DÖKÜM. - Kalıbın bozularak/dağıtılarak/kırılarak/parçalanarak veya açılarak ürünün çıkarılması şeklinde özetlenebilir.

Transkript

1 DÖKÜM Bir katılaştırma tekniği olan döküm, sıvı veya plastik şekil verilebilir (viskoz) başlangıç malzemesinin açık veya kapalı bir kalıp boşluğuna dökülerek burada katılaştırılması esasına dayanır. Bu ilke kullanılarak ergitilebilen (akışkan hale getirilebilen) tüm metal, polimer ve seramik malzemeler ürüne dönüştürülebilir. Katılaştırma yöntemleri; - Metaller - Polimerler - Seramikler Geçici (Bozulabilir) Kalıba Döküm Kalıcı Kalıba Döküm Enjeksiyon Ekstrüzyon Cam İşleme Metallerin Dökümü: Ergimiş metal elde edilmek istenen parçanın şekline sahip bir kalıp boşluğuna kendi ağırlığıyla (yerçekimi) veya basınç etkisiyle doldurularak katılaştırılır. Bu yöntemle imal edilen parçalara döküm parça denir. Metallerin dökümünün aşamaları; - Metalin ergitilmesi, - Sıvı metalin kalıba dökülmesi, - Sıvı metalin katılaştırılması, - Kalıbın bozularak/dağıtılarak/kırılarak/parçalanarak veya açılarak ürünün çıkarılması şeklinde özetlenebilir. Döküm ile elde edilen ürünlere örnek olarak; motor blokları, vagon tekerlekleri, borular, makine gövdeleri, dişli, volan ve çark gibi iletim elemanları, radyatör ve vana gibi su tesisatı elemanları, pişirme kapları, heykel gibi parçalar verilebilir. Dökümün üstün yönleri - Sıvı metalin akışkanlığı sayesinde karmaşık şekilli parçalar kolaylıkla imal edilebilir. - İç boşluklu şekiller görece kolay elde edilebilir. - Net şekilli veya net şekle yakın parçalar (son ürün) ek işleme gerek kalmadan tek kademede elde edilebilir. - Birkaç gramdan tonlarcaya, birkaç milimetreden metrelerceye çok küçük ve çok büyük parçalar imal edilebilir. - Ergitilebilen her malzeme dökümle ürüne dönüştürülebilir. - Bazı türleri seri imalata ve otomasyona uygundur. Dökümün zayıf yönleri - Döküm ürünlerin mekanik özellikleri görece zayıftır. - Yapıda sıklıkla boşluk ve ayrılma gibi kusurlar oluşur. - Tane yapısı kaba ve düzensizdir. - Çok ince kesitlerin elde edilmesi hızlı katılaşma nedeniyle zordur. - Çok karmaşık şekilli parçaların imalatında hata ve ıskarta oranı yüksektir. - Katılaşma sırasındaki büzülme nedeniyle boyut hassasiyeti ve yüzey kalitesi düşük olabilir. - Ergimiş metal malzeme, yüksek sıcaklıklar ve açığa çıkan gazlar nedeniyle iş sağlığı ve güvenliği açısından önemli tedbirler gerektirir. - Çevre üzerinde olumsuz etkileri vardır.

2 Döküm Kalıbı Tasarımı: Döküm kalıbı genellikle dökülecek parçanın şekline sahip bir boşluk içerecek şekilde tasarlanır. Bu boşluğun elde edilmesi için parça geometrisine sahip ancak parçadan biraz büyük bir modelden yararlanılır. Kumdan yapılan kalıplar yüksek sıcaklığa dayanıklı (refrakter) malzemelerdir. Kumun yanında alçı, seramik ve metal kalıplar da yaygın olarak kullanılırlar. Kalıp boşluğuna dökülen sıvı metalin katılaşması sırasında soğuma nedeniyle parça büzüleceğinden kalıp boşluğu parçadan belirli ölçüde büyük olmalıdır. Parça geometrisinin karmaşıklığına bağlı olarak kalıp tek parça (açık) (a) veya çok parçalı (kapalı) (b) olabilir. Döküm parçanın kalitesi kalıp hazırlama aşamasına son derece bağlıdır. Döküm işleminden sonra parçayı çıkarmak için kalıbın dağıtılması gereken bozulabilir (geçici) kalıba döküm yönteminde kum, alçı ve seramik gibi kalıp malzemeleri ve bağlayıcılar kullanılır. Refrakter metal ve seramiklerden yapılan kalıpların kullanıldığı kalıcı kalıba döküm yönteminde ise kalıp çok sayıda döküm yapmak için tekrar tekrar kullanılır. Geçici ve kalıcı kalıba döküm yöntemlerinin farkları; - Geçici kalıba döküm sonunda kalıp dağıtıldığından daha karmaşık parçalar imal edilebilir. Kalıcı kalıba dökümde kalıp açılacağından parça geometrisi kısıtlıdır. - Kalıcı kalıpların tasarım ve imalatı zor ve pahalı olmakla birlikte seri imalata, hızlı ve ekonomik döküme uygundur. - Kalıcı kalıba dökümde katılaşma daha hızlı olup ürünlerin tane yapısı daha incedir. - Çok yüksek ergime sıcaklığına sahip malzemelerin dökümü kalıba zarar vereceğinden kalıcı kalıpta yapılmaz. Kalıp Boşluğunun Oluşturulması: Kum kalıba döküm için kalıp boşluğu parçanın şekline sahip ancak ondan hafifçe büyük bir model etrafında kumun elle veya mekanik bir sistemle sıkıştırılması ve ardından modelin çıkarılmasıyla elde edilir. Bu işlemler ve döküm sırasında kalıbın zarar görmemesi için kuma nem (su) ve bağlayıcı (kil) ilave edilir. Bazen polimer köpük gibi malzemelerden yapılan model kalıptan çıkarılmaz ve ergimiş metalin kalıp boşluğuna akıtılmasıyla yanarak/buharlaşarak kalıbı terk eder. Diğer bir kalıp malzemesi olan mumun kalıptan çıkarılması için kalıp yarılarının ayrılması gerekmez ve kalıplama sonrası mum eritilerek kalıptan çıkarılır. Mum ve köpük gibi model malzemeleri ile daha karmaşık parçalar dökülebilir. Parçanın iç boşluklarını ve girinti/çıkıntı gibi unsurlarını oluşturmak için çoğu zaman kumdan yapılan ancak bileşimleri ve imalat teknikleri sayesinde ana kalıp kumundan daha dayanıklı maça (c) denilen parçalar kullanılır. Sıvı metalin maçayı hareket ettirmemesi (yüzdürmemesi) için destekler (b) kullanılabilir.

3 Yolluk Sistemi: Ergimiş metalin kalıp boşluğuna doğru aktığı kanalı ifade eder. Döküm ağzı, düşey yolluk ve yatay yolluktan oluşur. Döküm ağzı konik ve daralan geometrisi ile sıvı metalin sıçramasını azaltır ve türbülansa izin vermeyen (düzgün) bir akış sağlar. Düşey yolluk ile yatay yolluğun birleştiği taban bölgesinde topuk denilen çukur sıvı metalin yatay yolluğa geçişini yavaşlatıp düzgün bir akış sağlar. Kalıp boşluğuna sıvı metal yatay yolluk ile taşınır. Besleyici ve Çıkıcı: Katılaşma sırasında parçanın büzülmesinden kaynaklanan hacim azalmasını karşılamak için oluşturulan sıvı metal depolarından atmosfere kapalı olanlarına besleyici (a), atmosfere açık olanlarına çıkıcı denir. Asıl parçadan daha sonra katılaşacak şekilde tasarlanan besleyici ve çıkıcılar döküm sonrası kesilerek sonraki dökümlerde kullanılmak üzere ergitilen atıklardır. Bu nedenle hacimlerinin mümkün olduğunca düşük olması istenir. Dökümün Aşamaları: 1. Metalin Ergitilmesi: Metal döküme uygun sıcaklığa ergitme fırınlarında ısıtılarak ulaştırılır. Gerekli ısı; metali ergime sıcaklığına çıkarmak için gerekli ısı, katıyı sıvılaştırmak için gerekli ergitme ısısı ve ergimiş metali döküm sıcaklığına ulaştırmak için gerekli ısıların toplamıdır. Q V[ c ( T T ) r c ( T T )] k e o s d e Burada;, döküm malzemesinin yoğunluğu [g/cm 3 ]; V, kalıp boşluğunun (dökülen sıvı metalin) hacmi [cm 3 ]; c k, katı döküm malzemesinin özgül ısısı [cal/g. o C]; c s, sıvı döküm malzemesinin özgül ısısı [cal/g. o C]; r, döküm malzemesinin katıdan sıvıya geçiş için hal değişim özgül enerjisi [cal/g]; T e, döküm malzemesinin ergime sıcaklığı [ o C]; T o, ortam sıcaklığı [ o C]; T d, döküm sıcaklığıdır [ o C]. 2. Ergimiş Metalin Dökülmesi: Döküm ağzından sıvı metal yolluk sistemiyle kalıp boşluğuna gönderilir. Katılaşma başlamadan önce tüm sıvı metalin kalıp boşluğunu doldurması gerekir. Bu nedenle; döküm sıcaklığı, döküm hızı, yolluk geometrisi ve sıvı metalin akışkanlığı iyi analiz edilmelidir. Döküm sıcaklığının çok yüksek olması oksitlenme ve kalıp erozyonuna, çok düşük olması erken katılaşmaya; döküm hızının çok yüksek olması türbülans ve kalıp erozyonuna, çok düşük olması erken katılaşmaya neden olur. Analizde Bernoulli teoremi kullanılır: 2 2 P1 v1 P2 v2 h 1 F1 h2 F2 g 2g g 2g ; v 2 gh ; Q v1 A1 v2 A2 ; TMF V Q Sıvı metalin akışkanlığının belirlenmesi için Spiral Döküm Testi kullanılır.

4 3. Dökülen Sıvı Metalin Katılaşması: Kalıp boşluğunu dolduran sıvı metalin tekrar katı hale dönüşmesi olan katılaşma, sıvı metal içinde atomların kristal kafes yapı oluşturmak üzere bağ yaparak çekirdeklenmesi olayı ile başlar. Çekirdeklerden kritik büyüklüğe ulaşabilenler daha da büyüyerek taneleri oluşturur ve tane büyümesi ile taneler birbirine temas ederek tane sınırlarını oluştururlar. Soğuma hızına bağlı olarak katı metalin tane büyüklüğü değişir. Saf bir metalin katılaşmasında soğuma eğrisi; Aynı anda (kolay eriyen) ötektik alaşımlar hariç, alaşımların katılaşması sabit bir sıcaklıkta gerçekleşmez. Bu nedenle dallanmış (dendritik) tane yapısı, segregasyon (ayrılma), mikro gözenekli yapı ve belirgin çekme boşlukları görülür. Özellikle erime sıcaklıkları çok farklı elementler içeren, katılaşma aralığı büyük ve hızlı soğutulan alaşımlarda bu sorunlar ciddi boyutlara ulaşır.

5 Sıvı metalin kalıp boşluğunu tamamen doldurmasıyla başlayan katılaşmanın süresi Chvorinov Kuralı ile belirlenir. Buna göre; V T ( ) n TKS Cm A Burada; T TKS, toplam katılaşma süresi [s]; C m, kalıp malzemesi, dökülen metalin ısıl özellikleri ve T d/t e değerine bağlı kalıp sabiti; V, döküm hacmi [cm 3 ]; A, döküm yüzey alanı [cm 2 ] ve n, döküm üstelidir. Erimiş metalin kalıp boşluğunu tamamen doldurabilmesi için (T TKS) besleyici>(t TKS) ana döküm olmalıdır. Cm ve n ana döküm bölgesi ve çıkıcı, besleyici gibi yardımcı unsurlar için sabit olduğundan, (V/A) besleyici>(v/a) ana döküm olması gerekir. Kalıp cidarıyla temas eden sıvının daha hızlı soğuması nedeniyle döküm parçaların dış yüzeylerinde ince taneli bir film tabaka oluşur. İç kısımda ise merkezden yüzeye doğru uzanan çubuk şeklinde taneler meydana gelir. Açık kalıpta döküm için tane yapısı; Katı faz sıvı fazdan daha yoğun olduğundan sıvı metal katılaşırken hacmi azalacağından büzülme meydana gelir. Büzülme boyut hassasiyetini etkilediği gibi parçada kusurlara neden olabilir. Özellikle kalın kesitlerin ortasında büzülme nedeniyle çekme boşlukları meydana gelebilir.

6 Yüksek karbon içeren demirlerde sementit fazındaki karbonun katılaşmanın sonlarına doğru grafit şeklinde ayrışması nedeniyle katılaşma büzülmesini karşılayacak bir genleşme meydana gelerek hacim artışına neden olabilir. Katılaşma sırasında gerçekleşecek ısıl küçülme hesaplanarak model son parçadan gerekli ölçüde büyük yapılır ve böylece boyut hassasiyeti arttırılır. Model boyutu ile parça boyutu arasındaki bu oran model çekme payı olarak adlandırılır. Döküm sonrası parça yüzeyinde talaş kaldırma yapılacaksa, bu da model tasarımında hesaba katılmalıdır. Yönlenmiş katılaşma ile büzülmenin zararları en aza indirilebilir. Özellikle iç boşlukların oluşumu engellenmeye çalışılır. Bunun için katılaşmanın kalıbın en dip (döküm ağzına en uzak) bölgelerinden başlayarak döküm ağzına doğru ilerlemesi gerekir. Böylece çekme boşluklarının çıkıcı, besleyici ya da yolluklarda kalması sağlanabilir. Bunun için öncelikle parça ve kalıp tasarımı iyileştirilebilir; besleyici, çıkıcı ve yolluk konumları değiştirilebilir; soğutucular veya yalıtım levhaları kullanılabilir.

7