Metallerde Döküm ve Katılaşma

Transkript

1 Güz Yarıyılı Metalurji Laboratuarı I Metallerde Döküm ve Katılaşma

2 Döküm:Metallerin ısı etkisiyle sıvı hale getirilip uygun şekilli kalıplar içerisinde katılaştırılması işlemidir

3

4 Döküm Yöntemi ile Şekillendirmenin Avantajları Metaller farklı yöntemler kullanılarak şekillendirilebilir. Bu yöntemler genel olarak döküm, talaşlı işleme (torna, freze, taşlama gibi), plastik şekil verme (haddeleme, dövme, tel çekme gibi) ve kaynak olarak sayılabilir. Bu üretim yöntemleri içerisinde döküm yönteminin avantajları şunlardır: Karmaşık şekilli parçaların üretimi için uygun bir yöntemdir. Döküm sonrası talaşlı işleme veya kaynak işlemlerine çok az yada hiç ihtiyaç olmayabilir. Seri üretim için uygun bir yöntemdir. Çok miktarda aynı parçadan üretimde avantaj sağlar. Tasarımda basitlik sağlar. Üretilmesi istenen şekiller tek parça olarak elde edilir.

5 Döküm Yöntemi ile Şekillendirmenin Avantajları Bazı parçaların döküm yöntemiyle üretilmesi malzemenin özellikler açısından daha avantajlı olmasını sağlar. Büyük boyutlu ring, valf yada pompa parçaları gibi diğer yöntemlerle üretilmeleri zor yada ekonomik açıdan imkansız olan büyük şekiller dökümle üretilebilir. Bir çok durumda dökümle şekillendirme diğer yöntemlere göre daha ekonomiktir. Dökme demirler gibi bazı malzeme gruplarının başka bir yöntemle üretilmeleri mümkün değildir.

6 Döküm Yöntemi ile Şekillendirmenin Dezavantajları: Ergitme işleminin gerçekleşmesi için yüksek sıcaklıklara çıkılması gerekmektedir. Isı üretimi için genellikle elektrik enerjisi kullanılır. Bu nedenle enerji maliyetleri yüksektir. Dökümhaneyi çalışır hale getirmek için gereken ilk yatırım maliyetleri yüksektir. Sürekli olarak kullanılan ham maddeler (metal ve alaşım elementleri, kalıp malzemeleri gibi) ve sarf malzemeleri (refrakterler, pota malzemeleri) pahalıdır.

7 Döküm yöntemleri kullanılan kalıbın cinsine göre ikiye ayrılır; Harcanan kalıp kullanılan döküm yöntemleri Kum kalıba döküm Kabuk kalıba döküm Seramik kalıba döküm Alçı kalıba döküm Hassas döküm Kalıcı kalıp kullanılan döküm yöntemleri Metal kalıba döküm Basınçlı döküm Merkezkaç (Santrifüj) döküm Sürekli döküm

8 Kum Kalıba Döküm

9 Basınçlı Döküm

10 Hassas Döküm

11 Sürekli Döküm

12 Katılaşma Katılaşma: Sıvı içerisinde çekirdeklenmenin gerçekleşmesi Çekirdeklerin büyümesi

13 Çekirdeklenme Tanım olarak bakıldığında çekirdeklenme belli bir bölgede çevresinden belirli sınırlarla ayrılan yeni bir fazın oluşması olarak açıklanabilir. Katılaşma esnasında sıvı içerisinde katı faz çekirdeklenir ve sıvının tamam katı olana dek büyümeye devam eder. 13

14 Çekirdeklenme Döküm malzemelerin yapısı sıvı içerisinde oluşan kristal sayısından çok fazla etkilenir. Bu kristallerin oluşumu çekirdeklenme olarak adlandırılır. 14

15 Çekirdeklenme Bir dönüşümün başlaması için itici güce ihtiyaç vardır. Serbest enerjinin azalması olarak karşımıza çıkan itici güç dönüşümün gerçekleşmesi için zorunlu fakat yeterli değildir. Dönüşümün gerçekleşmesi kinetik faktörlere bağlıdır. 15

16 Çekirdeklenme Burada bazı sorular sormamız gerekir: - Dönüşüm başlayacak mı? Çekirdeklenme - Dönüşüm devam edecek mi? Büyüme Çekirdeklenme prosesini anlayabilmek için önce İTİCİ GÜCÜ anlamak gerekir. 16

17 Çekirdeklenme Termodinamik Faktörler G = H TS G: Gibbs serbest enerjisi H: Entalpy T: Mutlak sıcaklık S: Entropy Sistem dengedeyken dg = 0 17

18 Çekirdeklenme Gibbs serbest enerjisini azaltan her dönüşümün olması muhtemeldir. G = G 2 G 1 < 0 18

19 Çekirdeklenme Denge halinde iki faz arasındaki enerji değişimi; G = 0 Bu durum denge ergime sıcaklığı (T m ) yada denge kaynama sıcaklığında (T b ) oluşur. Diğer sıcaklıklarda ise denge fazı en düşük serbest enerjiye sahip olan fazdır. Fazlar arasındaki serbest enerji farkı dönüşüm için itici gücü oluşturur. 19

20 Çekirdeklenme Metalik fazların serbest enerjisinin sıcaklıkla değişimi 20 Davies, 1973

21 Çekirdeklenme G L = H L TS L G s = H s TS s G = H -T S H = H L -H s S = S L S s Denge halinde iki faz arasındaki enerji değişimi; G = 0 21

22 Çekirdeklenme H = H L -H s = L m L m : ergime gizli ısısı Denge anında: G = H -T S = 0 H = T S S = S L S s = L m /T m 22

23 Çekirdeklenme G = H -T S H= L m S = L m /T m G = L m T (L m /T m ) 23

24 Çekirdeklenme G = L m T (L m /T m ) G = L m ( 1-T/Tm) G = L m (T m -T)/T m G = L m T/T m 24

25 Çekirdeklenme G = L m T/T m T: Dönüşümün başladığı sıcaklık ile denge sıcaklığı arasındaki fark AŞIRI SOĞUMA 25

26 Çekirdeklenme Katılaşma prosesinin başlaya bilmesi için sıvı fazın katılaşma noktasının altındaki bir sıcaklığa aşırı soğuması gerekir. 26

27

28 Çekirdeklenme 28

29 Çekirdeklenme Pratikte sıvı metalin 5 K den daha fazla aşırı soğuması mümkün değildir. Bu nedenle saf metallerde homojen çekirdeklenme oluşması çok zordur. Pratikte çekirdeklenme işlemi homojen çekirdeklenme teorisi ile elde edilen aşırı soğuma değerlerinden çok daha küçük aşırı soğumalarda elde edilir. Bunun sebebi sıvı içerisinde bulunan katı partiküllerin çekirdeklenme yüzeyleri oluşturmasıdır. 29

30 Çekirdeklenme Üç farklı çekirdeklenme mekanizması vardır. Homojen Çekirdeklenme Heterojen Çekirdeklenme Kristal çoğalması 30

31 Homojen Çekirdeklenme Homojen çekirdeklenme bir faz içerisinde diğer fazın herhangi bir kompozisyon değişimi olmadan, emprüteler ve yabancı yüzeylerin etkisi olmadan çekirdeklenmesidir. Emprüteler ve yabancı yüzeylerin varlığı heterojen çekirdeklenmeye yol açar. 31

32 Homojen Çekirdeklenme Homojen bir sıvı faz içerisinde küresel katı bir embriyo oluştuğunu kabul edelim. Serbest enerji değişimi için; Hacim serbest enerjisindeki değişimi, Yüzey serbest enerjisindeki değişimi Hesaba katmamız gerekir. 32

33 Homojen Çekirdeklenme r yarıçaplı küresel bir embriyo için toplam serbest enerji değişimi γ :yüzeyserbestenerjisi(erg.cm -2 ) G v :hacimserbestenerjideğişimi(erg.cm -3 ) 33

34 Homojen Çekirdeklenme G v ifadesi ergime sıcaklığının üstünde pozitif altında ise negatiftir. Ergime sıcaklığının üzerinde oluşacak bir embriyo hızlı bir şekilde yok olacaktır. Ergime sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda yüzey serbest enerjisi, hacim serbest enerjisi ve toplam serbest enerjinin yarıçapla nasıl değiştiği önemlidir. 34

35 Homojen Çekirdeklenme 35

36 Homojen Çekirdeklenme Ergime sıcaklığının altında oluşan bir embriyonun yok olup olmayacağı yarı çapına bağlıdır. Eğer embriyonun yarıçapı kritik yarıçap değerinin altındaysa enerjisini azaltmak için yok olarak sıvıya karışır. Eğer yarıçapı kritik yarıçap değerinin üstündeyse enerjisini azaltmak için büyüyerek tane haline gelir. 36

37 Homojen Çekirdeklenme 37

38 Homojen Çekirdeklenme G v = H -T S T G v r* 38

39 Homojen Çekirdeklenme Sıcaklığın azalması hem r* hem de çekirdeklenme işi ( G*) değerinin azalmasına neden olur. 39 Fredriksson ve Akerlind, 2012

40 Heterojen Çekirdeklenme Pratikte sıvılarda gerçekleşen çekirdeklenme işlemi homojen çekirdeklenme teorisinde öne sürülen aşırı soğuma miktarlarından çok düşük değerlerde gerçekleşir. Örneğin saf metallerin katılaşması sırasında oluşması beklenen aşırı soğuma yaklaşık 0,2Tm (bir çok metal için 200 ⁰C) iken ölçülen değerler çok daha küçüktür. 40

41 Heterojen Çekirdeklenme Teori ve pratik arasındaki bu fark sıvının kontakta olduğu uygun yüzeylere bağlanmıştır. Çekirdeklenme işleminin heterojen olduğu ve sıvının bulunduğu haznenin duvarlarında ya da sıvı içerisinde bulunan partiküller üzerinde gerçekleştiği belirtilmiştir. 41

42 Heterojen Çekirdeklenme Heterojen çekirdeklenme teorisi homojen çekirdeklenme ile çok benzerdir. Kristaller sıvı metal içindeki heterojenlikler yada diğer kristaller üzerinde çekirdeklenir. Bu heterojenlikler bazı elementlerin katılmasıyla kasıtlı olarak yaratılabilir. Bu prosese aşılama adı verilir. 42

43 Heterojen Çekirdeklenme Homojen ve heterojen çekirdeklenmede, çekirdeklenme oranı 43 Davies, 1973

44 Aşılama Sıvı metalin aşılanması endüstride dökülen malzemelerin özelliklerini iyileştirmek amacıyla çok kullanılan bir yöntemdir. Genelde amaç döküm parçalarda ve ingotlarda oluşacak istenmeyen yapıların ve yönlenmelerin engellenmesidir. Farklı metaller için geliştirilmiş farklı aşılayıcılar bulunmaktadır. 44

45 Aşılama Aşılayıcıların heterojen çekirdeklenme üzerindeki etkileri yapılan çalışmalarla oldukça açık olarak anlaşılmıştır. Aşılayıcı olarak kullanılan partikülün şekli ve daha da önemlisi yüzey gerilimi önemlidir. Burada belirleyici parametre ıslatma açısı θ dır. 45

46 Laboratuar Çalışması - Dökülecek alaşımın belirlenmesi - Şarj malzemesinin hazırlanması -Ergitmenin gerçekleştirilmesi - Dökümün gerçekleştirilmesi

47 Laboratuar Çalışması Dökülecek Malzeme: - Al-Si (4XXX) - Al-Mg (5XXX) - Al-Si-Mg (6XXX)

48 Laboratuar Çalışması Şarj Hesabı: - Kalıp hacmi - İhtiyaç duyulan sıvı metal miktarı -Alaşım elementlerinin miktarının hesaplanması

49 Laboratuar Çalışması Ergitme: İndüksiyon Ocağı

50 Laboratuar Çalışması İstenenler: - Deney sırasında yapılanların anlatımı - Deney sırasında yapılan hesaplamalar -Beklenen ve ölçülen kimyasal kompozisyonların karşılaştırılması ve farklılık var ise yorumlanması