KATILAŞMA PROSESİ

Birçok malzeme üretimlerinin bir aşamasında sıvıdır. Sıvı, katılaşma sıcaklığının altına soğutulduğunda katılaşır. Metal malzemelerin özellikleri büyük ölçüde katılaşma sırasında oluşan iç yapı ile belirlenir. Malzeme katılaşmış durumda iken veya ısıl işlem ve mekanik işlemler uygulanmış halde kullanılabilir. Özellikle döküm malzemelerinin özelliklerinin kontrol edilebilmesi için katılaşma olayının (kristalleşme) iyi bilinmesi gereklidir.

Bir cisim denge halinde bulunan bir fiziksel kütle olarak tanımlanır Bir cisim denge halinde bulunan bir fiziksel kütle olarak tanımlanır. Bu kütle içinde homojen dağılmış atomlar bulundukları konumu sürekli korurlar. Ancak çevre koşulları değişirse mevcut enerji dengesi bozulur, atomlar bulundukları konumdan daha düşük enerji gerektiren başka bir konuma geçmeye zorlanır. Atomsal hareket sonucu iç yapı değişir ve yeni bir denge yapısı elde edilir. Diğer bir deyimle bir faz başka bir faza dönüşür.

Katılaşma Prosesi Neden Önemli ? Sıvı metalin katılaşması birincil katılaşma ve oluşan yapı da birincil içyapı olarak adlandırılır. Döküm parçalarında birincil içyapı parça ömrü boyunca hiç değişmeyeceğinden katılaşma olayı kontrol edilmelidir. Haddeleme, dövme gibi p.ş.v. yöntemleri sonrasında içyapı, ısıl ve termomekanik işlemleri ile yeniden oluşturulabilir buna ikincil içyapı denilir. Döküm parçalarında bu mümkün olmadığından, uygun birincil yapı elde edilmesi çok önemlidir.

Cisimlerde iç yapı oluşumunda en önemli ana etken enerjidir Cisimlerde iç yapı oluşumunda en önemli ana etken enerjidir. Fiziksel doğanın temel özelliklerinden birisi enerjisi azalan bir cisimde kararlılığın artmasıdır. Sistemler daima sahip oldukları enerjiyi azaltan konumlara doğru yönelerek daha kararlı hale gelme eğilimi gösterirler.

Saf Metallerde Katılaşma Sıvı içindeki atomlar düzensiz halde olup, sürekli olarak hareket ederler. Soğuma sırasında ısının uzaklaştırılması ile eriyiğin enerjisi giderek azalır. Sıvının sıcaklığı katılaşma noktasına ulaştığı anda sıvıdaki atomlar toplanarak katıya benzer küçük bir bölge meydana getirirler. Bu bölgenin çapı belli bir kritik değere ulaştığı anda (büyüyerek) çekirdek adını alır. Diğerleri ise çözünür yok olur. Katının büyümesi, atomların sıvıdan oluşan çekirdeklere geçmeleri ile olur ve büyüme sıvı bitene kadar devam ederek taneler oluşur.

Katılaşma olayı (içyapıdaki tanelerin ortaya çıkması) iki safhaya ayrılır: Çekirdeklenme Kristal büyümesi Homojen çekirdeklenme Heterojen çekirdeklenme

Saf metallerde katılaşma sabit sıcaklıkta olur. Saf metalin soğuma eğrisi

Çekirdeklenme Katının oluşabilmesi için, katı ile sıvıyı birbirinden ayıran bir arayüzey oluşmalıdır. Sıvının sıcaklığı katılaşma noktasına ulaştığı anda sıvıdaki atomlar toplanarak katıya benzer küçük bir bölge meydana getirirler. Bu küçük partikül embriyo (çekirdekcik) olarak adlandırılır ve çapı belli bir değere ulaştığı anda çekirdek adını alır.

Çekirdekler çok küçük katı parçacıklar olup, tekrar erimeden büyümeye devam etmeleri ancak yeterli bir büyüklüğe sahip olmalarına bağlıdır. Bu durum serbest enerji ile açıklanabilir. Katı durum, sıvıya göre daha az enerjili olduğundan eriyikte katı parçacıkların oluşması sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.

Öte yandan yeni oluşan sıvı/katı arayüzeyleri için enerjiye ihtiyaç vardır. Dolayısıyla çekirdeklenme sırasında serbest enerji bir yandan kristalleşme nedeniyle azalırken, diğer yandan da oluşan yeni yüzeyler yüzünden artma eğilimindedir. Çekirdekler çok küçük iken kristalleşme sırasında açığa çıkan enerji, bu yüzeylerin oluşması için yeterli değildir.

Çekirdek yarıçapı kritik bir r0 değerine ulaştığında + ve – enerji değişimleri birbirine eşit olur ve embriyo, r0 değerinden büyükse toplam enerji azalır. Oluşan katı kararlıdır ve çekirdeklenme oluşmuştur. Artık çekirdek olarak adlandırılan katı parçasının büyümesi başlar. Sistemin toplam serbest enerjisinin, çekirdek yarıçapı ile ilişkisi

Çekirdeklenme, ancak yeterli sayıdaki atom kendiliğinden katı üretmek için kümeleştiğinde ve bu katının çapı kritik çaptan büyük olduğunda oluşur. Bu durumda, kritik yarıçap, toplam serbest enerji değişim eğrisi üzerinde maksimum noktaya karşılık gelir.

Çekirdeklenme Hızı Çekirdeklenme hızını etkileyen en önemli faktör sıcaklıktır. Sıcaklık düştükçe sıvı fazın katılaşma isteği artar- çekirdek sayısı artar, fakat çekirdeklerin büyüme hızı düşük olur.

Homojen Çekirdeklenme Bu teori 1925’de Volmer-Weber tarafından ileri sürülmüştür. Çekirdeklenmenin en basit şeklidir. Homojen çekirdek oluşumu sıvının aşırı soğuması ile mümkündür. Homojen çekirdek oluşumu ve bunu takip eden katılaşmada iki faz (katı/sıvı) yer alır. Katılaşmada ısı açığa çıkar ve bu ısı uzaklaştırılmalıdır. Buradan katılaşma hızının, ısının uzaklaştırılması hızı ile orantılı olduğu şeklinde önemli bir gerçek ortaya çıkmaktadır.

Sıvı metal içinde homojen çekirdeklenme, laboratuvar deneyleri dışında olmaz. Bir çekirdekciğin kararlı bir çekirdek ve kristal (tane) şeklinde büyüyebilmesi için kritik bir boyuta ulaşması gerekmektedir. Yani sıvı içinde tekrar erimeden büyümeye devam etmeleri buna bağlıdır.

İçinde çekirdek görevi yapabilecek parçacıklar (karbür, nitrür, oksit ve diğer katkı bileşikler gibi) bulunmayan ideal ve homojen bir eriyikte kararlı çekirdeklenmeye ilişkin aktivasyon enerjisi, eriyiğin kendi içeriğinden karşılanmalıdır. Bu nedenle homojen çekirdek oluşumu için bir ΔT ısıl aşırı soğuması gereklidir. Yani eriyik katılaşmaya Te erime sıcaklığında değil, daha düşük bir T= Te- ΔT sıcaklığında başlar. Sıvının sıcaklığı denge katılaşma sıcaklığının daha da altına soğutulduğunda, kritik yarıçaptan daha büyük bir embriyo oluşturacaktır.

Büyük alt soğuma, embriyonun kritik boyutunu geçmesini sağlayacak kadar büyük olduğunda homojen çekirdeklenme olur.

Artan aşırı soğuma (ΔT) ile, birim zamanda oluşan çekirdek sayısı (K) yükselir. Sıcaklığın çok düşmesi halinde atomların hareketi güçleştiği için K değerinde düşme görülür.

Birincil içyapının tane büyüklüğü, birim zamanda oluşan çekirdek sayısı (K) ve kristallerin büyüme hızına (W) bağlıdır. K ne kadar büyük ise, birincil taneler o kadar ince taneli bir yapı oluşur. Kristal büyüme hızının çok büyük olması halinde ise ilk oluşan çekirdekler büyüyerek tüm iç yapıyı kaplayacağından yeni çekirdek oluşumuna zaman kalmaz ve içyapı daha kaba taneli olur.

19.slayttaki Şekil’de gösterilmiş olan W2 büyüme hızına sahip malzemenin içyapısı, W 1’e göre daha küçük tanelidir.

a noktası çekirdek oluşumunu yani kristalleşme başlangıcını gösterir a noktası çekirdek oluşumunu yani kristalleşme başlangıcını gösterir. Açığa çıkan kristalleşme ısısı nedeniyle sıcaklık, erime sıcaklığına kadar artar. Daha sonra Te sıcaklığı sabit kalarak katılaşma devam eder ve b noktasında sona erer.

Heterojen Çekirdeklenme Çekirdeklenme olayının, çözünmeyen metallerarası bileşikler, inklüzyon (metal oksitler ve metal sülfürler) yardımıyla meydana gelmesi olayıdır. Çekirdek olarak görev yapacak yüzeyler: Eriyiğin içinde bulunduğu kabın duvarları(dökümde kalıp yüzeyleri) Erime sıcaklığı yüksek olan ve eriyik içinde katı halde bulunan bileşikler (karbürler, nitrürler, oksitler)

Döküm sırasında eriyiğe katkılar yapılarak çekirdek oluşumu sağlanabilir. Bütün mühendislik metalleri ve alaşımlar, katılaşma sırasında heterojen çekirdeklenir. Heterojen çekirdeklenmenin olusması için çekirdekleyici maddenin (katkı) sıvı metalle ıslanması gerekmektedir. Aynı zamanda sıvı, çekirdekleyicinin üzerinde kolayca katılaşmalıdır.

Heterojen çekirdeklenme olayında, katılaşan sıvı tarafından ıslatılan çekirdekleyici maddenin (safsızlık) katı metalle çekirdekleyici madde arasında dar bir θ açısı yaptığı görülmektedir. Heterojen çekirdeklenmede kritik faktör temas (veya ıslatma ) açısıdır.

Heterojen çekirdeklemenin çekirdekleyici madde üzerinde meydana gelmesinin nedeni, bu durumda kararlı bir çekirdek oluşturmak için gerekli yüzey enerjisinin, çekirdeğin saf sıvı içerisinde kendi kendine oluşmasından (homojen çekirdeklenme) daha düşük olmasıdır. Heterojen çekirdeklenmede yüzey enerjisi daha düşük olduğundan, kararlı bir çekirdek oluşturmak için gerekli toplam serbest enerji değişimi ve çekirdeğin kritik yarıçapı daha küçük olacaktır. Dolayısıyla, heterojen çekirdeklenmede kararlı bir çekirdek oluşturmak için çok daha küçük alt soğumalara ihtiyaç vardır.

Kristal Büyümesi ve Tane Yapısı Oluşumu Çekirdek oluştuktan sonra diğer atomların düzenli olarak eklenmesi ile katılaşma olayı devam eder. Ancak kristaldeki x,y,z yönleri komşu kristale göre belirli oranda açı yaparlar. Katılaşma bittiğinde, taneler birbiriyle temas ederek birkaç atom boyutu genişliğinde tane sınırlarını oluştururlar.

Kübik kristal yapıya sahip olan metallerde büyüme, bazı tercihli yönlerde (küp yüzeyine dik doğrultularda) çok hızlı, diğer yönlerde ise daha yavaş olur ve bu şekilde büyüyerek ortaya çıkan kristallerin hacimsel düzeni DENDRİT olarak adlandırılır.

Dendrit Oluşum Süreci Soğuma çok hızlı ve alaşım elementlerinin birbirlerinde ergime miktarı sıcaklıkla beraber hızla düşüyorsa dendritik yapı ortaya çıkar.

Katılaşma sırasında, çekirdeklenme ve dendritik büyüme ile kristalleşme cephelerinin birbiriyle birleşmesi sonucu içyapının ortaya çıkışı Şekil’de görülmektedir. Çekirdeklenme b,c) Dendritik büyüme d) Taneler ve tane sınırları

Kristalleşme biçimleri soğuma koşullarına bağlıdır Kristalleşme biçimleri soğuma koşullarına bağlıdır. Eriyik ısının her taraftan uzaklaştırılması ile düzgün soğursa eşeksenli yani toparlak taneler, düzgün olmayan (yönlenmiş) ısı iletiminde ise uzun (çubuksu) taneler meydana gelir. İngotta katılaşma

Alaşımlarda Katılaşma En az iki tür atomun birlikte bulunduğu alaşımların katılaşması saf metallerden daha farklı olup, katılaşma olayı belli bir sıcaklık aralığında (sıvı+katı bölgesi) gerçekleşir.

Alaşımlar en az iki tür atomdan oluştukları için, bu malzemelerin kendilerine özgü katılaşmalarında sıvı/katı ara yüzeyinde bileşim farklılığı ortaya çıkar. Metal eriyiklerde aşırı soğuma grafiği

Eriyik T0 sıcaklığına soğutulduğunda,katılaşan ilk katı çözelti kristallerinin B atom yüzdesi (c1), alaşımın yani eriyiğin ortalama değerinden(c0) çok daha düşüktür. Yani ilk kristalleşen katıda B atomları yüzdesi düşük olmaktadır. Bu ilk kristalleşmeden arta kalan B atomları eriyiğe geçeceklerinden, katılaşmanın devam edeceği ara yüzey civarındaki eriyik, B atomu bakımından zenginleşir. Alaşımın ortalama bileşimine göre daha fazla B atomu içeren (c>c0) bu eriyik tabakasının liküdüs sıcaklığı (TLİ) ise artan B yüzdesiyle azalır (TLİ< T0 ).

TLİ ve T0 eğrilerinin kesiştiği noktadan sıvı/katı arayüzeyine kadar (ΔX) kalınlığındaki bölgede alaşımın gerçek sıcaklığının, katılaşmanın başlayacağı liküdüs sıcaklığından daha düşük olduğu yani aşırı soğumanın ortaya çıktığı görülmektedir. Katılaşmadaki derişiklik farklarından meydana gelen bu olaya yapısal aşırı soğuma,bu bölgeye de aşırı soğumuş sıvı bölgesi denilir. Bir eriyiğin soğuma hızı, yani içindeki sıcaklık gradyeni, yapısal aşırı soğuma bölgesinin büyüklüğünü belirler ve farklı koşullarda birbirinden çok farklı özelliklerde içyapılar ortaya çıkar.

Aşırı Soğumaya bağlı Katılaşma Cephesi ve İçyapı Değişimi a) Isı iletimi, aşırı soğuma bölgesi yaratmayacak şekilde olursa düzlemsel katılaşma oluşur. Düzlemsel katılaşma endüstriyel alanda özellikle yarı iletken veya oksit tek kristallerin üretimini sağlar.

(b) Burada eriyik geniş bir ΔX bölgesinde aşırı soğuduğundan, tercihli yönde büyüyerek bu bölge içine uzamış her kristal ısının çekildiği doğrultuda daha hızlı olarak büyümesine devam eder. Sonuç olarak, dendritik yapı oluşur.

Saf Metal ile Alaşımın Katılaşması Farkı Saf elementlerde katılaşmanın aşırı soğumadan sonra sabit bir sıcaklıkta gerçekleştiği belirtilmişti. Halbuki alaşımlarda katılaşma bir sıcaklık aralığında (T1-T2) meydana gelir. a) Saf metal, b) Alaşım

Döküm veya İngot (Kütük) Yapısı Ergitilmiş metalin kalıba dökülür ve katılaşmaya bırakılır. Kalıpta, son şekle sahip döküm parçası üretilir. Katılaşma sırasında döküm makro yapısının oluşması: Çekirdeklenme başlar, Çil bölgesi oluşur, Tercihli büyüme ile sütunsal oluşum, İlave çekirdeklenme, eşeksenli bölge oluşturur.

a) Çekirdeklenmenin Başlaması

b) Çil Bölgesi Oluşumu Döküm yüzeyinde dar bir band halinde rastgele yönlenmiş tanelerin oluşturduğu bölgedir. ‰Kalıp duvarları heterojen çekirdeklenmenin oluşabileceği pek çok yüzey sağlar. ‰Taneler çekirdeklenmeye başlar ve kalıp duvarı boyunca büyür.

c) Tercihli Büyüme İle Sütunsal Oluşum Belli kristallografik yönde yönlendirilmiş uzun taneleri içerir. ‰Dökümün ısısı kalıp tarafından uzaklaştırıldığında, çil bölgesindeki taneler ısı akışına ters yönde veya dökümün en soğuk bölgesinden en sıcak bölgesine doğru büyür. Taneler kalıp duvarına dik yönde büyürler.

d) Eşeksenli Bölgelerin Oluşumu Düşük döküm sıcaklığı, alaşım elementleri veya tane inceltme ile aşılayıcı malzemelerin neden olduğu rastgele yönlendirilmiş taneleri içerir. ‰Sütunsal tanelerin büyümesini durdururlar.

Döküm parçalarının içyapısı da, katılaşmadaki soğuma koşullarına bağlı olarak üç ayrı bölge gözlenebilir. Kalıp cidarlarında ani soğuma etkisi ile küçük ve eşeksenli tanelerden oluşan bir kabuk, bunu izleyen bölgede sıcaklık gradyeninin etkisiyle uzun çubuksu taneler, orta kısımda ise soğuma her taraftan olduğundan, tekrar eş eksenli taneler görülür. a b c

Büyük parçaların dökümünde iri tanelerin oluşumunu engellemek için sıvı metale bazı yabancı elementler ilave edilir. Neticede yabancı elementler aşırı soğuma miktarını artırarak tanelerin ufalması gerçekleşir.

Döküm Parçalarda Katılaşmanın Etkisi Döküm parçalarının tasarımında katılaşma özelliklerinin dikkate alınması gereklidir. Bir dirseğin dökümünde, birincil içyapının mekanik özellikleri nasıl etkilediğine bir bakalım…

Şekil a)’da kristalleşme cephelerinin karşılaşılan yüzeylerinde katışkıların toplanması bu bölgenin özellikle eğme ve darbeli zorlamaya karşı çok zayıf kalmasına neden olur. b)’de, sözkonusu olay engellenemediği gibi, kalın kesitte eriyiğin geç katılaşmasından ötürü Lunker ortaya çıkar. c) ise kesit kalınlaşmasını ve kristalleşme cephelerinin karşılaşmasını önleyen en uygun çözümdür.

Katılaşmada en sorunlu bölgelerden birisi de köşelerdir. Birleşme noktasındaki kesit, genellikle birleşen kesitlerden büyük olduğundan, bu bölgelerin iç kısımları en son katılaşır ve çekme boşlukları oluşabilir. Dolayısıyla bu bölgelerde ya kesit inceltilmeli, ya da soğutma plakaları yardımıyla katılaşmanın köşeden başlaması sağlanmalıdır.

Katılaşma Hataları Dökümü yapılan metalin cinsi, kullanılan kalıplama tekniği, araç-gereçler ve el becerileri gibi faktörler neticesinde döküm parçalarında hatalara rastlanmaktadır. Katılaşma sırasında,çok sayıda potansiyel hatalar meydana gelmekle beraber bunlardan özellikle değinilmesi gerekenler şunlardır:

Çekme Hemen hemen bütün malzemeler, katı durumda iken sıvı durumdan daha yoğundur. Katılaşma sırasında malzeme en fazla % 7 kadar çeker. Çekme hatasının başlıca nedeni, dökümde istenen ısı merkezlerine doğru, yani yolluklar ve çıkıntılara doğru yönlü katılaşma sağlayamamaktır.

Dentritler Arası Çekme Dentritler arası çekme yoğun dentritik büyüme olduğunda oluşur. Yüksek soğuma hızları, dentritik çekme problemlerini azaltabilir. Böylece, dentritler kısa olabilir ve bu yapı katının iç yüzeyindeki sıvının, katılaşması için, dentrit şebekesine doğru akmasını sağlayabilir.

Gaz Gözenekliliği Metaller sıvı durumda iken büyük miktarda gaz eritirler. Örneğin; Al, H' i eritir. Buna karşın, Al katılaştığında katı metal içinde sadece H' in küçük bir kısmı kalır. Fazla H, küçük boşluklar oluşturur. Gözeneklilik, üniform olarak dökümün her tarafına dağılabilir. Dentrit kolları arasına hapis olabilir. Dökümdeki gaz gözenekliliği; sıcaklık düşürülerek sıvı ve gazın birbirleriyle birleşip katı oluşturması için malzemeler katarak veya gaz kısmi basıncının düşük tutulması sağlanarak azaltılabilir.

Mikro Segregasyon Alaşımların katılaşması sırasında bileşim farklılıklarının ortaya çıkışının bir sonucu olarak, katılaşan taneler içinde çekirdekten dışarı doğru derişikliğin değişmesidir. Bu olaya mikrosegrasyon, ortaya çıkan içyapıya da tabakalı katı çözelti denir. Katılaşma aralığı olan her alaşımın döküm yapısında görülebilen mikrosegrasyon, istenmeyen özellik değişimlerine sebep olur. Olumsuzlukların etkilerini gidermek için malzemeye solidüs sıcaklığının hemen altında bir homojenleştirme tavı uygulanabilir.

Hidrojen Gözenekliliği Alüminyum alaşım ingotlarında hidrojen gözeneği oluşumu, açılı dentritler arası çukurlar veya oldukça küçük küresel parçaların (gözeneklerin) ortaya çıkması ile kendini belli eder. Küçük küresel gözenekler, katı metalde çok az miktarda arta kalan hidrojenden ileri gelir. Bu küçük gözeneklerdeki gazın basıncı çok yüksektir. Yüksek sıcaklıklarda yapılacak ısıl işlemlerle makroskobik dentritler arası gözenekler yuvarlatılabilir ve küçük yuvarlak gözenekler, gözle görülür hale getirilebilir.

Yüzey Hataları İstenmeyen alaşım elementleri ve birleşen sert yapı bileşenleri içeren yüzey tabakası, çoğu kez doğrudan, hızlı soğutulmuş yarı sürekli alüminyum alaşım ingotlarının dökümünde ortaya çıkar. Alüminyum alaşım ingotlarının yüzeyini segregasyondan kurtarmak için, soyma ya da kabuğu kaldırma denilen işlem yapılır.

Merkez Çatlaması Merkezde çatlama çoğu kez döküm hızının artması ile yüzey durumunun iyileştirilmesi girişimleri sonucu oluşur. Merkezi besleyecek sıvı metalin bulunmaması nedeni ile bu tip çatlaklar artar, bu kusura daha çok az katkılı alaşımlarda rastlanılmaktadır. Merkezde çatlamaya neden olan başlangıç döküm hızının, kontrollü ikincil soğutma işlemleri sayesinde giderilebileceği bilinmektedir.

KAYNAKLAR Malzeme Bilgisi, Şefik GÜLEÇ, Ahmet Aran Malzeme Bilgisi ve Muayenesi, Temel SAVAŞKAN Metal Döküm Teknolojisi, Ahmet ARAN Metallere Plastik Şekil Verme, Levon ÇAPAN Malzeme Bilimi, Kaşif ONARAN İmal Usulleri, Mustafa ÇİĞDEM