Al-Si ALAŞIMLARINDA SİLİSYUM MİKTARININ DÖKÜM PARÇA-KALIP ARAYÜZEY ISI TRANSFER KATSAYISI ÜZERİNE ETKİSİ

Transkript

1 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. J. Fac. Eng. Arch. Gazi Univ. Cilt, No 3, , 007 Vol, No 3, , 007 Al-Si ALAŞIMLARINDA SİLİSYUM MİKTARININ DÖKÜM PARÇA-KALIP ARAYÜZEY ISI TRANSFER KATSAYISI ÜZERİNE ETKİSİ Neşet AKAR ve Necati YALÇIN Metal Eğitimi Bölümü, Teknik Eğitim Fakültei, Gazi Üniveritei, Beşevler, Ankara (Geliş/Received: ; Kabul/Accepted: ) ÖZET Bu çalışmanın amacı katılaşma üreince u oğutmalı bakır oğutucu üzerinde tek yönlü dikey olarak katılaşan Al-Si alaşımlarında iliyum içeriğinin arayüzey ıı tranferi katayıına etkiini incelemektir. Arayüzey ıı tranfer katayıı iliyum içeriğine bağlı olarak, Sonlu Farklar Metoduna dayalı FORTRAN programı ile belirlenmiştir. Sonuç olarak; arayüzey ıı tranfer katayıı iliyum içeriğinin azalmaı ile artmıştır, makimum arayüzey ıı tranfer katayıı değerleri; %7Si de 8900 W/m K, %5Si de W/m K ve %3Si de W/m K olarak elde edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Döküm-kalıp arayüzeyi, Al-Si alaşımları, ıı tranfer katayıı, onlu farklar metodu. EFFECT OF SILICON CONTENT IN Al-Si ALLOYS ON HEAT TRANSFER COEFFICIENT AT CASTING-MOLD INTERFACE ABSTRACT The objective of the preent work wa to invetigate the effect of ilicon content on the interfacial heat tranfer coefficient (IHTC) for vertically upward unidirectional olidification of Al-Si cating on water cooled cupper chill during olidification. The interfacial heat tranfer coefficient meaured a a function of different ilicon content wa determined by uing finite difference method olving FORTRAN language. The obtained reult; the heat tranfer coefficient increae a ilicon content decreae, the maximum heat tranfer coefficient value were obtained; 8900 W/m K with %7, W/m K with %5 and W/m K with %3 ilicon content. Keyword: Cating-mold interface, Al-Si alloy, heat tranfer coefficient, finite difference method. 1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Döküm yöntemlerinde döküm-kalıp ara yüzeyindeki ıı tranferi katılaşma oranını ve buna bağlı olarak da döküm parça yapıını ve mekanik özelliklerini kontrol eden en önemli faktörlerden biriidir. Dolayıı ile ıvı metalin kalıba döküldükten onra katılaşma ürecinde meydana gelen ıı tranferinin doğru olarak belirlenmei döküm parçaının kalitei açıından on derece önemlidir. Günümüzde birçok dökümhanede dökümlerin üretim taarımı bilgiayar ortamında yapılarak hata oranı en aza indirilmeye çalışılmaktadır. Dökümlerin bilgiayar ortamında taarımı ie doğrudan dökümlerin katılaşma hızı, ıcaklık gradyantı, ıının döküm-kalıp ara yüzeyinden tranfer hızı, kalıp malzemeinin ııl özellikleri gibi parametrelerin doğru bilinmeine ve uygun şartların belirlenerek kullanılmaına bağlıdır. Mikro ve makro yapı, porozite, döküm parçanın ııl gerilim analizi, döküm parçadan ıı tranfer hızı gibi parametreleri ea alan döküm imülayonlarının daha doğru yapılabilmei için çok yoğun olarak araştırmalar devam etmektedir. Döküm/kalıp ara yüzeyindeki ara yüzey ıı tranferi katayıı alaşım tipi, katılaşma çekmei, ıvı metalin yüzey gerilimi, döküm ıcaklığı, döküm yükekliği, kalıp ıcaklığı, kalıp malzemei, kalıp kalınlığı, kalıp kaplamaı, uygulanan baınç, katılaşma yönü, döküm/kalıp ara yüzeyinde meydana gelen hava boşluğu ve katılaşan metal ile tema eden kalıbın yüzey pürüzlülüğü gibi pek çok değişkenden

2 N. Akar ve N. Yalçın Al-Si Alaşımlarında Siliyum Miktarının Döküm Parça-Kalıp Ara Yüzey etkilenmektedir [1 9]. Birçok araştırmacı tarafından çeşitli metal-kalıp itemlerinde döküm-kalıp ara yüzeyinde oluşan hava boşluğu ölçülerek ara yüzey ıı tranfer katayıları heaplanmıştır [8, 19, 30 38]. Bu teknik bait olmaına karşın boyutal değişimi ölçen probların tam ara yüzeye yerleştirilememei, döküm metalinin katılaşmaına kadar döküm parça içindeki probun hareket etmemei, ara yüzeyde tam ayrılma gerçekleşmemei gibi nedenlerden dolayı bu yöntemin doğru onuçlar vermeyebileceği bildirilmiştir [37]. Son yıllarda döküm/kalıp ara yüzeylerinde ıı tranfer katayıları ölçümleri ıvı metalin tek yönlü kalıpta oğutularak katılaştırılmaı ile elde edilen zaman-ıcaklık verileri ile yapılmaktadır. Deneyel dökümlerde döküm alaşımı ve kalıp malzemeleri genellikle alüminyum, çinko, kurşun, kalay, bakır, dökme demir ve çelik gibi termo-fizikel özellikleri iyi bilinen metal ve alaşımları kullanılmaktadır [1, 5, 9 1, 3, 39]. Öte yandan, kum kalıplarda ıı tranferi, kumun tipi, kumun tane boyutu, ekli ve dağılımı, bağlayıcı tipi ve oranı, kum kalıbın yoğunluğu, nem oranı ve kalıba dökülen metalin ıcaklığı, kum karışımının termofizikel özellikleri gibi birçok parametreden etkilenir. Kumun iyi bir iletken olmamaı döküm/kalıp ara yüzeyinde oluşan ııl direncin önemini ortadan kaldırdığından bu kalıplarda oğuma modellemeleri ara yüzey ıı tranfer katayılarını dikkate almazlar [39 43]. Ara yüzey ıı tranfer değerleri alaşımı oluşturan malzemelerin cinine ve bileşimine göre değişim götermektedir ve literatürde Al alaşımlarının ıı tranferi katayıları 50 ile W/m K aralığında görülmektedir [17 19]. Al-Si alaşımları döküm yöntemi ile yaygın olarak şekillendirilmektedir. Alüminyuma iliyum ilavei döküm karakteritiğini geliştirdiği gibi mekanik özellikler ve korozyon dayanımını da iyileştirir. Genel olarak kum, haa döküm gibi yavaş katılaşma şartları ağlayan döküm yöntemlerinde %5 7, kokil dökümlerde %7 9 ve baınçlı dökümlerde %8 1 iliyum oranları kullanılmaktadır [1]. Yapılan araştırmalarda Taha ve arkadaşları [8] Al-Si alaşımlarının dökümünde ara yüzey ıı tranfer katayıının alaşıma giren Si miktarındaki artışına bağlı olarak artış göterdiğini belirtirken diğer araştırmacılar [1, 17] ie azaldığını açıklamışlardır. Bu çalışmada Al-Si alaşımlarında alaşımın içindeki Si içeriğinin ara yüzey ıı tranferi ve ıı tranfer katayıına etkii deneyel olarak araştırılmıştır. Bunun için Al-Si alaşımları u oğutmalı bakır oğutucu üzerinde tek yönlü katılaştırılmıştır. Değişik iliyum oranlarının alaşımın katılaşmaı üreince zamanın bir fonkiyonu olarak döküm/metal kalıp ara yüzeyinde ara yüzey ıı tranfer katayı ve ıı akıları üzerine etkii incelenmiştir.. MALZEME VE METOT (MATERIAL AND METHOD).1. Deneylerin Yapılışı ve Deney Düzeneği (Experimental Procedure and Set-up) Veri toplama ve analiz itemine bağlı deneylerin yapıldığı düzenek Şekil 1 de şematik olarak göterilmiştir. Tek yönlü katılaşma ağlanan bu düzenekte 8 mm iç çapında ve 150 mm boyunda ıı iletkenliği oldukça düşük (0,1 W/mK) olan alüminailikat eramik kalıba ve 8 mm çapında ve 90 mm boyunda 0 litre/dakika u ile oğutulan ilindirik bakır oğutucuya altı adet kalibrayonları yapılmış K tipi ııl çiftler döküm-oğutucu ara yüzeyinden 5 mm (TC3, TC4), 37,5 mm (TC, TC5) ve 75 mm (TC1, TC6) uzaklıkta imetrik olarak yerleştirilmiştir. Iıl çiftler, K tipi ııl çift için özel taşıma kablou ile veri toplama itemine bağlanmıştır. Kaplamaız oğutucu yüzeyi her deneyden önce 400 grit zımpara ile temizlenmiştir. Özellikleri çok iyi bilinen bakır oğutucu ve döküm malzemelerin (Al-Si alaşımları) termofizikel özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. Bu deneyel çalışmada ETİAL 140 (ötektik Al-Si) ile ETİAL 8 (ticari aflıkta Al) alaşımları kullanılarak Al-%3 Si, Al-%5 Si ve Al-%7 Si alaşımları elde edilmiştir. Tek yönlü katılaşma düzeneği ıının yalnız alttan ve u oğutmalı oğutucu tarafından uzaklaştırılacak şekilde taarlanmış ve katılaşmanın döküm/oğutucu ara yüzeyden başlayarak yukarıya doğru devam etmei ağlanmıştır. Ergitme işlemi direnç telli ergitme ocağı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Her alaşım ergime ıcaklığının 150 K üzerinde döküm ıcaklığında (Al-%3 Si 1067 K, Al-%5 Si 1055 K ve Al-%7 Si 1033 K) oda ıcaklığına ahip kalıba dökülmüş ve oğumaya bırakılmıştır. Katılaşma ıraında ııl çiftlerden 0,5 zaman aralığında elde edilen ıcaklık verileri otomatik olarak kaydedilmiş ve bilgiayara aktarılmıştır. Ölçülen zaman-ıcaklık verileri Sonlu Fark Yöntemi kullanılarak döküm ve oğutucu için ıcaklık dağılımlarının belirlenmeinde kullanılmıştır. Şekil 1. Deney düzeneğinin şematik göterimi (Schematic repreentation of the experimental etup) 45 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt, No 3, 007

3 Al-Si Alaşımlarında Siliyum Miktarının Döküm Parça-Kalıp Ara Yüzey N. Akar ve N. Yalçın Tablo 1. Iı tranfer katayılarının heaplanmaında kullanılan termofizikel özellikler. (Thermophyical propertie ued in the calculation of the heat tranfer coefficient.) [1, 3]. Özellikler Sembol/Birim Al 3% Si Al 5% Si Al 7% Si Bakır Iı İletim Katayıı k S (W/m K) (Katı) k L (W/m K) (Sıvı) , ,05874 T Özgül Iı c L (J/kg K) (Sıvı) c S (J/kg K) (Katı) ,11069 T Yoğunluk ρ S (kg/m 3 ) (Katı) ,11 0,469 T ρ L (kg/m 3 ) (Sıvı) Ergime Gizli Iıı L (J/kg) Ergime Sıcaklığı T S ( C) Ötektik Sıcaklığı T ÖTK ( C) Katılaşma Sıcaklığı T L ( C) Ayrışma Katayıı K O 0,13 0,13 0,13 Sıcaklık (T) Kelvin dir... Döküm-Kalıp Ara Yüzey Iı Tranfer Katayıının Belirlenmei (Determination of Cating-Mold Interfacial Heat Tranfer Coefficient) Iı tranferinin belirlenmei döküm ve oğutucu içindeki ıcaklık dağılımına bağlıdır. Sıcaklık dağılımı gerçek uygulamalarda üç boyutlu ve geometriye bağlı olarak düzlemel, ilindirik ve küreel koordinatlar şeklindedir. Fakat problemin adeleşmei ve çözüm kolaylığı açıından tek yönlü katılaşma şartlarında tek boyutlu düzlemel geometride ıcaklık dağılımları kullanılarak aşağıdaki şekilde ıı tranferi belirlenmiştir. Döküm-kalıp ara yüzey ıı tranfer katayıı, h (W/m K), q h = ( T T K ) (1) D eşitliği ile belirlenir. q birim zamanda birim yüzeyden geçen ıı akıı (W/m ), T D ve T K ıraıyla döküm ve oğutucu yüzey ıcaklıklarıdır (K). Ancak burada q, T D ve T K değerleri başlangıçta bilinmemektedir. Fourier ıı iletim denklemi (Eşitlik ) yardımıyla katı ve eriyik malzeme içindeki ıı akıı bulunabilir. T q = k () x Burada k malzemenin ıı iletim katayııdır (W/mK). T/ x ıcaklık gradyantı ayıal yöntemlerle bulunur. Katı ve ergiyik malzeme içeriinde zamana bağlı ıı iletim denklemi onlu farklar metodu ile çözülerek belirlenen aralık ve yüzeylerdeki ıcaklık değerleri bulunur. Eşitlik () de ıcaklıklar yerine konularak q değeri elde edilir. Daha onra Eşitlik (1) de yüzey ıcaklıkları (T D ve T K ) ve q değerleri yerine konularak ara yüzeydeki ıı tranfer katayıı belirlenir..3. Zamana Bağlı Iı İletiminin Sonlu Farklar (Explicit) Metodu ile Çözümü (Solution of Time Dependent Heat Conduction by Uing Finite Difference (Explicit) Method) Katı ve ergiyik malzeme içeriindeki ıı iletiminin zamana bağlı bir boyutlu genel denklemi; T T ρ c = k (3) t x Bu eşitlikte ρ, c ve k ıraı ile malzemenin yoğunluğu (kg/m 3 ), özgül ııı (J/kgK) ve ııl iletkenlik katayııdır (W/mK). T ıcaklık (K), t zaman () ve x uzunluktur (m). Döküm alaşımında katılaşma ıraında faz değişiminden kaynaklanan bir ıı üretimi olacaktır. Bu dururumda eşitlik (3) te verilen ıı iletim denklemi dt d T ρc = k + q& (4) dt dx halini alır. Eşitliğin ağ tarafındaki q& katılaşma ıraında katılaşan metalin ergime gizli ııını bırakmaından kaynaklanan birim zamanda birim hacimde ıı üretimi terimidir (W/m 3 ) ve aşağıdaki eşitlik (5) ile heaplanır. df q = ρl (5) dt Burada L ergime gizli ııı (J/kg) ve f katılaşma ıraındaki katı oranıdır. Ötektik altı Al-Si alaşımlarında katılaşma önce birincil alüminyum α fazı daha onra ie ötektik faz olmak üzere iki aşamada meydana gelir. Sıvı fazdan katı faza geçişte yarı katı bölgenin nümerik modellemei yapılırken ıı üretiminin de iki bölgeden oluşmaı gerekir. Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt, No 3,

4 N. Akar ve N. Yalçın Al-Si Alaşımlarında Siliyum Miktarının Döküm Parça-Kalıp Ara Yüzey Hızlı katılaşma şartlarında α fazında katı oranı aşağıda verilen Scheil eşitliği ile belirlenir. 1/( K0 1) T AL T f = 1- (6) TAL T L Burada K 0 ayrışma katayıı, T AL af alüminyumun ergime ıcaklığı (K), T L alaşımın ergime ıcaklığıdır (K). Ötektik katılaşmada ie katı oranı T ÖTK T f = (7) TÖTK T S eşitliği ile belirlenir. Eşitlik (5) teki df /dt terimi ıcaklıkla ilişkilendirilerek Eşitlik (4) te yerine konulura denklem dt d T df dt ρ c = k + ρl (8) dt dx dt dt şekline gelir. Terimler düzenlendiğinde eşitlik df dt d T ρ ( c L ) = k (9) dt dt dx elde edilir. Burada: c = c Ldf /dt katılaşma enaındaki özgül ııdır (J/kgK). ' dt d T ρ c = k (10) dt dx Yarı-katı fazın özgül ııı c = ( 1 f ) c + f c (11) L S eşitliği ile elde edilebilir. Burada alt indiler L ve S ıraıyla ıvı ve katı fazı temil etmektedir. Yarı katı bölgede ıı iletim katayıı ve yoğunluk gibi özellikler özgül ıı heabına benzer şekilde aşağıdaki eşitliklerle belirlenmiştir. k = ( 1 f ) k + f k (1) L L S ρ = ( 1 f ) ρ + f ρ (13) S Eşitlik (3) ve Eşitlik (10) un Sonlu Farklar Metodu ile çözümü p+ 1 p p p ( m) = ( m) ( ( m+ 1) ( m 1 ) T T 1 Fo) + FoT ( + T ) (14) ifadei ile verilir. Bu eşitliğin bulunmaı daha önceki çalışmalarda [1,] ayrıntılı olarak verilmiştir. Eşitlikte üt indi p, T nin zamana bağlılığını götermektedir ve zaman türevi heaplanan (p+1) ve heaplanandan bir önceki (p) zamana ait ıcaklıkların farkı ile ilişkilidir. Eşitlik (14) deki Fo = [( k / ρ c) Δt]/ Δx terimi Fourier ayııdır. Eşitlik (14) ile verilen yöntem explicit yaklaşımı olarak iimlendirilir [46,47]. Eşitlik (14) de bir boyutlu geometride iç düğüm noktaı için, (1 - Fo) 0 olmaı şarttır. Başka bir deyişle, 1 Fo (15) olmaı gerekmektedir. Bu kıta, Δx ve α nın verilen değerleri için Δt nin alabileceği en büyük değeri bulmakta kullanılabilir..4. Sınır Şartları (Boundary Condition) Başlangıç ınır şartı olarak TC1 ve TC6 ııl çiftlerden ölçülen ilk değerleri bütün bilinmeyen ıcaklık noktalarına vererek çözüme başlanır. Daha onra her zaman aralığı için TC1 ve TC6 dan alınan değerlerin yardımıyla bilinmeyen diğer noktalar bulunur. Burada gerekli olan ikinci ınır şartı ie ara yüzeyden 5 mm uzaklıktaki TC3 vetc4 değerleri alınarak, Beck Metodu [44] yardımıyla bir önceki zaman değerleri ile karşılaştırma (ölçülen ve heaplanan ıcaklık farkı en fazla ± 0,1) yapılarak ileri doğru iterayonla bilinmeyen noktalarda bulunur. Böylece her zaman aralığında, tüm düğüm noktalarında ve ara yüzeylerdeki ıcaklıklar (T D ve T K ) belirlenmiş olur. 3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA (RESULTS AND DISCUSSION) Al-%5 Si alaşımı ve bakır oğutucu kullanılarak aynı şartlar altında iki defa tekrarlanan tek yönlü katılaşma deneylerinden elde edilen ve heaplamalarda ınır şartı olarak kullanılan (TC1 ve TC6) noktalardaki oğuma eğrileri Şekil de verilmiştir. Aynı noktalar için iki deney araındaki ıcaklık farkının 6 o C den daha az olduğu görülmüştür. Santo ve arkadaşları [9,10] af kalay ile yaptıkları iki deney araındaki ıcaklık farkının 4 o C den daha az olduğunu bildirmişlerdir. Saf kalayın (ergime ıcaklığı 3 o C) Al-%5 Si alaşımına (ergime ıcaklığı 63 o C) göre çok daha düşük ıcaklıklarda döküldüğü göz önünde bulundurulura onuçların literatür ile uyum içinde olduğu öylenebilir. Deneylerin tekrar edilebilirliği kullanılan ııl çiftlerin kalibrayonu, ıcaklık ölçüm aletinin haaiyeti, her döküm için döküş ıcaklığının, oğutma ıvı debiinin ve döküm yükekliğinin abit tutulmaı gibi parametrelerinin kontrolü ile ağlanabilir. 454 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt, No 3, 007

5 Al-Si Alaşımlarında Siliyum Miktarının Döküm Parça-Kalıp Ara Yüzey N. Akar ve N. Yalçın Sıcaklık [K] Al-%7 Si alaşımı ve bakır oğutucuda Şekil 1 de TC1, TC TC3, TC4, TC5 ve TC6 olarak göterilen ııl çiftlerlerden ölçülen ve ara yüzeylerde heaplanan ıcaklık eğrileri ve bu ıcaklıkların kullanılmaı ile heaplanan ara yüzey ıı tranfer katayıı Şekil 3 te verilmiştir. Heaplar yapılırken döküm ve kalıp malzemeleri için tablo 1 de verilen termofizikel değerler kullanılmıştır. Şekil 3 te TC1, TC ve TC3 ıcaklık eğrileri oğutucudan, TC4, TC5 ve TC6 ıcaklık eğrileri dökümden zamana bağlı olarak ölçülen ıcaklıklardır. T D ve T K döküm ve kalıp yüzeylerine denk gelen düğüm noktaları için heaplanan ıcaklık eğrilerini götermektedir. Ölçülen ıcaklıklarla heap edilen ıcaklıkların uyum içinde oldukları Şekil 3 te açık bir şekilde görülmektedir. Sıvı metal dökümünü takip eden ilk bir kaç aniyede katılaşmaya başlamış ve katılaşma kalıp ara yüzeyinden yukarı doğru ilerlemiştir. Döküm metali içinde ve ara yüzeye yakın olan ııl çiftle (TC4) ölçülen ıcaklık eğriinde yükek oğuma şartlarından dolayı katılaşma duraklamaı görülmemektedir. Buna karşın döküm metali içinde orta noktada (TC5) ölçülen ıcaklık eğriinden görüleceği üzere 31. aniyede metalin katılaşma ıcaklığının 5 K altında bir katılaşma duraklamaı meydana gelmiştir. Katılaşma döküm-kalıp ara yüzeyinden 75 mm meafede (TC6) Sıcaklık [K] TC1 TC4 TC TC5 900 TC3 TC6 T K T D h DENEY 1- TC1'de Ölçülen Sıcaklık TC6'de Ölçülen Sıcaklık DENEY - TC1'de Ölçülen Sıcaklık TC6'de Ölçülen Sıcaklık Zaman [] Şekil. Al-%5 Si alaşımı ile yapılan deneylerde ıcaklık profilinin tekrarlanabilirliğinin karşılaştırılmaı (Comparion of reproducibility of temperature profile in experiment for Al 5%Si) Zaman [K] Şekil 3. Al-%7 Si alaşımında döküm parça ve u oğutmalı bakır oğutucudaki altı noktadan deneyel olarak ölçülen ve yüzeylerde heaplanan ıcaklıklar ve ıı tranfer katayıı (Meaured and calculated temperature from ix location and urface of Al 7%Si cating and water cooled copper chill, and uperimpoed heat tranfer coefficient curve) Ara Yüzey Iı Tranfer Katayıı,h [W/m K] ie 40. aniyede 883 K de başlamış ve 117. aniyede metalin ötektik katılaşma noktaı olan 850 K de tamamlanmıştır. Soğuma eğrilerinde 77. aniyede döküm ıcaklıklarında artış görülürken oğutucudaki ıcaklıklarda düşüş görülmektedir. Burada meydana gelen değişimin nedeni döküm metalinin katılaşma çekmei onucu oğutucu yüzeyinden ayrılarak ara yüzeyde hava boşluğunun oluşmaıdır. Hava boşluğunun oluşmaı ile ara yüzey ıı tranfer katayıı da ani olarak düşmüştür. Ara yüzeyde hava boşluğu oluşmaı ile ıcaklık eğrilerinde benzer değişimlerin olduğu literatürde açık bir şekilde belirtilmiştir [30, 47, 48]. TC1 ve TC6 heaplamalar için ınır şartı olarak alınan değerlerdir. Döküm-oğutucu ara yüzeyinden imetrik olarak 5 mm meafede heap edilen ıcaklık değerleri, bu noktalarda ölçülen TC3 ve TC4 ıcaklıklar ile karşılaştırılmıştır. Bilgiayar programı bu noktalarda ölçülen ve heap edilen ıcaklık farklarının (haalığın) en fazla ±0,1 den küçük olmaı durumuna kadar heap yapmaktadır. Heap edilen ıcaklık dağılımının kontrolünü yapmak için döküm ve oğutucu ara yüzeyden imetrik olarak 37,5 mm meafede ölçülen (oğutucuda TC ve döküm metalinde TC5) ve aynı meafede heap edilen ıcaklıklar karşılaştırılmış ve onuçlar Şekil 4 te verilmiştir. Bakır oğutucunun orta noktaındaki ıcaklık farkı K den daha az bulunmuştur. Dolayıı ile Şekil 4 te ölçülen ıcaklık eğrii ile heaplanan ıcaklık eğrii mükemmel bir şekilde üt üte binmiştir. Döküm metalinin orta noktaında ölçülen ve heaplanan ıcaklıklar araındaki fark ie 14 K den daha düşüktür. Literatürdeki çalışmalarda bu noktalardaki ıcaklık farkının ±0 K den küçük olmaı kabul edilebilir durum olduğu belirtilmektedir [3]. Bu çalışmadaki ıcaklık farkları daha önce yapılan çalışmalarda [1,] olduğu gibi kabul edilebilir ınırlar içeriindedir. Döküm ve kalıp malzemeinde ölçülen ve heaplanan ıcaklıklar araındaki bu mükemmel uyum deney düzeneğinin ve kullanılan malzemelerin termofizikel özelliklerinin doğru Sıcaklık [K] TC TC noktaında heaplanan TC5 TC5 noktaında heaplanan Sıcaklık Farkı (Kalıp) Sıcaklık Farkı (Metal) Zaman [] Şekil 4. Al-%7 Si döküm parça ve bakır oğutucunun orta noktalarından deneyel olarak ölçülen ve heaplanan ıcaklık eğrileri ve ıcaklıklar araındaki fark (Meaured and calculated temperature and temperature difference of mid point of Al 7% Si cating and copper chill) Sıcaklık Farkı,ΔΤ, [Κ] Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt, No 3,

6 N. Akar ve N. Yalçın Al-Si Alaşımlarında Siliyum Miktarının Döküm Parça-Kalıp Ara Yüzey eçildiğini ve heap yönteminin haa olduğunu götermektedir. Döküm metali ve bakır oğutucuda ıcaklık dağılımları belirlendikten onra eşitlik () yardımıyla %3, %5 ve %7 Si içeren Al-Si alaşımlarının ara yüzey ıı akıları heaplanmış ve onuçlar Şekil 5 te verilmiştir. Ara yüzey ıı akıı iliyum içeriğinin artmaı ile azalmıştır. Sıvı metal kalıba döküldükten onra ara yüzey ıı akıları hızlı bir şekilde artmış ve şekilden de görüleceği üzere Al-%3 Si, Al-%5 Si ve Al-%7 Si alaşımları için ıraıyla 60 kw/m, 0 kw/m ve 185 kw/m makimum değerlere ulaşmıştır. Iı akıları daha onra kekin bir düşüşü takiben zamanla ürekli olarak hafifçe azalmıştır. Ancak ara yüzeyde hava boşluğunun oluşmaıyla ıı akıları Al-%3 Si, Al-%5 Si ve Al-%7 Si alaşımları için ıraıyla 35., 43. ve 77. de kekin bir düşüş götermiş ve yaklaşık olarak 10 kw/m de abit olarak eyretmiştir. Her üç alaşım için eşitlik (1) yardımıyla belirlenen ara yüzey ıı tranfer katayılarının zamana bağlı olarak değişimi Şekil 6 da verilmiştir. Ara yüzey ıı tranfer katayıı Al-Si alaşımındaki iliyum içeriğinin azalmaı ile artmıştır. Ara yüzey ıı tranfer katayılarının makimum değerleri yaklaşık olarak aniye araında Al-%3 Si, Al-%5 Si ve Al-%7 Si alaşımları için ıraıyla W/m K, Ara Yüzey Iı Akıı [W/m ] 3.0x10 6.5x10 6.0x x x x Al-%3Si Al-%5Si Al-%7Si Zaman [] Şekil 5. Al-Si alaşımlarında iliyum oranı ile ara yüzey ıı akıının değişimi. (Variation of interfacial heat flux with ilicon content in Al-Si alloy.) Ara Yüzey Iı Tranfer Katayıı [W/m K] Al-%3Si Al-%5Si Al-%7Si Zaman [] Şekil 6. Al-Si alaşımlarında iliyum oranı ile ara yüzey ıı tranferinin katayıının değişimi. (Variation of interfacial heat tranfer coefficient with ilicon content in Al-Si alloy.) W/m K ve 8900 W/m K olarak tepit edilmiştir. Iı tranfer katayıları makimum değerleri takiben hava boşluğu oluşumuna kadar ürekli olarak azalmaına devam etmiştir. Hava boşluğu oluşmaıyla birlikte kekin bir düşüş göteren ıı tranfer katayıları daha onra çok düşük değerlerde eyretmiştir. Bu çalışmaya paralel olarak Fortin [5], Pere [1], Muojekwu [17] ve Michel [18] Al-Si alaşımlarında iliyum içeriğinin artmaıyla ara yüzey ıı tranfer katayıının azaldığını bildirmeine karşın Taha [8] artan iliyum miktarı ile ıı tranfer katayıının arttığını belirtmiştir. Al-Si alaşımlarında ıı tranfer katayıının azalan iliyum içeriği ile artmaı aşağıdaki şekilde açıklanabilir. Al-Si alaşımlarında iliyum miktarının azalmaı ile döküm metalinin ergime ıcaklığı artar. Her bir alaşım ergime ıcaklığının 150 K üzerinde dökülmüştür. Dolayıı ile %3 iliyum içeren alaşımın ergime ıcaklığı %7 iliyum içeren alaşımın ergime ıcaklığından 34 K daha yükektir. Diğer bir ifade ile %3 iliyum içeren Al-Si alaşımı %7 iliyum içeren Al-Si alaşımına göre daha yükek döküm ıcaklığına ahiptir. Döküm ıcaklığının artmaı ile vikozite ve yüzey gerilimi düşer [8 10, 17, 34, 49, 50]. Bu durum ıvı metalin oğutucu yüzeyi ile termal temaının artmaına neden olur. Tablo 1 den görüleceği üzere Al-%7Si, Al-%5Si ve Al-%3Si alaşımlarının katılaşma aralığı ıraıyla 33 K, 55 K ve 67 K dir. Geniş katılaşma ıcaklık aralığı ıvının metal oğutucu yüzeyinde daha uzun üre kalmaını ağlayarak katılaşma çekmeini daha iyi beler ve ara yüzey temaını arttırır. Al-Si alaşımlarının iliyum miktarına göre ıı iletim katayıları ıvı durumda önemli bir değişim götermemeine rağmen katı durumda azalan iliyum miktarı ile artmaktadır (Tablo 1). Ötektik altı Al-Si alaşımlarında iliyum oranının ötektik bileşime doğru artmaıyla katılaşma aralığı azalır ve ara yüzeyde katılaşma kabuk şeklinde teşekkül eder. Ara yüzeyde katı kabuğun oluşumundan dolayı döküm metali oğutucu yüzeyinden daha kıa ürede ayrılır [51]. Bu durum ıı akıı ve ıı tranfer katayıını düşürür. Yapılan deneylerde iliyum içeriğinin azalmaı ile ıı akıı ve ıı tranfer katayıı artmıştır. Bu artışın yukarıda açıklanan yükek döküm ıcaklığı, geniş katılaşma aralığı, ıı iletim katayıı ve katı kabuk oluşumundan kaynaklandığı düşünülmektedir. Pere [1], Michel [18], Fortin [5] ve Moujekwu da [17] azalan iliyum miktarı ile ıı tranfer katayıının artmaını bu ebeplere bağlamışlardır. Ancak Taha [8] ara yüzeyde hava boşluğu oluşumunun alaşım tipine 456 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt, No 3, 007

7 Al-Si Alaşımlarında Siliyum Miktarının Döküm Parça-Kalıp Ara Yüzey N. Akar ve N. Yalçın bağlı olduğunu ve iliyum içeriğinin artmaıyla hava boşluğunun azaldığını belirtmiştir. Hava boşluğunun azalmaı da ara yüzey ıı tranfer katayıı değerini arttırdığını iddia etmektedir. Ancak Al-Si alaşımlarında iliyum içeriğinin artmaıyla ara yüzeyde hava boşluğu oluşumun naıl azaldığını açıklamamıştır. 4. SONUÇLAR (CONCLUSIONS) Al-%3 Si, Al-%5 Si ve Al-%7 Si alaşımlarında değişen iliyum içeriğine göre döküm parça-kalıp ara yüzey ıı tranfer katayılarının belirlenmei çalışmalarında aşağıdaki onuçlar elde edilmiştir. 1) Aynı şartlarda yapılan iki deney araındaki ıcaklık farkı 6 K den daha düşük ölçülmüştür. Bu da yapılan deneylerin tekrar edilebilir olduğunu götermektedir. ) Al-Si alaşımlarında %3, %5 ve %7 iliyum için makimum ara yüzey ıı tranfer katayıları ıraı ile W/m K, W/m K ve 8900 W/m K, makimum ıı akıları 60 kw/m, 0 kw/m ve 185 kw/m olarak ölçülmüştür. 3) Döküm/oğutucu ara yüzeyden imetrik olarak 37,5 mm meafede ölçülen ve aynı meafede heaplanan ıcaklık farkı oğutucuda K ve dökümde 14 K den daha düşük elde edilmiştir. 4) Ara yüzey ıı tranfer katayıı alüminyum iliyum ikili alaşımlarında iliyum içeriğinin azalmaı ile artmıştır. TEŞEKKÜR (ACKNOWLEDGEMENT) Bu çalışmaya 07/00 08 numaralı Bilimel Araştırma Projei çerçeveinde maddi detek ağlayan Gazi Üniveritei Rektörlüğüne teşekkür ederiz. SEMBOLLER (NOMENCLATURE) q : Iı akıı, W/m q& : Birim hacimde ıı üretim oranı, W/m 3 h : Ara yüzey ıı tranfer katayıı, W/m K T D : Döküm metal yüzey ıcaklığı, K T K : Soğutucu metal yüzey ıcaklığı, K T : Sıcaklık, K t : Zaman, x : Meafe, m k : Iı iletkenlik katayıı, W/mK c : Özgül ıı, J/kgK L : Ergime gizli ııı, J/kg : Ayrışma katayıı K 0 Yunan harfleri (Greek Letter) ρ : Yoğunluk, kg/m 3 Δt : Zaman aralığı Δx : Meafe aralığı Alt indiler (Subcript) m : Düğüm noktaı p YK D K : Zaman işareti : Yarı katı : Döküm : Kalıp KAYNAKLAR (REFERENCES) 1. Şahin, H.M., Kocatepe, K., Kayıkcı R. ve Akar, N., Determination of Unidirectional Heat Tranfer Coefficient during Unteady State Solidification at Metal Chill Interface, Energy Converion and Management, 47, 19 34, Şahin, H.M., Kocatepe, K., Kayıkcı R. ve Akar, N., Ötektik Al-Si Alaşımında Soğutucu Yüzey Pürüzlülüğünün Arayüzey Iı Tranfer Katayıına Etkii, Gazi Üniveritei Mühendilik-Mimarlık Fakültei Dergii, Cilt 1, No 3, , Kim, T.G. ve Lee, Z.H., Time-varying Heat Tranfer Coefficient Between Tube-Shaped Cating and Metal Mold, International Journal of Heat and Ma Tranfer, 40, , Lee, Z.H., Kim, T.G. ve Choi, Y.S., The Movement of the Concave Cating Surface during Muhy-Type Solidification and It Effect on the Heat-Tranfer Coefficient, Metallurgical and Material Tranaction B, 9, , Fortin, G, Louchez, P. ve Samuel, F H, Factor Controlling Heat Tranfer Coefficient at the Metal-Mold Interface during Solidification of Aluminum Alloy: An Analytical Study, AFS Tranaction, 100, , Hao, S.W., Zhang, Z.Q., Chen, J.Y., ve Liu, P.C., Heat Tranfer at the Metal-Mold Interface in Ductile Iron, AFS Tranaction, 95, , Sharma, D.G.R. ve Krihnan, M., Simulation of Heat Tranfer at Cating Metal-Mold Interface, AFS Tranaction, 99, , Taha, M.A., El-Mahallawy, N.A., El-Metekawi, M.T. ve Haan A.A., Etimation of Air Gap and Heat Tranfer Coefficient at Different Face of Al And Al-Si Cating Solidifying in Permanent Mould, Material Science And Technology, 17, , Santo, C.A., Quarema, J.M.V. ve Garcia, A., Determination of Tranient Interfacial Heat Tranfer Coefficient in Chill Mold Cating, Journal of Alloy and Compound, 319, , Santo, C.A., Siqueira, C.A., Garcia, A., Quarema, J.V.M. ve Spim, J.A., Metal/Mold Heat Tranfer Coefficient during Horizontal and Vertical Unteady-State Solidification of Al-Cu and Sn-Pb Alloy, 4 th International Conference on Invere Problem in Engineering, Rio de Janeiro, Brazil, 00. Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt, No 3,

8 N. Akar ve N. Yalçın Al-Si Alaşımlarında Siliyum Miktarının Döküm Parça-Kalıp Ara Yüzey 11. Siqueira, C.A., Cheung, N. ve Garcia, A., The Columnar To Equiaxed Tranition During Solidification of Sn Pb Alloy, Journal of Alloy and Compound, 351, , Pere, M.D., Siqueira, C.A. ve Garcia, A., Macrotructural and Microtructural Development in Al Si Alloy Directionally Solidified under Unteady-State Condition, Journal of Alloy and Compound, 381, , Santo, C.A., Siqueira, C.A.,Garcia, A., Quarema, J.M.V. ve Spim, J.A., Metal Mold Heat Tranfer Coefficient during Horizontal and Vertical Unteady-State Solidification of Al Cu and Sn Pb Alloy, Invere Problem in Science and Engineering, 1, 79 96, Sá, F., Rocha, O.L., Siqueira, C.A. ve Garcia, A., The Effect of Solidification Variable on Tertiary Dendrite Arm Spacing in Unteady-State Directional Solidification of Sn Pb and Al Cu Alloy, Material Science and Engineering A, 373, , Spinelli, J.E., Roa, D.M., Ferreira, I.L. ve Garcia, A., Influence of Melt Convection on Dendritic Spacing of Downward Unteady-State Directionally Solidified Al Cu Alloy, Material Science and Engineering A, 383, 71 8, Souza, E. N., Cheung, N. ve Garcia, A., The Correlation Between Thermal Variable and Secondary Dendrite Arm Spacing During Solidification of Horizontal Cylinder of Sn Pb Alloy Journal of Alloy and Compound, 399, , Muojekwu, C.A., Samaraekera, I.V. ve Brimacombe, J.K., Heat Tranfer and Microtructure during The Early Stage of Metal Solidification, Metallurgical and Material Tranaction B, 6, , Michel, F., Louchez, P. R. ve Samuel, F. H., Heat Tranfer Coefficient during Solidification of Al-Si Alloy: Effect of Mold Temperature, Coating Type and Thickne, AFS Tranaction, 103, 75-83, Krihnan, M. ve Sharma, D.G.R., Determination of Heat Tranfer Coefficient between Cating and Chill in Unidirectional Heat Flow, AFS Tranaction, 10, , Krihnan, M. ve Sharma, D.G.R., The Effect of Alloy Propertie on the Heat Flow acro the Cating-Mold Interface, Scripta Metallurgica et Materialia, 8, , Narayan Prabhu, K. ve Ravihankar, B.N., Effect of Modification Melt Treatment on Cating/Chill Interfacial Heat Tranfer and Electrical Conductivity of Al-/13% Si Alloy, Material Science and Engineering A, 360, 93-98, Suly, L.J.D., The Thermal Interface between Cating and Chill Mould, AFS Tranaction, 84, , Prabhu, K.N. ve Griffith, W.D., Aement of Metal/Mould Interfacial Heat Tranfer during Solidification of Cat Iron Third International Conference on Solidification and Gravity, Mikolc, Hungary, , Lau, F., Lee, W.B., Xiong, S.M. ve Liu, B.C., A Study of The Interfacial Heat Tranfer between an Iron Cating and a Metallic Mould, Journal of Material Proceing Technology, 79, 5 9, Broucaret, S., Michrafy, A. ve Dour, G., Heat Tranfer and Thermo-Mechanical Stree in a Gravity Cating Die Influence of Proce Parameter, Journal of Material Proceing Thecnology, 110, 11-17, Hallam, C.P. ve Griffith, W.D., A Model of the Interfacial Heat-Tranfer Coefficient for the Aluminum Gravity Die-Cating Proce, Metallurgical and Material Tranaction B; 35, , Gozlan, E. ve Bamberger, M., Heat Flow and Solidification in A Metal Mould Zeitchrift für Metallkunde, 78, , Srinivaan, M.N., Heat Tranfer Coefficient at the Cating-mould Interface during Solidification of Flake Graphite Cat Iron in Metallic Mould, Indian Journal of Technology, 0, 13-19, Hallam, C.P., Griffith, W.D. ve Butler, N.D., Interfacial Heat Tranfer between A Solidifying Aluminum Alloy and A Coated Die Steel, Material Science Forum, , , Ho, K. ve Pehlke, R D ; Mechanim of Heat Tranfer at A Metal-Mold Interface ; AFS Tranaction, 9, , Hou, T.X. ve Pehlke, R.D., Determination of Mold-Metal Interfacial Heat Tranfer and Simulation of Solidification of An Al-%13 Si Cating, AFS Tranaction, 96, , Ho, K. ve Pehlke, R.D., Tranient Method for Determination of Metal-Mold Interfacial Heat Tranfer, AFS Tranaction, 91, , Nihida, Y., Drote, W. ve Engler, S., The Airgap Formation Proce at the Cating-Mold interface and the Heat Tranfer Mechanim Through the Air-gap, Met. Tranaction B, 17, , Liu, W., Wang G X., ve Matthy, E.F., Thermal Analyi and Meaurement for A Molten Metal Drop Impacting on A Subtrate, Cooling, Solidification and Heat Tranfer Coefficient, International Journal of Heat and Ma Tranfer, 38, , Trovant, M. ve Argyropoulo, S.A., The Implementation of A Mathematical Model To 458 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt, No 3, 007

9 Al-Si Alaşımlarında Siliyum Miktarının Döküm Parça-Kalıp Ara Yüzey N. Akar ve N. Yalçın Characterize Mold Metal Interface Effect in Metal Cating, Canadian Metallurgical Quarterly, 37, , Parker, J.K. ve Piwonka, T.S., Gap Formation in Rein-Bonded Mold, AFS Tranaction, 108, 39-45, Hwang, J.C., Chuang, H.T., Jong, S.H. ve Hwang, W.S., Meaurement of Heat Tranfer Coefficient at Metal-Mold Interface during Cating, AFS Tranaction, 10, , Coate, BL., Heat Tranfer of the Cating Metal/Mold Interface during Solidification, PhD Thei, Graduate Department of Material Science and Engineering, Univerity of Toronto, Toronto, Canada, 19-19, Hartley, J.G. ve Patteron, J.A.L., The Influence of Temperature, Moiture Content and Binder Content on the Conductivity of Dried Bentonite- Bonded Zirkon and Silica Sand, AFS Tranaction, 91, , Kannaiah, P., Narayana, K.L. ve Rohan, H. Md., Thermal Propertie of Molding Sand, Cating- Over Probe Embedded Specimen Method, AFS Tranaction, 95, , Hartley, J.G., Babcock, D. ve Berry, J.T., The Thermal Conductivity of Bentonite-Bonded Molding Sand, AFS Tranaction, 89, , Bandyopadhyay, B.P., Johi, M.D. ve Chakraborty, P.N., A Tranient Method of Simultaneou Meaurement of Thermal Propertie of Moulding Sand Uing Plane Heat Source, Britih Foundryman, 77, , Sehadri, M.R. ve Ramachandran, A., Mold Material Thermal Propertie, AFS Tranaction, 69, , Krihnan, M. ve Sharma, D.G.R., Determination of the Interfacial Heat Tranfer Coefficient h in Unidirectional Heat Flow by Beck Non Linear Etimation Procedure, Int. Comm. Heat Ma Tranfer, 3, 03-14, Özışık, M.N., Finite Difference Method in Heat Tranfer, Mechanical and Aeropace Engineering Department, North Carolina State Univerity, ABD, Incropera, F.P. ve Dewitt, D.P., Fundamental of Heat and Ma Tranfer, John Wiley & Son, Purdue Univerity, School of Mechanical Engineering, ABD, Kayıkcı, R. ve Griffith, W.D., The Influence of Surface Roughne on Interfacial Heat Tranfer during Cating Solidification, Foundryman, 9, 67-73, Kayıkcı, R., Metal-Mold Contact and Heat Tranfer during Cating Solidification, PhD Thei, Mancheter Material Science Centre, Univerity of Mancheter and UMIST, Mancheter, , Wang, G.-X. ve Matthy, E.F., Experimental Determination of the Interfacial Heat Tranfer during Cooling and Solidification of Molten Metal Droplet Impacting on A Metallic Subtrate: Effect of Roughne and Superheat, International Journal of Heat and Ma Tranfer, 45, , Gafur, M. A., Narul Haque, M. ve Narayan Prabhu, K., Effect of Chill Thickne and Superheat on Cating/Chill Interfacial Heat Tranfer during Solidification of Commercially Pure Aluminum, Journal of Material Proceing Technology, 133, 57-65, Akar, N, Katılaşma Sıraında Döküm-Kalıp Ara Yüzeyinde Iı Tranfer Katayıının İncelenmei, Doktora Tezi, Gazi Üniveritei, Fen Bilimleri Entitüü, 006. Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt, No 3,

10