İMAL USULLERİ DÖKÜM

Dökümde Kalıp Geometrisi parça şeklini belirleyen boşluklar içerir Kalıp boşluğunun gerçek boyut ve şekli, katılaşma ve soğuma sırasında metalin büzülmesine izin vermek üzere hafifçe daha büyük olmalıdır Kalıplar, kum, alçı, seramik ve metal olmak üzere değişik malzemelerden yapılır

Açık Kalıplar ve Kapalı Kalıplar İki kalıp türü: (a) sadece istenen parçanın şeklindeki bir kap olan açık kalıp; ve (b) kalıp geometrisinin daha karmaşık olduğu ve kalıp boşluğuna giden bir yolluk sistemi (geçiş yolları) gerektiren kalıp geometrisinin olduğu kapalı kalıp

Döküm Yöntemlerinin İki Kategorisi Bozulabilir kalıp yöntemleri – dökümü çıkarmak için dağıtılması gereken bir kalıp kullanır Kalıp malzemeleri: kum, alçı ve benzer malzemeler, ayrıca bağlayıcılar Kalıcı kalıp yöntemleri – çok sayıda döküm üretmek için tekrar tekrar kullanılabilecek bir kalıcı kalıp kullanır Metalden (veya, nadiren) seramik bir refrakter malzemeden yapılır

Üstünlükleri ve Eksiklikleri Bozulabilir kalıp yöntemleriyle daha kesin geometriler oluşturulabilir Kalıcı kalıp yöntemlerindeki parça şekilleri, kalıbın açılması gerektiğinden sınırlıdır Kalıcı kalıp yöntemleri, yüksek üretim işlemlerinde daha ekonomiktir

Metalin Isıtılması Isıtma fırınları, metali döküme yeterli sıcaklığa ulaşacak şekilde eritmede kullanılır Gerekli ısı aşağıdakilerin toplamından oluşur: Sıcaklığı erime sıcaklığına yükseltecek ısı Katıyı sıvıya dönüştürecek eritme ısısı Erimiş metali döküme uygun sıcaklığa yükseltecek ısı

Sıcaklığı erime sıcaklığına yükseltecek ısı Metalin Eritilmesi Ergitme fırınları, metali döküme yeterli sıcaklığa ulaşacak şekilde ısıtmada kullanılır Gerekli ısı aşağıdakilerin toplamından oluşur: Sıcaklığı erime sıcaklığına yükseltecek ısı Katıyı sıvıya dönüştürecek eritme ısısı Erimiş metali döküme uygun sıcaklığa yükseltecek ısı

Değişik Malzemelerin Döküm ve Erime Sıcaklıkları Katılaşma Sıcaklığı (0C) Döküm Sıcaklığı (0C) Kır Dökme Demir 1175 1250 – 1350 Temper Dökme Demir 1250 1325 – 1400 Dökme Çelik 1475 1550 – 1600 Aluminyum 600 700 – 720 Pirinç 890 990 - 1010

Erimiş Metalin Dökülmesi Bu aşamada başarılı olmak için, katılaşmadan önce metalin kalıbın tüm bölgelerine, en önemlisi de kalıp boşluğuna akması gerekir Başarıyı belirleyen faktörler Döküm sıcaklığı Döküm hızı Türbülans

Döküm Kabiliyeti Metal ve alaşımlarının yolluk sisteminden akarak, kalıbı kusursuz olarak doldurma özelliği Döküm Kabiliyeti olarak adlandırılır. Bu özelliğin saptanması için kullanılan en yaygın deney “Döküm Spiralidir”.

Sıvı Metalin Akıcılık Testi (Spiral Döküm Testi) Döküm ağzı Düşey yolluk Katılaşmadan önceki akış sınırı Spiral kalıp Sıvı metalin akıcılığının belirlenmesi için uygulanan spiral kalıba döküm testi

Döküm Kabiliyetini Etkileyen Parametreler Döküm Sıcaklığı Katılaşma ısısı Eriyiğin ısı içeriği Eriyiğin bileşimi Katılaşma türü ve aralığı Yolluk sistemi Kalıbın ısı iletme kabiliyeti Kalıp malzemesinin ıslanma özelliği

Katılaşma Erimiş metalin tekrar katı hale dönüşümü İki aşamadan oluşur: Çekirdeklenme Kristal Büyümesi

Çekirdeklenme Serbest enerji: Katı halin enerjisi, sıvı hale göre daha azdır. Bu nedenle ortaya katı parçacıkların oluşumu esnasında kristalleşme ısısı açığa çıkar. Öte yandan yeni oluşturulan katı/sıvı ara yüzlerinin oluşumu için enerjiye ihtiyaç vardır ve açığa çıkan enerji burada kullanılır. Yani çekirdeklenme esnasında sistemin serbest enerjisi kristalleşme nedeniyle azalırken, oluşturulan yeni yüzeyler nedeniyle artma eğilimindedir.

Çekirdeklenme Çekirdekler çok küçük iken yüzeyleri hacimlerine göre büyüktür ve kristalleşme sırasında açığa çıkan enerji, bu yüzeylerin oluşturulması için yeterli olmamaktadır. Çekirdek yarıçapı belirli bir rKR değerini aştığı zaman kristal büyümeye devam eder.

Çekirdeklenme

Heterojen Çekirdeklenme Teknik saflıkta sıvı metallerin içinde hemen hemen her zaman kristalleşmenin başlayabileceği yeterli sayıda “yabancı Yüzey” bulunduğundan, çekirdeklenme HETEROJEN çekirdeklenme şeklinde gerçekleşir. Çekirdek olarak görev yapabilecek bu “Yüzeyler” şunlardır: Eriyiğin içinde bulunan kabın duvarları Erime sıcaklığı yüksek olan ve eriyik içinde katı halde bulunan bileşikler (karbürler, nitrürler, oksitler...) Bazı durumlarda eriyiğe döküm esnasında katkılar yapılarak çekirdek görevi yapabilecek parçalar atılır. Buna AŞILAMA denir.

Kristal Büyümesi Kübik kristal yapıya sahip olan metallerde büyüme, bazı tercihli yönlerde (küp yüzeyine dik doğrultuda) çok hızlı, diğer yönlerde ise daha yavaş olur ve bu şekilde büyüyerek ortaya çıkan kristallerin hacimsel düzeni DENDRİT olara adlandırılır. Eğer ısı iletimi, yapısal aşırı soğuma bölgesi oluşturmayacak şekilde yavaş olursa düzlemsel katılaşma meydana gelir. Eriyik geniş bir dX bölgesinde aşırı soğuduğundan, bu bölge içine katılaşarak uzamış bir kristal, ısının çekildiği yönde daha hızlı olarak büyümesine devam eder, sonuçta dendritik yapı oluşur. dX

Dendritik Yapı

Kristal Yapısı Kristallerin biçimi büyük oranda soğuma koşullarına bağlıdır. Eriyik ısının her taraftan uzaklaştırılması ile soğursa EŞEKSENLİ, yani toparlaklı taneler, düzgün olmayan (yönlenmiş) ise ısı iletiminde ise UZUN (ÇUBKSU) TANELER meydana gelir.

Metalin Katılaşması Katılaşma, metalin durumuna bağlı olarak değişir Saf bir element, veya Bir alaşım

Saf Metalin Soğuma Eğrisi Saf bir metal katılaşma sıcaklığına eşit bir sabit sıcaklıkta katılaşır (erime sıcaklığıyla aynıdır) Saf bir metalin katılaşma sırasındaki soğuma eğrisi.

Saf Metallerin Katılaşması Kalıp cidarının soğuma eylemi (chilling) sırasında, dökümden hemen sonra ara yüzeyde ince bir katı metal filmi oluşur Katılaşma sürerken film kalınlığı, erimiş metalin çevresinde bir kabuk oluşturacak şekilde artar Katılaşma hızı, kalıba ısı transferine ve ayrıca metalin ısıl özelliklerine bağlıdır

2-10 Kalıp cidarlarında ani soğuma (Chill etkisi) Isı transferi yüzeylerden merkeze doğru olduğu için kolonsal taneler oluşmaktadır. Soğuma sırasında sıcaklık gradyeninin tane oluşumuna etkisi Kalıp cidarı yakınında rastgele yönlenmiş ince taneleri ve dökümün merkezine doğru yönlenmiş büyük kolonsal taneleri gösteren, saf bir metalin dökümündeki karakteristik tane yapısı

Alaşımların Katılaşması Çoğu alaşım, sabit bir sıcaklık yerine bir sıcaklık aralığında katılaşır (a) Bir bakır-nikel alaşım sisteminin faz diyagramı; ve (b) döküm sırasında % 50 Ni ‑ % 50 Cu bileşimindeki bir alaşımın soğuma eğrisi

Mikrosegregasyon Alaşımların katılaşması esnasında bileşim farklılığı ortaya çıkabilir. Katılaşan taneler içinde çekirdekten dışarı doğru derişiklikde değişme olabilir. Bu olaya MİKROSEGREGASYON , ortaya çıkan iç yapıya da tabakalı katı çözelti denir.

Mikrosegregasyon Katılaşma aralığı olan her alaşımın döküm yapısında görülebilen mikrosegregasyon istenmeyen özellik değişimine neden olur. Bu olumsuzluk: Katılaşma aralığı ne kadar büyük, Soğumanın ne kadar hızlı, Olaya katılan elemanları yayınma katsayıları ne kadar düşük ise, o kadar belirgin olarak ortaya çıkar. Mikrosegregasyonu önlemek için ya Ötektik bileşim tercih edilmeli. Solidüs sıcaklığının hemen altında bir homojenleştirme tavı uygulanır. Ancak bu da maliyeti arttırır.

Soğumanın her taraftan olması ile ortaya çıkan eşeksenli taneler Hızlı soğuma etkisiyle oluşan küçük ve eşeksenli tanelerin bulunduğu kabuk Sıcaklık gradyeniyle oluşan uzun çubuk taneler Döküm merkezinde alaşım elemanlarının makro segregasyonunu gösteren, bir alaşım dökümündeki karakteristik tane yapısı.

Katılaşma Süresi Katılaşma belirli bir süre alır Toplam katılaşma süresi TTS = dökümden sonra katılaşma için gerekli süredir TTS aralarındaki ilişki Chvorinov Kuralı olarak bilinen, dökümün boyut ve şekline bağlıdır, burada TTS = toplam katılaşma süresi; V = dökümün hacmi; A = dökümün yüzey alanı; n = üstel sayı (tipik değeri = 2); ve Cm kalıp sabiti.

Chvorinov Kuralındaki Kalıp Sabiti Cm kalıp sabiti aşağıdakilere bağlıdır: Kalıp malzemesi Döküm metalinin ısıl özellikleri Erime sıcaklığına oranla döküm sıcaklığı Belirli bir döküm işlemi için Cm değeri, parça şekli çok farklı olsa bile, aynı kalıp malzemesi, metal ve döküm sıcaklığı kullanılan önceki deneysel verilere dayanabilir

Chvorinov Kuralının Anlamı Daha yüksek bir hacim/yüzey oranına sahip bir döküm, düşük oranlı olana göre daha yavaş soğur Erimiş metali kalıp boşluğuna beslemek için, besleyicinin TTS değerinin ana dökümün TTS değerinden daha büyük olması gerekir Besleyici ve dökümün kalıp sabitleri birbirine eşit olacağından, ana dökümün önce katılaşması için, besleyicinin daha büyük hacim/yüzey oranına sahip olacak şekilde tasarlanması gerekir Bu tasarım, büzülmenin etkilerini en aza indirir

KATILAŞMADA HACİM AZALMASI Sıvının Kendini Çekmesi Döküm sıcaklığından itibaren katılaşmanın başlayacağı sıcaklığa kadar soğuma sırasında hacim azalmasıdır. Katılaşma Çekmesi Sıvı / Katı dönüşümü sırasında atomların yeniden düzenlenmesi ile ortaya çıkan hacim azalmasıdır. Katının Büzülmesi Katılaşma parçanın oda sıcaklığına kadar soğuması sırasındaki hacim azalmasıdır. Sıvının Kendini Çekmesi (%2) Katılaşma Çekmesi (%3) Katının Büzülmesi (%7) Azalan Sıcaklık Hacim

KATILAŞMADA HACİM AZALMASI Sıvının kendini çekmesi ve katılaşma çekmesi nedeniyle; döküm boşlukları gözenekler sıcak yırtılmalar İç gerilmeler oluşabilir. Katının büzülmesi ise boyut değişmelerine çarpılmalara çatlaklara iç gerilmelere neden olabilir.

Katılaşma ve Soğumadaki Büzülme Silindirik bir dökümün katılaşma ve soğuma sırasındaki büzülmesi: (0) erimiş metalin dökümden hemen sonraki seviyesi; (1) soğuma sırasında sıvının kendini çekmesinin neden olduğu küçülme (boyutsal küçülmeler, anlaşılabilirliği arttırmak için abartılmıştır).

Sıvı Metalin Dökülmesi Bu aşamada başarılı olmak için, katılaşma başlamadan önce metalin kalıbın tüm bölgelerine, en önemlisi de kalıp boşluğuna sakin bir şekilde akarak dolması gerekir Döküm işlemini etkileyen faktörler Döküm sıcaklığı Döküm hızı Türbülans (kalıp erozyonu, oksitlenme, gaz çözünmesi ) Sıvı metalin akıcılığı Bernoulli teoremi

Katılaşma ve Soğumadaki Büzülme (2) Katılaşma büzülmesinin neden olduğu büzülme boşluğunun oluşumu ve yükseklikteki azalma; (3) katı metalin soğuması sırasında ısıl kendini çekme (büzülme) nedeniyle yükseklik ve çaptaki ek küçülme (boyutsal küçülmeler, anlaşılabilirliği arttırmak için abartılmıştır).

Katılaşma Büzülmesi Katı faz sıvı fazdan daha yüksek yoğunluğa sahip olduğundan, hemen tüm metallerde meydana gelir Böylece, katılaşma, birim metal ağırlığı başına hacimde bir küçülmeye neden olur İstisna: Yüksek C içerikli dökme demir Katılaşmanın son aşamasındaki grafitleşme, faz dönüşümüyle ilgili hacimsel azalmanın aksine, genleşmeye neden olur

Farklı Metallerin Büzülmesi ve Çekmesi Malzeme Sıvı-Katı Katılaşma Çekmesi Katı halde, oda sıcaklığına inerken oluşan Çekme Alüminyum 7,0 5,6 Dökme Demir (Yüksek Karbon) 3,0 Dökme Çelik 7,2 Bakır 4,5 7,5

Büzülme Toleransı Model yapımcıları, kalıp boşluğunun ölçüsünü büyük yaparak katılaşma büzülmesi ve ısıl küçülmeyi hesaba katarlar Kalıbın son döküm boyutuna göre daha büyük yapılma miktarı, model büzülme toleransı olarak adlandırılır Döküm boyutları, lineer olarak belirtilir; böylece toleranslar buna göre belirlenir

Mikrogözenekler Kristal büyümesi dendritik ise katılaşan dendritik ise katılaşan dendritik kolları arasında küçük sıvı metal havuzcukları hapsolacak ve bu havuzcuklardaki katılaşma sonrasındaki çekme boşlukları Mikrogözenekler olarak ortaya çıkacaktır.

Mikrogözenekler Mikrogözeneklerin miktarı katılaşma cephesinin genişlemesiyle artar. Sıvı ile katının birlikte bulunduğu bu bölgenin dar olması için: Katılaşma aralığı dar olmalıdır. Dolayısıyla döküm malzemesi olarak örneğin Ötektik Bileşimdeki alaşımlar tercih edilmelidir. Isı uzaklaştırılması yavaş, yani sıcaklık gradyeni dik ise yapısal aşırı soğumanın sözkonusu olduğu katılaşma cephesi ortadan kalkar veya genişliği azalır ve mikrosegregasyon önlenir.

Yönlenmiş Katılaşma Büzülmenin zararlı etkilerini en aza indirmek için, sıvı metalden en uzak döküm bölgelerinin ilk önce katılaşması ve katılaşmanın bu bölgelerden besleyici(ler)e doğru ilerlemesi istenir Böylece, büzülme boşluklarının önlenmesi için erimiş metal sürekli olarak besleyiciden çekilebilir Yönlenmiş katılaşma terimi, katılaşma kavramını ve bunu kontrol edildiği yöntemleri kapsar

Yönlenmiş Katılaşma İyi tasarlanmış bir kalıpta, katılaşma kalın kesitlerin ince kesitleri beslemesiyle kademeli olarak ilerlemeli ve en son katılaşan bölgelerin dışa açık olan yolluk ve çıkıcılarda kalması sağlanmalıdır. Böylece çekme boşluğu ve diğer kusurların parça içinde oluşması önlenir. Döküm kalıplar için çok önemli olan bu tasarım prensibi, Katılaşma Yönlendirilmesi olarak adlandırılır.

Yönlenmiş Katılaşma (Köşeler) Katılaşmada en sorunlu bölgelerden bir de köşeleridir. Birleşme noktasındaki kesit, genellikle birleşen kesitlerden büyük olduğundan, bu bölgeler en son katılaşır ve iç kısımlarında çekme boşlukları oluşabilir. Dolayısıyla bu bölgelerde ya kesit inceltilmeli, ya da soğutma plakaları yardımıyla burada soğuma hızlandırılarak katılaşmanın köşelerden başlaması ve kollara doğru devam etmesi sağlanmalıdır.

Yönlenmiş Katılaşma Parça geometrisi nedeniyle kalıp içindeki katılaşmanın istenildiği gibi yönlendirilmesinin mümkün olmadığı durumlarda, katılaşmanın istenen bölgelerde başlayıp istenilen yerlerde sonlanması için soğutma plakalarından, veya çekme oluşabilecek yerlerin sıvı metal ile beslenebilmesi için çıkıcı ve besleyicilerden yararlanılır.

Yönlenmiş Katılaşmanın Eldesi İstenen yönlenmiş katılaşma, dökümün kendisini, kalıbı yönlenmesini ve bunu besleyen besleyici sistemini tasarlamak için Chvorinov kuralını kullanarak başarılır. Dökümün küçük V/A oranına sahip kesitlerinin besleyiciden uzağa yerleştirilmesiyle, katılaşma ilk olarak bu bölgelerde başlar ve dökümün diğer bölgeleri için sıvı metalin önü açık kalır. M = V / A MBesleyici > MParça Soğutucular ‑ dökümün belirli bölgelerinde hızlı katılaşmayı sağlayan iç ve dış ısı emiciler

Besleyici ve Çıkıcılar Çıkıcı ve besleyicilerin görevi, kalıp içinde katılaşan parçanın iç ve dış çekme boşlukları oluşabilecek bölgeleri sıvı metal ile beslemektir. Yani çıkıcı ve besleyiciler, sıvı metal depoları olup en son katılaşacak bölgeler olarak tasarlanmıştır. Çıkıcılar atmosfere açık, huni biçiminde; besleyiciler ise dışarıya kapalı ve genellikle küresel kalıp elemanlarıdır. Besleyiciler biçimleri gereği daha yavaş soğuduklarından, döküm sonrasında parçadan ayrılmaları daha kolay olduğundan ve kalıbın istenilen her bölgesine yerleştirilebildiklerinden daha çok tercih edilirler.

Besleyici Tasarımı Bir işlemde atık miktarını en aza indirmek için, besleyicideki metal hacminin en düşük değerde olması istenir. Besleyici geometrisi genelde, V/A oranını en büyük yapacak şekilde seçildiğinden, bu durum besleyici hacminin mümkün olan en düşük değere indirilmesini sağlar. M = V / A MBesleyici > MParça

Besleyici ve Çıkıcılar Besleyici ve çıkıcıların, katılaşırken hacmi azalan parçayı sıvı metal ile besleyebilmeleri için atmosfer basıncı ile sürekli temasta olmaları gereklidir. Bu nedenle çıkıcının üstünde bir kabuk oluşmaması için yalıtkan veya egzotermik örtülerden yararlanılır.

Besleyici Besleyicilerde dış kısımlarda daima bir kabuk oluşur, bu nedenle besleyicinin atmosfer basıncı ile temasını sağlamak için de kalem maçalardan yararlanılır. Gözenekli olan kum kalıp ve kalem maça gaz geçirgenliğini sağladığından, besleyici içinde atmosfer basıncı hakim olur.

Soğutucular Katılaşmayı yönlendirmek ve çekme boşluklarının oluşmasını önlemek için, bazı durumlarda çıkıcı ve besleyiciler yerine soğutucu plakalar veya iç soğutuculardan yararlanılır. Bunlar çelik, dökme demir, bakır vb. Malzemelerden yapılmış kalıp elemanları olup, kalıplamada kalıp boşluğunun duvarına yerleştirilirler. Bu sayede en son katılaşması beklenen ve normal soğumada çekme boşluğu oluşabilecek daha hızlı soğutularak katılaşmanın buralardan başlatılması ve istenilen şekilde yönlendirilimesi mümkün olur.

Dış Soğutucular Kum kalıp Dış soğutucular (a) Dökümün kalın kesitlerindeki erimiş metalin hızlı katılaşmasını desteklemek için dış soğutucu; ve (b) dış soğutucunun kullanılmaması durumundaki muhtemel sonuç. Dış soğutucular Kum kalıp Çekme Boşluğu

İç Soğutucular Soğutma plakalarının yerleştirilmesinin güç olduğu bölgelerde İç Soğutucularından yararlanılır. Bir diğer çözüm de kalıbın bazı bölgelerinin yalıtılması yoluyla katılaşmayı yönlendirmektir.