AlSi9Cu3 ve AlSi10Mg basınçlı alüminyum döküm alaşımlarına bor ve stronsiyum ilavesinin Cr3+ dönüşüm kaplaması sonrası korozyon direncine etkisi

Abstract

Alüminyum döküm alaşımları; sahip oldukları yüksek spesifik mukavemet, yüksek termal & elektrik iletkenlik ve iyi korozyon direnci özellikleri sayesinde başta havacılık & savunma ve otomotiv sektörü olmak üzere sıkça tercih edilen malzemelerdendir. Metallerin ve alaşımların, yüksek korozyon direncine sahip olması ve korozyona maruz kalmadan uzun süre kullanılabilir olması, endüstride orijinal ekipman üreticileri (OEM) tarafından istenilen özelliklerin başında gelmektedir. Alüminyum döküm alaşımları, başta yüksek dökülebilirlik, işlenebilirlik ve iyileştirilebilir korozyon direnci özellikleri sayesinde otomotiv sektöründe çeşitli uygulamalarda sıkça kullanılmaktadır. Otomotiv sektöründe en yaygın kullanılan alüminyum alaşımları 3xx (Al-Si-Mg/Cu) ve 4xx (Al-Si) alaşımlarıdır. Bu alaşımların şekillendirilmesinde kullanılan yüksek basınçlı döküm teknolojisi başta gelen önemli yöntemlerden biridir. 3xx alüminyum alaşımlarının korozyon direnci, kimyasal bileşimlerine göre –özellikle içerdikleri bakır (Cu) elementinin oranına bağlı olarak- değişkenlik gösterebilmektedir. Bu nedenle, otomotiv sektöründe yüksek basınçlı döküm yöntemiyle üretilen alüminyum döküm alaşımlarına müşteri istekleri doğrultusunda korozyon direncini artırıcı Cr3+ dönüşüm kaplaması (TCP) uygulanabilmektedir; ancak bu kaplama, bakır oranı göreceli yüksek alaşımlarda düşük alaşımlara göre korozyon direnci yönünden olumsuz sonuçlar verebilmektedir. Bu çalışmada, Cu elementinin oluşturduğu mikrogalvanik korozyonun olumsuz etkilerini azaltmak ve daha yüksek korozyon direnci elde edebilmek için göreceli yüksek bakır oranına sahip (ağ. %2,5) AlSi9Cu3 (EN AC 46000) ve göreceli düşük bakır oranına sahip (ağ. %0,1) AlSi10Mg (EN AC 43400) alüminyum döküm alaşımlarına tane inceltici özellikli bor (B) içeren AlB3 ön alaşımı ve ötektik modifiye edici stronsiyum (Sr) esaslı AlSr15 ön alaşımı ilavesi yapılmıştır. Alaşımlara yapılan bu ilaveler ile hem döküm sonrası hem de TCP kaplaması sonrası korozyon direnci özelliklerinde iyileşme amaçlanmıştır. Özellikle, aynı miktardaki bakırın mikroyapıya homojen dağılımı ile AlSi9Cu3 alaşımının TCP kaplaması sonrasında korozyon direncinde artış öngörülmüştür. AlSi9Cu3 ve AlSi10Mg ön alaşım ilaveli numunelerine yağ alma & asit ile aşındırma ön işlemleri sonrasında TCP kaplaması uygulanmıştır. Yüksek basınçlı döküm yöntemi ile şekillendirilen AlSi9Cu3 ve AlSi10Mg alaşımlarının optik mikroskop ile metalografik, Taramalı Eletron Mikroskobu (SEM) ile morfolojik ve EDS-Haritalama (Enerji Dispersiv X-Ray Spektroskopisi Haritalama) analizleri ile malzeme karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. Malzemenin mikroyapısında yapılan değişikliklerin korozyon direnci üzerindeki etkilerinin incelenmesi için hem döküm numunelere hem de TCP kaplanmış numunelere Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EIS) ve Tafel deneyleri uygulanmıştır. CV analizi; AlSi9Cu3 için döküm sonrası, her iki alaşım içinse TCP kaplama ön işlemleri sonrası uygulanmıştır. Numunelerin uzun dönem korozyon dirençleri tuz testi ile ölçülmüştür. Metalografik ve morfolojik malzeme karakterizasyonları sonucunda AlB3 ön alaşımının mikroyapı üzerindeki olumlu etkileri görülmüştür. AlB3 ön alaşımı kullanılan numunelerde daha ince taneler ile birlikte nispeten daha küresel ve küçük birincil α-Al fazları gözlemlenmiştir. AlSr15 ön alaşımının kullanıldığı numunelerde ise normalde iğnesel ve kaba formda bulunan Al-Si ötektik fazları Sr elemtinin etkisiyle incelerek lifsi formda oluşmuştur. AlSi9Cu3 ön alaşım ilavesiz ve ön alaşım ilaveli numunelerinin yüzey elektroaktif bakır miktarlarının hesaplanabilmesi için Çevrimsel Voltametri (CV) analizleri gerçekleştirilmiş ve bakır elementinin Cu(0)' dan Cu(I)' yükseltgenme reaksiyonu sonucu ~ -0.1 V değerinde pik elde edilmiştir. Elde edilen pikin şiddeti yeterli olmadığı için yüzey elektroaktif bakır miktarı hesaplanamamıştır. Hem döküm sonrası hem de TCP kaplaması sonrasında uygulanan EIS ve Tafel deneyleri sonuçlarına göre, AlSi9Cu3 alaşımının (Cu: % 2,5) korozyon direncinin (korozyon akımı, icorr: 2,192 / 0,291 μA/cm2) AlSi10Mg alaşımının (Cu: % 0,1) korozyon direncinden (icorr: 0,715 / 0,019 μA/cm2) daha düşük olduğu bulunmuştur. AlSi9Cu3 ve AlSi10Mg alaşımlarının korozyon dirençlerindeki bu farklılığın, içerdikleri bakır oranlarından kaynaklandığı gözlemlenmiştir. AlSi9Cu3 alaşımı B + Sr ilaveli numunenin korozyon direnci, ön alaşım ilavesiz numuneye göre EIS (Polarizasyon direnci, Rp, EIS: 4,16 kΩ / 3,64 kΩ) ,Tafel (Rp, EIS: 4,53 kΩ / 3,31 kΩ & İcorr: 2,192 μA/cm2 /1,585 μA/cm2) ve tuz testi (ağırlık değişimi: 0,007 g/cm2 / 0,008 g/cm2) sonucunda daha yüksek bulunmuştur. AlSi9Cu3 AlB3 + AlSr15 ilaveli numunede, tane inceltme ve ötektik modifikasyon sonucunda daha küçük ve çok sayıdaki mikrogalvanik hücrenin oluştuğu ve böylece numune korozyon direncini azalttığı düşünülmektedir. Buna ek olarak, AlSi9Cu3 alaşımı numunelerinin döküm yüzeye sahip numunelerin Tafel analizi sonrası mikroyapısı incelendiğinde çamursu fazlarının (sludge) oyuk oluşumunu engellediği görülmüştür. Tane inceltmenin etkisiyle AlB3 ilaveli numunelerde çamursu fazların daha küçük ve fazla olduğu; bu nedenle AlB3 ilaveli numunelerinin korozyon dirençleri diğer ön alaşım ilaveli numunelere göre daha yüksek olabileceği düşünülmüştür. AlSi10Mg alaşımı için; ön alaşım ilavesiz, AlB3 ilaveli ve AlB3 + AlSr15 ilaveli numunelerin korozyon dirençleri birbirine yakın değerlerde bulunmuş ve numunelerin korozyon dirençleri arasında fark görülmemiştir. AlSi10Mg alaşımı AlSr15 ilaveli numunenin korozyon direnci ise diğer üç numunenin korozyon direncinden düşük bulunmuştur. Sr elementinin ötektik fazın yüzey alanını artırdığı faz analizi sonucunda görülmüştür. Bakır oranı az AlSi10Mg alaşımının temel korozyon mekanizması birincil α-Al ve Al-Si ötektik fazı arasında gerçekleşmiştir. Bu sebeple artan ötektik faz korozyon direnci AlSi10Mg alaşımı üzerinde olumsuz etki oluşturmuştur. AlSi9Cu3 (Cu: %2.4) numunelerine uygulanan CV deneylerinde, saf bakıra oranla ön alaşım ilavesiz, AlB3 ilaveli, AlSr15 ilaveli ve AlB3 + AlSr15 ilaveli numunelerinin yüzey elektroaktif bakır miktarları sırasıyla %32,1 %66,9 %39,9 %64,1 olarak bulunmuştur. AlSi9Cu3 alaşımında AlB3 ilavesi ile tane inceltme sonucunda numune mikroyapısında tane boyutu küçülmüş ve daha küçük ve küresel şekilde α-Al fazları oluşturulmuştur. Mikroyapıdaki bu değişimin sonucunda tane sınırları artmış ve tane sınırlarında oluşma eğilimi gösteren bakır içeren intermetalik fazlar mikroyapı yüzeyinde homojen bir şekilde dağılmıştır. Bu nedenle, CV analizi sonucunda AlB3 ilaveli ve AlB3 + AlSr15 ilaveli AlSi9Cu3 numunelerinin elektroaktif bakır miktarları ön alaşım ilavesiz ve AlSr15 ilaveli numuneden daha yüksek değerlerde bulunmuştur. AlSi10Mg (Cu: %0.1) alaşımı içerdiği düşük bakır nedeniyle CV analizi sonucunda herhangi bir pik elde edilememiş ve yüzey elektroaktif bakır miktarı hesaplanamamıştır. TCP kaplanmış AlSi9Cu3 alaşımı numunelerinin EIS, Tafel deneyi sonuçları incelendiğinde, AlB3 ilaveli numunenin korozyon direncinin diğer numunelerden daha yüksek değerde olduğu görülmüştür. AlSi9Cu3 alaşımı AlB3 ilaveli ve ön alaşım ilavesiz numunelerinin EIS deneyi sonucunda yük transfer dirençleri sırasıyla 295,8 kΩ ve 57,51 kΩ, Tafel deneyi sonucunda korozyon akımları sırasıyla 0,053 μA/cm2 ve 0,291 μA/cm2 olarak hesaplanmıştır. Uygulanan CV analizleri sonucunda AlB3 ilaveli AlSi9Cu3 alaşımı numunesinin yüzeyinde saf bakıra göre %66,9 oranında elektroaktif bakır bulunduğu tespit edilmiştir. Asit ile aşındırma sonrası, yüzeyde α-Al çözünmesi sonucunda geriye kalan bakır elementleri üzerinde / yakınında TCP kaplama oluşumunun başladığı öngörülmektedir. TCP kaplanmış AlSi10Mg alaşımı numunelerinin EIS, Tafel deneyleri ve tuz testi sonuçlarına göre AlSr15 ve AlB3 + AlSr15 ilaveli numunelerin korozyon dirençleri ön alaşım ilavesiz ve AlB3 ilaveli numunelerden daha yüksek bulunmuştur. AlSr15 ve AlB3+ AlSr15 ilaveli numunelerde artan ötektik faz ve tane inceltmenin etkisiyle, anodik α-Al fazının, daha katodik fazlar (silisyum ve intermetalikler) ile etkileşim yüzeyi artmıştır. TCP kaplaması ön işlemlerinde bu etkileşim yüzeylerinin çözünmesi (korozyona uğraması) sonucunda numunenin yüzey pürüzlülüğü artmış ve bu alanların üzerinde daha homojen ve tutunan bir TCP kaplaması oluşmuş ve böylece korozyon direnci artmıştır. Sonuç olarak; yapılan çalışma kapsamında AlSi9Cu3 alaşımı yüzeyindeki bakır içeren intermetaliklerin daha küçük ve homojen şekilde yüzeye dağıtmak ve daha küçük mikrogalvanik korozyon hücreleri oluşturarak TCP kaplama sonrası korozyon direncini artırmak amaçlanmıştır. AlSi9Cu3 alaşımına AlB3 ön alaşımı ilavesiyle yüzey elektroaktif bakır miktarının arttığı CV analizleri ile görülmüş ve TCP kaplama sonrasında elde edilen korozyon direncinin ön alaşım ilavesiz numuneye göre korozyon akımının yaklaşık 5,5 kat azaldığı (AlB3 ilaveli: 0,053 μA/cm2 ve normal: 0,291 μA/cm2) ve yük transfer direncinin ise (295,8 kΩ & 57,51 kΩ) yaklaşık 5 kat daha fazla olduğu görülmüştür.