ŞİLE SİLİS KUMU VE ANKARA-BOLU BÖLGESİ BENTONİT KARIŞIMLARININ YAŞ KUM KALIP ÖZELLİKLERİ

Transkript

1 ŞİLE SİLİS KUMU VE ANKARA-BOLU BÖLGESİ BENTONİT KARIŞIMLARININ YAŞ KUM KALIP ÖZELLİKLERİ Dilan BAHÇIVANCI*, Kaan AKDEMİR*, Selman FINDIKLI*, Eren UYANUSTA*, Serdar KADIOĞLU*, Ahmet TURAN*, **, Necip ÜNLÜ*, Bünyamin ERTEK***, Onuralp YÜCEL*, Ercan AÇMA*, Mehmet Niyazi ERUSLU*, **** *İstanbul Teknik Üniversitesi, Kimya-Metalurji Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, 34469, Maslak, İstanbul, Türkiye **Yalova Üniversitesi, Yalova Meslek Yüksek Okulu, 77100, Yalova, Türkiye ***Karakaya Bentonit A.Ş, Eskişehir Yolu 9. Km No:266, B Blok, No.53, Tepe Prime, Ankara, Türkiye ****Yalova Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya ve Süreç Mühendisliği Bölümü, 77100, Yalova, Türkiye ÖZET Yaş kum kalıba dökümde kalite, yaş/kuru basma mukavemeti, gaz geçirgenliği, kalıplanabilirlik indeksi ve shatter indeksi gibi kalıp özelliklerine bağlı olmaktadır. AFS tane incelik no. 41,09 olan Şile silis kumu, Ankara-Bolu bölgesi bentoniti (%3-12 aralığında) ve su (%2-9 aralığında) ilaveleri ile hazırlanan karışımların, yaş kum kalıp özellikleri incelenmiştir. %3, 6, 9, 12 Ankara-Bolu (Ca) bentoniti içerikli kalıp kum karışımlarında yaş basma mukavemetleri %3 nem içeriğinde maksimuma ulaşmış ve daha yüksek nem içeriklerinde ise düşme gözlenmiştir. Hazırlanan kalıp kum karışımlarında bentonit içeriğinin %3 ten %12 ye yükselmesiyle gaz geçirgenliği doğrusal olarak düşüş göstermiştir. Ankara-Bolu (Ca) bentonitleri ile hazırlanan kalıp kum karışımlarında artan bentonit ve nem içeriğinde kalıplanabilirlik indeksi ve shatter indeksi doğrusal olarak artış göstermiştir. Anahtar kelimeler; yaş/kuru basma mukavemeti, gaz geçirgenliği, kalıplanabilirlik indeksi, Ankara-Bolu bölgesi bentoniti ABSTRACT Quality in green-sand mold casting applications depend on some main mold-properties such as green/dry compressive strength, gas permeability, moldability index and shatter index. Green-sand mold properties of the prepared sand mixtures consisted of Ankara-Bolu region bentonite (3-12 %), SiO2 Şile sand with the AFS number 41,09 and water (2-9 %). Green compression strength of moulding sand mixtures having Ankara-Bolu (Ca) bentonite addition in the range of 3 to 12% reached the maximum at the 3 % moisture content, then, decreased with the increasing of moisture content. When the bentonite content increased from 3% to 12% in the studied moulding sand mixtures, the gas permeability exhibited a linear decrease. The moldability index and shatter index of studied moulding sand mixtures having Ankara- Bolu (Ca) bentonite presented a linear increase. Keywords; green/dry compressive strength, gas permeability, moldability index, Ankara-Bolu region bentonite

2 1.GİRİŞ Yaş kum kalıplama karışımına yapılan her bir ilave malzeme, kum sistemini, dolayısıyla da oluşturulan kum karışım reçetelerini kompleks hale getirmektedir. Dökümhaneler için yapılan en iyi tavsiye, kum karışım reçetelerinin mümkün olduğunca basitleştirilmesi ve tekrarlanabilir özellikte olmasıdır [1]. Yaş kum kalıp reçetesinin oluşturulması, kek yapımına benzemekte, doğru miktar ve zamanda ilave edilmek zorunda olan temel bileşenlerden (Kum- Bentonit-Su) oluşmaktadır. Temel bileşenlerin miktarları, kontrol altında tutulmalı ve arzu edilen sonuçların temini için, nihai ürün standart testlerden geçirilerek değerlendirilmelidir. Bentonitler, döküm sanayiinde, kalıp kumunun hazırlanmasında bağlayıcı olarak önemli bir yere sahiptir. Türkiye deki bentonit yataklarından çıkarılan bentonitlerin dökümcülükte kullanımı sektör açısından önemli bir yer oluşturur. Ankara-Bolu (Ca bentonit) bölgesine ait bentonitlerin döküm endüstrisi açısından teknolojik değerlerinin ve optimum kullanım şartlarının belirlenmesi amacı kapsamında %3-12 bentonit ve %2-9 su ilaveleri ile hazırlanan karışımların, yaş basma mukavemeti, kuru basma mukavemeti, gaz geçirgenliği, kalıplanabilirlik indeksi ve shatter indeksi özellikleri incelenmiştir. 2. DENEYSEL ÇALIŞMA Bu çalışmada bütün deneylerde Siltaş A.Ş. ye ait, elek analiz sonucu Şekil 1 de verilen AFS tane incelik numarası olan kum kullanılmıştır. XRF analiz sonucu Çizelge 1 de verilen Ankara-Bolu bölgesi bentoniti, temin edildiği şekliyle herhangi bir aktivasyon işlemi yapılmaksızın bağlayıcı olarak kullanılmıştır. %3-12 aralığında bentonit içerecek şekilde hazırlanan döküm kalıp kum karışımları, laboratuvar tipi karıştırıcıda %2-9 aralığında su ilavesi yapılarak hazırlanmıştır. Karışımlar, kapasitesi 4.5 kg olan laboratuvar tipi bir karıştırıcıda TSE 5360 standardında [2] belirtildiği şekli ile hazırlanmıştır. Karıştırma işlemi iki kademede yapılmış olup, ilk kademede kum ve bentonit numunesi miksere boşaltılıp bir dakika kuru karıştırılmış, bentonitin kum içerisinde homojen dağılımı sağlanmıştır. İkinci kademede, homojen hale gelen kum karışımı belirli oranlarda su ilavesi yapılarak 9 dakika karıştırma işlemi uygulanmıştır.hazırlanan karışımlardan AFS standardına göre [3] 50 mm çap ve 50 mm yüksekliğinde kum test numuneleri hazırlanmıştır. Yaş basma ve yaş kesme mukavemetleri George Fisher marka AFS standart mukavemet test cihazı ile ölçülmüştür. Gaz geçirgenlik ölçümleri, George Fischer gaz geçirgenlik cihazında gerçekleştirilmiştir. Kalıplanabilirlik ve shatter indeksleri ölçümünde George Fischer kalıplanabilirlik cihazı ve shatter indeksi tayini cihazı kullanılmıştır. Şekil 1. Hazırlanan kalıp kum karışımlarında kullanılan kumun elek analizi sonucu. Çizelge 1. Ankara-Bolu bölgesi bentonitinin XRF analiz sonuçları. Bentonit SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O Ankara-Bolu 51,40 17,00 10,50 4,23 2,46 0,54 1,85

3 3.BULGULAR Ankara-Bolu (Ca bentonit) bölgesine ait bentonitleri hazırlanan kalıp kum karışımlarının döküm endüstrisi açısından teknolojik değerlerinin ve optimum kullanım şartlarının belirlenmesi amaçlanmış, %3-12 bentonit ve %2-9 su ilaveleri ile hazırlanan karışımların, yaş basma mukavemeti, kuru basma mukavemeti, gaz geçirgenliği, kalıplanabilirlik indeksi ve shatter indeksi özellikleri incelenmiştir Yaş Basma ve Kuru Basma Mukavemeti Ankara-Bolu (Ca) bentonitleriyle hazırlanmış olan döküm kalıp kumu karışımlarının yaş basma mukavemeti ve kuru basma mukavemeti özelliklerine ait sonuçlar Şekil 2 ve Şekil 3 de verilmiştir. Yaş basma mukavemeti, kalıbın hazırlanması esnasında ve sıvı metalin döküldüğü anda kalıbın şeklini koruması için gerekli olan mukavemettir [4]. Şekil 2 den görüldüğü gibi, %3, 6, 9, 12 Ca-bentoniti içerikli kalıp kum karışımlarında yaş basma mukavemetleri %3 nem içeriğinde maksimuma ulaşmakta (temper noktası su içeriği) ve daha yüksek nem içeriklerinde ise düşme gözlenmektedir. %3 bentonit ve %3 nem içeriğinde yaş basma mukavemeti 4,91±0,06 psi olup, nem içeriğinin üç katı artması durumda (% 9) yaş basma mukavemet değeri 2,86±0,02 psi değerine düşüş göstermiştir. Nem içeriğindeki artış ile yaş basma mukavemetindeki azalma, kum kalıp içerisinde nem içeriğinin aşırı varlığını ifade etmektedir. Ca-bentoniti ile hazırlanan kalıp kum karışımlarında sabit nem içeriklerinde bentonit miktarının artması durumunda da yaş basma mukavemet değerlerinde artış gözlenmiştir. % 3 nem ve %3 bentonit içeren kalıp kum karışımlarında yaş basma mukavemeti 4,91±0,06 psi dan bentonit içeriğinin dört kat artması durumunda % 12 bentonit içeriğinde yaş basma mukavemeti 14,35±0,30 psi olarak yaklaşık üç kat artış göstermiştir. Amerikan Dökümcüler Birliğince (American Foundrymen s Association) farklı döküm alaşımları için elde edilmiş olan kum test verileri [5] göz önüne alındığında 100 kg üzeri çelik parçalar için AFS tane boyutu aralığındaki kalıp kum karışımlarında, % 4-10 kil içeriği ve % 2-4 nem içeriğinin 6,5-7,5 psi yaş basma mukavemet aralığı ile tatmin edici sonuçlar verdiği rapor edilmiştir. Çalışma kapsamında incelenen AFS tane boyutu 41,09 olan kum sisteminde %3 nem ve %6 kil içeriğinde, Ankara-Bolu (Ca) bentonitli karışımda yaş basma mukavemeti değerinin 6,53±0,12 psi olduğu tespit edilmiştir. Ankara-Bolu (Ca) bentonitli karşımın Amerikan Dökümcüler Birliğince tanımlanmış olan yaş basma mukavemet aralığı içerisinde olduğu da görülmüştür. Şekil 2. Ankara-Bolu (Ca) bentoniti ile hazırlanan döküm kalıp kumunun yaş basma mukavemeti-(%) nem değişimi.

4 Şekil 3. de Ankara-Bolu (Ca) bentoniti ile hazırlanan kalıp kum karışımlarında kuru basma mukavemeti ile (%) nem değişimi bentonit içeriğine bağlı olarak verilmiştir. Artan nem ve bentonit içeriğiyle kuru basma mukavemeti Ankara-Bolu (Ca) bentoniti ile hazırlanan karışımlarda doğrusal olarak artış göstermiştir. %6 bentonit ve %3 nem içeren kalıp kum karışımının kuru basma mukavemeti 17,75±0,43 psi değeri, nem içeriğinin üç katı artarak %9 olması durumunda 29,5±0,80 psi olarak yaklaşık 1,7 kat artış göstermiştir. Benzer şekilde %9 bentonit ve %3 nem içeren kalıp kum karışımında kuru basma mukavemeti 20,5±0,41 psi olup nem içeriğinin üç katı artması durumunda 2,5 kat artış ile 51,25±1,08 psi değerine ulaşmıştır. Nem içeriğindeki artış ile kuru basma mukavemetindeki benzer artış, Aweda ve arkadaşlarınca [6], Sunday ve arkadaşları [7] ve Ayoola ve arkadaşlarınca [8] rapor edilmiştir. Nem içeriğinin artışa paralel olarak kuru basma mukavemetindeki artış, kalıp kum karışımlarının daha yüksek oranda nem absorblayabileceğini göstermiştir. Şekil 3. Ankara-Bolu (Ca) bentoniti ile hazırlanan döküm kalıp kumunun kuru basma mukavemeti-(%) nem değişimi Gaz Geçirgenliği Hazırlanmış olan kalıp kum karışımlarına ait gaz geçirgenliği değişimleri, nem içeriğine bağlı olarak Şekil 4 de verilmiştir. Gaz geçirgenliği kalıp kum karışımının hava, gaz veya buharın geçişine imkan verme özelliğidir [4]. Karışımlarda bentonit içeriğinin %3 ten %12 ye yükselmesiyle gaz geçirgenliği doğrusal olarak düşüş göstermiştir. %3 Ca-bentoniti ve %2 nem içeren kum karışımında gaz geçirgenliği 215 cm 3 /dk olup bentonit içeriğinin üç katı artması durumunda 3,5 kat azalarak 60 cm 3 /dk değerine düşme göstermiştir. %3, 6, 9 ve 12 Ca-bentonit içerikli kum karışımların %3 nem içermeleri durumunda yaklaşık cm 3 /dk aralığındaki gaz geçirgenlik değerleri, %9 nem içeriğinde cm 3 /dk aralığına düşmüştür. Yapılan gaz geçirgenlik testleri, kum tanelerinin kil partiküllerince tamamen kaplanmış olmaları durumunda, geçirgenlik değerlerinde bir maksimum değere ulaşıldığını göstermektedir. %3 nem içeriğinden itibaren yaş kumdaki absorbsiyon yüzdesinin artışı ile kum taneleri üzerindeki kaplı hidrate kil filmleri kalınlaşmaktadır. Kum numunesinin sıkıştırılması durumunda kum taneleri arasındaki mevcut boşluk hacmi azalmaktadır. Bu da geçirgen kanalların hacmini azaltarak, yaş kum numunelerin test edilen geçirgenliğini azaltmaktadır.

5 Şekil 4. Ankara-Bolu (Ca) bentoniti ile hazırlanan döküm kalıp kumunun gaz geçirgenliği- (%) nem değişimi. Amerikan Dökümcüler Birliğince (American Foundrymen s Association) [5] 100 kg üzeri çelik parçalar için AFS tane boyutu aralığındaki kalıp kum karışımlarında, %4-10 kil içeriği ve %2-4 nem içeriğinde kabul edilebilir gaz geçirgenlik aralığı cm 3 /dk. olarak verilmiştir. Hazırlanan kalıp kum karışımlarında %3 nem ve %6 kil içeriğinde, Ankara-Bolu (Ca) bentonitli karışımda gaz geçirgenlik değeri 288 cm 3 /dk. olduğu tespit edilmiştir. Ankara- Bolu (Ca) bentonitli karşımın Amerikan Dökümcüler Birliğince [5] tanımlanmış olan gaz geçirgenlik aralığı içerisinde olduğu görülmüştür Shatter İndeksi Shatter testi, yaş kum kalıpların sıyrılma yeteneğinin belirlenmesinde kullanılmaktadır. Pek çok yaş kum karışımlarının shatter indeksi 40 ile 100 arasındadır [9]. Shatter indeksinin pratik uygulamalrdaki istenen tatmin edici aralığı olarak literatürde verilmiştir [10]. Ankara- Bolu (Ca) bentonitleri ile hazırlanan kalıp kum karışımlarının artan nem içeriğine bağlı olarak shatter indeksi değişimleri Şekil 5 te verilmiştir. Artan bentonit ve nem içeriğinde karışımlarda shatter indeksi doğrusal olarak artış göstermiştir. Ankara-Bolu (Ca) bentonitli kalıp kum karışımlarında bentonit içeriğinin %3 ve nem içeriğinin %3 olması durumunda shatter indeksi 31,56±1,53 değeri, bentonit içeriğinin dört kat (%12) arttığı durumda yaklaşık 2,5 kat artış göstererek 74,19±2,45 shatter indeks değerine ulaşmıştır. Nem içeriğinin üç katı artması durumunda shatter indeksi de 1,5 kat artarak 43,86±0,06 değerine çıkmıştır. Nem içeriği ile shatter indeksindeki artış, bentonitin su ile aktive edilmesine ve kalıbın parçalanmasına karşı tokluk kazanımına neden olmaktadır [6] Kalıplanabilirlik İndeksi Yüksek hızlı kalıplama makinalarında kalıp kum karışımının performansını etkileyen faktörler; kumun kalıplanabilirlik indeksi, kum ve modelin birbirlerinden ayrılması işlemi ve kalıpta herhangi bir hasar olmaksızın dövülebilme yeteneğidir. Kum karışımının kalıplanabilirlik indeksi, minimum boşluklu bir kalıp yüzeyi meydana getirme ve kolayca dövülebilme yeteneğinin göstergesidir [11] ve kalıp kum karışımının kalıp haline dövülmesi sırasında modelin şeklini almadaki davranışının belirleyen özelliktir. Artan nem ve bentonit içeriğine bağlı olarak tespit edilmiş olan kalıplanabilirlik indeksi değişimleri Şekil 6 da verilmiştir.

6 Şekil 5. Ankara-Bolu (Ca) bentoniti ile hazırlanan döküm kalıp kumunun shatter indeksi-(%) nem değişimi Hazırlanan karışımlarda artan bentonit içeriğiyle kalıplanabilirlik indeksi değerleri doğrusal olarak artış göstermiştir. Nem içeriğinin artışına paralel olarak kalıplanabilirlik indeksi değerlerinde düşüş gözlenmiştir. %6 ve %9 nem içerikli Ankara-Bolu (Ca) bentonitli karışımların kalıplanabilirlik indeksi değerleri 20 ve altında kalmıştır. 60 ın altındaki kalıplanabilirlik indeksi durumunda kum, kullanım zorlukları çıkartacak, ayırma yüzeyinde aşırı boşluklar gözlenebilecek ve kalıp boşluğunun düşey duvarları yetersiz bir şekilde kompaktlanacaktır [11]. Dolayısıyla %6 ve %9 nem içerikli kalıp kum karışımlarının, boşluksuz ve sağlam bir kalıp yüzeyi oluşturan kum karışımı olmadığı görülmüştür. %3 nem ve %9 bentonit içeren (Ankara-Bolu Ca-bentoniti) kalıp kum karışımında kalıplanabilirlik indeksi 71 olarak belirlenmiştir. Literatürde [11] kalıplanabilirlik indeksi aralığı; boşluksuz ve sağlam bir kalıp yüzeyi oluşturan kum karışımı olarak tanımlanmıştır. Böylece %3 nem ve %9 bentonit (Ankara-Bolu Ca-bentoniti) içeren karışımların kalıplanabilirlik özelliğinin yeterli olmadığı ifade edilebilir. Şekil 6. Ankara-Bolu (Ca) bentoniti ile hazırlanan döküm kalıp kumunun kalıplanabilirlik indeksi-(%) nem değişimi.

7 4. SONUÇLAR Ankara-Bolu bölgesine ait bentonitlerin döküm endüstrisi açısından teknolojik değerlerinin ve optimum kullanım şartlarının belirlenmesi amacıyla %3-12 bentonit ve %2-9 su ilaveleri ile hazırlanan karışımların, yaş basma mukavemeti, kuru basma mukavemeti, gaz geçirgenliği, kalıplanabilirlik indeksi ve shatter indeksi özellikleri incelenmiştir. %3, 6, 9, 12 Ca-bentoniti içerikli kalıp kum karışımlarında yaş basma mukavemetleri %3 nem içeriğinde maksimuma ulaşmakta (temper noktası su içeriği) ve daha yüksek nem içeriklerinde ise düşme gözlenmiştir. Sabit nem içeriklerinde bentonit miktarının artması durumunda, yaş basma mukavemet değerlerinde artış gözlenmiştir. Artan nem ve bentonit içeriğiyle kuru basma mukavemeti, hazırlanan karışımlarda doğrusal olarak artış göstermiştir. Bentonit içeriğinin %3 ten %12 ye yükselmesiyle, gaz geçirgenliği doğrusal olarak düşüş göstermiştir. Artan bentonit ve nem içeriğinde; kalıplanabilirlik indeksi ve shatter indeksi doğrusal olarak artış göstermiştir. 100 kg üzeri çelik parçaların kum kalıba dökümü esnasında, hazırlanan kalıp kum karışımları içerisinde optimum kalıp özelliklerini sadece kuru basma mukavemetinin artırılması için mısır unu veya dekstrin ilavesinin gerekli olduğu, dolayısıyla ekonomik olarak karşımıza çıkan kalıp kum karışımının %3 nem - %12 Ankara-Bolu (Ca) bentonitli karışım olduğu tespit edilmiştir. TEŞEKKÜR Laboratuvar çalışmalarımızda kullanmış olduğumuz kalıp kumu ve bentonit temininde desteklerini esirgemeyen KARAKAYA BENTONİT A.Ş. ye ve malzemelerin İ.T.Ü. Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Katılaşma Laboratuvarına nakliyesinde vermiş olduğu destekten ötürü İTÜ REKTÖRLÜĞÜ ne teşekkürü bir borç biliriz. KAYNAKÇA 1) D. F. Hoyt., If It's Black, Why Do They Call It Green Sand? AFS Transactions, 100, s.353, ) TSE 5360, Döküm Bentoniti, ICS , ) AFS Mold and Test Handbook, 2nd Edition, İ.T.Ü. Kütüphanesi, AFS Inc., des Plaines, Illinois , ) E. N. Çavuşoğlu, Döküm Teknolojisi, İTÜ Matbaası, İstanbul, ) Foseco, The Foseco Foundryman s Handbook, 9th Edition, s.70, ) J. O. Aweda, Y. A. Jimoh., Assessment of Properties of Natural Moulding Sands in Illorin and Ilesha, Nigeria, USEP:Journal of Research Information in Civil Engineering, 6, s.68, ) M. S. Abolarin., S. A. Lawal., A. A. Salawu., Effect of Moisture Content on the Molding Properties of River Niger Sand Using Tudun-Wada Clay as a Binder, AU J.T., Technical Report, 13, s.170, ) W. A. Ayoola., A. Oyetunji., S. O. Adeosun., O. I. Sekunowo., M. O. Bodude., Investigation of Foundry Properties of Oshogbo and Saki Silica Sand Deposits, Daffodil International University Journal of Science and Technology, 8, s.11, ) J. Outhwaite., Recent Trends in Greensand Practice, British Foundryman, 60, s.143, ) S. Gao., D. Shi., L. Wang., Orthogonal Experiments for Effect Of Components On Performance Parameters of Green Sand for High Density Moulding, s.535, ) A. L. Graham., H. W. Dietert., T. H. Hanna., R. T. Dakswicz., Moldability Testing and Control, AFS Transactions, 71, s.394, 1963.