Saf metal veya ötektik alaşımların soğuma eğrisi

... konulu sunumlar: "Saf metal veya ötektik alaşımların soğuma eğrisi"— Sunum transkripti:

1 Saf metal veya ötektik alaşımların soğuma eğrisi
ERGİTME VE DÖKME Klasik dökme işleminde metalin ergime derecesinin üzerinde bir sıcaklığa kadar ısıtılması gerekir. Buna göre toplam ısı miktarını (H) hesaplamada şu üç aşama dikkate alınır: 1- Ergime derecesine çıkarmak için gereken ısı 2- Ergime gizli ısısı; ergime sıcaklığında katıdan sıvıya dönüşüm için gereken ısı 3- Sıvı metali dökme sıcaklığına çıkaran ısı 3 2 1 Saf metal veya ötektik alaşımların soğuma eğrisi Doç. Dr. Sakıp KÖKSAL

2 DÖKÜM İŞLEMİNDE ÖNEMLİ PARAMETELER
Dökme Sıcaklığı: Ergimiş metalin kalıba veriliş sıcaklığıdır. Bununla ilgili olarak ergime sıcaklığı ve dökme sıcaklığı arasındaki farka ‘’ aşırı ısı’’ veya ‘’süper ısı’’ tabiri yapılır. Dökme Hızı: Kalıp boşluğuna giren sıvı metalin akış hızıdır. Dökme hızı çok düşük olunca kalıp boşluğu dolmadan katılaşma başlar. Çok yüksek olunca akışta türbülans (düzensizlik/ dalgalanma) meydana gelir. Türbülans metalin oksitlenmesini (empürite) teşvik ederek saflık kalitesini düşürür. Kalıp boşluğunda fiziksel hasara/erozyona veya kimyasal reaksiyona yol açabilir. Malzeme Tavsiye edilen dökme hızı m/s Alüminyum 0.5 Çelik 1 Küresel grafitli DD (GGG) 1,5 Gri/pik DD (GG) 2 Doç. Dr. Sakıp KÖKSAL

3 ERGİTME İÇİN GEREKEN ISI (H)
H = ρV {Cs (Tm-To) + Hf + Cp (Tp-Tm)} ρ : Yoğunluk (g/ 𝑐𝑚 3 ) V : Metalin hacmi ( 𝑐𝑚 3 ) Cs: Katı metalin özgül ısısı J/g°C Cp: Sıvı metalin özgül ısısı J/g°C Tm: Ergime sıcaklığı °C (K) Tp: Dökme sıcaklığı °C (K) Hf : Ergime gizli ısısı (J/g) To: Oda sıcaklığı °C (K) Bu birimlerle işlem yapıldığında H değeri Joul cinsinden bulunur

4 H = ρV [Cs (Tm-To) + Hf + Cp (Tp-Tm)]
Örnek: 1 m3 ötektik bir alaşım, ergime derecesinin 100 °C üzerinde bir sıcaklığa ısıtılacaktır. İhtiyaç duyulan toplam ısı enerjisini hesaplayınız. Sistemde ısıl kayıp olmadığı farz edilecektir. 𝜌= 7,5 g/cm3, Cs=0,33 J/g °C , Cp = 0,29 J/g °C, Tm: 800 °C , Hf= 160 kJ/kg , To=25 ˚C Çözüm: Tp:900 °C H = ρV [Cs (Tm-To) + Hf + Cp (Tp-Tm)] H = 7,5x [ 0,33x(800-25) ,29x(100)] H = 3335x106 J

5 ERGİTME ISISI (H) HESABINDA DİKKATE ALINACAK FAKTÖRLER
Bu hesaplama ideal şartlar için geçerli olup aşağıdaki faktörlerin uygulamada dikkate alınması gerekir. Özgül ısı sıcaklığa ve faz dönüşümüne bağlı olarak değişebilir Örneğin: αFe → δFe; ferrit→östenit dönüşümü Ötektik olmayan pek çok alaşımın ergimesi belli bir sıcaklık aralığında gerçekleşir (solidus ve likidus sınırlarında) Çoğu durumda, standart dışı alaşımlar için gerçek parametreler elde etmek zordur. Isıtma sisteminde (fırın/ocak vs) önemli kayıplar olabilir. δ α=Ferrit δ=Östenit Doç. Dr. Sakıp KÖKSAL

6 ERGİTME ZAMANI HESABI (Te )
Te : Ergitme zamanı 𝑻 𝒆 = 𝑯 𝑷 𝒆 = 𝑬𝒏𝒆𝒓𝒋𝒊 (𝑱) 𝑮üç (𝑾) H : Toplam ısı (J) Pe : Fırın/Ocak gücü (W) 1W = 1 J/s Örnek: 120 kg Al malzeme 20 ͦC den ergime derecesinin 50 ͦC üzerinde bir sıcaklığa çıkarılacaktır. 20 kW gücünde bir elektrik ocağı kullanılacaktır. Ocak %75 verimle çalışmaktadır. Buna göre, metali dökme sıcaklığına çıkarmak için gereken süre kaç saattir. H= Joule Çözüm: 𝑇 𝑒 = 𝑥0,75 = 123𝑥 = 8200 s  8200/3600 = 2,3 h Toplam ısıyı (H) hesaplamak için verilenler: p=2700 kg/ 𝑚 3 , 𝑇 𝑃 =660 ͦC , 𝐻 𝑓 =396 kJ/kg 𝐶 𝑒 =1,05 kJ/kg K, 𝐶 𝑠 =0,9 kJ/kg K Doç. Dr. Sakıp KÖKSAL

7 YOLLUK SİSTEMİ TASARIMI
Yolluk sistemi sıvı metalin kalıba istenen sürede ve düzgün bir akışla doldurulmasını sağlayan kanallardır. Sadece sıvı metali kalıba göndermelidir; oksit, curuf, kum vb katışıkları kalıba göndermemelidir. Akış hızını ayarlamalı, türbülans, girdap vb çalkantıları önlemeli Kalıbı istenen sürede doldurabilmelidir. Ekonomik boyutlarda olmalıdır. Dökümden sonra parçadan kolay ayrılabilmelidir.

8 YOLLUK SİSTEMİ HESABI-1
Bernoulli teorisi, enerjinin korunumu prensibine dayanarak, süreklilik arz eden bir akışkanın herhangi iki noktasındaki toplam enerjilerin birbirine eşit olduğunu aşağıdaki bağıntıyla ifade eder; 𝒉 𝟏 + 𝑷 𝟏 𝒑 𝑽 𝟏 𝟐 𝟐𝒈 + 𝑭 𝟏 = 𝒉 𝟐 + 𝑷 𝟐 𝒑 + 𝑽 𝟐 𝟐 𝟐𝒈 + 𝑭 𝟐 h=Yükseklik (cm) P=Basınç (N/ 𝑐𝑚 2 ) p=Yoğunluk (g/ 𝑐𝑚 3 ) V=Akış hızı (cm/s) g=Yer çekimi ivmesi (981 (cm/ 𝑠 2 ) F=Sürtünme kayıpları

9 YOLLUK SİSTEMİ HESABI-2
Bernulli denkemindeki sürtünme kaybı (F) ihmal edilir ve P atmosfer basıncı olarak alınırsa denklem aşağıdaki gibi yazılabilir; h1 + 𝑽𝟏 𝟐 𝟐𝒈 =𝒉𝟐+ 𝑽𝟐 𝟐 𝟐𝒈 Yandaki şemada verilen düşey yolluk dikkate alındığında, 1 ve 2 seviyeleri için h2=0 , h1= düşey yükseklik ve V1=0 olacağından; h1= 𝑽𝟐 𝟐 𝟐𝒈  V2 = 𝟐𝒈𝒉 yazılabilir. (Bu eşitlik serbest düşmedeki hız denklemiyle aynıdır.)

10 V2 = 𝟐𝒈𝒉 denklemiyle bulunur.
YOLLUK SİSTEMİ HESABI-3 Yanda verilen şekilde tipik bir yolluk sistemindeki sıvı metalin düşey yolluk tabanındaki akış hızı V2 = 𝟐𝒈𝒉 denklemiyle bulunur. Sistemin debisi sabit olduğundan, diğer kesitlerdeki (3 ve 4) hızlar, debi denklemi yardımıyla bulunabilir. havşa (1), düşey yolluk (2), yatay yolluk (3) ve kalıp boşluğuna bağlanan giriş (4) modeli Doç. Dr. Sakıp KÖKSAL

11 YOLLUK SİSTEMİ HESABI-4
Düşey yolluk ve kalıp boşluğu bağlantısı farklı şekillerde olabilir. Özellikle büyük kalıplarda giriş (meme) konumuna göre kalıba giriş hızı değişken olabilir. Bu durumda hız formülündeki h yüksekliği yerine ilgili şema altında tanımlanan H değerini kullanarak elde edilen ortalama hızın dikkate alınması gerekir.

12 Q= 𝑉 1 . 𝐴 1 = V2 . A2 SIVI METALİN DEBİSİ
Q :Debi (𝑐𝑚 3 /s) , V:Hız (cm/s) , A:Akışkan kesit alanı (𝑐𝑚 2 ) Döküm kalıbı yolluk sistemi içerisindeki herhangi iki noktada debi sabittir; Debi ayrıca ‘toplam kalıp hacmi’ ve ‘toplam kalıp doldurma süresi’ kullanılarak hacimsel veya kütlesel olarak hesaplanabilir; Q= 𝑇𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚 ℎ𝑎𝑐𝑖𝑚 (𝑐𝑚 3 ) 𝑇𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚 𝑠ü𝑟𝑒 (𝑠) veya Q= 𝑇𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚 𝑘ü𝑡𝑙𝑒 (𝑘𝑔) 𝑇𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚 𝑠ü𝑟𝑒 (𝑠)

13 DEBİ HESABI Örnek: 10 kg ağırlığındaki bir alüminyum parçanın dökümünde kullanılacak kalıbı toplam 5 sn de doldurmak için gerekli yolluk debisini hesaplayınız. (Al özg. ağırlığı=2600 kg/ 𝑚 3 ) Çözüm Q= 𝑇𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚 𝑘ü𝑡𝑙𝑒 𝑇𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚 𝑑ö𝑘. 𝑠ü𝑟𝑒𝑠𝑖 = 10 5 = 2 kg/s Q= ( 𝑘𝑔/𝑠 𝑘𝑔/𝑚3 ) = 7,69x 10 −4 𝑚 3 /s = 769 𝑐𝑚 3 /s

14 𝑻 𝒎𝒇 = 𝑽 𝒉 𝑸 KALIP DOLDURMA ZAMANI 𝑇 𝑚𝑓 : Kalıp dolma süresi (s)
𝑻 𝒎𝒇 = 𝑽 𝒉 𝑸 𝑇 𝑚𝑓 : Kalıp dolma süresi (s) 𝑉 ℎ : Sistem hacmi (𝑐𝑚 3 ) Q : Debi (𝑐𝑚 3 /s)

15 Çözüm: V= 2𝑔ℎ = 2.981.20 = 198,1 cm/s Tmf= 𝑉ℎ 𝑄0 = 1560 495 =3,2 𝑠
Örnek: Düşey yolluk yüksekliği 20 cm ve taban kesit alanı 2,5 𝑐𝑚 2 olan bir yolluk sistemi yatay yolluk vasıtasıyla 𝑐𝑚 3 hacimli kalıp boşluğuna doldurulacaktır. Buna göre; a) Düşey yolluk tabanındaki sıvı metal hızını b) Yolluk sistemi hacimsel debisini c) Kalıp doldurma zamanını bulunuz. Çözüm: V= 2𝑔ℎ = = 198,1 cm/s Q= A.V =2, ,1 =495 𝑐𝑚 3 /s Tmf= 𝑉ℎ 𝑄0 = =3,2 𝑠

16 BESLEYİCİ BOYUTLARININ HESABI
Bir dökümde toplam katılaşma zamanı dökümün şekli (dış geometrisi) ve boyutlarına göre Chovorinov kuralıyla hesaplanabilir. 𝑻 𝒕𝒔 = 𝑪 𝒎 ( 𝑽𝒉 𝑨 ) 𝒏 Bu kurala göre, 𝐶 𝑚 sabiti döküm yöntemi, dökme sıcaklığı, malzeme özellikleri gibi işlem şartları sabit kalmak şartıyla, dökülen parçanın geometrisinden bağımsızdır. 𝐶 𝑚 sabiti deneysel olarak belirlenir. BESLEYİCİ

17 BESLEYİCİ BOYUTLARININ HESABI

18 𝑇 𝑡𝑠 = 𝐶 𝑚 ( 𝑉ℎ 𝐴 ) 𝑛 𝑇 𝑡𝑠 = Toplam katılaşma süresi (dk) Vh= Dökümün hacmi 𝑐𝑚 3 A= Yüzey alanı 𝑐𝑚 2 n= İşlem katsayısı (Genellikle 2 alınır) 𝐶 𝑚 = Kalıp sabiti (Deneysel olarak belirlenir)

19 Örnek besleyici hesabı: 7,5x12,5x2 cm ebatlarındaki prizmatik bir parçayı dökmek için silindir şeklinde bir besleyici tasarlanacaktır. Yapılan ön çalışmalar sonucu iş parçasının 1,6 dakikada katılaştığı tespit edilmiştir. Buna göre 2 dakikada katılaşabilen silindirik besleyicinin boyutlarını hesaplayınız. Besleyicinin çapı boyuna eşit olacak ve n=2 alınacaktır. Doç. Dr. Sakıp KÖKSAL

20 Çözüm: 𝑇 𝑡𝑠 = 𝐶 𝑚 ( 𝑉ℎ 𝐴 ) 𝑛  𝐶 𝑚 = 𝑇 𝑡𝑠 ( 𝑉ℎ 𝐴 ) 𝑛 = 1,6 ( 187,5 267,5 ) 2 =3,26 Prizmatik parçanın alanı, Ap=2 . (7,5 . 12,5 + 7, ,5.2)=267,5 𝑐𝑚 2 Silindirin alanı, As= πDh+ 𝐷 2 π2 4 π 𝐷 2 ( ) = 1,5π 𝐷 2 (D=h olduğundan) Yine D=h olduğundan, silindirin hacmi, Vsh = π 𝐷 yazılabilir Chovorinov denklemi silindirik besleyici için uygulanırsa; 𝑇 𝑡𝑠 = 𝐶 𝑚 ( 𝑉𝑠ℎ 𝐴𝑠 ) 𝑛  = 3, ( π 𝐷 ,5π 𝐷 2 ) 2  D=4,7 cm  Vsh = π 𝐷 = 81,5 𝑐𝑚 3 Bu sonuca göre besleyici hacmi 81,5 𝑐𝑚 3 𝑣𝑒 𝑑ö𝑘ü𝑙𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑟ç𝑎𝑛𝚤𝑛 %44’ne denk. Fakat katılaşma süresi döküm parçadan %25 daha fazladır. Doç. Dr. Sakıp KÖKSAL

21 Örnek: Şekilde ölçüleri verilen parça alüminyum malzemeden dökülecektir. Sıvı metalin kalıp boşluğunu 10 s de doldurması istenmektedir. Yolluk kesiti değişiminde metal akış hızı %50 oranında azalacaktır; (A2 den A3’e geçişte ve A3 den A4’e geçişte). Buna göre yolluk kesitlerini hesaplayınız. Döküş yüksekliği (düşey yolluk)=25 cm Sıvı Al özgül ağırlığı=2,6 g/ 𝑐𝑚 3 Yatay yolluk kesiti dikdörtgen=AxB ve B=2A Tek giriş (meme) kesiti axb ve b=2a dır. 𝑄 2 = 𝑄 3 = 𝑄 4 debileri eşittir. Düşey yolluk kesiti daire; A=π. 𝑟 2 Giriş (meme): axb Parça Yatay yolluk AxB

22 V2= 2.9,81.2,5 =221 cm/s (A2 kesitindeki hız)
Çözüm: V= 2𝑔ℎ ; V2= 2.9,81.2,5 =221 cm/s (A2 kesitindeki hız) Debi, Q= 𝑇𝑜𝑝𝑙. 𝑑ö𝑘ü𝑚 𝑎ğ𝚤𝑟𝑙𝚤ğ𝚤 𝑇𝑜𝑝𝑙. 𝑠ü𝑟𝑒 = ,6 10 =600.2,6=1560 g/s (Kütlesel debi) 𝑄 2= ,6 =600 𝑐𝑚 3 /s (hacimsel debi) 𝑄 2= 𝐴 2 . 𝑉 2  𝐴 2 = 𝑄 2 𝑉 2 = ( 𝑐𝑚 3 /𝑠 cm/s )= 2,71 𝑐𝑚 2 (A2 kesit alanı) 𝐴 2 =π. 𝑟 2  r= 𝐴 2 π = 2,71 π =0,93 cm =9,3 mm (A2 kesit yarıçapı); çap=18,6 mm

23 𝐴 3 = 𝐴 2 𝑉 2 𝑉 3 = 2,71𝑥221 221 2 =5,42 𝑐𝑚 2 (A3 kesit alanı)
𝑄 2 = 𝑄 3  𝐴 2 𝑉 2 = 𝐴 3 𝑉 3 Yatay yollukta (A3 kesitinde) sıvı metal hızının yarıya düşmesi istenmekte, buna göre 𝐴 3 = 𝐴 2 𝑉 2 𝑉 3 = 2,71𝑥 =5,42 𝑐𝑚 2 (A3 kesit alanı) 𝐴 3 =AxB=2 𝐵 2  B= 5,42 2 =1,64 cm (A3 kesiti kısa kenar ölçüsü) A=2B=2x1,64=3,29 cm (A3 kesiti uzun kenar ölçüsü)

24 𝑄 3 = 𝑄 4 olduğundan 𝐴 3 𝑉 3 = 𝐴 4 𝑉 4 𝑉 4 =V3/2 alınacak; 110,5/2= 55,25 (cm/s) 𝑄= 𝐴 4 𝑉 4 𝐴 4 = 𝑄 𝑉 4 = ,25 = 10,85 𝑐𝑚 2 (Toplam giriş kesit alanı) 𝑆𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑑𝑒 2 𝑎𝑑𝑒𝑡 𝑒ş 𝑘𝑒𝑠𝑖𝑡𝑙𝑖 𝑔𝑖𝑟𝑖ş (𝑚𝑒𝑚𝑒) 𝑘𝑢𝑙𝑙𝑎𝑛𝚤𝑙𝑑𝚤ğ𝚤𝑛𝑑𝑎𝑛 ℎ𝑒𝑟 𝑏𝑖𝑟 𝑔𝑖𝑟𝑖ş𝑖𝑛 𝑘𝑒𝑠𝑖𝑡 𝑎𝑙𝑎𝑛𝚤: 𝐴 4 1 = 𝐴 4 2 = 10,85 2 =5,42 𝑐𝑚 2 (Tek girişin kesit alanı) 𝐴 4 1 =a.b ve a=2b verildiği için, b= 𝐴 = 5,42 2 =1,64 cm ve a= 2x1,64= 3,28 cm (Tek girişin boyutları) Doç. Dr. Sakıp KÖKSAL

25 DÖKÜM KALIBI VERİMİ Döküm işleminde kullanılan bir kalıbın verimliliği aşağıdaki eşitlikle hesaplanabilir; Kalıp Verimi = 𝑁𝑒𝑡 𝑝𝑎𝑟ç𝑎 𝑎ğ𝚤𝑟𝑙𝚤ğ𝚤 𝐵ü𝑟ü𝑡 𝑝𝑎𝑟ç𝑎 𝑎ğ𝚤𝑟𝑙𝚤ğ𝚤 x100

26 Çalışma sorusu: Şekilde ölçüleri verilen 300x200x100 mm parça alüminyum malzemeden dökülecektir. Sıvı metalin kalıba giriş hızının 2 m/s olması ve kalıp boşluğunu 5 s de doldurması istenmektedir. Yatay yollukta metal akış hızı %50 oranında azalacaktır; (A2 den A3’e geçişte ve A3 den A4’e geçişte). Buna göre düşey yolluk yüksekliğini ve A2, A3 ve A4 kesitlerinin boyutlarını hesaplayınız. A4 kesitini tek giriş kabul ediniz. Sıvı Al özgül ağırlığı=2,6 g/ 𝑐𝑚 3 Yatay gidici kesiti dikdörtgen=AxB ve B=2A Tek meme kesiti axb ve b=2a dır. 𝑄 2 = 𝑄 3 = 𝑄 4 debileri eşittir. Düşey yolluk kesiti daireseldir; A=π. 𝑑 2 /4 Doç. Dr. Sakıp KÖKSAL