Mg-4Sn-2Al alaşımına ilave edilen alaşım elementlerinin mekanik ve korozyon özelliklerine etkisinin incelenmesi

Yoğunluğu 1,74 g/cm3 olan magnezyum, hegzagonal sıkı paket yapıya sahip bir alkali metaldir. Şu anda en hafif ticari alaşımlardan olan Mg alaşımları , iyi işlenebilirlik, kalıplanabilirlik, manyetik olmama, düşük yoğunluk, yüksek özgül mukavemet, doğada bol miktarda bulunması ve toksik olmaması gibi önemli etkilerinden dolayı havacılık, biyomedikal uygulamalar gibi alanlarda tercih edilmektedir. Bununla birlikte, korozyon gibi bazı sınırlamalar magnezyumun daha geniş kullanımını kısıtlamaktadır. Alaşımlama, sınırlı süneklik, sulu ortamlarda yüksek korozyon ve sertlik gibi özelliklerin geliştirilmesinde önemli rol oynamaktadır. Ayrıca mekanik özellikleri, korozyon direncini, mukavemeti ve sünekliği iyileştirmek için magnezyuma bazı alaşım elementleri eklemek gerekmektedir. Magnezyum alaşımlarının büyük bir kısmı döküm ile üretilmektedir. Bu çalışmada kokil döküm ile altı farklı alaşım üretilmiş ve bu alaşımların mikroyapı, mekanik ve korozyon özellikleri incelenmiştir. Alaşımlar, yüksek saflıkta Mg, Sn, Al ve Ca kullanılarak Naberthern marka döküm fırınında ve çelik potalarda atmosfere kapalı olarak hazırlanmıştır. Mg-5Mn, Mg-20La, Al-6Ti ve Mg-20Nd master alaşımları kullanılarak diğer alaşım elementleri elde edilmiştir. Döküm sıcaklığı 750 ℃ ve kalıp sıcaklığı 100 ℃ olacak şekilde ayarlanmıştır. Oksidasyonu önlemek için ergime ve katılaşma süreçlerinde alaşımlar CO2-2%SF6 gazı ile korunmuştur. Üretilen alaşımlar tel erezyon makinesinde kesme işlemine tabii tutulmuştur. Kimyasal analiz, mikroyapı, mekanik ve korozyon özelliklerinin incelemeleri için suda kesim ile daha küçük numuneler kesilmiştir. Numuneler sırayla 400, 600, 800, 1000, 1200 mesh'lik silisyum karbür (SiC) zımparalarla zımparalandıktan sonra 1μm alümina çözeltisi ile parlatılmıştır. Parlatma işleminden sonra numuneler etanol ile temizlenmiş ve kurutulmuştur. Alaşımlarda oluşan fazları ayırt etmek, kontrast farkını belirlemek ve ortaya çıkarmak için dağlama işleminin yapılması gerekir. Alaşımları dağlamak için 4,5 gr pikrik asit, 15 ml asetik asit, 30 ml saf su, 75 ml etanol ile hazırlanan çözelti kullanılmıştır. Parlatılıp kurutulan alaşımlar 5 saniye süreyle dağlayıcı içine batırılıp dağlanmıştır. Dağlama işlemi sonrası numuneler su ile yıkanmış, etanol ile temizlendikten sonra sıcak hava üfleyen bir cihaz ile kurutulmuştur. Alaşımların mikroyapı incelemeleri SEM cihazı ile yapılmıştır. SEM cihazının sahip olduğu enerji dağılımlı X-ışınları spektroskopisi (EDS) modülü ile de kimyasal analizler yapılmıştır. Alaşım elementlerinin çeşidine ve miktarına bağlı olarak oluşan fazların ve tane boyutlarında meydana gelen değişimlerin incelemeleri x-ışınları difraksiyon analizi (XRD) cihazı kullanılarak yapılmıştır. Alaşım 1'in EDS sonuçlarına göre mikroyapıda α-Mg ve Mg2Sn bulunmaktadır. Ca ilavesi ile elde edilen Alaşım 2'nin mikroyapısında ise α-Mg ve Mg2Sn'ye ilave olarak MgSnCa üçlü fazı tespit edilmiştir. Mn ilavesi ile yapıda yeni bir faz oluşumu görülmemiştir. EDS analizlerine göre La ilavesi ile yapıda Al2La, La5Sn3 fazları ve üçlü MgSnLa fazı ortaya çıkmıştır. Alaşım 1'e ağırlıkça % 0,15 Ti ilavesi ile elde edilen Alaşım 5'te ise Mg ile Ti arasında bir faz görülmezken, A3Ti partiküllerine rastlanmıştır. Alaşım 6'nın EDS incelemelerinde ise Nd5Sn3 fazı ve üçlü MgSnNd fazı bulunmuştur. Sertlik ölçümleri Brinell ölçme yöntemi ile yapılmıştır. Brinell sertlik (HB) ölçümleri, bilye çapı 2,5 mm ve yükü 31,25 kg olan bir Struers Duramin-500 cihazı kullanılarak yapılmıştır. Her numune için 5 okuma yapılmış ve bu değerlerin ortalaması sertlik değeri olarak kabul edilmiştir. Alaşımların sertlik değerlerinde önemli bir artış gözlenmemiştir. Çekme testleri, tel erezyon işleme ile ASTM E8M standartına uygun numuneler üretilerek, Instron 3367 üniversal test cihazında, 1,8 mm/dk çekme hızında ve oda sıcaklığında yapılmıştır. Her alaşım grubu için 5 numune kullanılmıştır. Mg-4Sn-2Al alaşımının çekme mukavemeti 131 MPa iken, Mg-4Sn-2Al-2La alaşımının 159 MPa ve Mg-4Sn-2Al-0,15Ti alaşımının 163 MPa değerine yükselmiştir. Anizotropi katsayısının belirlenmesi için ASTM E8M subsize çekme testi numuneleri, çekme mukavemetinin hesaplandığı yükten daha düşük bir yüke kadar çekilip deformasyona uğratılmıştır. Numunelerin çekme testinden önceki ve sonraki numune uzunluğu ve numune genişliği değerleri cihaza yerleştirilen bir ekstansometre ile ölçülmüştür. Anizotropi katsayısı (r değeri), Eşitlik 3.1'de belirtildiği gibi, gerçek enine birim şekil değişimi εw'nin kalınlıktaki gerçek birim şekil değişimi εt'ye oranı ile elde edilmiştir. Malzemenin sıkıştırılamazlığı göz önüne alındığında, malzemeler ϵ_w+ε_t+ε_l=0 denklemini sağlamaktadır. Ayrıca alaşımların kırık yüzeyleri SEM ile kırık yüzeyleri incelenmiş ve % uzamanın yüksek olduğu Mg-4Sn-2Al-2La ve Mg-4Sn-2Al-0,15Ti alaşımlarının diğer alaşımlara göre daha sünek kırıldığı anlaşılmıştır. Yapılan işlemler sonucu en iyi mekanik özellikler Mg-4Sn-2Al-0,15Ti alaşımında elde edilmiştir. Alaşımların Arşimet ilkesi kullanılarak elde edilen yoğunluk değerleri hesaplanmıştır. En yüksek bulk yoğunluk Alaşım 6'da en düşük bulk yoğunluk ise Alaşım 2'de elde edilmiştir. Saf magnezyuma göre yoğunluklar fazla yükselmemiştir. Bunun nedeni eklenen alaşım elementlerinin oranlarının düşük olmasındandır. ASTM G59-97 standardına göre potansiyodinamik polarizasyon yöntemi kullanılarak korozyon testleri gerçekleştirilmiştir. Tüm elektrokimyasal ölçümler, Gamry 300 elektrokimyasal analizör sistemi kullanılarak yapılmıştır. Geleneksel bir üç elektrotlu sistem kullanılarak yapılan korozyon deneylerinde referans elektrot olarak bir Ag/AgCl/KCl elektrotu ve karşı elektrot olarak bir grafit elektrot kullanılmıştır. Damıtılmış su ve ağırlıkça %3.5 NaCl (Merck Company) kullanılarak pH'ı yaklaşık 6 olan bir çözelti hazırlanmıştır. Numuneler izole edilmiş ve sadece 1,77 cm2 numune yüzey alanının çözelti ile teması sağlanmıştır. Tüm potansiyodinamik polarizasyon ölçümleri, ortam sıcaklığında, 1 mV/s'lik bir tarama hızında ve -0,6 ila +0,6 V'luk bir tarama aralığında gerçekleştirilmiştir. Veriler, Gamry EChem Analyst yazılım paketi kullanılarak analiz edilmiştir. Korozyon akımı (Icorr), korozyon potansiyeli (Ecorr) ve korozyon hızı (Rcorr) değerleri belirlenmiştir. Ca ve Nd ilavesi alaşımın korozyon hızını arttırırken Mn, La ve Ti ilaveleri korozyon direncini arttırmıştır. Korozyon direnci en yüksek alaşım, mekanik özellikleri de yüksek olan Mg-4Sn-2Al-0,15Ti alaşımı olmuştur.