Alüminyum alaşımlarında tane inceltme

Dökümhane sitesinde yayımlandığımız birçok yazıda, döküm öncesi sıvı alaşımlara yaptığımız çeşitli müdahaleler ile katılaşma sürecinde nasıl kontrol sağladığımız ve bunun sonucu olarak dökülen parçanın mekanik özelliklerini nasıl kontrol altına alabildiğimiz üzerinde durduk. Bu yazıda da, benzer bir konuyu ele alacağız ve alüminyum alaşımlarında tane inceltme amacıyla uygulanan bir yöntem üzerinde duracağız.
Tane inceltmenin artı yönlerini biliyoruz: İnce taneli yapıya sahip bir parça, daha iri taneli bir parçaya göre daha iyi mekanik özellikler sergiliyor. Tane boyunu değiştirmenin en bilindik yolu soğuma hızı ile oynamak: Dökülen parçanın hızlı soğuyan kısımlarında ince taneler ortaya çıkarken, göreceli olarak daha yavaş soğuyan kısımlarında daha iri taneler ortaya çıkıyor. Eğer birçok farklı kesit kalınlığı sergileyen bir parçayı hiçbir müdahalede bulunmadan dökerseniz, ince kesitler daha ince taneli ve dolayısıyla daha iyi mekanik özelliklere sahip olarak, kalın kesitler ise daha kalın taneli ve dolayısıyla daha zayıf mekanik özellikler sergileyerek katılaşabiliyor. Hem mekanik özellikler arasındaki bu değişimleri ortadan kaldırmak, hem parçada ortaya çıkan ikincil fazların dağılımını kontrol altına alabilmek, hem de parçanın yüzey kalitesini iyileştirmek amacıyla, tane boyu dağılımını sadece soğuma hızına bırakmadan, eklediğimiz bir takım katkı maddeleriyle bizim kontrol altına almamız gerekebiliyor.

Alüminyumda tane inceltici etkisi: Solda tane inceltici eklenmemiş bir ingot, sağda ise tane inceltici eklenmiş bir ingot görülüyor.

1930’lu yılların başında uygulanan pratiklere baktığımızda, alüminyum alaşımlarında tane inceltmek için sıvı içinde titanyum eklendiğini görüyoruz. Günümüzde ise genellikle çok daha etkili bir tane inceltici etkisine sahip olan Al-Ti-B alaşımları kullanılıyor. Mikroskobik ölçekte TiB2 ve TiAl3 parçacıkları içeren bu alaşımlar sıvıya eklendiğinde, sıvıya geçen bu ufak parçacıklar alüminyum kristallerinin çekirdeklenebilecekleri birer yüzey görevi görüyorlar. Bunun doğal sonucu olarak katılaşma birçok farklı noktadan başladığı için, katılaşma sonunda birim hacim içinde düşen tane sayısının arttığını görüyoruz. Diğer bir deyişle tane boyunun küçüldüğünü, yani tanelerin inceldiğini gözlemliyoruz. İlgili okurlarımız için parantez içinde şunu da belirtelim: Her ne kadar alaşımların içindeki TiB2 ve TiAl3 parçacıkları tane incelmesini sağlıyor desek de, sadece TiB2 ya da sadece TiAl3 içeren alaşımlarda bu etkinin daha zayıf bir şekilde ortaya çıktığını görüyoruz. Yani bu iki bileşiği de içeren alaşımlar çok daha kuvvetli bir inceltici etki ortaya çıkartabiliyorlar . Bu alaşımların dışında, tane inceltme amacıyla zaman zaman TiC içeren alaşımların kullanıldığını da görebiliyoruz.
Bu tane incelticilerin kullanımıyla ilgili bilinmesi gereken sorunlardan bir tanesi, tane inceltici etkinin zamanla geçiyor olması. Diğer bir deyişle, tane inceltici malzemeyi sıvı içine ekledikten sonra dilediğimiz kadar bekleme özgürlüğüne sahip değiliz. Mutlaka fazla süre geçirmeden döküme gitmemiz gerekiyor. Bunun nedeni sıvı içine eklenen TiB2 ya da TiC parçacıklarının çözünmesi değil: Bu parçacıklar çözünmeden nispeten uzun bir süre sıvıda kalabiliyorlar. Fakat özellikle TiB2 kullanıldığında, parçacıklar bir süre sonra topaklanma ve dibe çökme eğilimi göstermeye başlıyorlar. TiC kullanıldığında bu eğilim nispeten daha düşük olsa da, yine de topaklanma ve dibe çökmenin bir süre sonra gerçekleştiğini görüyoruz.
Al-Ti-B alaşımları kullanıldığında ortaya çıkan bir diğer sorun ise, alüminyum içinde zirkonyum bulunduğunda ortaya çıkıyor. Zirkonyum bir tür “zehirleme” etkisi yaratarak, tane incelticinin etki göstermesini engelliyor. Teknik literatürde yayımlanan araştırmalara göz attığımızda, bu “zehirlenme” etkisinin ardında zirkonyumun titanyum ile yer değiştirerek, tane inceltici etki ortaya çıkarması beklenen parçacıkların yapısında bir modifikasyona yol açması yattığını görüyoruz.
Bu geleneksel yöntemlerden farklı olarak, ses dalgalarıyla (ultrason) ve elektromanyetik dalgalarla da tane inceltici etki elde edilebildiğini gösteren bazı araştırmalar teknik literatürde bulunuyor.