Kaybolan Köpük Yöntemi Kullanılarak Al-Si Alaşımlarının Akışkanlığının İncelenmesi

Transkript

1 2015 İstanbul ALUS'07 7. Alüminyum Sempozyumu - 7th Aluminium Symposiuırn Kaybolan Köpük Yöntemi Kullanılarak Al-Si Alaşımlarının Akışkanlığının İncelenmesi Fluidity of Lost Foam Cast Al-Si Alloys Nazlıcan Yüksel1, Saitali Tomoğlu1, Eray Erzi1, Çağlar Yüksel2, Derya Dışpınar1 İstanbul Üniversitesi, 2YıLdız Teknik Üniversitesi / Türkiye 1.GİRİŞ Kaybolan köpük yöntemi son yıllarda gelişim göstermiş, kum kalıp ile döküm yöntemine gelecekte alternatif olabilecek yeni döküm yöntemlerindendir. Maça kullanılmaması ve bağlayıcısız kum kullanılması kalıp hazırlama işlemlerini hem basitleştirmiştir hem de üretim maliyeti düşürmüştür. Kaybolan köpük yöntemiyle ilgili çalışmalar yapılmış olup akışkanlık etkisi üzerine inceleme yapılmamıştır. Bu nedenle çalışma da E-140 ( A1Sİ12 ) ve E-110 ( AlSi5Cu3 ) alaşımlarının 5x5, 10x10, 20x20 ebatlarında L profili şeklinde köpükler keserek farklı yükseklikteki yollukları kullanılarak bağlayıcısız döküm kumu içerisine döküm yaparak akışkanlık incelemesi yapılmıştır. E-110 (AlSi5Cu3 ) alaşımını 700 C ve 740 C de 5x5, 10x10 ve 20x20 kesitlerindeki profillerin farklı yatay mesafelerde ve farklı yolluk mesafelerinde olmak üzere dökümleri gerçekleştirilip akışkanlıkları(dolumları)incelenmiştir. E-140 ( A1Sİ12 ) alaşımının 625 C ve 700 C de 5x5, 10x10 ve 20x20 kesitlerindeki profillerin farklı yatay mesafelerde ve farklı yolluk mesafelerinde olmak üzere dökümleri gerçekleştirilip akışkanlıkları(dolumları)incelenmiştir. Her bir dökümden numuneler alıp metalografik incelemeleri yapılarak iç yapı özellikleri incelenmiştir. 2.DENEYSEL ÇALIŞMA Kaybolan köpük yönteminde maça kullanılmaması ve bağlayıcısız kum kullanılması kalıp hazırlama işlemlerini hem basitleştirmiştir hem de üretim maliyetini düşürmüştür. Köpük model dökümünde ergimiş metal akış hızı boş kalıba dökümdeki akış hızından daha yavaş ve kontrollüdür. Kalıp dolu olduğundan içerideki hava miktarı daha azdır ve döküm sırasında oksitten kaynaklanabilecek döküm hatası olasılığı daha düşüktür. Dolu kalıba döküm yönteminin bu avantajlarından yararlanmayı amaç edinerek köpükten hazırlanan modelin sıvı metal ile tam olarak dolması gerektiğini dikkate alarak en uygun Oturum S Session: Alüminyum Döküm Prosesleri / Aluminium Casting Processes 325 ALUS 07

2 ALÜS'07 7. Alüminyum Sempozyumu - 7th Aluminium Symposium 2015 İstanbul akışkanlığı bulmak için iki ayrı alaşımdan farklı ebatlarda, farklı döküm sıcaklıklarında dökümler gerçekleştirilmiştir. Kaybolan köpük yöntemiyle ilgili çalışmalar yapılmış olup akışkanlık etkisi üzerine inceleme yapılmamıştır. Bu nedenle çalışma da E-140 ( A1Sİ12 ) ve E-110 ( AlSi5Cu3 ) alaşımlarının 5x5, 10x10, 20x20 ebatlarında L profili şeklinde polistren köpükler keserek farklı yükseklikteki yollukları kullanılarak bağlayıcısız döküm kumu içerisine döküm yaparak akışkanlık incelemesi yapılmıştır. 3.1Tablo: E140-E110 alaşımları kimyasal analizi ISO Norm Alaşım Fe Si Cu Mn Mg Zn Ni Ti Pb Sn LM4/AS5U3 Etial 110 0, ,2-0,15 0,2 0,6 Alsİ12CuFe/ LM6/AS13 Etial 140 0,6 11,5-0,1 0,4 0,1 0,1 0,1 0,15 13,5 0,20 0,1 0,05 0,1 0,05 E-110 (AlSi5Cu3 ) alaşımını 700 C ve 740 C de 5x5 ebatlarmdakinin yolluğunu 30 mm yatay mesafesini 50 mm ve yolluğu 60 mm yatay mesafesi 100 mm boyutlarında, 10x10 ebatlarmdakinin yolluğunu 30 mm yatay mesafesini 100 mm ve yolluğu 60 mm yatay mesafesi 200 mm boyutlarında, 20x20 ebatlarmdakinin yolluğunu 50 mm yatay mesafesi 100 mm ve yolluğu 120 mm yatay mesafesi 200 mm boyutlarında dökümler gerçekleştirilip profillerin dolumları (akışkanlıkları) incelenmiştir. j j A; J. o A" f m Şekil 3.1: Deneysel çalışmada kullanılan köpük modeller Şekil 3.2: Kuma gömülen köpük köpük modeller ALUS Oturum Session: Alüminyum Döküm Prosesleri / Aluminium Casting Processes

3 2015 İstanbul ALUS'07 7. Alüminyum Sempozyumu - 7th Aluminium Symposium E-140 ( A1Sİ12 ) alaşımının 625 C ve 700 C de 5x5 ebatlarmdakinin yolluğunu 30 mm yatay mesafesini 50 mm ve yolluğu 60 mm yatay mesafesi 100 mm boyutlarında, 10x10 ebatlarmdakinin yolluğunu 30 mm yatay mesafesini 100 mm ve yolluğu 60 mm yatay mesafesi 200 mm boyutlarında, 20x20 ebatlarmdakinin yolluğunu 50 mm yatay mesafesi 100 mm ve yolluğu 120 mm yatay mesafesi 200 mm boyutlarında dökümler gerçekleştirilip profillerin dolumları (akışkanlıkları) incelenmiştir. Döküm aşamasında alaşımlar 1 kg lık grafit potalar kullanılarak rezistans fırınına şarj edilmiş ve alaşımlar istenilen parametre aralığına gelince polistren köpük model bağlayıcısız kum içerisine gömülerek kalıp hazırlanmıştır ve döküm yapılmıştır. Her bir dökümden numuneler alınıp mikroyapılarım gözlemlemek için numunelere metalografi hazırlık işlemleri olan zımparalama ve parlatma işlemleri yapılmıştır. Zımparalamayı sırasıyla 60,180, 240, 400, 600, 800, 1200 lük zımparalar ile gerçekleştirilmiştir. Parlatma aşaması ise çuha üzerine elmas pasta ve yağ sürülerek gerçekleştirilmiştir. Metalografık hazırlığı biten numunelerin Optik Mikroskopta mikroyapı fotoğraflarını çekilmiş ve bu fotoğraflardan yararlanarak E-l 10 alaşımı için ortalama dentrit boyları, E-140 alaşımında ise ortalama silisyum boyutu hesaplanmıştır. 3.BULGULAR VE TARTIŞMA Döküm sonrası elde edilen profiller aşağıda gösterilmiştir. A n ife. Şekil 4.1: E-140 alüminyum alaşımına ait döküm örnekleri Şekil 4.2: E-l10 alüminyum alaşımına ait döküm örnekleri \ mm * Şekil 4.3: E-l10 alüminyum alaşımına ait döküm örnekleri Şekil 4.4: 700 C sıcaklıkta (5x5x60) yolluk ve (5x5x100) yatay mesafeye ait alaşım örneği Oturum Session: Alüminyum Döküm Prosesleri / Aluminium Casting Processes 327 ALUS 07

4 ALUS'07 7. Alüminyum Sempozyumu - 7th Aluminium Symposium 2015 İstanbul Şekil 4.1 ve Şekil 4.2 de görüldüğü üzere E-140 ve E-110 alüminyum alaşımlarının dökümleri sonucunda genel anlamda köpük modelin doldumlamaması ile ilgili bir problem gözlenmemiştir. Şekil 4.3 de de görüldüğü gibi alaşımların dökümleri sırasında patlama gözlenmiştir, istenilen döküm profili elde edilememiştir. Bu durama sebep olarak yeterli metalostatik basınç değerine ulaşılamaması düşünülmüştür. Çözüm olarak; yolluk mesafesini uzatmak, köpük modellerin daha derin bir kalıp kullanılarak dökümünün yapılması, kalıp hazırlanması sırasında kullanılan bağlayıcısız kumun gevşek olmaması gerektiği düşünülmüştür. Döküm parçalarında görülen patlamaları engellemek için 5x5 kesit alanına sahip modellerin yolluk mesafeleri 30 mm den 60 mm ye, 10x10 kesit alanına sahip modellerin yolluk mesafeleri 30 mm den 60 mm ye, 20x20 kesit alanına sahip modellerin yolluk mesafeleri 50 mm den 120 mm ye çıkartılmıştır. Bu yapılan düzenleme ile patlama hatalarının büyük ölçüde azaldığı gözlenmiştir. 5x5 kesit alanına sahip köpük modellerin iki farklı ebatlarında da yapılan dökümlerinde yatay mesafenin tam olarak dolmadığı gözlenmiştir bu durum Şekil 4.4 de gösterilmiştir. Bu hatalara sebep olarak yolluk girişinde kalan kum ve köpük modelin gözenekli yapısının, kumun model içerisine girmesine olanak sağlamasından ergimiş metalin model içerisinde ilerlemesine engel olduğu düşünülmüştür. Şekil 4.5: Döküm sonrası kalıp görüntüsü E-110 ve E-140 alüminyum alaşımlarının kaybolan köpük yöntemi ile farklı sıcaklıklarda yapılan dökümleri sonucu elde edilen mikroyapı örneklerinden bir kısmı aşağıdadır. İşlem yapılan sıcaklıklar E-110 alaşımı için 700 C ve 740 C, E-140 alaşımı için ise 625 C ve 700 C dir. j ALUS Oturum Session: Alüminyum Döküm Prosesleri / Aluminium Casting Processes

5 2015 İstanbul ALUS'07 7. Alüminyum Sempozyumu - 7th Aluminium Symposium Tablo 4.1: E-140 alüminyum alaşımı mikroyapı görüntüleri (5x büyütme) (5x5x30) (5x5x60) Boyut 700 C V (10x10x30) (10x10x100) (20x20x50) (20x20x100) /- U m w 3 ım o M ki i im ' > * M ül ic.îv r > r.v m - Tablo 4.1 de E-140 alüminyum alaşımının farklı kesit alanına sahip profillerin tasarımlarına ait dökümlerden elde edilen mikroyapıları görüntüleri verilmiştir, Oturum Session: Alüminyum Döküm Prosesleri / Aluminium Casting Processes 329 ALUS 07

6 ALUS'07 * 7. Alüminyum Sempozyumu - 7th Aluminium Symposium 2015 İstanbul Tablo 4.2: E-110 alüminyum alaşımı mikroyapı görüntüleri (5xbüyütme) Boyut 700 C 740 C (5x5x30) (5x5x50) (10x10x30) (10x10x100) (S (20x20x50) (20x20x100) t S Tablo 4.2 de E-110 alüminyum alaşımının farklı kesit alanına sahip yolluk tasarımlarına ait dökümlerden elde edilen mikroyapıları görüntüleri verilmiştir. ALUS Oturum Session: Alüminyum Döküm Prosesleri / Aluminium Casting Processes

7 2015 İstanbul ALUS'07 7, Alüminyum Sempozyumu - 7th Aluminium Symposium 70 T I J 20 j 13,5 10 H -ÜLL , 'C -*-700ftC Kesit alanı (mm2) Şekil 4.6: E-140 Alüminyum alaşımı için Ortalama Silisyum tane boyutu- Kesit alanı grafiği 60-54, , T2 -o 20 23,18 36,8-46,8 ÿÿ 700*0 -S~740BC 10 0 o Kesitalanı mm2 400 Şekil 4.7: E-l10 Alüminyum alaşımı için Ortalama Dentrit boyu- Kesit alanı grafiği (yolluk mesafeleri arttırılmış numuneler) -55,2 t 40 i: t -*-740"C Kesit alanı (mm2) Şekil 4.8: E-l 10 Alüminyum alaşımı için Ortalama Dentrit boyu- Kesit alanı grafiği E-140 alaşımının düşük sıcaklıkta yapılan dökümlerinde oluşan ortalama silisyum tane boyutunun yüksek sıcaklıkta yapılan dökümlere kıyasla daha küçük olduğu hesaplanmıştır. Bu sonuç aşırı ısıtma ile açıklanabilir. Aşırı ısıtma, alaşımın ergitme sıcaklığının üzerinde çıkılan döküm sıcaklığı ile tanımlanır. Oturum Session: Alüminyum Döküm Prosesleri / Aluminium Casting Processes 331 ALUS 07

8 ÂLUS'07 7, Alüminyum Sempozyumu - 7th Aluminium Symposium 2015 İstanbul Artan aşırı ısıtma ile döküm soması oluşan soğuma, yani AT çok yüksek olur. Bu durumda mikroyapı daha ince taneli olma eğilimindedir [referans: Kurz.Firsher, Fundamentals of Solidification], Fakat, aşırı ısıtma azaldığı durumda, katılaşma nispeten daha yavaş olur ve çekirdekleşme ve büyüme adımları daha yavaş ve difüzyona dayalı olarak ilerler. Bu yüzden tane boyutu veya ikinci fazların oranı daha kaba olma eğilimdedir [referans: kurz fisher, denemelerde Şekil de açıkça görülmektedir. flemmings]. Bu durum yapılan E-110 alüminyum alaşımının düşük sıcaklıkta yapılan dökümlerinde oluşan ortalama dentrit boyutunun yüksek sıcaklıkta yapılan dökümlere kıyasla daha büyük olduğu Şekil 4.7 ve Şekil 4.8 de ki grafikler de gösterilmiştir. Yüksek sıcaklıkta yaptığımız dökümlerde, söz konusu olan sıcaklık gradyenti daha yüksek olacaktır. Kalıp sıcaklığı ile eriyik metal arasındaki sıcaklık farkı arttıkça, döküm yapısının daha küçük dendritlerden oluşmasını beklenebilir. Çünkü aşırı soğuma yani AT değeri arttırılmış olur, yüksek aşırı soğuma değerlerinde çekirdeklenme hızı yüksek olup çekirdek büyüme hızı düşük olacaktır. Dolayısıyla kritik yarıçap değeri de düşer ve daha küçük boyutlarda çekirdekler, daha küçük boyutlarda dendritler elde edilir. Aşırı soğuma değeri daha düşük olduğu taktir de ise katılaşma enerjisi, çekirdeklerin büyümesi için harcanır ve daha iri ama az sayıda çekirdek meydana gelir. 4.SONUÇLAR 1. Kaybolan köpük yöntemi ile yapılan bu çalışmada E-110 ve E-140 alüminyum alaşımlarına seçilen deney koşullarının akışkanlığa olan etkisi olumlu olduğu sonucuna varılmıştır. 2. Yolluk mesafesinin kısa olduğu durumlarda metalostatik basınç yetersiz olduğundan döküm hatalarına rastlanır. 3. Köpük modelin gözenekli yapısı kum tanelerini hapsettiği için sıvı metalin ilerleyişini engellediği sonucuna varılmıştır. 4. Yüksek sıcaklıklarda yapılan dökümlerde elde edilen ortalama silisyum tane boyutu düşük sıcaklıklarda yapılan dökümlere kıyasla daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. 5. Yüksek sıcaklıklarda yapılan dökümlerde elde edilen ortalama dentrit boyu düşük sıcaklıklarda yapılan dökümlere nazaran daha düşüktür. 6. Düşük sıcaklıklarda yapılan dökümlerde primer silis oluşumu gözlemlenmiştir. 7. Köpük modelin kaplanması ile yapılan dökümler ile kaplamasız yapılan dökümler arasında yüzey farklılığı gözlemlenmemiştir. ALUS Oturum Session: Alüminyum Döküm Prosesleri / Aluminium Casting Processes