MAK 353 İMAL USULLERİ

Transkript

1 MAK 353 İMAL USULLERİ Prof.Dr. Murat VURAL İTÜ Makina Fakültesi 1

2 METAL DÖKÜMÜNÜN ESASLARI 1. Döküm Teknolojisine Genel Bakış 2. Isıtma ve Dökme 3. Katılaşma ve Soğuma 2

3 Katılaştırma Yöntemleri Başlangıç malzemesi, ya bir sıvıdır ya da yüksek derecede plastikleştirilmiştir ve malzemenin katılaştırılması sayesinde bir parça oluşturulur Katılaştırma yöntemleri, işlenen mühendislik malzemesine göre sınıflandırılabilir: Metaller Seramikler, özel camlar Polimerler ve polimer matrisli karma malzemeler (PMC ler) 3

4 Bozulabilir kalıba döküm Kum döküm Metallerin dökümü Diğer döküm yöntemleri Kalıcı kalıba döküm Katılaştırma yöntemleri Cam işleme Ekstrüzyon ve ilgili yöntemler Enjeksiyonla kalıplama Polimer ve PMC lerin imalatı Diğer kalıplama yöntemleri PMC ler için özel yöntemler Şekil 10.1 Katılaştırma yöntemlerinin sınıflandırılması 4

5 Döküm Erimiş metalin, kalıp boşluğunda katılaşacağı kalıba, yerçekimi veya başka bir kuvvetle aktığı yöntem Döküm terimi yöntemle üretilen parçalar için de kullanılmaktadır Dökümdeki adımlar görece olarak basittir: 1. Metalin eritilmesi 2. Kalıba dökülmesi 3. Katılaşmaya bırakılması 5

6 Dökümün Sınırları ve Üstünlükleri Karmaşık parça geometrileri oluşturulabilir Hem iç hem de dış şekiller oluşturulabilir Bazı döküm yöntemleri net şekil dir; bazıları ise net şekle yakın dır. Çok büyük parçaları üretebilir Bazı döküm yöntemleri seri üretime uygundur 6

7 Dökümün Zayıflıkları Farklı döküm yöntemlerinin farklı zayıflıkları vardır: Mekanik özelliklerde sınırlamalar Bazı yöntemlerde düşük boyutsal doğruluk ve yüzey kalitesi; örn. Kum döküm Sıcak erimiş metaller nedeniyle çalışanlara iş güvenliği sorunları Çevre sorunları 7

8 Dökümle Yapılabilen Parçalar Büyük parçalar Otomotiv araçları için motor blokları ve silindir kafaları, ağaç yakma fırınları, makina gövdeleri, vagon tekerlekleri, borular, büyük heykeller, pompa gövdeleri Küçük parçalar Diş kaplamaları, mücevher, küçük heykeller, kızartma tavaları Demir esaslı ve demir dışı tüm metal türleri dökülebilir 8

9 9

10 Döküm Teknolojisine Genel Bakış Döküm genellikle dökümhane de yapılır Dökümhane = kalıpların yapılması, erimiş metalin eldesi ve taşınması, döküm işleminin yapılması ve bitmiş dökümlerin temizlenmesi için donatılan fabrika Döküm işini yapan işçiler dökümcü olarak adlandırılır 10

11 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 11

12 Açık Kalıplar ve Kapalı Kalıplar Şekil 10.2 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 12

13 Döküm Yöntemlerinin İki Kategorisi 1. Bozulabilir kalıp yöntemleri dökümü çıkarmak için dağıtılması gereken bir kalıp kullanır Kalıp malzemeleri: kum, alçı ve benzer malzemeler, ayrıca bağlayıcılar 2. Kalıcı kalıp yöntemleri çok sayıda döküm üretmek için tekrar tekrar kullanılabilecek bir kalıcı kalıp kullanır Metalden (kokil) veya, nadiren seramik bir refrakter malzemeden yapılır 13

14 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 14

15 Kum Döküm Kalıbı Şekil 10.2 (b) Kum döküm kalıbı. 15

16 Kum Döküm Kalıp Terimleri Kalıp iki yarıdan oluşur: Üst derece = kalıbın üst yarısı Alt derece = alt yarısı Kalıp yarıları, derece denen bir kutunun içindedir İki yarı, ayırma yüzeyinde birbirinden ayrılır 16

17 Kalıp Boşluğunun Oluşturulması Kalıp boşluğu, parçanın şekline sahip olan bir model çevresinde kumun sıkıştırılmasıyla oluşturulur Model çıkarıldığında, sıkıştırılmış kumda kalan boşluk, dökme parçanın istenen şekline sahiptir Model, katılaşma ve soğuma sırasında metalin büzülmesine izin vermek üzere genellikle daha büyük yapılır Kalıp kumu nemlidir ve şeklini koruması için bir bağlayıcı içerir 17

18 Kalıp Boşluğunda Bir Maça Kullanımı Kalıp boşluğu, dökülecek parçanın dış yüzeyini oluşturur Ek olarak parçanın iç geometrisini belirleyecek şekilde, kalıp boşluğunun içine yerleştirilen bir maça tarafından belirlenen iç yüzeylere de sahip olabilir Kum dökümde maçalar genellikle kumdan yapılır 18

19 Yolluk Sistemi Erimiş metalin kalıp dışından kalıp boşluğuna doğru aktığı kanal Metalin içinde akarak yatay yolluğa ulaştığı bir düşey yolluk içerir Düşey yolluğun üstünde, genellikle sıçramayı en aza indirecek ve metalin düşey yolluğa türbülanssız girmesini sağlayacak bir döküm ağzı bulunur 19

20 Besleyici Katılaşma sırasında parçanın büzülmesini karşılamak üzere bir sıvı metal orijini olan, kalıp içindeki depo Besleyicinin fonksiyonunu yerine getirebilmesi için, esas dökümden sonra katılaşacak şekilde tasarlanmalıdır 20

21 21

22 Metalin Isıtılması Isıtma fırınları, metali döküme yeterli sıcaklığa ulaşacak şekilde eritmede kullanılır Gerekli ısı aşağıdakilerin toplamından oluşur: 1. Sıcaklığı erime sıcaklığına yükseltecek ısı 2. Katıyı sıvıya dönüştürecek eritme ısısı 3. Erimiş metali döküme uygun sıcaklığa yükseltecek ısı 22

23 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 23

24 Sıvı Metalin Akıcılık Testi (Spiral Döküm Testi) Döküm ağzı Düşey yolluk Katılaşmadan önceki akış sınırı Spiral kalıp Şekil 10.3 Sıvı metalin akıcılığının belirlenmesi için uygulanan spiral kalıba döküm testi 24

25 Metalin Katılaşması Erimiş metalin tekrar katı hale dönüşümü Katılaşma, metalin durumuna bağlı olarak değişir Saf bir element, veya Bir alaşım 25

26 Saf Metalin Soğuma Eğrisi Saf bir metal katılaşma sıcaklığına eşit bir sabit sıcaklıkta katılaşır (erime sıcaklığıyla aynıdır) Şekil 10.4 Saf bir metalin katılaşma sırasındaki soğuma eğrisi. 26

27 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 27

28 Şekil Kalıp cidarı yakınında rastgele yönlenmiş ince taneleri ve dökümün merkezine doğru yönlenmiş büyük kolonsal taneleri gösteren, saf bir metalin dökümündeki karakteristik tane yapısı 28

29 Alaşımların Katılaşması Çoğu alaşım, sabit bir sıcaklık yerine bir sıcaklık aralığında katılaşır Şekil 10.6 (a) Bir bakır-nikel alaşım sisteminin faz diyagramı; ve (b) döküm sırasında % 50 Ni - % 50 Cu bileşimindeki bir alaşımın soğuma eğrisi 29

30 Şekil 10.7 Döküm merkezinde alaşım elemanlarının segregasyonunu gösteren, bir alaşım dökümündeki karakteristik tane yapısı. 30

31 Katılaşma Süresi Katılaşma belirli bir süre alır Toplam katılaşma süresi T TS = dökümden sonra katılaşma için gerekli süredir T TS aralarındaki ilişki Chvorinov Kuralı olarak bilinen, dökümün boyut ve şekline bağlıdır T TS C m V A burada T TS = toplam katılaşma süresi; V = dökümün hacmi; A = dökümün yüzey alanı; n = üstel sayı (tipik değeri = 2); ve C m kalıp sabiti. n 31

32 Chvorinov Kuralındaki Kalıp Sabiti C m kalıp sabiti aşağıdakilere bağlıdır: Kalıp malzemesi Döküm metalinin ısıl özellikleri Erime sıcaklığına oranla döküm sıcaklığı Belirli bir döküm işlemi için C m değeri, parça şekli çok farklı olsa bile, aynı kalıp malzemesi, metal ve döküm sıcaklığı kullanılan önceki deneysel verilere dayanabilir 32

33 Chvorinov Kuralının Anlamı Daha yüksek bir hacim/yüzey oranına sahip bir döküm, düşük oranlı olana göre daha yavaş soğur (Hacmi, yüzeyinden büyük ise). Erimiş metali kalıp boşluğuna beslemek için, besleyicinin T TS değerinin ana dökümün T TS 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 33

34 Katılaşma ve Soğumadaki Büzülme Şekil 10.8 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). 34

35 Katılaşma ve Soğumadaki Büzülme Şekil 10.8 (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). 35

36 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 36

37 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 37

38 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 bunun kontrol edildiği yöntemleri kapsar 38

39 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 (yani alanı hacminden büyük olanlar) besleyiciden uzağa yerleştirilmesiyle, katılaşma ilk olarak bu bölgelerde başlar ve dökümün diğer bölgeleri için sıvı metalin önü açık kalır. Soğutucular - dökümün belirli bölgelerinde hızlı katılaşmayı sağlayan iç ve dış ısı emiciler 39

40 Dış Soğutucular Dış soğutucular Kum kalıp Şekil 10.9 (a) Dökümün kalın kesitlerindeki erimiş metalin hızlı katılaşmasını desteklemek için dış soğutucu; ve (b) dış soğutucunun kullanılmaması durumundaki muhtemel sonuç. 40

41 Besleyici Tasarımı Besleyici, dökümden ayrılan ve sonraki dökümleri yapmak için yeniden eritilen bir atık metaldir 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 41