Mg5al1Si ve Mg5al1Ti alaşımlarının korozyon ve mekanik özelliklerine Zn ve Mn ilavesinin etkisi
The effects of the Zn and Mn addition on the corrosion and mechanical properties behaviours of the Mg5al1Si and Mg5al1ti alloys
Yazar: HARUN ÇUĞ
Danışman: PROF. DR. HAYRETTİN AHLATCI
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışmada, döküm yöntemi ile üretilen magnezyum esaslı AS41, Mg5Al1Si ve Mg5Al1Ti master alaşımının mikroyapı, çekme dayanımı, korozyon ve aşınma direnci üzerine farklı oranlarda Zn ve Mn elementi ilavesinin etkisi araştırılmıştır. Master alaşımına Zn ve Mn ilavesi, %0,5, %1, %2 ve %4  oranındadır.

Işık Optik mikroskobu (LOM), X–ışını kırınımı (XRD) analiz cihazı ve SEM mikroskobu, mikro karakterizasyonunun yapılması için kullanılmıştır. Mekanik özellikler; sertlik ve çekme deneyleri ile belirlenmiştir. Sertlik ölçümleri 0,5 HV yük altında, çekme testi 0,5 mm/dk çekme hızında test edilmiştir. Korozyon testleri ağırlık kaybı ve potansiyodinamik polarizasyon ölçüm metodları ile 30gr/l NaCl+10ml/l HCl çözeltisi içerisinde yapılmıştır. Aşınma testi ise pin on–disk tipi aşınma cihazında 5N, 10N, 20N ve 40N yük altında 0,5 m/s kayma hızında 2000 m aralıklarla toplamda 12000 m kayma mesafesinde uygulanmıştır.
Mikroyapı sonuçları Mg5Al1Si ve Mg5Al1Ti master alaşımlarına Zn ve/veya Mn elementi ilavesi ile tane boyutunun inceldiğini ortaya koymuştur. Mikroyapı karakterizasyonu neticesinde bileşiminde %1 Si içeren AS41 ve Mg5Al1Si master alaşımının mikroyapısında α–Mg matris içinde düşük oranda Zn ve Mn ilavesi ile Mg2Si partikülleri ve Mg17Al12 tane sınırı intermetaliği oluşurken yüksek oranda (%4) Zn ve Mn ilave edildiği zaman Mg2Si ve Mg17Al12 fazları ile birlikte α–Mg matris içinde sırasıyla MgZn fazı ve Al6Mn fazı meydana gelmiştir. Mg5Al1Ti master alaşımında bileşime ilave edilen %1 Ti elementi herhangi bir faz oluşturmazken, yapıda sadece Mg17Al12 tane sınırı intermetaliği gözlenmiştir. Mg5Al1Si master alaşımına %4 oranında Zn ve Mn ilavesinde gözlenen fazlar %4 oranında Zn ve Mn ilave edilen Mg5Al1Ti master alaşımında da ortaya çıkmıştır.

Her bir master alaşıma Zn ve/veya Mn ilavesi ile sertlik ve mekanik özelliklerde artış gözlenmiştir. En yüksek sertlik değerine Mg5Al1Si master alaşımına %4 Zn ilave edildiğinde 85 HV ile %44 artışla ulaşılmıştır. En yüksek akma mukavemeti ise yine Mg5Al1Si master alaşımına %4 Zn ilave edildiğinde 108 MPa ile %38 yükselme ile sağlamıştır. Si elementi ilaveli alaşımların Ti ilaveli alaşımlardan daha yüksek sertlik ve mukavemete sahip olması yapıda oluşan Mg2Si fazına dayandırılmaktadır.

Korozyon dayanımı en yüksek olan Mg5Al1Ti–4Zn alaşımında yapıda oluşan Mg17Al12 fazı (β) ve MgZn intermetalik fazlarının korozyon oluşumuna karşı bariyer etkisi gösterdiği tespit edilmiştir. Ti içeren master alaşımının korozyon direnci Si içeren master alaşımının direncinden daha yüksek bulunmuştur. Ağırlık kaybına göre yapılan korozyon deneyi sonrası yüzeyden ve kesitten gerçekleştirilen optik mikroyapı, stereo mikroskop ve SEM incelemeleri ile EDS analizleri; korozyonun yüzeyden iç kısımlara lineer olarak ilerlediğini göstermiştir. Bu durum master alaşıma ilave edilen Ti elementinin katı eriğik oluşturmasından kaynaklanmaktadır.

Ağırlık kaybı ölçüm testlerine benzer olarak potansiyodinamik polarizasyon deneyleri sonrası Mg5Al1Ti–4Zn alaşımının en düşük korozyon akım yoğunluğu (Icorr)  değerine sahip olması yapıda katı eriyik oluşturan Ti elementi gibi bariyer etkisi oluşturan Mg17Al12 ve MgZn fazına dayandırılmaktadır.
Aşınma sonuçları mukavemet sonuçları ile uyumlu olarak değiştiği görülmektedir. Aşınma deneyi sonuçlarında ağırlık kaybı kayma mesafesi grafikleri, sabit kayma hızında kümülatif ağırlık kaybı kayma mesafesi ile lineer olarak değişmiştir. Mg5Al1Si master alaşımı, Mg5Al1Ti master alaşımından daha iyi aşınma dayanımı gösterirken, Mg5Al1Si–4Zn alaşımı en yüksek aşınma dayanımı sergilemiştir.

Aşınma deneyleri sonrası aşınma yüzeylerinde abrasif aşınma karakteristiğini gösteren yivlerin oluştuğu gözlemlenmiştir. Master alaşımının çinko içeriğinin artması ve uygulanan yükün azalması oluşan yivlerin genişliği ve derinliğini azaltmıştır. Uygulanan yükün artması ile aşınma izler daha derin ve geniş, plastik deformasyon ile numune yüzeyi dışına doğru uzamış çapaklanmalar görülmüştür.

Abstract:
In this study, the effect of Zn and Mn additions on microstructure, tensile strength, corrosion and wear properties of AS41, Mg5Al1Si and Mg5Al1Ti magnesium master alloys produced by casting was investigated. The percentages of Zn and Mn added to the master alloy are 0.5%, 1%, 2% and 4%. 

Optical microscope (LOM), X-ray diffraction  analysis (XRD) and SEM were used for microstructure observation. The hardness and tensile test were used for mechanical behaviour of specimens. Hardness test was performed with the 0.5 HV force, tensile test was performed with a crosshead speed of 0.5 mm/min. The corrosion test were performed in 30gr/l NaCl+10ml/l HCl solution to determine weight loss and potansiyodinamik polarization. The wear tests were carried out with four different normal loads of 5N, 10N, 20N and 40N in total 12000 m slide distance at 2000 m intervals with 0.5 m/s slide speed were applied to all specimens.

The microstructure results show that, the grain size of Mg5Al1Si and Mg5Al1Ti alloys decrease with addition of Zn and/or Mn elements. As a result of the microstructural characterization, Mg2Si particles and Mg17Al12 intermetallic phases of AS41 and Mg5Al1Si contained 1% Si were formed in α Mg matrix by small amount of Zn and Mn additions whereas MgZn and Al6Mn intermetallic phases also were obtain at AS41 and Mg5Al1Si alloy with higher Zn and Mn (4%) addition alloys element. The addition of 1% Ti in Mg5Al1Ti alloy  did not create any phase and only Mg17Al12 grain boundary intermetallic occurred in the structure. Furthermore, MgZn phase in α Mg matrix was observed when 4% Zn addition was made and Al6Mn phase was formed with the addition of 4% Mn.

The mechanic and hardness properties of master alloys increased with addition of Mn and/or Zn alloying elements. The highest hardness (85HV) values were obtained at Mg5Al1Si master alloy with 4% Zn addition The highest yield strength (108 MPa) were obtained again at Mg5Al1Si master alloy with 4% Zn addition. 

In Mg5Al1Ti–4Zn alloy, which showed the highest corrosion resistance, Mg17Al12 and MgZn intermetallic phases act as barrier to corrosion formation. Ti addition to the master alloys made better contribution to corrosion resistance than Si. The microstructure images taken from both surface and cross section of the specimens after weight loss corrosion test, stereoscopic images, SEM images and EDS analysis showed that corrosion started at the surface and proceeded to liner regions.

The lowest corrosion current density (Icorr) was obtained for Mg5Al1Ti–4Zn alloy at potansiyodinamik polarization tests and this is attributed to the presence of Mg17Al12 and MgZn intermetallic phases which are act as a strong barrier for corrosion such as Ti element. 

According to wear test results the weight loss sliding distance figure changed linearly with cumulative weight loss sliding distance at constant sliding speed. Mg5Al1Si master alloy showed higher wear resistance that Mg5Al1Ti master alloy whereas Mg5Al1Si–4Zn was the best wear resistant alloy among the tested alloys. The wear test result showed that, the small grooves which is characteristic of abrasive wear were obtained at surface of specimens. However the increase of Zn and applied load decreased deep and wideness of grooves.