Yüksek Hızlarda Doğrusal Katılaştırma Sonucu Zn-Al Ötektik Alaşımının Mikroyapı ve Mikrosertlik Özelliklerindeki Değişimlerin İncelenmesi

Yıl 2024, Cilt: 40 Sayı: 2, 408 - 419, 31.08.2024

Ümit Bayram

Öz

İnşaat sektöründeki çelik sacların kaplaması ve işlenebilir fabrikasyon parçalarının üretimi gibi çok geniş bir uygulama alanında aktif olarak kullanılan Zn–%5.0 Al (ağ.%) ötektik alaşımının faz diyagramı üzerinde bileşeninin belirlenmesi sonrasında doğrusal olarak katılaştırma deneyleri, sabit sıcaklık gradyanında (G=4.25 K/mm) ve geniş bir katılaştırma hızı aralığında (V=8.25–2032.19 μm/s) Bridgman tipi katılaştırma fırını ile gerçekleştirildi. Karakterizasyon çalışmaları için SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu) ve SEM-EDX (Enerji Dağıtıcı X-Işını Spektroskopisi) kullanıldı ve mikrosertlik (HV) değerleri Future-Tech FM-700 model mikrosertlik cihazı kullanılarak elde edildi. Düşük (V=8.25–165.68 μm/s), yüksek (V=516.23–2032.19 μm/s) ve tüm (V=8.25–2032.19 μm/s) katılaştırma hızı değerlerinin (V) hem ötektik mesafe (λ) ve hem de mikrosertlik (HV) üzerine olan etkisi lineer regrasyon analizi ile ayrı ayrı hesaplanarak araştırılmıştır. Artan katılaştırma hızı (V) değerlerine bağlı olarak ötektik mesafe (λ) değerleri azalma ve mikrosertlik (HV) değerleri ise artma eğilimi göstermektedir. Çalışmanın tüm sonuçları literatürdeki benzer hız aralıklarına sahip deneysel çalışmalar ve Jackson-Hunt ötektik teorisi ile karşılaştırıldı. Sonuç olarak, Jackson-Hunt ötektik teorisinin, standart katılaştırma hızı aralığını (~V=7.5-300.0 μm/s) aşan yüksek katılaştırma hızlarına uygulanamadığı, ayrıca alaşımın 350.0 μm/s civarında ötektik teoriden uzaklaşmaya başladığı kritik katılaştırma hızına sahip olabileceği ifade edildi.

Anahtar Kelimeler

Doğrusal Katılaştırma, Zn-Al Alaşımı, Mikroyapı, Mekanik Özellikler

Teşekkür

Araştırmacı, verdiği desteklerden dolayı çalışmanın deneysel süreçlerinin yürütüldüğü Katı Hal Fiziği-I laboratuvar sorumlusu Prof. Dr. Necmettin Maraşlı'ya teşekkür etmektedir.

Kaynakça

• Gueijman, S. F., Schvezov, C. E., Ares, A. E. 2010. “Vertical and Horizontal Directional Solidification of Zn-Al and Zn-Ag Diluted Alloys.” Materials Transactions, 51(10), 1861–1870.
• Hosking, F.M., Portillo, F.F., Wunderlin, R., Mehrabian, R. 1982. “Composites of Aluminium Alloys: Fabrication and Wear Behaviour.” Journal of Material Science, 17, 477–498.
• Lee, C.S., Kim, Y.H., Han, K.S., Lim, T. 1992. “Wear Behaviour of Aluminium Matrix Composite Materials.” Journal of Material Science, 27, 793–800.
• Rhême, M., Gonzales, F., Rappaz, M. 2008. “Growth Directions in Directionally Solidified Al-Zn and Zn-Al Alloys Near Eutectic Composition.” Scripta Materialia, 59(4) 440-443.
• Osório, W.R., Freire, C.M.A., Garcia, A. 2005. “Dendritic Solidification Microstructure Affecting Mechanical and Corrosion Properties of a Zn4Al Alloy.” Journal of Material Science, 40, 4493-4499.
• Zhang, C., Wu, Y., Fang, M., Wu, S., Wei, X., Cheng, Y., Sun, Y. 1997. “Formation Mechanism of the Zn-5% Al Hot- Dip Coating Amorphous Alloys (I).” Chinese Science Bulletin., 42, 2067-2072.
• Savaşkan, T., Turhal, M. S., Murphy, S. 2003. “Effect of Cooling Rate On Structure and Mechanical Properties of Monotectoid Zinc–Aluminium Alloys.” Materials Science and Technology, 19 (1), 67−74.
• Purcek, G., Altan, B. S., Mıskıoglu, I., Ooi, P. H. 2004. “Processing of Eutectic Zn−5%Al Alloy by Equal-Channel Angular Pressing.” Journal of Materials Processing Technology, 148, 279−287.
• Prasad, B. K. 2003. “Microstructural Alterations Through Heat Treatment and Its Influence On Wear Response of a Silicon Containing Zinc Based Alloy Under Different Test Conditions.” Materials Science and Technology, 19, 327−335.
• Al-Maharbi, M., Karaman, İ., Purcek, G. 2010. “Flow Response of a Severe Plastically Deformed Two-Phase Zinc–Aluminum Alloy. “Materials Science and Engineering A, 527, 518−525.
• Delneuville, Ph. 1985. “Tribological Behaviour of ZnAl Alloys (ZA27) Compared with Bronze When Used as A Bearing Material with High Load and at Very Low Speed.” Wear, 105 (4), 283-292.
• Auras, R., Schvezov, C. 2004. “Wear Behavior, Microstructure, and Dimensional Stability of As-Cast Zinc- Aluminum/SIC (Metal Matrix Composites) Alloys.” Metallurgical and Materials Transactions A, 35, 1579– 1590.
• Saíd, R.C. 2004. Caracterización Mecánica Del Eutectoide Zn-Al Modificado Con Plata, Universidad Nacional Auto´noma de Me´xico, Tesis de doctorado, pp. 12–36, Me´xico.
• Boyer, H.E., Gall, T.L. 1990. Metals Handbook. Desk edition, American Society for Metals, USA, pp. 18–19.
• VerSnyder, F.L., Guard, R.W. 1960. “Directional Grain Structure for High Temperature Strength.” Transactions of the American Society for Metals, 52, 485-493.
• Çadırlı, E., Yılmazer, İ., Şahin, M., Kaya, H. 2015. “Investigation of the Some Physical Properties of the Directionally Solidified Al–Cu–Co Ternary Eutectic Alloy.” Transactions of the Indian Institute of Metals, 68, 817-827.
• Bayram, Ü. 2017. Kontrollü Doğrusal Katılaştırılmış Alüminyum İçerikli Çoklu Ötektik Alaşımların Yapı Parametreleri ile Mekanik, Elektrik ve Termal Özelliklerinin Katılaştırma Hızına Bağlılıklarının İncelenmesi. Erciyes Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, ss. 75-187, Kayseri.
• Bertelli, F., Freitas, E.S., Cheung, N., Arenas, M.A., Conde, A., Damborenea, J. de, Garcia, A. 2017. “Microstructure, Tensile Properties and Wear Resistance Correlations On Directionally Solidified Al-Sn-(Cu; Si) Alloys.” Journal of Alloys and Compounds, 695, 3621–3631.
• Kakitani, R., Reyes, R.V., Garcia, A., Spinelli, J.E., Cheung, N. 2018. “Relationship Between Spacing of Eutectic Colonies and Tensile Properties of Transient Directionally Solidified Al-Ni Eutectic Alloy.” Journal of Alloys and Compounds, 733, 59-68.
• Maraşlı, N., Bayram, Ü. 2018. “Thermal Conductivity and Electrical Resistivity Dependences On Growth Rate in The Directionally Solidified Al–Cu–Ni Eutectic Alloy.” Journal of Alloys and Compounds, 753, 695-702.
• Song, Y., Tourret, D., Mota, F.L., Pereda, J., Billia, B., Bergeon, N., Trivedi, R., Karma, A. 2018. “Thermal-Field Effects On Interface Dynamics and Microstructure Selection During Alloy Directional Solidification.” Acta Materialia, 150, 139-152.
• Zhao, Y., Zhang, B., Hou, H., Chen, W., Wang, M. 2019. “Phase-Field Simulation for The Evolution of Solid/Liquid Interface Front in Directional Solidification Process.” Journal of Materials Science and Technology, 35 (6), 1044-1052.
• Böyük, U., Engin, S., Kaya, H., Çadırlı, E., Maraşlı, N. 2020. “Directionally Solidified Al–Cu–Si–Fe Quaternary Eutectic Alloys.” Physics of Metals and Metallography, 121, 78–83.
• Zheng, H., Chen, R., Qin, G., Li, X., Su, Y., Ding, H., Guo, J., Fu, H. 2020. “Microstructure Evolution, Cu Segregation and Tensile Properties of Cocrfenicu High Entropy Alloy During Directional Solidification.” Journal of Materials Science and Technology, 38, 19-27.
• Maraşlı, N., Bayram, Ü. 2021. “Investigations of Electrical Resistivity and Thermal Conductivity Dependences on Growth Rate in the Al–Cu–Ti Eutectic Alloy.” International Journal of Thermophysics 42, 94.
• Zhu, X., Xiao, Z., An, J., Jiang, H., Jiang, Y., Li, Z. 2021. “Microstructure and Properties of Cu-Ag Alloy Prepared by Continuously Directional Solidification.” Journal of Alloys and Compounds, 883, 160769.
• Kaygısız, Y., Palta, Ç., Kaymaz, T.Ç., Engin, S. 2023. “The Effect of Mn Addition and Heat Treatment on the Microstructure, Mechanical, and Thermophysical Properties of Al-Si-Mg Eutectic Alloy.” International Journal of Metalcasting (Technical Paper).
• Kaygısız, Y., Palta, Ç., Engin, S. 2024. “Determination of Microstructure and Mechanical and Thermophysical Properties of Al–Si–Mg-Xcr Alloy.” Materials Chemistry and Physics, 311, 128559.
• Porter, D.A., Easterlirng, K.E. 1992. Phase Transformations in Metals and Alloys. 2nd edition. CRC Press, Boca Raton.
• Kurz, W., Fisher, D.J. 1998. Fundamentals of Solidification, Chapter 5. 4th revised edition, Trans. Tech. Publications Ltd., Bäch, Switzerland.
• Zhang, Y., Song, C., Zhu, L., Zheng, H., Zhong, H., Han, Q., Zhai, Q. 2011. “Influence of Electric-Current Pulse Treatment on the Formation of Regular Eutectic Morphology in an Al-Si Eutectic Alloy.” Metallurgical and Materials Transactions B, 42, 604–611.
• Kakitani, R., de Gouveia, G.L., Garcia, A., Cheung, N., Spinelli, J. E. 2019. “Thermal Analysis During Solidification of an Al–Cu Eutectic Alloy: Interrelation of Thermal Parameters, Microstructure and Hardness.” Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 137, 983–996.
• Duffar, T., Sylla, L. 2010. Crystal Growth Processes Based on Capillarity. Chapter 6—Vertical Bridgman Technique and Dewetting, Wiley, New York, 355–411.
• Venkataraman, R. 2020. Handbook of Radioactivity Analysis (4th edition). Chapter 4—Semiconductor detectors, Elsevier Inc., 458-459.
• Çadırlı, E., Ülgen, A., Gündüz, M. 1999. “Directional Solidification of the Aluminium-Copper Eutectic Alloy.” Materials Transactions JIM, 40(9), 989–996.
• Gündüz, M., Kaya, H., Çadırlı, E., Özmen, A. 2004. “Interflake Spacings and Undercoolings in Al-Si Irregular Eutectic Alloy.” Materials Science and Engineering A, 369 (1-2), 215–229.
• Kaya, H., Böyük, U., Çadırlı, E., Maraşlı, N. 2010. “Unidirectional Solidification of Aluminium-Nickel Eutectic Alloy.” Kovove Materialy-Metallic Materials, 48(5), 291-300.
• Engin, S., Böyük, U., Kaya, H., Maraşlı, N. 2011. “Directional Solidification and Physical Properties Measurements of the Zinc-Aluminum Eutectic Alloy.” International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials. 18, 659–664.
• Koçak, Y., Engin, S., Böyük, U., Maraşlı, N. 2013. “The Influence of the Growth Rate On the Eutectic Spacings, Undercoolings and Microhardness of Directional Solidified Bismuth–Lead Eutectic Alloy.” Current Applied Physics, 13 (3), 587-593.
• Çadırlı, E., Kaya, H., Gündüz, M. 2007. “Directional Solidification and Characterization of the Cd–Sn Eutectic Alloy.” Journal of Alloys and Compounds, 431 (1-2), 171-179.
• Kaya, H., Çadırlı, E., Gündüz, M. 2003. “Effect of Growth Rates and Temperature Gradients On the Spacing and Undercooling in The Broken-Lamellar Eutectic Growth (Sn-Zn Eutectic System).” Journal of Materials Engineering and Performance, 12, 456–469.
• Engin, S., Büyük, U. 2018. “Kontrollü Doğrusal Katılaştırılan Al-Cu Alaşımının Mikroyapısı, Mekanik ve Elektriksel Özelliklerinin Katılaştırma Hızına Bağlı Değişimi.” Gümüşhane Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 8 (2) 209-221.
• Ourdjini, A., Liu, J., Elliot, R., 1994. “Eutectic Spacing Selection in The Al-Cu System.” Materials Science and Technology, 10, 312-318.
• Massalski T.B. 1993. Alloy Phase Diagrams, Materials Park, OH, ASM International, p 239.
• Jackson, K.A., Hunt J.D. 1966. “Lamellar and Rod Eutectic Growth,” Transactions of the Metallurgical Society of AIME, 236, 1129– 1142.
• Kaygısız, Y. 2018. “Microstructure Characterization and Hardness of Al-Cu-Mn Eutectic Alloy.” China Foundry 15, 390–396.
• Kaya, H., Aker, A. 2017. “Effect of Alloying Elements and Growth Rates On Microstructure and Mechanical Properties in The Directionally Solidified Al–Si–X Alloys.” Journal of Alloys and Compounds, 694, 145-154.
• Steinbach, S., Ratke, L. 2007. “The Influence of Fluid Flow on the Microstructure of Directionally Solidified AlSi-Base Alloys.” Metallurgical and Materials Transactions A, 38, 1388-1394.
• Böyük, U., Maraşlı N. 2009. “The Microstructure Parameters and Microhardness of Directionally Solidified Sn- Ag-Cu Eutectic Alloy.” Journal of Alloys and Compounds, 485, 264-269.