ERGİTME,DÖKÜM VE KATILAŞMA

Transkript

1 ERGİTME,DÖKÜM VE KATILAŞMA

2 GİRİŞ Metalik malzemeler çoğunlukla ergitme ve döküm yöntemi ile üretilirler. Bazı metalik malzemeler sinterleme ile üretilir. Örneğin W alaşımları. Döküm sırasında kullanılan kalıp kullanılarak metalik malzeme şekillendirilebilir. Örneğin motor blokları, o şekle sahip kalıplar kullanılarak dökülür. Veya katılaşan malzeme daha sonra termomekanik işlemlerle veya talaşlı imalat yöntemleriyle son haline getirilir.

3 DÖKÜM Metalin ergitilmesi Kalıba dökülmesi Katılaşması

4 DÖKÜM YÖNTEMİNİN AVANTAJLARI Kompleks şekillere sahip parçalar üretilebilir Dışsal ve içsel şekiller üretilebilir Parçanın son hali veya son haline yakın durumu imal edilebilir. Çok büyük parçalar üretilebilir Bazı döküm yöntemleri ile seri üretim de yapılabilir.

5 DÖKÜM YÖNTEMİNİN DEZAVANTAJLARI Farklı döküm yöntemlerinin farklı dezavantajları söz konusudur. Mekanik özelliklerde meydana gelen kısıtlılık. Kum döküm yönteminde dökülen parçaların boyutlarındaki düşük hassasiyet ve yüzey kalitesi Sıcak ergimiş metalin çalışanlar açısından yaratabileceği tehlikeler Çevresel problemler

6 DÖKÜM İLE ÜRETİLEBİLECEK PARÇALAR Büyük parçalar motor bloğu makina gövdeleri tren rayları borular büyük heykeller Küçük parçalar ziynet eşyaları mikro elektronik cihazların parçaları (dişli,mil vs) Bütün metalik malzemeler döküm yöntemi ile elde edilebilir.

7 ERGİTME Ark ergitme İndüksiyon ile ergitme Potalı fırınlar ile ergitme

8 ARK ERGİTME Yüksek sıcaklıklara( o C) çıkılabilir. Karbon elektrotlar kullanılır. Alaşımın homojen olmasına dikkat edilmelidir.

9 İNDÜKSİYONLA ERGİTME Bobinlerden geçen alternatif akım, ergitilecek olan metal yığını içinde de bir alternatif akım oluşturur. Bu akım metalin içinde bir ısı oluşturur. Metal ergidiğinde, erimiş haldeki metalin içindeki elektromanyetik alan, bobinlerdeki elektromanyetik alan ile etkileşir ve bu etkileşimin oluşturduğu kuvvetlere sıvı metalin karışmasını sağlar. Böylece sıvı metalin içinde kompozisyon ve sıcaklık dağılımı oldukça homojen olur. Dezavantajı 2500 o C nin üzerine çıkılamaz. (Çok yüksek frekans gerekiyor) Indüksiyon ocaklarındaki alternatif akımın frekansı 50Hz or 60Hz ile 10,000Hz arasında değişir.

10 POTALI FIRINLAR Isı kaynağı olarak gaz veya elektrik akımı kullanılır.

11 DÖKÜM İki çeşit kalıp a: açık kalıp En basit durum. İstenen şekle sahip açık kalıp. b:kapalı kalıp Kalıp geometrisi daha kompleks ve bir kapı sistemine ihtiyaç duyar.

12 KALIP TİPLERİ Tek kullanımlık kalıp kullanımı. Kum, alçı ve bağlayıcı kullanılarak yapılır Dökülen parçayı çıkarmak için kalıbın bozulması gerekmektedir. Kalıcı kalıp kullanımı. Metallerden ve nadiren de refrakter seramiklerden yapılır. Bir çok kez kullanılabilirler.

13 AVANTAJLAR-DEZAVANTAJLAR Tek kullanımlık kalıplar ile çok kompleks şekillere sahip parçalar dökülebilir. Kalıcı kalıplarda dökülen parçaların şekli çok kompleks olamaz. Kalıcı kalıplar, yüksek üretim oranlarında daha ekonomiktir.

14 KATILAŞMA BÜZÜŞMESİ Dökümden hemen sonraki başlangıç seviyesi Sıvının büzüşmesinden dolayı meydana gelen seviye azalması Ergimiş metal Kalıp duvarındaki ilk katılaşma Katılaşma büzüşmesinden dolayı meydana gelen seviye azalması Katı termal büzüşmesi Büzüşme boşluğu Ergimiş metal Katı metal

15 KATILAŞMA BÜZÜŞMESİ Katıların yoğunluğu sıvılardan yüksek olduğu için, hemen hemen bütün metallerde meydana gelir. Sadece su,germanyum ve Bizmut bir istisna gösterir. Bu yüzden katılaşmadan dolayı bir hacim azalması meydana gelir. Yüksek karbon içeren dökme demirlerde görülmez. Büzüşmenin elde edilecek ürünün boyutlarını etkilememesi için, kalıp boyutları bu büzüşme miktarı göz önüne alınarak son şekilden daha büyük yapılır.

16

17 10.HAFTA KATILAŞMA

18 ÇEKİRDEKLENME Çekirdeklenme - Bir malzeme içinde yeni bir fazın oluşmaya başlaması prosesi. Kritik yarıçap (r*) -SıvıKatı dönüşümünde katının kararlı bir şekilde oluşması ve daha sonra büyüyebilmesi için gerekli olan minimum çekirdek yarıçapı. Ergime sıcaklığının altına soğutma (undercooling) - Çekirdeklenmenin oluşabilmesi için, sıvı metalin soğutulması gereken sıcaklık. Homojen çekirdeklenme - Kritik yarıçapa sahip çekirdeklerin herhangi bir empürite kullanmadan sıvı atomlarının biraraya gelerek oluşması. Heterojen çekirdeklenme -Kritik yarıçapa sahip çekirdeklerin empürite yüzeyleri üzerinde sıvı atomlarının biraraya gelerek oluşması

19 ÇEKİRDEKLENME G s =4πr 2 σ sk (Yüzey serbest enerji değişim Sıvı Katı-sıvı arayüzeyi Katı G hacim =(4/3)πr 3 G v (Hacim serbest enerji değişim

20 ÇEKİRDEKLENME Toplam Gibbs serbest enerjisi değişimi: G = 4πr σ sk + πr G v 3 G = 0 r 8πrσ + 4πr 2 sk G v Kritik yarıçap: r * 2σ = G sk v = 0 Ergime sıcaklığında; G = 0 = H S f H = T erg f f T erg S f Kritik yarıçap: r * 2σ skterg = H T olur f Herhangi bir sıcaklıkta G = H T S H f in ve S f in sıcaklıktan bağımsız olduğunu kabul edersek: G G G G = H = H = H = H f f f f T 1 Terg T Terg T Terg H T T T erg erg f

21 ÇEKİRDEKLENME Ergime Sıcaklığı T erg Füzyon enerjisi H f Sıvı-katı Yüzey enerjis σ sk Homojen çekirdeklenme için gerekli tipik soğutma miktarı T

22 ÖRNEK Bakır için kritik 236 o C değerinde bir soğutma uygulandığında, kritik çekirdek yarıçapını hesaplayınız.

23 ÇEKİRDEKLENME HIZI Çekirdeklenme hızının sıcaklığa bağlı değişimi T katılaşma

24 KONTROLLÜ ÇEKİRDEKLENME Tane boyutunun küçültülmesi - Kontrollü bir şekilde heterojen çekirdeklerin sıvıya eklenmesi sayesinde, sıvıkatı dönüşümü sayesinde oluşan tanelerin sayısı artmış olur. Böylece ortalama tane boyutu küçülmüş olur ki bu özellikle mekanik özellikler açısından avantajlı bir durumdur. Dispersion sertleştirmesi -Disperse halde fazların dışarıdan eklenmesi ile mekanik dayanımı oldukça yüksek malzemeler elde edilebilir. Katıhal faz dönüşümü -Katı halde oluşan faz dönüşümlerinin kontrol edilmesi elde edilen malzemenin özelliklerini oldukça büyük oranda etkiler. Hızlı soğutma - Çekirdeklenmenin engellenmesi sayesinde cazip özelliklere sahip amorf malzemeler elde edilebilir.

25 KATILAŞMA YAPISI Çekirdeklenme başlar Soğuk kalıp yüzeyinden tanelerbüyür Sıvı Sıvı Çekirdekler Bu taneler kalıbın merkezine doğru kolonsal bir şekilde büyümeye devam eder Kolonsal taneler Kenar taneleri Kalıbın merkezinde meydana gelen çekirdeklenmeden dolayı eş eksenli taneler büyür Eşeksenli taneler Sıvı

26 BÜYÜME MEKANİZMASI-SAF METALLER Sıvının sıcaklığı katılaşma sıcaklığının üzerinde olduğunda, katı-sıvı yüzeyinde bulunan düzensizlik büyüyemeyecektir. Bunun sebebi düzensizliğe sıvıdan giren ısı enerjisinin düzensizlikten çıkan ısı enerjsinden fazla olmasıdır. Böylece düzensizlikte birim zamanda biriken ısı enerjisi pozitif olacağından düzensizlik ergiyecektir. Büyüme yönü Düzensizlik Sıcaklık Katı Sıvı Katılaşma sıcaklığı Katı-sıvı yüzeyinden olan mesafe

27 BÜYÜME MEKANİZMASI-ALAŞIMLAR Eğer sıvı ergime sıcaklığının altına soğutulursa katı-sıvı yüzeyindeki düzensizlik hızlı bir şekilde dendirit olarak katılaşacaktır. Füzyon ısısı dışarıya verildiği için sıvının sıcaklığı tekrar katılaşma sıcaklığına çıkacaktır. Çelik SEM fotoğrafı

28 KATILAŞMA YAPISI-KURZ Saf metallerde (a-b) Kalıp yüzeyinden merkeze doğru kolonsal ve düz yüzeyli (dendiritik değil!) taneler büyür. Kalıp merkezinden kalıp kenarlarına doğru eşeksenli taneler büyür. Alaşımlarda veya empürite içeren saf metallerde (c-d) Kolonsal kristaller dendiritik olarak oluşur Kalıp merkezinden kenarlara doğru büyüyen eşeksenli taneler ise saf metallerdeki durum ile aynıdır. Saf metaller Alaşımlar veya empürite içeren saf metaller

29 DENDİRİTİK YAPI Bir Co-Fe-Ta-B alaşımındaki dendiritik yapı

30 DENDİRİTİK YAPI Bir Co-Fe-Ta-B alaşımındaki kolonsal dendiritik yapı

31

32 KATILAŞMA ZAMANI Toplam katılaşma zamanı dökümün şekline (geometrisine) ve büyüklüğüne göre değişir. Chvorinov bağıntısına göre toplam katılaşma zamanı: t top = C m V A n C m : kalıp sabiti V: kalıbın hacmi A: kalıbın yüzey alanı n 2 C m şu faktörlere bağlıdır: Kalıp malzemesi Dökülen metalin termal özellikleri Döküm sıcaklığının ergime sıcaklığına göre farkı C m değeri aynı kalıp malzemesi, dökülen metal ve döküm sıcaklığı için önceden belirlenmelidir. Kalıbın şekli değişse bile diğer faktörlere bağlı tespit edilen C m değeri kullanılabilir.

33 KATILAŞMA ZAMANI Chvorinov bağıntısına göre: Diğer faktörler (C m ve n) sabit olmak koşuluyla,v/a oranı büyüdükçe katılaşma zamanı da uzamaktadır.

34 ÖRNEK Şirketiniz 5cm kalınlığında 45cm çapında pirinç diskler üretmektedir. Prosesin kalıp sabiti C m =3.5 dk/cm 2 olduğu bilinmektedir. Sizden katılaşma zamanını %25 azaltmanız istenmektedir. Bunu sağlamak için üretimi yapılan disklerin kalınlığı ne olmalıdır? 45cm 5cm

35 ÇÖZÜM R = 45cm Kalıbın hacmi; Kalıbın yüzey alanı 2 x = 5cm A = 2πr + 2πrx 2 V = πr x 2 2 Cm = 3.5dk / cm A = 2π (22.5) + 2π V = π = 7952cm 2 A = 3888cm Katılaşma zamanı n V ttop = Cm A 7952 t top = 3.5 = 14. 6dk Katılaşma zamanı % 25 azaltıldığında ; =10.95dk olur

36 ÇÖZÜM DEVAM Katılaşma zamanının dk. olması isteniyor Kalıbın hacmi; V = πr 2 x Kalıbın yüzey alanı A = 2πr 2 + 2πrx Katılaşma zamanı n V ttop = Cm A 2 πr x t top = 3.5 = dk 2 2 r 2 rx π + π x = 4. 2cm 2

37 İKİNCİL DENDİRİT KOL AÇIKLIĞI Katı Sıvı İkincil dendirit kol açıklığı Bir alüminyum alaşımındaki dendiritler.

38 İKİNCİL DENDİRİT KOL AÇIKLIĞI Katılaşma zamanının ikincil dendirit kol açıklığına olan etkisi. Katılaşma zamanı arttıkça ikincil dendirit kol açıklığı da büyümektedir. İkincil dendirit kol açıklığı (cm) Katılaşma zamanı (sn)

39 İKİNCİL DENDİRİT KOL AÇIKLIĞI İkincil dendirit kol açıklığının bir alüminyum alaşımının mekanik özelliklerine olan etkisi Çekme dayanımı (ksi) % uzama Çekme dayanımı % Uzama İkincil dendirit kol açıklığı (cm)

40 ÖRNEK Uzunluğu 30cm, ve genişliği 20cm olan bir alüminyum alaşımı dökümü sonucu elde edilen alaşımın çekme dayanımının 40ksi olması için plakanın kalınlığı ne olmalıdır? Chvorinov sabitini 7.2 dk/cm 2 olarak alınız.

41 ÇÖZÜM Çekme dayanımı (ksi) % uzama Çekme dayanımı % Uzama Dökümün kalınlığına x dersek; Döküm hacmi: V = x = 600xcm Toplam yüzey alanı A = x x A = x 3 İkincil dendirit kol açıklığı (cm) 9x10-3 cm İkincil dendirit kol açıklığı (cm) Katılaşma zamanı n V ttop = Cm A 600x 5dk = x x = cm olarak bulunur 2 310sn Katılaşma zamanı (sn)

42 SOĞUMA EĞRİLERİ Saf bir metal sabit sıcaklıkta (ergime sıcaklığında) katılaşır Aşağıdaki şekilde saf bir metalin soğuma eğrisi görülmektedir Sıcaklık T erg Döküm sıcaklığı Sıvının soğuması Katılaşma başlangıcı Katılaşma zamanı Toplam katılaşma zamanı Katılaşma tamamlanmıştır Katılaşma sıcaklığı Katının soğuması Zaman

43 SOĞUMA EĞRİLERİ (a)dışarıdan çekirdek eklenmemiş (inoküle edilmemiş) bir saf metalin soğuma eğrisi. Çekirdeklenmenin olması için Ergime noktasının altına (C noktasına) inilmek zorunda. C noktasında çekirdeklenme başlıyor, füzyon ısısı ( H f ) dışarıya verildiği için bu ısı sıvının sıcaklığını artırıyor. Metal sabit sıcaklıkta (ergime sıcaklığında) katılaşmaya devam ediyor. E noktasında katılaşma tamamlanıyor. (b) Saf fakat çekirdeklenme için harici müdahelede bulunulmuş bir ergimiş metalin soğuma eğrisi Ergime sıcaklığının altına soğutma gerekmiyor. Katılaşma, ergime sıcaklığında başlıyor.

44

45 SAF METALLERİN KATILAŞMASI Kalıp yüzeyinin soğuk olmasından dolayı, metal kalıba doldurulur doldurulmaz kalıbın yüzeyinde ince bir tabaka oluşur. Bu ince tabaka gittikçe kalınlaşarak, bir kabuk oluşturur. Katılaşma hızı şu faktörlere bağlıdır Sıvı metalin ısısının kalıba transfer edilme hızına Eriyik haldeki metalin termal özelliklerine

46 SAF METALLERİN KATILAŞMASI Saf bir metalin katılaşması sonucu oluşan karakteristik tane yapısı. Kalıp yüzeyine yakın bölgelerde gelişigüzel yerleşime sahip taneler bulunmaktadır. Kalıbın merkezine doğru da büyük kolonsal taneler bulunur.