaks tabletleri oksidasyonu engellediği için süreci hızlandırır,

- Ergimiş alüminyum ile katı alaşım elementi arasında oluşan ve genişleyen metallerarası (intermetalik) tabaka, difüzyonun artmasına ve çözünmenin yavaşlamasına neden olur. Ergimiş metalin karıştırılması hem alaşımlama süresinin kısalmasına, hem de alaşım elementi ergime veriminin artmasına yardımcı olur,
 

- Tablet ile yapılan alaşımlandırma işlemlerinde alüminyumun alaşım elementleri ile ikili bileşikleri oluşur (MnAl₄, TiAl₃, CrAl₇, FeAl₃ gibi). Bu nedenle tabletlerin hangi oranlarda metalik malzeme içerdiği çok önemlidir.

Alaşım elementlerinin alüminyum ergiyik içindeki çözünme davranışları ile birlikte aşağıdaki faktörler, başarılı bir alaşımlama işlemi için belirleyici olacaktır:

- Genellikle ergimiş alüminyum sıcaklığının 750 ˚C üzerinde olması istenir. Ancak bir çok döküm prosesinde, daha düşük sıcaklıklar tercih edildiğinden, her zaman bu sıcaklık koşullarında çalışmak mümkün olmaz,

- Özellikle hurda ergiten tesislerde hurdadan gelen alaşım elementi miktarının öngörülmesi her zaman olanaklı değildir. Bu nedenle alaşımlama öncesi ergimiş metain kimyasal bileşiminin öğrenilmesi ve fırın içindeki sıvı metal miktarının ölçülmesi doğru bir alaşımlama işlemi için önemlidir,

- Fırın tipi de alaşımlama verimini doğrudan etkiler. Çekirdeksiz indüksiyon fırınları, indüktif ergitme prosesinin gereği, fırın frekansına bağlı doğal bir karıştırma yeteneğine sahiptir. Bu nedenle en iyi alaşımlama işlemi bu fırınlarda yapılır. Reverber fırınlarda forklift ile yapılan karıştırma işlemi büyük oranda operatörün yeteneklerine bağlıdır. Yetersiz karıştırma alaşım homojenliğini sağlayamaz iken, aşırı karıştırma oksidasyon nedeni  ile curuf oluşumuna ve fırın refrakterinde hasara neden olabilir. Ayrıca karıştırma sırasında fırın kapağı açık kalacağı için enerji kaybı da söz konusudur. Bunun yerine  mekanik ve elektromanyetik karıştırıcılar tecih edilmelidir. Böylece alaşımlandırma verimini artarken alaşım homojenliğini de sağlanır, 

- Alaşım değiştirme sıklığı da diğer önemli bir faktördür. Eğer birbirinden farklı alaşımlara yani aynı alaşım grubunda olmayan alaşımlara sık dönmek gerekiyorsa, fırın içinde kalan taban metalinin ve duvarlara yapışan metalin daha saf bir şarj ile yıkanması gerekir. Bu işlem zaman ve hammadde kaybına yol açar. Bu nedenle üretim planlaması yapılırken, alaşım değiştirme periyotlarına dikkat edilmelidir,

- Son ürün kalitesi de diğer önemli bir faktördür. Son ürün kalitesine uygun alaşım elementi seçimi zorunludur. Aksi durumda, alaşım elementleri de ergimiş alüminyum için kirlilik kaynağı olabilir.

Sonuç
Sonuç olarak başarılı bir alaşımlandırma işlemi için aşağıdaki parametrelerin kontrolü çok kritiktir:

- Sıcaklık,

- Karıştırıcı şekli,

- Karıştırma zamanı,

- Hedef alaşımını kimyasal bileşimi

- Ergimiş alüminyum yüzeyinin temizliği.

- alaşım elementinin formu ve kalitesi

Kaynaklar:

1. John F. Grandfield, Dmitry G. Eskin, Ian Bainbridge, Direct-Chill Casting of Light Alloys, TMS-Wiley 2013
 

2. Clark Weaver, The Evaluation of Furnace Operations in Aluminium Smelter Cast Shops, 7th Australian Asian Pacific Conference, Aluminium Cast House Technology, Edited by P.R. Whiteley, TMS 2001
 

3. Tuğçe Ergül, Ahmet Turan, Erman Car, Onuralp Yücel, Alüminyum Alaşımlarında Alaşım Elementi Olarak Magnesyum Kullanımı, Alus 09 Uluslararası Aluminyum Sempozyumu, İstanbul, 2019
 

4. Ahmet Turan, Erman Car, Alüminyum Ergitme ve Sıvı Metal Rafinasyonu Eğitim Notları, METEM TMMOB Metalurj ve Malzeme Mühendisleri Odası Eğitim Merkezi, 2019