A356 ALÜMİNYUM DÖKÜM ALAŞIMLARINDA SIVI METAL HAREKETİNİN MİKROYAPI VE MEKANİK ÖZELLİKLERİ ÜZERİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİ.

Transkript

1 A356 ALÜMİNYUM DÖKÜM ALAŞIMLARINDA SIVI METAL HAREKETİNİN MİKROYAPI VE MEKANİK ÖZELLİKLERİ ÜZERİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİ Tansel TUNÇAY DOKTORA TEZİ METAL EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ EKİM 2012 ANKARA

2

3 TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Tansel TUNÇAY

4 iv A356 ALÜMİNYUM DÖKÜM ALAŞIMLARINDA SIVI METAL HAREKETİNİN MİKROYAPI VE MEKANİK ÖZELLİKLERİ ÜZERİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİ (Doktora Tezi) Tansel TUNÇAY GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ EKİM 2012 ÖZET Bu çalışmada, tasarlanan farklı yolluk sistemleri ile A356 alaşımının yolluk sistemlerindeki akış şeklinin iyileştirilmesi araştırılmıştır. Ek olarak, uygun akış şeklinde A356 alaşımının katılaşma şartlarının mikro yapı, mekanik özellikleri ve bifilm oluşumları üzerine etkisi incelenmiştir. Bu nedenle, eşit kesit alanına sahip kare ve dairesel şekilli dikey yolluklar, farklı çıkış şekli ve alanına sahip difüzörlü (kare, dairesel ve dikdörtgen) ve difüzörsüz (kare veya dairesel) yatay yolluklar tasarlanmıştır. Tasarlanan yolluk sistemleri, önce simülasyon sonra gerçek döküm şartları altında incelenmiştir. Üretilen A356 alaşımı çekme testleri, sertlik testleri, yoğunluk ve mikro makro yapıları ile karakterize edilmiştir. Çekme numuneleri, teste tabi tutulmadan önce ısıl işlem yapılarak homojenize edilmiştir. Numuneler, 540 C de 8 saat çözeltiye alındıktan sonra su verilerek oda sıcaklığına aniden soğutulmuştur. Daha sonra oda sıcaklığında 24 saat (doğal) ve 170 C de 10 saat yapay yaşlandırılmıştır. Elde edilen çekme test sonuçları Weibull dağılımı istatiksel analizi ile değerlendirilmiştir. En yüksek Weibull modülü, kare kesitli dikey yolluk difüzörlü kare kesitli yatay yolluk ve daire kesitli dikey yolluk difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk sistemlerinde bulunmuştur. En yüksek Weibull modülüne sahip yolluk sistemlerinde döküm parçasının katılaşma şartları, elektrolitik bakır ve H13 sıcak iş takım çeliği soğutucular ile değiştirilmiştir. Ayrıca A356 alaşımı, izole seramik kalıp içinde

5 v katılaştırılmıştır. A356 döküm alaşımın mikro yapısını oluşturan ve mekanik özellikleri etkileyen ikinci dendrit kollar arası mesafe görüntü analiz programı ile ölçülmüştür. Kırık yüzey incelemelerinde, boşluk ve intermetaliklerin tanımlanmasında tarama elektron mikroskobu (SEM) kullanılmıştır. Ayrıca bifilmlerin (katlanmış oksit film tabakalarının) oluşumu şekil ve boyutları, optik mikroskop ile incelenmiştir. Yapılan çalışmalar sonuçunda, lokal katılaşma zamanının artması ile ikincil dendritler arası mesafenin artığı ve katlanmış oksit film tabakaları yüzeylerinin daha düzgün olduğu ve genişlediği belirlenmiştir. Soğuma oranının artmasıyla, ikinci dendrit kollar arasındaki mesafenin azaldığı ve mekanik özelliklerin arttığı belirlenmiştir. Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler : Yolluk sistemleri, katılaşma parametreleri, döküm A356 alaşım, bifilm oksit tabakaları. Sayfa Adedi : 213 Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Süleyman TEKELİ

6 vi INVESTIGATION OF THE EFFECTS OF LIQUID METAL MOVEMENT ON MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF A356 ALUMINUM CAST ALLOYS (Ph.D. Thesis) Tansel TUNÇAY GAZİ UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY OCTOBER 2012 ABSTRACT In this study, improvement of mould fiiling of A356 cast alloy in different gating systems was investigated. In addition, the effects of solidification requirements of A356 cast alloy on microstructure, mechanical properties and bifilm formations were studied in the form of suitable flow conditions. For this purpose, the square and circular shaped sprues having equall cross-sectional area were designed. Moreover, the runners having different output shape and cross-sectinoal area diffuser (square, circular and rectangular) and non-diffuser runners (square or circular) were designed. Designed gating systems, were first applied on simulation program and after, under the terms of the actual casting. A356 parts were characterized by tensile, hardness tests and density as well as micro and macro structures. Tensile samples were prepared soon after homogenization of A356. The samples were heat treated at 540 C for 8 hours followed by water quench. They were then naturally aged at room temperature for 24 hours and artificially aged at 170 C for 10 hours. The results obtained from the tensile tests were evaluated by the Weibull distribution statistical analysis. The highest Weibull modulus were found for the gating systems which are sprue of square cross-sectional runner of diffuser square cross-sectional and sprue of circular cross-sectional runner of non-diffuser circular cross-sectional. Solidification conditions of A356 at the gating systems having the highest

7 vii Weibull module were controlled by the electrolytic copper, H13 hot work tool steel chills. Also, A356 was solidified in the isolated ceramic mould. Dendritic arm spacing which effects the mechanical properties and forms the microstructure of casting A356 was measured by image analysis program. Scanning electron microscope (SEM) was used for fracture surface examinations, to identify porosity and intermetallics. Also, optical microscopy was used to examine shapes, sizes and types of bifilms (folded layers of oxide films). As a result of the studies, the distance between the secondary dendrites was increased thank to increase in local solidification time and, the surfaces of folded oxide films were more smooth and expanded. With increasing the cooling rate, it has been noted that the second dendrite arms spacing are decreasing and mechanical properties are increased. Science Code : Key Words : Gating systems, solidification parameters, cast A356 alloys, bifilm oxide. Page Number : 213 Adviser : Prof. Dr. Süleyman TEKELİ

8 viii TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla yönlendiren Hocam Prof. Dr. Süleyman TEKELİ ye yine kıymetli tecrübelerini ve desteğini hiç esirgemeyen Hocam Doç.Dr. Dursun ÖZYÜREK e, ayrıca yorumlarından dolayı Yrd. Doç. Dr. Derya DIŞPINAR a ve laboratuarını kullanmama izin veren Hocam Prof. Dr. Süleyman GÜNDÜZ e ve görevli tüm çalışma arkadaşlarıma desteklerinden ve yardımlarından dolayı teşekkür ederim. Çalışmalarımın deneysel aşamasında yardımcı olan Arş. Grv. Musa YILDIRIM, Alper Melih ATAÇ, Samet BAYOĞLU na ayrıca teşekkür ederim. Manevi destekleriyle beni hiçbir zaman yalnız bırakmayan başta aileme ve çok değerli arkadaşlarıma teşekkürü bir borç bilirim.

9 ix İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... iv ABSTRACT... vi TEŞEKKÜR... viii İÇİNDEKİLER... ix ÇİZELGELERİN LİSTESİ... xiii ŞEKİLLERİN LİSTESİ... xv RESİMLERİN LİSTESİ... xviii SİMGELER VE KISALTMALAR... xxiv 1. GİRİŞ SIVI METAL HAREKETİ Sıvı Metal Hareketi ve Enerjileri Sıvı metal akış durumu Sıvı metal hareketine etki eden enerji kayıpları Bernoulli eşitliği Kütlenin korunumu-süreklilik eşitliği Döküm Yolluk Sistemi Elemanları Döküm havuzu (Havşa) Dikey yolluk (Gidici) Yatay yolluk (Cürufluk) L ve T dirsek elemanları Difüzör (Yayıcı) Meme bağlantıları... 24

10 x Sayfa 2.3. Döküm Malzemede Oksit Film Oluşumu ve Mekanik Özelliklere Etkisi Oksit film oluşumu ve morfolojisi Oksit filmlerin mekanik özelliklere etkisi Döküm Alaşımlarında Boşluk Oluşumu Gaz boşluğu oluşumu Çekme boşluğu oluşumu Weibull Dağılımı İstatistik Analizi DÖKÜM MALZEMENİN KATILAŞMASI Dökümün Makro ve Mikro Yapısını Etkileyen Parametreler Katılaşma Parametreleri Katılaşma Hızının Çekme, Gaz Boşluğu Oluşumu ve Mekanik Özelliklere Etkisi Katılaşma Hızının Oksit Film Tabakaları ve İntermetalik Fazların Mekanik Özellikler Üzerine Etkisi A356 Alaşımının Katılaşması ve Faz Oluşumları MALZEME VE METOT Deneysel Çalışmalarda Kullanılan A356 (Al-Si-Mg) Alaşımı Kalıpların Hazırlanması Aşamasında Kullanılan Malzemeler Ergitme Aşaması Tasarlanan Yolluk Sistemlerinin Hesaplanması Simülasyon Çalışmaları Döküm Kalıpların Hazırlanması Ergitme ve Döküm İşlemi Homojenizasyon Isıl İşlemi... 80

11 xi Sayfa 4.9. Çekme Numunelerin Hazırlanması Yaşlandırma (T6) Isıl İşlemi Karakterizasyon Çalışmaları Yoğunluk ölçümleri Sertlik ölçümü Metalografik numunelerin hazırlanması ve optik mikroskop görüntülerinin analizi Çekme testleri Çekme test sonuçlarına Weibull dağılımı istatiksel analizinin uygulanması Tarama elektron mikroskobu (SEM) ve enerji dağılımlı X-ışını spektrometresi (EDS) X-ışını kırımını DENEYSEL SONUÇLAR VE TARTIŞMALAR Sıvı Metal Akış Simülasyon Sonuçları Sıvı Metal Gerçek Akış Sonuçları Ergitme ve Döküm Sonuçları Yaşlandırılan A356 Alaşımın Mikroyapı İncelemeleri Yaşlandırılan A356 Alaşımın X-ışını Kırınımı (XRD) Sonuçları Farklı Yolluk Sistemleriyle Dökülen A356 Döküm Malzemenin Yoğunluk Sonuçları Dökülen A356 Döküm Malzemenin Sertlik Sonuçları Farklı Yolluk Sistemlerinin Çekme Test Sonuçları, Weibull Dağılımı Analizi ve Kırık Yüzey İncelemeleri Çekme test sonuçları ve Weibull dağılımı analizi

12 xii Sayfa Farklı yolluk sistemi ile elde edilen çekme numunelerinin kırık yüzey SEM ve EDS görüntülerinin incelenmesi Tek Yönlü Katılaştırılmış A356 Döküm Malzemenin Karakterizasyonu Tek yönlü katılaştırılmış A356 döküm malzemenin ikincil dendrit kollar arasındaki mesafe (SDAS) incelemeleri Tek yönlü katılaştırılmış A356 malzemenin çekme mukavemeti incelemeleri Soğuma oranına bağlı boşluk-bifilm oksit tabakalarının incelenmesi SONUÇLAR VE ÖNERİLER Sonuçlar Öneriler KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ

13 xiii Çizelge ÇİZELGELERİN LİSTESİ Sayfa Çizelge Alüminyum ve alaşımlarında görülen inklüzyon tipleri [Campbell, 2006] Çizelge Oksit film tabakalarının karakteristiği [Amega, 1989, Divandari ve Campell, 2001, Campell , Campell ] Çizelge Katılaşma sırasındaki beş besleme mekanizması [Campbell, 2003, Stefanescu, 2009] Çizelge Weibull istatiksel analizinde kullanılan tahmin ediciler [Kırtay ve Dışpınar, 2012] Çizelge Döküm kalıp arasında katılaşma sırasında oluşan baskın dirençler [Stefanescu, 2009] Çizelge İnklüzyon tipleri ve ölçüleri [McDowell ve ark.,2003] Çizelge A356 alaşımında katlaşmanın gelişimi sırasında oluşan reaksiyonlar [Arnberg, 1996,Arnberg, 1990] Çizelge A356 alaşımının standart ve ingot malzemelerin kimyasal bileşimi Çizelge Deneysel çalışmada kullanılan soğutucuların kimyasal bileşimleri Çizelge Deneysel çalışma uygulanan tasarlanan yolluk sistem elemanları Çizelge Simülasyon esnasında oluşturulan toplam hücre ve döküm hücre sayıları Çizelge A356 ingot ve dökümün kimyasal bileşimi Çizelge Kare kesitli dikey yolluk grubuna ait yatay yolluk sistemleri ile dökülmüş K-K (a), K-DK (b), K-DDg (c), ve K-DDa (d) A356 döküm plakaların yoğunlukları Çizelge Daire kesitli dikey yolluk grubuna ait yatay yolluk sistemleri ile dökülmüş D-D (a), D-DDa (b), D-DDg (c), ve D-DK (d) A356 döküm plakaların yoğunlukları Çizelge Ortalama yoğunluk ve boşluk miktarları

14 xiv Çizelge Sayfa Çizelge Kare kesitli dikey yolluk grubundan dikey kesilen çekme numunelerinin test sonuçları Çizelge Kare kesitli dikey yolluk grubundan yatay kesilen çekme numunelerinin test sonuçları Çizelge Kare kesitli dikey yolluk grubuna ait Weibull eğrisi denklemleri, modül ve karakterislik ortalamaları Çizelge Daire kesitli dikey yolluk grubundan dikey kesilen çekme numunelerinin test sonuçları Çizelge Daire kesitli dikey yolluk grubundan yatay kesilen çekme numunelerinin test sonuçları Çizelge Daire kesitli dikey yolluk grubuna ait Weibull eğrisi denklemleri, modül ve karakterislik ortalamaları verilmiştir Çizelge Difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sistemi ile elektrolitik bakır (a), H13 çeliği (b) ve izole seramik kalıba dökülen (c) A356 alaşımın çekme mukavemeti ve numunelerin konumları Çizelge Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk sistemi ile elektrolitik bakır (a), H13 çeliği (b) ve izole seramik kalıba dökülen (c) A356 alaşımın çekme mukavemeti ve numunelerin konumları

15 xv Şekil ŞEKİLLERİN LİSTESİ Sayfa Şekil Sıvı metal, Re<2000 laminer (a), 2000 Re<20000 geçiş (b) ve Re türbülanslı (c) akış durumları [ASM, 2009]... 9 Şekil Bernoulli eşitliğinin terimlerinin gösterilmesi [Campbell, 2004] Şekil Kütlenin korunumu eşitliğinin türetilmesinde kullanılan sistem [Çengel, 2008] Şekil Döküm işleminde sıvı metalin kalıp boşluğuna iletilmesinde kullanılan kanal elemanları [ASM, 2009] Şekil Sıvı metalin dikey yolluktan düşmesi sırasında kanal duvarlarından ayrılması [ASM, 2009] Şekil Döküm dikey yolluğunun yüksekliğe göre kesit alanlarının gösterilişi [Campbell, 2004] Şekil Sıvı metalin yön değiştirmesi sırasındaki oluşumlar [ASM, 2009] Şekil Yatay yolluk sisteminde ani kesit alan artışı sonucu (a) ve ani kesit alan daralması sonucu (b) düşük basınç ve türbülanslı, ölü bölgelerin oluşumu [ASM, 2009] Şekil Konik cidarlı ve düz cidarlı difüzör tipleri (a) ve düz cidarlı difüzör için kararlılık haritası (b) uzunluk karakteristikleri [White, 2004] Şekil Sıvı metalin kalıbı doldurma basıncının kalıp boşluğundaki daha düşük basınçlı nokta üzerinden kalıbı doldurması [Campbell, 2003, Campbell, 2004] Şekil Katılaşma sırasında oluşan dendritlerin arasında düzleşen oksit film tabakası [Campbell, 2003] Şekil Sıvı metalin kalıp malzemesi (a) ve maça malzemesinin içerdiği nem ve safsızlıkların etkisiyle oksit film oluşumu (b) [Campbell, 2003, Campbell, 2004] Şekil Alüminyum içerisinde 1 atm basınç altında sıvı ve katı durumda hidrojen çözünürlüğü [Kaufman, 2004]... 40

16 xvi Şekil Sayfa Şekil Sıvı fazdaki metalin, katılaşması esansındaki üç faklı şekilde çekmesi; sıvı, katılaşma ve katı çekmesi (a), katılaşma sırasında oluşan besleme mekanizmaları [Campbell, 2003, Stefanescu, 2009] Şekil Çekme test sonuçlarına karşı frekans (a), çekme test sonuçlarına karşı tahmin edici (b) ve F w ye karşı çekme değerinin logaritmik karşılığı (c) [Green ve Campbell, 1993] Şekil Katılaşma incelenme aralıkları [Stefanescu, 2009] Şekil Sıvı metalin katılaşmasında oluşan ısıl dirençler [Campbell, 2003] Şekil Sıvı metalin katılaşması sırasında baskın ısıl dirençlerin sıcaklık profilleri [Stefanescu, 2009] Şekil Doğrusal katılaştırılmış Al-%7Si alaşımının makro yapısı (a), iki boyutlu şematik görüntüsü (b) [Gandin ve Parpaz, 1994, Kurz ve Fisher,1998] Şekil Akış şartları altında katılaştırma deney düzeneği [Turchin ve ark.,2007] 54 Şekil Döküm parçada gözlenen çekme hatalarının şematik gösterilmesi [Stefanescu, 2005] Şekil Kare kesitli dikey yolluk grubuna ait yolluk sistemleri Şekil Daire kesitli dikey yolluk grubuna ait yolluk sistemleri Şekil Tek yönlü katılaştırılmış kalıp içindeki sıcaklık verilerinin toplandığı, metalografik ve çekme numunelerinin bölgeleri Şekil ASTM E 8M-04 standardına göre çekme numunesi ölçüleri Şekil A356 döküm alaşımın X-ışınımı kırınımı sonucu Şekil Döküm plakadan çıkarılan yoğunluk numunelerin konumları Şekil Döküm ve T6 ısıl işlemi sonrasında elde edilen sertlik değerleri Şekil Kare kesitli dikey yolluk grubunun Weibull dağılımı eğrileri ve modülleri Şekil Kare kesitli dikey yolluk grubunun oluşma sıklığına karşı çekme mukavemet dağılımları

17 xvii Şekil Sayfa Şekil Daire kesitli dikey yolluk grubunun Weibull dağılımı eğrileri ve modülleri Şekil Daire kesitli dikey yolluk grubunun oluşma sıklığına karşı çekme mukavemet dağılımları Şekil Bakır soğutucu ile katılaştırılan kare kesitli dikey yolluk difüzörlü kare kesitli yatay yolluk ile dökülen plakanın zaman-sıcaklık grafiği Şekil Çelik (H13) soğutucu ile katılaştırılan kare kesitli dikey yolluk difüzörlü kare kesitli yatay yolluk ile dökülen plakanın zaman-sıcaklık grafiği Şekil İzole seramik kalıp içinde katılaştırılan kare kesitli dikey yolluk difüzörlü kare kesitli yatay yolluk ile dökülen plakanın zaman-sıcaklık grafiği Şekil Kare kesitli dikey yolluk difüzörlü kare kesitli yatay yolluk ile dökülen elektrolitik bakır (a) ve H13 çeliğinin (b) lokal katılaşma zamanı ve ikinci dendrit kollar arasındaki mesafe arasındaki ilişki Şekil Bakır soğutucu ile katılaştırılan daire kesitli dikey yolluk difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk ile dökülen plakanın zaman-sıcaklık grafiği Şekil Çelik (H13) soğutucu ile katılaştırılan daire kesitli dikey yolluk difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk ile dökülen plakanın zaman-sıcaklık grafiği Şekil İzole seramik kalıp içinde katılaştırılan daire kesitli dikey yolluk difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk ile dökülen plakanın zaman-sıcaklık grafiği Şekil Daire kesitli dikey yolluk difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk ile dökülen elektrolitik bakır (a) ve H13 çeliğinin (b) lokal katılaşma zamanı ve ikinci dendrit kollar arasındaki mesafe arasındaki ilişki

18 xviii Resim RESİMLERİN LİSTESİ Sayfa Resim Farklı döküş yüksekliklerinde düşük basınç cihazında katılaştırılan sıvı metalin bifilm oksit tabakası optik mikroskop görüntüsü [Dışpınar ve Campbell, , Dışpınar ve Campbell, ] Resim Sıvı metal yüzeyindeki oksit film tabakasının katlanması bifilm tabaksının oluşumu ve gaz boşlukları (a), oluşan bifilm tabalarının SEM görüntüsü [Campbell, , Divandari ve Campbell, 2001] Resim Al-Si-Mg alaşımlarında gaz boşluğu (a) [Anson ve ark., 1999] ve çekme mikro boşlukların hatası optik mikroskop görüsntüsü (b) [Green ve Campbell, 1994] Resim Hava sürüklenmesi ve döküm içindeki boşluk hatasının SEM görüntüsü [Green ve Campbell, 1994] Resim Çatlak görünümünde dendritler arasında sıkışmış oksit film ağının optik mikroskop görüntüsü [Dinnis ve ark., 2004] Resim Soğuma yönüne dik olarak m/s hız ile akış altında katılaştırılmış Al-%4.5Cu alaşımlarının boyuna makroskobik görüntüleri. Sıvı metal sıcaklığı 700 C (a), 720 C (b), 740 C (c) [Turchin ve ark. 2007] Resim Kalıplama öncesinde kare kesitli dikey yolluğa sahip grubun maça sandıkları görüntüsü. Difusörsüz kare kesitli yatay yolluk (a), difüzörlü kare kesitli yatay yolluk (b), difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk (c), difüzörlü daire kesitli yatay yolluk (d) Resim Kalıplama öncesinde daire kesitli dikey yolluğa sahip grubun maça sandıkları görüntüsü. Difusörsüz daire kesitli yatay yolluk (a), difüzörlü daire kesitli yatay yolluk (b), difüzörlü kare kesitli yatay yolluk (c), difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk (d) Resim Kalıplanmış kare kesitli dikey yolluğa sahip grubun kalıpları difüzörsüz kare kesitli (15 15) yatay yolluklu kum kalıp (a), difüzörlü kare kesitli (21,20 21,20) yatay yolluklu kum kalıp (b), difüzörlü dikdörtgen kesitli (6 75) yatay yolluklu kum kalıp (c), difüzörlü daire kesitli (Ø24) yatay yolluklu kum kalıp (d) ve kalıplanmış döküm havuzu (e) Resim Beklemeye bırakılan döküm kum kalıplar... 76

19 xix Resim Sayfa Resim Gerçek akış şeklinin görüntülendiği dökümü tamamlanmış difüzörsüz kare kesitli yatay yolluğa sahip kalıp resmi Resim Tek yönlü katılaşmanın uygulandığı kalıbın hazırlanmasında kullanılan izole seramik kalıp ve silis kumundan kalıplar (a), ısıl çiftlerin ve sıcaklık kayıt edici sistem (b) ve döküm sonrası kalıp görüntüsü (c) Resim 4. 7.Çalışmada kullanılan elektrik direnç fırını (a) ve grafit lans başlığı (b).. 79 Resim Alttan akıtmalı grafit stoperli pota Resim ASTM E 8M-04 standardına göre çekme numunesi resmi Resim Yatay (a) ve dikey (b) çekme numuneleri Resim Çekme numunelerine T6 ısıl işleminin uygulandığı fırın resmi Resim Yoğunluk ölçüm cihazı Resim Sertlik ölçüm cihazı Resim Zımpara ve polisaj cihaz görüntüsü Resim Mikro yapıların incelendiği optik mikroskop Resim SHİMADZU AG-IS marka çekme cihazı resmi Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörsüz kare kesitli yatay yolluk sistemindeki akış hızlarının iki boyutlu vektörel büyüklükleri Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sistemindeki akış hızlarının iki boyutlu vektörel büyüklükleri Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk sistemindeki akış hızlarının iki boyutlu vektörel büyüklükleri Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk sistemindeki akış hızlarının iki boyutlu vektörel büyüklükleri Resim Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk sistemindeki akış hızlarının iki boyutlu vektörel büyüklükleri Resim Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk sistemindeki akış hızlarının iki boyutlu vektörel büyüklükleri... 94

20 xx Resim Sayfa Resim Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk sistemindeki akış hızlarının iki boyutlu vektörel büyüklükleri Resim Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sistemindeki akış hızlarının iki boyutlu vektörel büyüklükleri Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörsüz kare kesitli yatay yolluk sisteminin üç boyutlu akış durumu Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sisteminin üç boyutlu akış durumu Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk sisteminin üç boyutlu akış durumu Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk sisteminin üç boyutlu akış durumu Resim Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk sisteminin üç boyutlu akış durumu Resim Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk sisteminin üç boyutlu akış durumu Resim Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk sisteminin üç boyutlu akış durumu Resim Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sisteminin üç boyutlu akış durumu Resim Kare kesitli dikey yolluk difüzörsüz kare kesitli yatay yolluk sisteminin video kayıt sonrası resmi Resim Difüzörsüz kare kesitli yatay yolluğun farklı zamanlarda alınan video görüntüleri Resim Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluğun farklı zamanlarda alınan video görüntüleri Resim A356 alaşımının döküm (a, c)ve T6 ısıl işlemi sonrasındaki (b, d) optik mikroskop görüntüleri Resim T6 ısıl işlemi sonrasında A356 alaşımından alınan SEM görüntüsü (a) ve EDS analizi (b) sonuçları

21 xxi Resim Sayfa Resim Kırık yüzeyin genel SEM görüntüsü (a), numune üst köşesindeki SiO 2 kum tanesi ve karbon görüntüsü (b)ve EDS grafiği (c), dendritler arasındaki oluşan boşluk (d) Resim Kırık yüzeyin genel SEM görüntüsü (a), Al-Si-Fe intermetalik iğnemsi plakanın ve Al-Si ötektiğinin SEM görüntüsü (b) ve EDS analizi (c) Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk sistemine ait numunelerin kırık yüzey SEM görüntüleri Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk sistemine ait çekme numunesi kırık yüzey SEM görüntüsü (a) ve EDS analizi (b) Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk yolluğa ait numunenin kırık yüzey genel SEM görüntüsü (a), karbon inklüzyonun SEM, EDS analizi (b), alüminyum silisyum ötektiğinin SEM, EDS analizi (c) Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk sistemli çekme numunesinin kırık yüzey genel görüntüsü (a), boşluk görüntüsü (b) Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk sistemine ait çekme numunesinin kırık yüzeyinden alınan genel SEM görüntüsü (a), dendritler arasında Al-Si ötektiği fazın görüntüsü Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sisteme ait çekme numunesinin kırık yüzeyinden alınan SEM görüntüsü (a) ve hava kabarcığı ve bifilm görüntüsü (b) Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sistemine ait çekme numunesinin kırık yüzeyinden (a) ve dendritik yapıdan (b) alınan SEM görüntüsü Resim Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk sistemine ait çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü (a), Al-Si-Fe intermetaliğinin SEM görüntüsü (b) ve intermetaliğin EDS analizi sonucu (c) Resim Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk sistemine ait çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü (a), dendrtiler arasındaki kırık yüzey SEM görüntüsü (b)

22 xxii Resim Sayfa Resim Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk sistemine ait çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü (a), kırık yüzey SEM görüntüsü (b) Resim Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sistemine ait çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü (a), dendritler arası çekme boşluğunun SEM görüntüsü (b) Resim Difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sistemiyle tek yönlü katılaştırılan döküm malzemelerin SDAS uzunlukları Resim Difüzörlü kare kesitli ve yatay yolluk sistemiyle izole seramik kalıp ile katılaştırılan döküm malzemelenin merkezinden alınan optik mikroskop görüntüsü Resim Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk sistemiyle tek yönlü katılaştırılan döküm malzemelerin SDAS uzunlukları Resim Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk sistemiyle izole seramik kalıp ile katılaştırılan döküm malzemenin merkezinden alınan optik mikroskop görüntüsü Resim Difüzörlü kare kesitli yatay yolluk ile dökülmüş elektrolitik bakır soğutucuya karşı katılaştırılmış çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü (a), gaz boşluğu SEM görüntüsü Resim Difüzörlü kare kesitli yatay yolluk ile dökülmüş H13 sıcak iş takım çeliği soğutucuya karşı katılaştırılmış çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü (a), gaz boşluğu SEM görüntüsü Resim Difüzörlü kare kesitli yatay yolluk ile dökülmüş izole seramik kalıp içinde katılaştırılmış çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü (a), gaz boşluğu SEM görüntüsü Resim Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk ile dökülmüş elektrolitik bakır soğutucuya karşı katılaştırılmış çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü (a), gaz boşluğu SEM görüntüsü Resim Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk ile dökülmüş H13 sıcak takım iş çeliği soğutucuya karşı katılaştırılmış çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü

23 xxiii Resim Sayfa Resim Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk ile dökülmüş H13 sıcak takım iş çeliği soğutucuya karşı katılaştırılmış çekme numunesinin kırık yüzeyindeki farklı kimyasal bileşime sahip Al-Si-Fe genel SEM görüntüsü (a) ve EDS analizleri (b) Resim Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk ile dökülmüş izole seramik kalıp içinde katılaştırılmış çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü Resim Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk ile dökülmüş izole seramik kalıp içinde katılaştırılmış çekme numunesinin kırık yüzeyindeki alüminyum oksit, karbon SEM görüntüleri ve EDS analiz sonuçları. 167 Resim Difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sistemiyle tek yönlü katılaştırılan döküm malzemelerin boşluk- bifilm dağılımları Resim Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk sistemiyle tek yönlü katılaştırılan döküm malzemelerin boşluk- bifilm dağılımları

24 xxiv SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama Alan, m 2 Boşalma katsayısı Basınç geri kazanım katsayısı Özgül ısı, J/m 3 K. Tahmin edici Sürtünme faktörü Yerçekimi ivmesi, m/sn 2, H Yükseklik, m. i Sıra Bölgesel yük kaybı (hy) Sürtünmeden kaynaklanan yük kaybı Yük kayıp katsayısı Isı iletim katsayısı, W/m 2 K. Mesafe, m. m Kütle, gr. P Basınç, Pa. Zaman, sn. Hız, m/sn. V Hacim, m 3,, Kartezyen koordinat sistemi. Yoğunluğu, gr/cm 3 Viskozite, W İş, J. Yüzey gerilimi,

25 xxv Simgeler Açıklama X σ G r * Weibull modülü Test sonucu Pozisyon parametresi Serbest enerji Kritik yarıçap Kısaltmalar Açıklama Re Reynolds sayısı Fr Froude sayısı We Weber sayısı D Hidrolik çap, m. SDAS İkincil dendrit kollar arasındaki mesafe, µm. EDS Enerji Dağılımlı X-ışını Spektrometresi SEM Tarama Elektron Mikroskobu XRD X-ışınımı Difraktometresi A.Ort Aritmetik ortalama

26 1 1. GİRİŞ Döküm yöntemi, karmaşık geometrili parçalar için düşük maliyetli bir üretim yöntemidir. Bu yöntem geniş üretim sahası ve tonaj aralığına sahip parçaların üretiminde kullanılmaktadır. Bu yöntem ile elde edilen ürünler parçanın tüketimine, geometrilerine ve alaşım sistemlerine uygun olarak; kuma döküm, hassas (seramik kabuk) döküm, köpük döküm, sürekli döküm, metalik kalıba (basınçlı) döküm ve yarı-katı v.b teknikleri ile üretilmektedir [Campbell, 2003, Campbell, 2004, Yu, 2002, Flemings, 1974, Stefanescu, 2009]. Döküm A356 (Al-Si-Mg) alaşımı, yüksek korozyon direnci, döküm kabiliyeti (akıcılığı) ve dayanım/ağırlık oranının yüksek olması sebebiyle cazip mühendislik alaşımlarından biridir. Özellikle otomotiv ve havacılık sektöründe kullanılmaktadır. Döküm işlemine uygunluğu ve ısıl işlem yeteneğinin olması, bu alaşımı bileşiminde bulunan Mg un etkisiyle ön plana çıkmaktadır. Bununla birlikte, A356 alüminyum alaşımlarının döküm işlemi ile üretimde yapı ve mekanik özelliklerini sınırlandırıcı problemler oluşmaktadır. Döküm işlemi sürecinde, üretilen parça kalitesini doğrudan etkileyen iki temel fiziksel olay bulunmaktadır. Bunlardan birincisi, sıvı metalin yolluk sistemini ve kalıp boşluğunu doldurması, ikincisi ise kalıp boşluğunu dolduran sıvı metalin katılaşmasıdır. Bu iki fiziksel olayla bağlantısı olarak döküm malzemenin yapı ve özellikleri şekillenmektedir [Campbell, 2004, Stefanescu, 2009, Ruddle, 1956, Ravi, 2006, Sutton ve Ficme, 2007]. Döküm parçaların kullanım ömrü, malzemenin içerdiği oksit film tabakaları, boşluklar (mikro ve makro), intermetalik fazların şekli ve miktarları tarafından doğrudan etkilenmektedir. Oksit film tabakaları, şarj malzemesinin ergitilmesi sırasında ve sıvı metali kalıp boşluğuna taşıyan yolluk sisteminden kaynaklanmaktadır [Campbell, 2003, Campbell, 2004]. Oksit film tabaklarının kalınlıkları ve oksijen içerikleri birbirinden farklıdır. Sıvı metalin kalıp boşluğunu doldurması sırasında, sıvı metal yüzeyinde oluşan oksit film tabakasının düzensiz hareketi, oksit film tabakasının kırılmasına, katlanmasına ve sıvı metalin daha fazla oksitlenmesine sebep olmaktadır. Oksit film tabakasının kendi üzerine katlanmasıyla

27 2 oksit battaniyesi veya bifilm oksitleri oluşmaktadır. Oksit film veya bifilm oksit tabakalarının kimyasal kompozisyonu, alaşımı oluşturan elementlere bağlıdır. Kırılan oksit filmler ve bifilm oksit tabakaları sıvı içersinde katılaşma tamamlanana kadar yoğunluklarına bağlı olarak sıvı içerisinde yüzerler ve katılaşan metal içerisinde kılcal çatlaklar halinde görülürler [Fox ve Campbell, 2000, Fox ve Campbell, 2002]. Alüminyum alaşımlarının yapısında oluşan boşluklar, sıvı metal içerisindeki çözünemeyen gazlardan ve sıvı-katı arasındaki faz dönüşümü sırasında meydana gelen yoğunluk farkından kaynaklanmaktadır. Döküm yöntemiyle üretilen Al-Si-Mg alaşımlarında hidrojen, sıvı metale şarj edilen metalden, ergitme ortamından veya kalıp atmosferinden difüz edebilir. Sıvı metal içerisinde yüksek oranda çözünebilen gazlar, katı malzemede sınırlı çözünürlükleri sebebiyle, katılaşan malzeme içerisinde küresel gaz boşlukları oluşturmaktadır [Campbell, , Campbell-2, 2006, Anson, 1999]. Çoğunlukla çözünürlük miktarının üzerinde bulunan gazlar, oksit film veya bifilm oksit tabakalarına difüz etmektedir [Dışpınar ve Campbell, , Dışpınar ve Campbell, , Dışpınar ve Campbell, 2011]. Katı-sıvı faz dönüşümü sırasında meydana gelen yoğunluk farkından dolayı oluşan çekme boşlukları ise dendritler arasında daha karmaşık şekilli boşlukları oluşturmaktadır. Katılaşan sıvı metal, içerdiği alaşım elementi oranlarına bağlı olarak alaşım ve intermetalik fazlar ve bileşiklerden oluşmaktadır. Döküm işlemi süresince kalıp boşluğunu dolduran sıvı metal, sıcaklığının sadece %1 ini kaybeder. Geri kalan ısı enerjisi ise yapısal dönüşüm sırasında kalıp malzemesine iletilir. Isı akışı, (soğuma oranı) makro ve mikro yapıyı oluşturan fazların oluşumunda önemli rol oynar. Oksit film tabakaları ve oluşan intermetalik fazlar birbirleri ile ilişkilidir [Cao ve Campbell, 2000, Mi, 2003, Campbell, 2006, Campell, 2008]. İntermetalik fazların çekirdeklenmesi genellikle bu oksit film tabakalarının yoğun olduğu bölgelerde olmaktadır. Bu çalışmanın birinci amacı, döküm A356 alüminyum alaşımı farklı yolluk sistemi (diffüzörlü ve difüzörsüz) kullanılarak meme girişinde ve kalıbın dolumu esnasındaki sıvı metalin hızı, türbülanslı hareketine bağlı olarak oluşan oksit film tabakalarının malzemenin mekanik özellikleri arasındaki ilişkiyi araştırmaktır. Bu aşamada Weibull istatiksel analizi ile döküm malzeme için uygun yolluk sisteminin

28 3 belirlenmesi hedeflenmiştir. İkinci amacı ise ısı iletim katsayısı düşük malzeme ile farklı soğutucular kullanılarak tek yönlü katılaşma sağlanarak farklı soğuma hızlarında oluşan oksit film tabakaları, gaz ve çekme boşlukları ve intermetalik fazların oluşum yerleri ile bunların aralarındaki ilişki incelenmiştir. Isı akışına bağlı olarak farklı konumlardaki döküm malzemenin mekanik özellikleri karşılaştırılmıştır.

29 4 2. SIVI METAL HAREKETİ Döküm işlemi; kalıplama, ergitme, alaşımlama, kalıbın sıvı metal ile doldurulması, katılaşma ve kalıbın bozulmasını ile tamamlanan bir üretim sürecidir [Campbell, 2003, Campbell, 2004]. Soğuma şartlarına bağlı olarak, sıvı metalin kalıp içerisinde katılaşması tamamlanır. Bu sonuçla kullanılan yolluk sisteminde malzemenin mekanik özellikleri üzerine etkisi oldukça fazladır. Çünkü döküm malzemenin mekanik özelliklerini, yapısını, boşluk oluşumlarını yolluk sistemi tasarımı ile kontrol etmek mümkündür [Campbell, 1993, Campbell, 2003, Yu, 2002, Flemings, 1974, Stefanescu, 2009]. Öncelikle kalıplama aşamasında yolluk sistemlerinin doğru tasarlanması sıvı metalin hareketinin düzensizlik seviyesinin kabul edilebilir olması gerekir. Yapılan bir çalışmada döküm yolluk sistemlerinin tasarım hatalarının toplam fire oranının %30-50 sini oluşturduğunu ortaya konmaktadır [Ruddle, 1956]. Döküm işlemi sonrasında istenen tane yapısı, (katılaşma şartlarına bağlı olarak) sıvı-katı dönüşümü soğuma oranı ve hızına göre bağlı olarak değişmektedir. Soğuma hızı ve oranındaki farklılığının yüksek olması tane boyutu, dolayısıyla mekanik özelliklere etki eder [Campbell, 2003, Yu, 2002, Flemings, 1974, Stefanescu, 2009]. Günümüzde çoğu üretim süreçlerinde önceden çıkabilecek sorunları ve tasarım hatalarının tahmin edilebilmesi için simülasyon programları kullanılmaktadır. Döküm yolluk sistemlerinde kalıp boşluğunun sıvı metal doldurulması, kütle (Eş. 2.1), momentum (Eş. 2.2) ve enerji eşitliği (Eş. 2.3) ile gerçekleşmektedir. Bu eşitlikler Navier-Stokes eşitlikleri olarak adlandırılır ( x, y ve z yönleri dikkate alınarak sonlu elemanlar, sonlu farklar ve sonlu hacimler gibi sayısal analiz yöntemleri ile çözümlenmektedir). Bu eşitliklerde sıcaklığa bağlı olarak yoğunluk değişimi ihmal edilmektedir [Ruddle, 1956, Sutton ve Ficme, 2007]. Kütlenin korunumu veya süreklilik eşitliği, V X V Y V Z 0 2.1

30 5 Momentumun korunumu eşitliği, V t V V x V V y V V z 1 ρ ρ V x µ x V y V z g, V t V V x V V y V V z 1 ρ ρ V y µ x V y V z g, V t V V x V V y V V z 1 ρ V ρ z µ x V y V z g, g g,g,g 2.2 Enerjinin korunumu eşitliği, T t V T x V T y V T z k T ρc x T y T z.2.3 1, 2 ve 3 nolu eşitlikler sayısal analiz yöntemleri kullanılarak bilgisayar ortamında simüle edilmektedir. Ayrıca sıvı metal hızı, akış oranı ve akış kalitesi hakkında deneysel metotlarda kullanılmaktadır [Ravi, 2006]. Sıvı metal hızının ve akış oranının belirlenmesinde; kalıp boşluğuna ulaşan sıvının ağırlığı, yörünge ve elektrik metodu kullanılmaktadır. Ağırlık metodu basitçe dikey yolluktan yatay yolluğa iletilen sıvı ağırlığının ölçülmesiyle bulunur. Fakat yolluk sistemindeki sıvı akışının sürekli (tamamen dolu) olduğu düşünülse de, başlangıç aşamasında sıvı akışı süreksizdir. Yörünge metodunda ise; dikey yolluktan yatay yolluğa ve meme bağlantısına iletilen sıvı metalin, kalıp boşluğunda düştüğü yükseklik ve yatay eksendeki uzaklık ile sıvı metal hızı ve akış oranı ölçülmektedir. Elektriksel metotta ise, sıvı metalin izlediği yolluk sistemi elemanına yüksek iletkenliğe sahip tel yerleştirilir. Yolluk sistemi boyunca sıvı metal akışındaki direncindeki değişim katot-ışını ve osilograf ile sıvı akış hızı ve akış oranı ölçülmektedir. Sıvı metalin akış kalitesi; doğrudan görüntüleme, su ile modelleme, x

31 6 ışını radyografi kullanılarak veya farklı renkte sıvı kullanımı gibi metotlar ile belirlenmektedir. Doğrudan görüntüleme metodu, basit geometriye sahip döküm parçalar için rahatlıkla uygulanmaktadır. Kalıp boşluğunun uygun bir kısmına yerleştirilecek olan ısıya dayanıklı cam ile sıvı metalin hareketi doğrudan izlenmektedir. Su ile modelleme metodunda döküm parça ve yolluk sistemi suyun hareketinin rahatlıkla görülebileceği uygun malzeme üzerine işlenir. Kalıp boşluğu ve yolluk sistemi, su ile doldurularak döküm boşluğunun dolum süreci tamamen izlenir. Fakat su ile modelleme sonuçları sıvı metal ve suyun yüzey gerilimlerinin farklılığından dolayı örtüşmemektedir. X-ışını radyografi metodunda ise silikadan hazırlanan kalıplar, x-ışını cihazına yerleştirilerek döküm gerçekleştirilir. Sıvı metalin kalıba dökülmeye başlaması ile kalıp boşluğunu tamamen doldurmasına kadar geçen zaman aralığındaki hareketi (yolluk sistemi ve kalıp boşluğundaki) ölçülür. Bu metodun en büyük avantajı, yolluk sistemi ve kalıp boşluğunun birlikte izlenebilmesidir. Farklı renklerdeki sıvıların karıştırılarak modellenmesi sıvıların yoğunluk farkları ve farklı sıvılar kullanılarak kalıp boşluğuna dökülür. Bu metotun en büyük dezavantajı ise, kalıp boşluğunda katılaşan sıvının farklı katılaşma oranlarından dolayı, sıvı metal kalitesi hakkında net sonuçlar verememektedir [Ruddle, 1956] Sıvı Metal Hareketi ve Enerjileri Sıvı metalin kalıp boşluğunu doldurması sırasındaki hareketi, akışkanlar mekaniği ve hidrodinamik kuralları ile açıklanmaktadır. Sıvıların hareketinde sürekli ve süreksiz akış şartları geçerlidir. Sürekli akış, sıvı akışının zamandan bağımsız olarak akış kanalında herhangi bir noktada sabit olması anlamına gelir. Süreksiz akış, sıvının bir noktadaki akış hızının zamana bağlı olarak farklılık göstermesidir. Çoğunlukla akış şartları başlangıçta süreksizdir. Fakat pratikte bu durum ihmal edilerek hesaplamalar sürekli akış şartlarına göre değerlendirilmektedir. Sıvı metalin yolluk sistemindeki ve kalıp boşluğundaki ilk hareketi süreksizdir. İlerleyen süreçte yolluk sistemi tamamen sıvı metal ile dolar ve akış sürekli durumuna ulaşır. Ayrıca sıvı metalin kalıp boşluğunu doldurma karakteristiği, iki

32 7 önemli parametre ile kontrol edilir. Bunlar sıvı metalin akıcılığı ve akış durumudur. Sıvı metalin akıcılığı; sıcaklığı, düşme yüksekliği, kesit kalınlığı ile doğrudan, viskozitesi, yüzey gerilimi, kalıbın ısıl difüzitesi, kalıp boşluğundaki geri basınç ve sıvı metal- kalıp arasındaki sürtünme ile dolaylı olarak etkilenmektedir [Ravi, 2006, Sutton ve Ficme, 2007, Reikher ve Barkhudarov, 2007]. Sıvı metalin akış durumu ise laminer (sürekli/düzgün), türbülanslı (süreksiz/düzensiz) ve geçiş olarak ele alınmaktadır. Laminer sıvı hareketi, yolluk sistemin de sıvı metalin akış yönünde ve birbirlerine çarpmadan paralel olarak hareket etmesidir [Ruddle, 1956]. Türbülanslı sıvı hareketi, sıvı metalin yolluk sisteminde rastgele (gelişi güzel) hareket etmesi olarak tanımlanmaktadır. Geçiş durumu ise laminer ve türbülanslı akış arasındaki akış şeklidir. Döküm sürecinde kalıp boşluğunun doldurulmasında geçiş veya laminer akış durumu tercih edilmektedir. Akışkanlar mekaniğine göre, hareketli bir sıvıya viskoz kuvvetler ve iç kuvvetler etki etmektedir. Viskoz kuvvetler sıvı metalin hareketini laminer akış gelişmesini, iç kuvvetler ise sıvı metalin türbülanslı akış gelişimini sağlamaktadır. Döküm yolluk sistemlerinde, ilk aşamada sisteme giren sıvı metal, süreksiz bir akış durumu sergileyerek kanal boyunca çalkalanma ve sıçramalar ile kalıp boşluğunu doldurur. Özellikle dikey yolluk boyunca sıvı metal düşmenin etkisi ile ciddi sıçrama ve kendi üzerine katlanma eğilimindedir. İkinci aşamada ise, yolluk sistemini tamamen dolduran sıvı metalin akışı sürekli akışı durumuna geçer. Burada ilk aşamada oluşan çalkalanma ve sıçrama görülmez ve sisteme giren sıvı metal akış oranı (hacimsel) sabit bir seviyeye ulaşır. Üçüncü aşama ise kalıp boşluğuna ulaşan sıvı metalin kalıp boşluğunda yükselmesi ve sakin bir biçimde kalıp boşluğunu doldurmasıdır. Kalıp boşluğunun doldurulması sürecini oluşturan bu üç aşama arasında (ilk iki aşamada), sıvı akışının süreksizliğinden dolayı hava sürüklemesi, çalkalanma ve sıçramalar oluşmaktadır. Sıvı metalin akış şartlarından kaynaklanan düzensizliği, sıvının sahip olduğu enerji miktarlarının bilinmesiyle kontrol edilebilir [Sutton ve Ficme, 2007]. Hareket halindeki sıvı, potansiyel ve kinetik enerji olmak üzere iki farklı enerjiye sahiptir. Sıvının potansiyel enerjisini, konum (pozisyon) enerjisi ve basınç enerjisi oluşturur. Sıvının konum enerjisi (mgh), yerçekimin etkisinden kaynaklanan potansiyel enerjisidir ve uygun referans yüzey (alt yüzey) dikkate alınarak

33 8 hesaplanmaktadır. Referans yüzeyden H yüksekliğinde bulunan m kütlesindeki sıvının konum enerjisi, sıvı kütlesi ile yüksekliğinin çarpımına eşittir. Basınç enerjisi, P basıncı altındaki sıvının yapabildiği iş miktarıdır. Basınç enerjisi (P/w), sıvı taneciğin sıvı yüzeyinden bulunduğu konuma olan yükseklik arasındaki kolonsal birim hacminin ağırlığından kaynaklanan basıncın (P), birim hacim ağırlığa (w) bölümüdür. Sıvının kinetik enerjisi ((mv 2 )/2), kütlesi m, etkin hızının karesi V ile çarpımının yarısına eşittir. Eğer birim ağırlığın kinetik enerjisi söz konusu ise, ağırlığı yerine kütle cinsinden değeri yazılır. Birim kinetik enerjisi (V 2 /2g) ile hesaplanmaktadır [Campbell, 2004]. Sıvının enerjisi bulunduğu yüksekliğe bağlıdır. Bu yüzden enerji yerine terimsel olarak yük şeklinde ifade edilmektedir. Kısaca hız yükü (birim kinetik enerjisi) (V 2 /2g), konum yükü (konum potansiyel enerjisi) (H) ve basınç yükü (P/V) şeklinde tanımlanabilir [Ruddle, 1956, Webster, 1964] Sıvı metal akış durumu Sıvı metalin yolluk sistemi içerisindeki akış durumu ve hareketi, akışkanlar mekaniğinin temel eşitlikler ve prensipleri ile değerlendirilmektedir. Sıvıların akış durumlarının kalitesi, boyutsuz Reynolds sayısı (Re), Froude sayısı (Fr) ve Weber sayısı (We) ile açıklamaktadır [ASM, 2009, Potter, 2008]. Sıvı kritik hızın altındaki değerde sıvı laminer, kritik hızdan yüksek hızlarda ise türbülanslı akış durumu sergiler. Birçok sıvı metal için yüksek hız, kritik hızın %50 fazlasıdır. Fakat yeterli önlemler alınır ise, yüksek hız kritik hızın 20 katına kadar da çıkarılabilmektedir. Reynolds sayısı, sıvının atalet kuvvetlerinin viskoz kuvvetlere oranıdır ve Eş. 2.4 ile hesaplanmaktadır. Sıvının ortalama hızı, ilerlediği kanalın çapına ve sıvının viskozitesine bağlıdır. Reynolds sayısı 2000 değerine kadar sıvının akış durumu laminer, arası geçiş durumu, değeri ve sonrasında türbülanslı akış durumu göstermektedir. Reynolds sayısına bağlı olarak sıvı metal için kritik alt sınır ve üst sınır olarak sıvı hızı belirlenmektedir. Bütün sıvılar için Re =2000 kritik alt sınır hızı, 3000<Re>4000 kritik üst sınır hızı olarak tanımlanmaktadır [Ruddle, 1956, Sutton ve Ficme, 2007]. Sıvı metalin ortalama hızı (V), ilerlediği kanalın hidolik çapı

34 9 (D), sıvı metalin viskozitesi (µ), düştüğü yükseklik (h), yerçekimi ivmesi g (9,82 m/sn 2 ) ve yüzey gerilimi (γ) ile gösterilmiştir. Kanalın yarıçapı, kanal kesit alanı ve şekline bağlıdır. Kanal kesit alanının dört katının, sıvı tarafından ıslatılan çevreye bölümüne eşittir [ASM 2009, Potter, 2008]. Şekil 2.1 de sıvı akış durumu ve Reynolds sayısı arasındaki ilişki gösterilmiştir. Re VD µ 2.4 Şekil Sıvı metal, Re<2000 laminer (a), 2000 Re<20000 geçiş (b) ve Re türbülanslı (c) akış durumları [ASM, 2009] Froude sayısı, belli bir yükseklikten düşen sıvın akış durumu hakkında bilgi vermektedir ve Eş. 2.5 ile hesaplanır. Sıvının hızına ve düşme yüksekliğine bağlıdır. Froude sayısı, Weber sayısına nazaran daha büyük açık kanallardaki sıvının akış durumunun değerlendirilmesinde, geniş yatay yolluklarda hidrolik sıçrama oluşumlarının incelenmesinde kullanılmaktadır. Froude sayısı 1 değerinin altında laminer akış, 1 e eşitse kritik geçiş durumu ve 1 den büyük ise türbülanslı akış durumu olduğunu belirtmektedir.

35 10 Fr V hg 2.5 Weber sayısı, sıvının iç kuvvetlerinin yüzey gerilimine oranıdır. Sıvı metalin akış durumundan daha fazla yüzey türbülansının ifade edilmesinde kullanılmaktadır (Eş. 2.6). Yüzey türbülansı, kalıp boşluğunu dolduran sıvı metalin üst yüzeyindeki atomik çekim kuvvetleri etkisi ile ince ve zar şeklinde olan film tabakasının düzensiz (türbülanslı) hareketidir. Yüzey türbülansı sıvı metal hızına, ilerlediği kesit şekline ve alanına bağlı olarak değişmektedir. We ρv D γ 2.6 Sıvı metalin akış oranı sıvının ilerlediği kesit alanı, sıvı metal yoğunluğu ve hızın çarpımı ile hesaplanmaktadır [Ruddle, 1956, Sutton ve Ficme, 2007, ASM, 2009, Potter, 2008, Srinivasan, 1962, Campbell, 2004] Sıvı metal hareketine etki eden enerji kayıpları Akışkanlar mekaniğine göre sıvılar, kanal ve borulama sistemlerinde hareket ederken sahip oldukları enerjilerinin bir kısmını kaybetmektedirler. Sıvı metal kalıp boşluğuna ulaşana kadar yolluk sisteminden geçmek zorundadır. Döküm yolluk sistemi elemanlarının bağlantı şekilleri, geometrileri ve kesiti, sıvı metalin yönünü ve hızını etkilemektedir. Sıvı metal yolluk sisteminde hareketi sırasında sürtünmeden dolayı meydana gelen basınç düşüşü yük kaybına, neden olmaktadır. Ani kesit değişiminden kaynaklanan L ve T dirsek dönüşlerinden dolayı ise bölgesel kayıpları oluşmaktadır. Uygulamalarda oluşan laminer veya türbülanslı akış şartlarında, dairesel veya dairesel olmayan kesitli kanallarda, pürüzlü/pürüzsüz yüzeylerdeki basınç kaybı P ile simgelenir. [( P=P1-P2) ve Eş. 2.7 ile hesaplanmaktadır]. Sistemdeki sürtünmeden kaynaklanan basınç kaybı h s ile gösterilmektedir. L, sistemde sıvının ilerlediği mesafe, f sistemin sürtünme faktörüdür. Sürtünme faktörü, Re sayısı ve pürüzlülüğe bağlı olarak Moody diyagramından okunur, ya da Eş. 2.8 ile yüzey gerilimi ( ), hızı ve yoğunluğuna

36 11 bağlı olarak hesaplanır [Ruddle, 1956, Sutton ve Ficme, 2007, Reikher ve Barkhudarov, 2007, Çengel, 2008]. h P ρg fl D f 8γ ρv V 2g Sıvı metalin yolluk sistemine giriş yaptığı ve yönsel değişiklikleri (L ve T dirsek, ilerlediği kesit alanının) genişleten veya daraltan sistem elemanlarında kaynaklanan yük kaybına bölgesel kayıplar denir. Genellikle bölgesel kayıplar sistemde sürtünmeden kaynaklanan sürekli kayıplardan daha küçüktür. Fakat bazı sistemlerde bölgesel kayıplar, sürekli sürtünmeden kaynaklanan kayıplardan fazla olabilmektedir. Sistemdeki bölgesel kayıplar h b olarak gösterilir ve Eş. 2.9 ile hesaplanmaktadır. K katsayısı sistem için deneysel olarak belirlenen yük kayıp katsayısıdır. h K V 2g 2.9 Ayrıca döküm işlemi sırasında sıvı metalin sıcaklığına bağlı olarak kullanılan kalıp malzemesindeki bağlayıcı kimyasalların ve ortam neminin kalıp boşluğu ve yolluk sistemindeki basıncı artırdığı bilinmektedir. Basınç faktörü kalıp boşluğunda ve yolluk sisteminde sıvı metalin hareketi üzerine oldukça etkilidir. Yapılan çalışmalarda akrilik kalıplardaki su uygulamalarında basınç kalıp boşluğunda belirli bölgelere yerleştirilen basınç sensörleri ile ölçülmektedir. Bunun yanında, kalıp boşluğunda artan sıvı hacminin ve kalıp boşluğundaki gaz basıncı dikkate alındığında akış oranının azaldığı görülmektedir [Hwang ve ark., 1997].

37 Bernoulli eşitliği Daniel Bernoulli tarafından 1738 yılında sıvıların akışı sırasındaki anlık hızları, enerjinin korunumu eşitliği ile ifade edilmiştir. Bernoulli eşitliği, sıvı akışının kinetik, potansiyel ve akış enerjilerinin korunumu ve bu enerjilerin net viskoz kuvvetlerin ihmal edilebilir olduğu durumlarda, diğer sınırlayıcı şartlara bağlı olarak birbirlerine dönüşümleri ile ilgilidir [Çengel, 2008]. Döküm yolluk sistemlerinde farklı pozisyonlarındaki sıvı metal hızı, akış kanalı boyunca uygulanan enerjinin korunumu eşitliği kullanılarak hesaplanabilir. Şekil 2.2 deki gibi basit bir sistemde Bernoulli eşitliği, viskoz kuvvetlerden kaynaklanan enerji (yük kayıpları ihmal edilirse) Eş ile hesaplanmaktadır. Şekil Bernoulli eşitliğinin terimlerinin gösterilmesi [Campbell, 2004] P ρg V 2g H P ρg V 2g H sabit 2.10 Ayrıca sıvı metalin kalıp boşluğunu doldurmasını sağlayan sistemlerde basınç ve yük kaybı söz konusudur. Basınç kaybı yolluk sistemi uzunluğu ve kanal pürüzlüğüne bağlıdır. Yük kayıpları ise yolluk sistemi elemanlarının giriş, çıkış ve kanal kesit alanındaki değişime bağlıdır. Ayrıca eşitliğin her iki tarafında yer alan kinetik enerjilerine bir α kinetik enerji düzeltme katsayısı eklenmektedir. Sıvı metalin

38 13 yolluk sistemindeki hareketi sırasında bu değer genellikle Re=43702 olduğunda, bu kinetik enerji düzeltme katsayısı 1,07 olarak alınmaktadır [Ruddle, 1956]. Birçok araştırmacı bu değeri ihmal etmektedir. Sistemdeki oluşan bölgesel yük kaybı sistem oluşuma göre eşitliğe eklenmelidir. Eşitliğe kinetik enerji düzeltme katsayısı ve yolluk sistemindeki toplam kayıplar (Σh= h s + h b ) eklenir ise Eş ile hesaplanmaktadır. Sistem elamanlarının sebep olduğu bölgesel yük kayıpları ayrı ayrı hesaplanmalıdır. Z, 1 ve 2 nolu noktaların referans yüzeye göre yüksekliklerini simgelemektedir [Ruddle, 1956, Sutton ve Ficme, 2007, ASM, 2009, Çengel, 2008]. P ρg V 2g H P ρg αv 2g H h h Kütlenin korunumu-süreklilik eşitliği Kütle, enerji gibi bir sistemin korunan bir özelliğidir. Bunun anlamı süreç sırasında enerji veya kütle yoktan var veya vardan yok edilemez. Kütlenin korunumu eşitliği matematiksel olarak bu prensibe dayanmaktadır. Bir sıvının ilerlediği kanala uygulandığında, (sıvının kanal yüzeyindeki kütle kaybı ihmal edilirse), kanala giren sıvı kütlesi kadar ilerleyen veya çıkan sıvı kütlesi olmalıdır. Şekil Kütlenin korunumu eşitliğinin türetilmesinde kullanılan sistem [Çengel, 2008] Şekil 2.3 deki sistem de A 1 kesit alanında V 1 hızı ile ρ yoğunluğundaki sıvı daha geniş kesit alanına sahip A 2 kesit alanında V 2 hızı ile ilerlemektedir. Akışın daimi ve sürekli olduğu düşünülürse, 1 ve 2 nolu kesitlerden akan sıvının kütlesel debisi eşittir.

39 14 A V ρ A V ρ sabit 2.12 Sıkıştırılamaz sıvılar için ilerlediği sistem içinde yoğunluğu eşit olduğundan, yukarıdaki eşitlikten hacimsel akış oranı (Q) bulunur. A V ρ A V ρ Q sabit 2.13 Eş ten anlaşılacağı gibi kesit alanının artığında sıvı hızı azalmakta veya hız artığında kesit alanı azalmaktadır [Çengel, 2008, White, 2004] Döküm Yolluk Sistemi Elemanları Sıvı metalin kalıp boşluğunu doldurması sırasındaki hareketi, yolluk sistemi tarafından sağlanır. Yolluk sistemi; döküm havuzu (havşa), dikey ve yatay kanallardan oluşur. Şekil 2.4 de bir döküm işleminde sıvı metalin kalıp boşluğuna iletilmesinde kullanılan yolluk sistemi elemanları görülmektedir. Ek olarak dirsek, difüzör (redüksiyon), filtre vb. elemanlar da yolluk sistemine ilave edilebilmektedir. Sıvı metalin hızı ve akış durumu, izlediği yolluk sistemini oluşturan elemanının kesit alanına ve geometrik şekline göre kalıp içerisinde yöne bağlı olarak değişir. Sıvı metalin hareketi genellikle akış oranı olarak tanımlanır. Sıvı metalin hızı, akış oranından kesit alanına bağlı olarak değişmektedir [Campbell, 2003, Campbell, 2004, Ruddle, 1956, Sutton ve Ficme, 2007, Reikher ve Barkhudarov, 2007, ASM, 2009].

40 15 Şekil Döküm işleminde sıvı metalin kalıp boşluğuna iletilmesinde kullanılan kanal elemanları [ASM, 2009] Döküm havuzu (Havşa) Döküm havuzu, sıvı metalin ergitme fırınından alınıp kalıp boşluğunu doldurulması için, kalıp ile sıvı metalin ilk temas ettiği yolluk sistemi elemanıdır. Sıvı metalin, potadan dökülmesi sırasında ani çarpma ve oksitlenmelerin engellenmesi gerekir. Döküm havuzunun dikey yolluğun döküm süresince ihtiyaç duyduğu sıvı metali karşılayabilecek hacimde sıvı metal alması ve dikey yollukta sürekli akışı sağlaması gerekir. Ayrıca döküm havuzu geometrisi, dikey yolluktan akan sıvıda girdap oluşumunu ve hava sürüklenmesini engellemelidir. Sıvı metalin potadan döküm havuzuna düşme yüksekliği de sıvı metalin hızlanmasına, oksitlenmesine ve kalıntı oluşumuna neden olmaktadır. Bifilm (oksit katlanması) oksit tabakaları, döküş yüksekliğine bağlı olarak türbülans etkisinden dolayı artmaktadır [Campbell, 2004, Dışpınar, 2004]. Alüminyum alaşımlarındaki bifilm oksit film tabakaları ve hidrojen içeriği, düşük basınç test cihazı ile belirlenmektedir. Resim 2.1 de farklı döküş yüksekliğine sahip döküm numunelerdeki bifilm oksit tabakalarının oluşumu ve artışı görülmektedir. Döküm havuzunun şekli, girdap oluşumunu engellediği için dikdörtgen kesitli olarak tasarlanmaktadır. Döküm havuzunun hacmi, döküm

41 16 parçanın akış oranı göz önünde tutularak hesaplanmaktadır (yaklaşık olarak döküm hacminin %60 kadarı olmalıdır). Resim Farklı döküş yüksekliklerinde düşük basınç cihazında katılaştırılan sıvı metalin bifilm oksit tabakası optik mikroskop görüntüsü [Dışpınar ve Campbell, , Dışpınar ve Campbell, ] Döküm havuzundaki oksit film tabakalarının kırılmasını ve bifilm oksit film tabakalarının oluşumunu engellemek ve yolluk sistemindeki sürekli akış durumunu sağlamak için dikey kanal girişinde stoper (durdurucu) kullanılmaktadır. Sıvı metalin döküm havuzundan dikey yolluğa iletilmesi sırasında, sıvı metal bölgesel yük kaybına uğramaktadır. Sıvı metalin kalıp boşluğuna temiz olarak iletilmesinde girdap oluşumunun engellenmesi gerekmektedir [Campbell, 2004, Ruddle, 1956] Dikey yolluk (Gidici) Dikey yolluk, döküm parça geometrisine (kalıplama yüksekliğine), besleyici pozisyonuna göre değişen, sıvı metalin sahip olduğu potansiyel enerjinin kinetik enerjiye dönüştüğü dikey kanaldır [Campbell, 2004, Ruddle, 1956]. Döküm işleminde sıvı metalin hızı düşme yüksekliğinin kareköküne bağlı olarak artmaktadır. Sıvı metalin dikey eksende düşmesi sırasında kalıp boşluğundan sıkışan hava, sıvı metale doğru bir basınç uygular. Ayrıca kumun gaz geçirgenliğinden dolayı oluşan hava akımı, sıvı metalin kirlenmesine sebep olmaktadır. Döküm havuzundan düşen sıvı metalin izlediği kesit alanı, hızın artması ve kalıp basıncından dolayı azalır. Dikey yolluklarda oluşan bu durum akış oranının azalmasına sebep olmaktadır. Ayrıca sıvı metalin sürekli yukarıya doğru çıkmak isteyen kalıp atmosferi ile teması,

42 17 oksit film içeriğinin artmasına ve hava sürüklenmesine de sebep olmaktadır. Kalıp malzemesinin gaz geçirgenliği, özellikle düşen sıvı metalin çevresinden sürekli bir gaz çıkışına sebep olmaktadır. Şekil 2.5 te sıvı metalin dikey eksende hareketi sırasında dikey yolluk kalıp duvarlarında meydana gelen düşük basınçtan dolayı boşluk oluşması, kalıp kumunun gaz geçirgenliği sebebi ile hava emişi görülmektedir. Sıvı metalin sürekliliğinin ve akış oranının azalmaması için, dikey yolluk çıkış (alt) kesit alanı azaltılmalıdır. Kesit alanındaki daralma döküm havuzu yüksekliği ve dikey yolluk yüksekliğine bağlı olarak kütlenin korunumu prensibine göre hesaplanır [Campbell, 2004, ASM, 2009]. Li ve arkadaşları enerjinin korunumu ve kütlenin korunumu eşitliklerini, Nikel bazlı türbin bıçaklarının hassas döküm metodu ile üretiminde, yolluk sistemlerinin hesaplanmasında kullanmışlardır ve böylece sıcak yırtılma riskini %10 oranında azaltmışlardır [Li ve ark., 2004].. Şekil Sıvı metalin dikey yolluktan düşmesi sırasında kanal duvarlarından ayrılması [ASM, 2009] Şekil 2.6 da kütlenin korunumu prensibine göre, dikey yolluk ve döküm havuzu yüksekliğine göre kesit alanı daralışı görülmektedir. Döküm havuz yüksekliği H 1, dikey yolluk toplam yüksekliği H 2, sırasıyla giriş ve çıkış alanları A 1 ve A 2 olarak gösterilmiştir. Dikey yolluk için kütle korunumu prensibi ile sürtünme ve girişteki yük kayıpları ihmal edilerek basit olarak süreklilik durumunda hesaplanabilir. Dikey yolluk sistemine giren sıvının kinetik enerjisi, sisteminden çıkan sıvının kinetik enerjisine (Eş ve 2.15) eşittir.

43 18 2g H A 2g H A 2.14 A A H H 2.15 Dikey yolluk toplam yüksekliği ve döküm havuz yüksekliği göz önünde tutularak, Eş veya 2.15 ile kesit alanları bulunur. Dikey yolluk elemanında bölgesel ve sürtünmeden kaynaklanan yük kaybı oluşmaktadır (dökümhanelerde sıklıkla bu gerekli alan daralması için 5 eğim ile sağlanmaktadır). Şekil Döküm dikey yolluğunun yüksekliğe göre kesit alanlarının gösterilişi [Campbell, 2004] Yatay yolluk (Cürufluk) Yatay yolluk, dikey yolluktan aldığı sıvı metali direk kalıp boşluğuna veya meme bağlantı elemanına ileten sistem elemanıdır [Campbell, 2003, Asthana ve ark., 2006]. Richins ve Wetmore paralel ve inceltilmiş dikey yolluklarda, 5 ve 65 inç uzunluğunda düz yatay yollukların akış oranlarını ölçmüşlerdir [Richins ve Wetmore, 1952]. Yatay yolluk uzunluğunun artması ile inceltilmiş dikey yolluklarda akış oranı azalmıştır. İnce yatay yolluklarda sürtünmeden kaynaklanan kayıplardan dolayı akış oranı azalmaktadır. 90 açı ile birleşen dikey ve yatay yolluğa sahip sistemlerde, yatay yolluk uzunluğu artıkça akıştaki çalkantı ve sıçramalar

44 19 azalmaktadır. Fakat yatay yolluk sistemleri uzun olsa bile, girişte sıvı metalin oksitlenmesine, gaz sürüklemesine veya kalıntı oluşumuna engel olamamaktadır Yatay yolluk sonuna yolluk sistemine ilk giren muhtemelen oksitlenen sıvı metali tutan tuzaklar ve son noktadaki katlanmayı engellemek için eğimlendirilip inceltilerek bitirilir. Birçok yolluk sisteminde sıvı metal hızı yatay yolluk kesit alanının artırılması ile azaltılmaktadır. Fakat yatay yollukta ani kesit genişlemesi veya daralması sonucunda sıvı metalin oksitlenmesi, hava sürüklenmesi veya kalıntı oluşumu meydana gelmektedir. Genel olarak yatay yolluklarda sıvının hızının azaltılması, kalıp duvarlarından ayrılmaması, türbülans oluşturmaması beklenir. Sıvı metalde oluşması muhtemel çalkantıyı ve koruyucu oksit film tabakasının kırılmasını, katlanmasını engellemek için, yatay yolluk genişliği minimum yatay yolluk yüksekliğine göre karar verilmelidir [Campbell, 2003] L ve T dirsek elemanları Döküm yolluk sisteminde sıvı metalin istenilen yönde ilerlemesini sağlayan kanallardır. Dikey ve yatay yolluğun kesiştikleri ve yatay yolluk ile meme bağlantı elemanı arasında kullanılmaktadırlar. Dikey-yatay yolluk geçişi sırasında hava sürüklenmesinin, aşırı türbülansın engellenmesinde etkin olarak kullanılmaktadırlar [Campbell, 2003, Ruddle, 1956, Sutton ve Ficme, 2007, ASM, 2009, Beddoes, 1999]. Sıvı metalin dikey ve yatay yolluk geçişi esansında yönü değişir. Ayrıca sıvı metal her yön değiştirdiğinde hızında yaklaşık olarak % civarında bir azalma olmaktadır. Sıvı metalin L dirseği geçmesi sırasında, Şekil 2.7 deki gibi 90 açı ile birleştirilen yolluk sistemi elemanlarında vena daralmasından dolayı ölü bölgelerin oluşumu (a), hava sürüklenmesi ve sıvı metalin oksitlenmesi, katlanmış oksit filmlerin oluşumu (b) kaçınılmazdır.

45 20 Düşük basınç sonucu oluşan ölü bölge Hava sürüklenmesi ve sıvı metalin oksitlenmesi Şekil Sıvı metalin yön değiştirmesi sırasındaki oluşumlar [ASM, 2009] Eğer dirsek bağlantı elemanında yeterli çap verilmiş ise sıvı metalin kalitesi de korunmuş olacaktır. Sonuçta daha az oksitlenmiş sıvı metal, yatay yolluk boyunca ilerleyecektir. L dirsek hakkında yapılan çalışmalar özellikle dirsek iç ve dış çapların, farklı sıvı metal hızlarına bağlı 2 ve 3 boyutlu olarak Flow3D similasyon programı ile araştırılmıştır [Dai ve ark., 2003, Hsu, 2009, ASM, 2009]. X-ray radyografi ile kalıplardaki farklı uzaklıklara yerleştirilmiş meme bağlantılarının bulunduğu sistem için akış oranı boşalma katsayısı (C d ) yörünge metodu ile belirlenmiştir. Ayrıca L dirsekteki vena daralması net bir şekilde görüntülenmiştir [Hsu, 2009]. T dirsek genellikle dikey yolluğa düşen sıvı metalin ayrılmasında ya da yatay yolluk üzerindeki meme elemanın sisteme ilave edilmesinde kullanılmaktadır Difüzör (Yayıcı) Difüzör (yayıcı veya redüksiyon), yolluk sistemlerinde akış oranını değiştirmeden sıvı basıncının azaltılıp hızının düşürülmesini sağlayan yolluk sistemi elemanıdır. Yolluk sistemlerinde yatay yolluklara eklenerek kullanılmaktadırlar. Uygulamada doğrudan ani kesit genişlemesi veya daralması bölgesel yük kaybına, türbülanslı bölgelere sebep olmaktadır. Ayrıca sıvı metalin ilerlediği kanaldaki türbülans, oksitlenme ve gaz sürüklenmesine zemin hazırlamaktadır. Bu yüzden sıvı metal hızının kontrollü bir şekilde azaltılması, yüzeyindeki oksit film tabakasının katlanmasını engellenmektedir. Şekil 2.8 de yatay yollukta hareket eden sıvı metalin ilerlediği kesit alanındaki ani değişimlerden oluşan akış durumu gösterilmiştir.

46 21 Sıvının dar kesit alanından geniş kesit alanına geçmesi halinde, köşelerde ölü bölgeler ve türbülanslı akış oluşmaktadır. Geniş alandan dar alana geçiş düşünüldüğünde ise sıvının ilerlediği dar kesit alanında vena daralması söz konusudur. Kalıp kumunun da gaz geçirgenliği düşünüldüğünde sıvı metalin yolluk sisteminde ilerlemesi sırasında ani kesit değişimine gidilmemesi gerekmektedir. Düşük basınç alanları ve ölü bölgelerin oluşumu Şekil Yatay yolluk sisteminde ani kesit alan artışı sonucu (a) ve ani kesit alan daralması sonucu (b) düşük basınç ve türbülanslı, ölü bölgelerin oluşumu [ASM, 2009] Bu yüzden belli açı ve kesit alanları kullanılarak difüzörler tasarlanmaya çalışılmıştır. Bazı çalışmalarda, kesit alanları ve uzunlukları esas alınarak difüzörler üzerine araştırmalar yapılmıştır [Çengel, 2008, Petrila, 2005, White, 2004, Potter, 2008]. Şekil 2.9.a da konik ve düz cidarlı difüzörlerin tipleri ve uzunluk karakteristiği (Şekil 2.9.b) verilmiştir. Bir düz cidarlı difüzör için en uygun genişleme açısı 2θ, (5<2θ<10) için en uygun genişleme açıcı 7 derecedir. Sıvının ilerlediği kesit alanının değişimi sırasında, cidardan ayrılmaması ve hızının azaltılıp, homojen olarak dağıtılması amaçlanmaktadır. Difüzörün giriş alanı A g, çıkış alanı A ç uzunluğu L ve genişlikleri W ile simgelenmiştir [Çengel, 2008].

47 22 (a) (b) Şekil Konik cidarlı ve düz cidarlı difüzör tipleri (a) ve düz cidarlı difüzör için kararlılık haritası (b) uzunluk karakteristikleri [White, 2004] Bir difüzörün en temel özelliği basınç geri kazanım katsayısı (C p ) ile tanımlanmaktadır. C p, statik basıncın giren dinamik basınca oranıdır (Eş. 2.16). Bununla birlikte sıvının giriş ve çıkış alanlarına bağlı olarak, düz cidarlı difüzörler için alan oranı (AO) yayıcının tasarımında diğer bir önemli parametredir. Sıkıştırılamaz sıvılar düşünüldüğünde Şekil 2.9 daki 1 ve 2 nolu noktalardaki debi eşit olacağından C p katsayısı alanlara bağlı olarak bulunabilmektedir. Eş ile de C p değerinin AO cinsinden değeri hesaplanabilmektedir [Çengel, 2008, Petrıla, 2005, White, 2004, Potter, 2008]. C P P 1 2 ρv 2.16 Düz cidarlı bir difüzör için sürtünmenin ihmal edilir ve Bernoulli eşitliği yazılacak olursa Eş ile C p(sürtünmesiz) Eş ile bulunabilir. P ρ V 2 P ρ V

48 23 C ü ü 1 V V 1 AO 2.18 Ayrıca sıvı metalin difüzörden geçerken bir bölgesel yük kaybı söz konusudur. Bölgesel yük kaybı (h b ) oluşan yük kayıp katsayısı (K b ) ve boşalma katsayısı C d ile hesaplanmaktadır (Eş. 2.19). V h K 2g ve K 1 C C d, gerçek (ölçülen) akış debisinin, hesaplanan (teorik) akış debisine oranıdır ve Eş ile hesaplanmaktadır. Farklı yolluk sistemi elemanları kullanıldığında sistemlerde C d, değeri ölçülürken, sistemde eleman olmaksızın hesaplanan (teorik) akış debisi hesaplanır. Sonrasında difüzör ilave edilerek gerçek akış debisi ölçülür. g V g Gerçek akış debisi A C d = = (2.20) Teorik hesaplanan akış debisi A 2gh Sirrell ve arkadaşları yatay yollukta sıvı hızını azaltmak için ileriye doğru artan bir kesitte difüzör şeklinde yatay yolluk kullanmışlardır [Sirrell and Campbell, 1997]. Sıvı metal hızında etkin bir azalma belirleyememişlerdir. Bunun başlıca sebebi olarak başlangıçtaki sıvı akışının süreksizliği gösterilmiştir. Fakat difüzör kullanımı oksit film tabakalarının oluşumun engellenmesinde etkili olmuştur. Hsu ve arkadaşları, sıvı metalin düşme yüksekliğinden kaynaklanan hızını azaltabilmek için engelleyici kavise sahip bir difüzör tasarlamışlardır. Tasarladıkları difüzörü su ile modelleme yaparak hava sürüklenmesini ve kabarcık oluşumunun engellendiğini belirtmişlerdir. Fakat döküm malzemenin kalitesi üzerine bir çalışma yapmamışlardır [Hsu ve Lin, 2009]. Chang ve arkadaşları, alüminyum alaşımlarının basınçlı döküm metodu ile üretilmesi esnasındaki sıvı metal akışını ve dolum simülasyonunu fan tipinde farklı kesit şekil ve alanlarından oluşan (difüzörler benzer) meme kesit alanları ile gerçekleştirmişlerdir. Simülasyon aşamasında Procast döküm simülasyon metodu kullanılmıştır. Sonuçlarında döküm tamamen katılaşana kadar meme kesit alanından oluşturulan basıncın A356 döküm malzeme üzerine etkili olduğunu belirtmişlerdir. Ayrıca fan tipi meme kesitlerinden yüksek dolum hızı olmadan da

49 24 kısa sürede kalıp boşluğunun doldurulabileceğini bu durumun bilindik meme kesit alanında düşük hızlarda bile jet (türbülanslı) akışa sebep olduğunu simülasyon ve gerçek görüntüleri ile ortaya koymuşlardır [Chang ve ark., 2010]. Yatay ve dikey yollukların farklı uygulamalarla birleştirildiği dirseklere ve farklı meme kesitine bağlı olarak simülasyon ve verim uygulamaları yapılmıştır. sıvı metalin hareketi ve yolluk sistemi hesaplamalarında Froude ve Weber boyutsuz sayısı göz önünde bulundurulmaktadır [Tiedje ve Larsen., 2010] Meme bağlantıları Sıvı metalin kalıp boşluğuna iletilmesindeki yolluk sisteminin son elemanıdır [Campbell, 2003]. Yatay yolluk ve kalıp boşluğu arasında konumlandırılmıştır. Döküm parça geometrisi, sıvı metalin özelliği, katılaşma durumu ve besleyici sistemi göz önünde bulundurularak yerleştirilmelidir. Kalıp boşluğunun doldurulmasında sakin (laminer) akış durumu istendiğinden genellikle kalıp boşluğuna alt kısmına yerleştirilmektedir [Campbell, 2004, Yu, 2002, Flemings, 1974, Ravi, 2007]. Birden fazla meme var ise akış oranının kalıp boşluğuna eşit oranlarda dağıtılması gerekir. Bu durum genellikle yatay yolluğun inceltilerek veya meme kesit alanları kullanılarak yapılmaktadır. Farklı akış oranına sahip memelerden ilerleyen sıvı metal, kalıp boşluğunda karşılaştığında yüzeylerindeki oksit filmleri temas eder ve bu oksit filmlerinin akış oranı zayıf tarafa doğru tabakayı iter. Çoğunlukla bu kuvvet altında oksit film tabakaları kırılır ve döküm boşluğundaki sıvı metal içersinde, katılaşıncaya kadar akış durumuna göre hareket eder [Campbell, 2004].

50 Döküm Malzemede Oksit Film Oluşumu ve Mekanik Özelliklere Etkisi Oksit filmler, başta sıvı metalin yüzeyinin atmosferdeki oksijen ile reaksiyona girmesi ve kirlenmesinin bir sonucu oluşmaktadır. Ergitme ve taşıma potası refrakter malzeme ve kullanılan gereçlerin nemi diğer önemli bir etkendir [Hsu,2009, Campbell, , Campbell, ]. Birçok döküm parça içerisinde kalıntı (inklüzyon) görünümünde çözünmemiş yabancı malzemeler gibi görülmektedir. Esasen kalıntıların oluşum sebebi tek başına oksijen değildir. Sıvı kompozisyonuna bağlı olarak katılaşma sırasında oluşan intermetalik bileşikler ve kum tanecikleri de inklüzyon olarak değerlendirilir. İnklüzyonlar sadece döküm malzemenin mekanik özelliklerini olumsuz etkilemez. Bununla birlikte malzemenin işlenilebilirlik ve korozyon dirençlerini de olumsuz etkilemektedir. İnklüzyonlar döküm malzemede farklı boyut ve tipte birkaç mikron ile milimetre boyutlarında olabilir. Özellikle alüminyum ve alaşımlarının oksijene karşı yüksek ilgisinden dolayı, oksit filmlerinin veya oksit inklüzyonların yapıda oluşumuna engel olmak gerekir. Ayrıca kırılmış oksit film tabakaları ve bifilm tabakaları, kalıp boşluğunun sıvı metal ile doldurmak için tasarlanan yolluk sistemleri tarafından üretilirler. Döküm alüminyum alaşımlarında görülen inklüzyon tipleri Çizelge 2.1 de verilmiştir [Campbell, 2006]. Yapı içerisindeki inklüzyonlar optik mikroskop, tarama elektron mikroskobu tarafından görüntülenir. Kimyasal kompozisyonları elektron dağılım spektrometresi veya X-ışını kırınımı ile tespit edilmektedir. Döküm malzeme çözünmeyen hidrojenin oluşturduğu gözeneklere ilaveten sıvı-katı faz dönüşümü sonrasında oluşan çekme boşluklarıda (hacimsel daralma) oluşmaktadır. Alüminyum dökümlerde, sıvı metalin hidrojen ve oksit bifilm içeriğinin belirlenmesinde düşük basınç cihazı kullanılır. Sıvı-katı faz dönüşümü sırasındaki çekme boşluğu sıvı metalin döküm sıcaklığına, sıvı (liküdüs)-katı (solidüs) sıcaklıkları arasındaki sıcaklık farkı ile ilgilidir.

51 26 Çizelge Alüminyum ve alaşımlarında görülen inklüzyon tipleri [Campbell, 2006] İnklüzyon Tipi Formülü Yapıdaki görünüş şekli Yoğunluğu (gr./cm 3 ) Boyutu (µm) Ergime Sıcaklığı ( C) MgAl 2 O 4 (spinel) Partikül, tabaka, flake şeklinde , Oksitler Al 2 O 3 (korundum) MgO Partikül, tabaka Şeklinde Partikül, tabaka şeklinde ,2-30, ,1-5, SiO 2 Partikül şeklinde , CaO Partikül şeklinde 3.37 < Karbürler Boritler AlC 4 Partikül, küme şeklinde SiC Partikül şeklinde TiB 2 Partikül, küme şeklinde AlB 2 Partikül şeklinde Nitrürler AlN Partikül, tabaka Şeklinde İntermetalikler TiAl 3, TiAl, NiAl, Ni 3 Al Partikül, tabaka, kümeler şeklinde - - -

52 Oksit film oluşumu ve morfolojisi Sıvı metal yüzeyinde bileşime, sıcaklığa, ergitme ortamına ve zamana bağlı olarak oksit film tabakası oluşmaktadır. Oksit film kalınlığı, yaklaşık olarak birkaç atom kadardır. Sıvı alüminyum yüzeyindeki oksit film tabakasının kalınlığı yaklaşık 20 nanometredir [Makarov, 1999, Agema, 1989]. Oksit film tabakası sıvı metal içerisine batmadığı ve sıvı yüzeyinde yüzdüğü sürece zararsızdır. Hatta sıvı metalin daha fazla oksitlenmesine engel olmaktadır. Sıvı metalin bulk hareketindeki düzensizlik durumu, türbülans ve yüzeyindeki oksit film tabakasının hareketindeki düzensizlik ise yüzey türbülansı ile ifade edilmektedir. Genelde türbülans, Reynolds boyutsuz sayısı, yüzey türbülansı ise Weber boyutsuz sayısı kullanılarak tanımlanmaktadır (Bölüm de ayrıntıları ile verilmiştir). Weber sayısı 1 den küçük olduğunda yüzey türbülansın olmadığı sıvı yüzeyinin sakin şekilde hareket etiği kabul edilmektedir. Weber boyutsuz sayısı 1 olduğunda sıvı iç ve yüzey kuvvetleri eşittir ve geçiş durumu söz konusudur. Weber boyutsuz sayısı 100 olduğunda akış türbülanslıdır, olduğunda ise akış jet akış şeklinde ifade dilmektedir [Ruddle, 1956]. Weber sayısı Bölüm de Eş. 2.6 ile hesaplanmaktadır. Sıvı metalin kalıp boşluğuna iletilmesi ve doldurması sırasında yeni oksit film tabakalarının oluşumu ve katlanmasına engel olunmalıdır. Sıvı metal yüzeyindeki oksit filmlerin katlanması ile bifilm oksit tabakaları oluşmaktadır. Bifilm oksit film tabakaları, sıvı metaldeki konveksiyon (taşınımın) etkisinden dolayı döküm malzemenin tane boyutunu, alt soğumanın etkisi ile sıvı metalin çekirdeklenemediği izole olmuş sıvı bölgelerin oluşumuna imkan vermektedir. Ayrıca dendrit kollar arasındaki mesafe (DAS) ve Al- Si alaşım sistemi için sodyum Na, stronsiyum (Sr) gibi modifikasyon mekanizmasını bifilm oksit tabakalar doğrudan etkilemektedir. Na ve Sr modifilasyon ile silisyum çekirdeklenmesi ve büyümesi geciktirilmektedir [Campbell, 2006, Makarov, 1999]. Oksit film tabakaları oluşum şekillerine göre iki tiptir. Birincisi yaşlı oksit film tabakalarıdır. Genellikle şarj malzemesinden, döküm gereçlerinin yetersiz oluşundan, ergitme fırını veya pota refrakterinden sıvı metalin kirlenmesi sonucu oluşmaktadırlar. İkincisi genç oksit film tabakalarıdır. Sıvı metalin kalıp boşluğunu doldurması sırasında yüzey türbülansı ile oluşmaktadır [Mi, 2003, Divandari ve Campbell,2001]. Yaşlı oksit film tabakaları, genç oksit film tabakalarına göre fazla

53 28 oksit içeriğine sahip ve daha kalındır. Çizelge 2.2 de döküm malzeme yapısındaki oksit film tabakalarının özellikleri verilmiştir. Farklı alaşım elementi içeren alüminyum alaşımlarında oluşan oksit filmlerin reaksiyon zamanları ve mekanik dayanımları birbirlerinden farklıdır. Oksit filmlerin yapıdaki dağılımları ve dağılım yoğunlukları da faklıdır. Ergiyik alüminyum içersindeki Cu, Fe, Si, Mn alaşım elementleri oksidasyonu azaltırken Mg, Na, Se ve Ca elementleri oksidasyonu artırmaktadır. Bununlar birlikte Mg, Na, Se ve Ca elementlerin oluşturdukları oksit filmlerin dayanımı Be, Si, Ta ve Sr elementlerinin oluşturdukları oksit film tabakalarının dayanımından daha büyüktür. Oksit filmlerin kalınlığı ergiyik metalin bulunduğu ortam sıcaklığı ve nemine bağlıdır [Campbell, 2003, Mi, 2003, Campbell,1993]. Genç oksit film tabakaları birkaç nanometre kalınlıktaki çok ince oksit film tabakalarıdır. İnce, kırışıklıklardan oluşan genç oksit film tabakaları ergitme fırınından sıvı metalin alınıp, kalıbın doldurulmasına kadar olan süreçte oluşmaktadır. Genç oksit filmlere yeterli zaman verilmesi halinde yaşlı oksit film tabakaları oluşmaktadır.

54 29 Çizelge Oksit film tabakalarının karakteristiği [Amega, 1989, Divandari ve Campell, 2001, Campell , Campell ] Oksit film Tipi Genç Oksit Filmler Büyüme zamanı (sn.) Kalınlığı (µm) <0,01 sn. 0,056-1,127 0,01-1 sn. 0,05-0,5 10 sn- 1 dak. 10 Görünüşü Sıvı metalin yüzeyindeki açık renkli farklılıklar şeklinde İnce, transparan, keskin kırışık oksit filmler şeklinde Fleks şeklinde aşırı yoğun filmler Yaşlı Oksit Filmler 10 dak.- 1 st. 100 İnce, daha az fleks filmler 10 st.- 10 gün Topaklar veya plakalar halinde filmler Oksit filmlerin kalınlıklarının ölçülmesinde çoğunlukla optik mikroskop görüntüsü yetersiz kalmaktadır. Bunun yerine tarama elektron mikroskobu tercih edilmektedir. Ancak yaşlı oksit filmlerin görüntülenmesinde optik mikroskop yeterlidir. Sıvı metalin yüzeyindeki oksit filmin katlanmasında yolluk sistem elemanları oldukça önemli rol oynamaktadır [Campbell, , Campbell, ]. Özellikle döküm havuzu girişindeki girdap etkisinin engellenmesi, yatay ve dikey yolluk elemanlarını birleştiren L ve T dirsek parçaları doğru ölçülere sahip olmalıdır. Hava emişinin ve sürekli sıvı metal akışının, istenen şartlarda devam ettirilmesi gerekir. Yolluk sisteminin ürettikleri oksit film tabakaları filtrasyon ile de azaltılmaktadır. Bunlara ilave olarak kalıbın sıvı metal ile dolması sırasında sıvı metal yüzeyindeki türbülans önlenmelidir. Bölüm 2.2 de yolluk sistem elemanlarının oksit film oluşumu ve katlanmış oksit film oluşumuna etkileri ayrıntılı olarak verilmiştir. Kalıp boşluğuna ulaşan sıvı metalin türbülansı sonucu sıvı metalden uzaklaştırılması imkansız olan oksit film tabakalar (genç veya yaşlı katlanmış oksit film) oluşmaktadır. Resim 2.2 de sıvı metalin yüzeyindeki türbülans sonucu sıvı metalin oksitlenmesini (a) ve oksit film tabaklarının SEM görüntüsü verilmiştir.

55 30 C D E (a) (b) Resim Sıvı metal yüzeyindeki oksit film tabakasının katlanması bifilm tabaksının oluşumu ve gaz boşlukları (a), oluşan bifilm tabalarının SEM görüntüsü [Campbell, , Divandari ve Campbell, 2001] Resim 2.2.a da kalıp atmosferi ile kalıp boşluğunda ilerleyen sıvı metal hızının düzensizliği nedeniyle oluşan yüzey türbülansı, katlanma (A,B) saçılma sonucu oluşan sıvı metal damlacığı (C) ve sıvı metal içersinde kalan oksit filmin içerisinde katlanma sırasında kalan hava boşlukları (D,E) görülmektedir. Resim 2.2. b de ise sıvı metal katılaştıktan sonra kalan katlanmış oksit film tabakalarının tarama elektron mikroskobu altındaki bir görüntüsü verilmiştir [Divandari ve Campbell, 2001].Yüzey türbülansı, sıvı metalin üzerindeki film tabakalarının katlanarak bifilm tabakasını oluşturur. Bifilm tabakasının artmasına sebep olan faktörler şu şekilde sıralanabilir; Sıvı metalin dökülmesi sırasında elde olmayan sebeplerden, (insandan ve atmosfer sıcaklığından kaynaklanan) Sıvı metalin kimyasal kompozisyonu, Kalıp içersinde kalıp boşluğunun geometrisine bağlı olarak sıvı metalin hızın bölgesel olarak farklılaşmasından veya sıvı metalin çok yüksek yüzey alanına sahip kesitlere ulaştığında, hızının aşırı derecede azalması ve neredeyse durmasından oluşmaktadır [Jorstad ve Rasmussen, 1993, Campbell, 2004]. Eğer sıvı metal tarafından doldurulan kalıp boşluğunda sıvı metalin basıncı düşük basınctaki kalıp boşluğunu dolduruyor ise, Şekil 2.10 daki gibi oksit film tabakası üst üste katlanarak kalıbın dolmasına sebep olur. Bu nedenle sıvı metal hızının düşük olması halinde beraberinde başka döküm hatalarını da neden olabilir [Campbell, 2003, Campbell, 2004, Campbell, , Campbell, 2006].

56 31 Şekil Sıvı metalin kalıbı doldurma basıncının kalıp boşluğundaki daha düşük basınçlı nokta üzerinden kalıbı doldurması [Campbell, 2003, Campbell, 2004] Kalıp içerisindeki sıvı metal hareketi, simülasyon programları ile rahatlıkla tahmin edilebilmektedir. Campbell, yaptığı bir çalışmada kalıp boşluğuna giren sıvı metal hareketini, yüzey enerjisi ve iç kuvvetlerin etkisi altında yüzey türbülansını araştırmış ve sıvı metalin m/sn hız ile kalıp boşluğunu doldurması gerektiğini belirtmiştir. Kritik hız olarak belirlenen bu hız aralığının üzerinde oksit film tabakalarının oluşması ve döküm yapısının olumsuz etkilemektedir [Campbell, 1993]. Barkhudarov ve arkadaşları, sıvı metal meme giriş hızlarını farklı yolluk sistemleri ile değiştirerek X-ray radiyografi metoduyla incelemişlerdir [Barkhudarov, 1995]. Sıvı metalin kimyasal bileşimine de bağlı olarak içerisinde farklı tipte oksitler bulunur. Bu, saf alüminyum düşünüldüğünde sıvı alüminyumun hava ile temasının bulunduğu yüzeyde katı halde bulunan (Al 2 O 3 ) oksit film tabakasıdır. Alüminyum içerisinde eğer magnezyum var ise MgAl 2 O 4 spinelleri oluşmaktadır [Runyoro ve ark., 1992, Campbell, 2003, Dai ve ark., 2003, Pavlak, 2008].

57 32 Oluşan kimyasal reaksiyon; 2Al (sıvı) +3/2O 2(hava) Al 2 O 3(katı) 2Al (sıvı) +3H 2 O (hava) Al 2 O 3(katı) +6H 2Mg (sıvı) +O 2(hava) 2MgO (katı) şeklindedir. Campbell ve Barkhudarov, araştırmalarında yerçekimi etkisinde oluşan sıvı metal hızının, oksit film tabakası üzerine etkisini incelemişlerdir. Alüminyumun ve alaşımları, döküm sırasında türbülanlı akışı nedeniyle ve buna bağlı olarak meydana gelen yüzey türbülansı ile oluşan oksit film tabakaları, sıvı metalin katılaşması sırasında parça içerisinde sıkışır. Bu durum özellikle yorulma dayanımı üzerinde etkilidir [Campbell, 2003, Barkhudarov, 1995]. Dai, çalışmasında Al-7Si- Mg alaşım sisteminde, dairesel kesitli tanjantsal akış ile dikdörtgensel ve üçgen kesitli yolluk sisteminde sıvı metalin akış davranışlarını incelemiştir. Faklı yolluk sistemlerinin kalıp boşluğunu doldurması sırasındaki sıvı metal hareketi ve yüzey türbülansı, simülasyon programları ile tahmin edilebilir. Flow3D simülasyon programı ile yapılan bir çalışmada, oksit film tabakalarının döküm parça içerisinde dağılımını, sıvı metalin kalıbı doldurması sırasında oluşan türbülans, yüzey türbülansı ve malzemenin mekanik özelliklerin arasında bir ilişki söz konusudur [Dai ve ark., 2003]. Reilly ve arkadaşları, A356 alaşımının dökümünde, sıvı metalin yolluk sistemindeki hızını incelemiştir. Yükseltilen dikey yolluk, sıvı metalin kalıp boşluğuna dolmasını sağlayan yatay yolluğun sıvı metal hızını artırmaktadır. Yapılan çalışmalarda sıvının simülasyon sonucu ile kaydedilen X-Ray radyografi görüntüleri ile gerçek döküm şartlarının tam olarak örtüşmediği belirlenmektedir [Reilly ve ark., 2009]. Raiszadeh ve Griffiths in yaptıkları çalışmada, özellikle otomotiv ve hava araçları için üretilen alüminyum döküm alaşımlarının oksit film tabakalarının mekanik özellikleri üzerine etkisi (çevre şartlarına bağlı olarak) incelenmiştir [Raiszadeh ve Griffiths, 2006]. Al 7Si Mg alaşımlarının dökümü sırasında meydana gelen döküm hataları ve bu hataların mekanik özelliklerine olan etkilerinin incelenmesinde optik mikro yapı incelemeleri, görüntü analiz sistemleri ve programları kullanılmaktadır [Yang ve ark, 2006].

58 33 Bahreinian, magnezyum alaşımlarının yolluk sistemindeki sıvı hızı ve akış şekli, kalıba yerleştirilen bir cam ile görüntülemiştir. Yolluk sisteminde (dikeyde) oluşan oksit film tabakalarının ve kalıp yüzeyinden sürüklenen kum taneciklerinin, sıvı metalden uzaklaştırılması için seramik köpük filtreler kullanılmıştır. Seramik (köpük) filtreler sıvı metal akış hızını (%50 75) azaltmaktadır. Sıvı metalin düşme yüksekliği ve kalıp boşluğu yüksekliği, sıvı metal akış oranını da değiştirmektedir [Bahreinian ve ark., 2006]. Sıvı metalin yüzey türbülansı ve türbülanslı akış sonucu oksit filmlerin ve katlamış oksit (bifilm) tabakaları döküm malzemenin kalitesi için çok önemlidir. Oksit film tabakaları ve bifilmlerin döküm parça içerisindeki dağılımların önceden belirlenmesi için iki boyutlu sıvı hacim sayısal analiz metodu kullanılmaktadır. Başka bir çalışmada dairesel kesitli (vorteks, girdap akış) ve dikdörtgen kesitli yatay yolluk sistemlerindeki akış ve oksit film hareketi modellenmiştir [Yang ve ark., 2000]. Sıvı metalin kalıp boşluğuna giriş hızının azalması halinde kalıp boşluğunun doldurulması sırasında daha az yüzey türbülansı oluşmaktadır [Yang ve ark., 2004, Van Der Graaf ve ark., 2001]. Faklı bir çalışmada ise hesaplamalı akışkanlar mekaniği ile dikey plaka şeklindeki kalıpların alttan meme yolluk sistemi ile doldurulması incelenmiştir. Su ve sıvı dökme demir için serbest yüzeylerinin hareketinde, su için yapılan modellemeler ile dijital partikül hız metre ölçeri ile gerçek hareketi Flow3D programı kullanılarak karşılaştırılmıştır [Van Der Graaf ve ark., 2001]. Döküm kalıbın dolması sırasında (kalıplama sırasındaki dikkatsizlik, yanlış yolluk sistemi tasarımı ve ergitme ortamının yetersizliği sonucunda) döküm parçada oksit film tabakaları veya bifilm oksit tabakaları oluşmaktadır [Campbell,2003, Campbell 2004, Campbell, 2006, Campbell, 2006, Divandari ve Campbell., 1999, Campbell, 1993, Barkhudarov 1995, Dai ve ark., 2003, Pavlak, 2008]. Şekil 2.11 de dendritler arasında kalan oksit tabakası görülmektedir. Katılaşan metal içerisinde kalan film tabakaları döküm parçaların mekanik özelliklerini olumsuz etkilemektedir [Campbell, 2003, Campbell, 2004].

59 34 Şekil Katılaşma sırasında oluşan dendritlerin arasında düzleşen oksit film tabakası [Campbell, 2003] Katılaşan malzemede Şekil 2.11 deki gibi düzleşen oksit film tabakalarının içerisinde hidrojen ve/veya oksijenin çözünmesi sonucu oksit film tabakası genişleyerek açılır. Bu durum, dendritler arasında mikro boşluklara sebep olur. Oksit film tabakaları bazen birden fazla oksit katmanının yan yana gelmesi sonucu karmaşık hale gelirler. Oksit film tabakaları içerisinde kalan çözünemeyen gazların difüze olması halinde, bu oksit tabaka şişerek ovalleşmektedir. Eğer çözünemeyen hidrojen oksit film tabakasına difüz etmez ise, oksit film tabakaları yapıda çatlak şeklinde görülür. Dendritlerin arasında sıkışan oksit film tabakaları (bifilmler) mikro çekme hatasına da neden olur [Campbell, 2003, Campbell, 2004, Campbell, , Campbell, ]. Al-Si-Mg döküm alaşımlarında bifilm oksit tabakası oluşmasına neden olan hidrojenin etkisiyle oluşan gaz boşluğu hatası, Resim 2.3.a da gösterilmiştir. Dendrit kolları arasındaki çekmenin etkisi ile oluşan mikro boşluklar ise Resim 2.3.b de görülmektedir [Anson ve ark., 1999, Green ve Campbell., 1994].

60 35 (a) (b) Resim Al-Si-Mg alaşımlarında gaz boşluğu (a) [Anson ve ark., 1999] ve çekme mikro boşlukları optik mikroskop görüntüsü (b) [Green ve Campbell, 1994] Sıvı metalin kalıp boşluğuna iletilmesi veya kalıp boşluğunu doldurması sırasında, yapıda oksit filmlerden başka oksitlerde oluşabilir. Sıvı metaldeki gaz baloncukları en önemli oksit film kaynaklarından biridir [Campbell, 2003, Campbell, 2004]. Döküm aşamasında bu baloncukların oluşumu, yetersiz yolluk sistemi yüzünden sıvının hava ile teması ve kalıp veya maça ile sıvı metalin sıcaklığın etkisi ile meydana gelir. Kullanılan kalıp malzemesinin içerdiği nem veya diğer safsızlıkların (kimyasal bağlayıcıların) sıvı metale karışması sonucunda oluşan kalıp gazlarının sıvıya geçmesi, diğer önemli bir nedendir. Şekil 2.12 de kalıp malzemesindeki nem veya safsızlıkların (kimyasal bağlayıcıların) buharlaşması ve sıvı metale sızması, katlanmış oksit film tabakası (a) oluşumu, maçalardan kaynaklanan gazların oluşturduğu gazın sıvı metali oksitlemesi (b) görülmektedir. Döküm alüminyum ve alaşımlarında oksit film hataları genellikle, tarama elektron mikroskobu veya tahribatsız muayene yöntemleri (eddy akımları) ile tanımlanmaktadır. Tahribatsız muayene yönteminde, eddy akımları test sırasında oksit film hataları ve matris alüminyum arasındaki ara yüzeyinden geçmek istediklerinde akım değişir [Chen ve ark., 2004].

61 36 (a) (b) Şekil Sıvı metalin kalıp malzemesi (a) ve maça malzemesinin içerdiği nem ve safsızlıkların etkisiyle oksit film oluşumu (b) [Campbell, 2003, Campbell, 2004] Sıvı metal içerisindeki hava sürüklenmesi sonucu ile oluşan boşlukların SEM görüntüsü Resim 2.4 de verilmiştir. Resim Hava sürüklenmesi ve döküm içindeki boşluk hatasının SEM görüntüsü [Green ve Campbell, 1994]

62 Oksit filmlerin mekanik özelliklere etkisi Sıvı alüminyumda meydana gelen yüzey oksitleri sıvının oksitlenmesini ve sıcaklığının azalmasını engeller. Fakat sıvı metalin kalıp boşluğuna ulaşıncaya kadar ve kalıbın doldurması sırasındaki yüzey türbülansı sonucu oluşan bifilm oksit tabakaları, katılaşan döküm malzemenin mekanik özelliklerini olumsuz etkilemektedir. Bu oksit film tabakaları katılaşan döküm parça içerisinde çatlak şeklinde görülmektedir. Resim 2.5 de Al-Si-Mg döküm alaşımında, (çatlak görünümünde) dendritler arasında sıkışan oksit film ağı görülmektedir [Dinnis ve ark., 2004, Nyahumwa ve ark., 1998]. Resim Çatlak görünümünde dendritler arasında sıkışmış oksit film ağının optik mikroskop görüntüsü [Dinnis ve ark., 2004] Döküm sonrası kalıp boşluğunda katılaşan sıvı metalin oksitlenmesi Bölüm de verilmiştir. Bu aşamada sıvı metalin içerisinde bifilm oksitlerin oluşumunu engellemek, oluşmuş oksit film tabakalarının uzaklaştırılmasından daha kolaydır. Dökümhanelerde genellikle oksit filmlerin sıvı metalden uzaklaştırılmasında filtre veya flakslar kullanılır. Oksit film tabakaları sadece çekme, uzama ve yorulma gibi mekanik özelliklerini olumsuz etkilemez. Aynı zamanda döküm parçanın işlenebilirliliğini de olumsuz etkilemektedir [Campbell, 2004].

63 Döküm Alaşımlarında Boşluk Oluşumu Döküm malzemenin mekanik özelliklerini etkileyen ve çok sık görülen diğer bir döküm hatası boşluklardır. Döküm malzemedeki boşluk, boyutuna ve oluşum mekanizmasına göre sınıflandırılmaktadır. A356 (Al-Si-Mg ) alaşımlarında özellikle gaz boşluğu ve mikro-makro çekme boşlukları görülmektedir. Boşluklar boyutuna göre 100 µm ve dendritik hücre boyutundan daha büyük boşluklar makro boşluklar, 100 µm ve altındaki boşluklar ise mikro boşluklar olarak tanımlanır [Samuel, 1992, Caceres, 1995, Caceres, 1996]. Genelde bir döküm malzemede; makro boşluklar çekmeden, mikro boşlukları ise gaz ve dendrit kolları arasındaki çekmeden meydana gelir. Boşluklar oluşum sebebine göre ise, gaz ve çekme boşluğu olarak sınıflandırılır. Sıvı ve katı halde çözünen hidrojen miktarının farklı olması, beraberinde çözünemeyen gazların yapıda kalması ile gaz boşlukları oluşmaktadır. Sıvı katı faz dönüşümü sırasındaki oluşan hacimsel çekmenin tolere edilememesi durumunda ise çekme boşlukları oluşmaktadır. Bununla birlikte hidrojen kaynaklı gaz boşlukları ve hacimsel çekmenin beslenemediği durumlarda oluşan çekme boşlukları birlikte de oluşabilir Gaz boşluğu oluşumu Gaz boşluğu, sıvı metal veya alaşımda yüksek oranda çözünebilen, fakat katı halde az çözünen gazlardan kaynaklanır. Örneğin, nikel bazlı süper alaşımlarda nitrojen, çeliklerde karbondioksit, alüminyumda hidrojen gaz boşluklarına sebep olmaktadır. Alüminyum alaşımlarında, hidrojenin oluşturduğu gaz boşluğu problemi sıklıkla görülmektedir. Hidrojenin neden olduğu gaz boşluğu, sıvı alüminyumda hidrojen çözünürlüğünün katıdaki çözünürlüğünün hemen hemen 20 kat daha fazla olmasından kaynaklanmaktadır. Hidrojenden kaynaklanan gaz boşluğu döküm parçanın mekanik özelliklerini olumsuz etkilemektedir. Çoğunlukla küresel şekilli boşluklar halinde yapıda bulunmaktadır [Reikher ve Barkhudarov, 2007, Nyahumwa,

64 ]. Metal kalıba yapılan dökümlerde ise kalıp boşluğuna sürüklenen hava ile birlikte görülebilir. Özellikle hidrojen boşluğunun engellenmesi için sıvı alüminyumdaki çözünen hidrojen miktarının doğru ölçülmesi gerekir. Hidrojen boşluklarının asıl sebebi, sıvı haldeki alüminyumda çözünen hidrojenin katı halde çözünen hidrojen miktarı arasındaki farkın yüksek olmasıdır. Sıvı alüminyum içindeki hidrojeni doğru ölçebilmek için elektrokimyasal sensörler kullanılmaktadır. Hidrojen miktarı, oksit film tabakaları ile doğrudan ilişkili olduğu için hidrojen içeriği hakkında kesin bir bilgi verememektedir. Sıvı alüminyumun nem ile temasıyla birlikte, sıvı içerisinde çözünen hidrojen miktarı da artar. Katılaşmanın sonunda ise çözünmeyen hidrojen yapıda boşluklara sebep olmaktadır [Davis, 1993, Samuel, 1992, Caceres, 1995]. Bölüm deki kimyasal reaksiyon denkleminde artan hidrojen miktarı verilmiştir. Resim 2.3.a da hidrojen boşluk hatası, sıvı ve katı alüminyum içersinde çözünen hidrojen (H 2 ) miktarı ise Şekil 2.13 de gösterilmiştir. 1 atm. basınç altında çözünen hidrojen miktarı 0.69 ml dir. H 2 katı alüminyumda çözünme miktarı ise ml dir. Bianchi ve Viskanta maksimum gaz konsantarasyonun sıvı-katı arasında olduğunu ve katılaşma oranına bağlı olduğunu belirlemişlerdir [Bianchi ve Viskanta, 1997]. Lee ve arkadaşları Al-Si döküm malzeme içinde dendrtiler arasındaki mikroporozitenin oluşumunu farklı (analitik çözümleme, kriter fonksiyonuna bağlı, Darcy kanununa, süreklilik ve gaz difüzyonuna göre ) modellemişlerdir [Lee ve ark.,2001].

65 40 Şekil Alüminyum içerisinde 1 atm basınç altında sıvı ve katı durumda hidrojen çözünürlüğü [Kaufman, 2004] Alüminyum döküm alaşımlarındaki gaz boşluğu, sıvı alüminyumda çözünen hidrojen miktarındaki artışa bağlı olarak artmaktadır. Alüminyum ve hidrojen arasındaki tepkime aşağıdaki verilmektedir [Kaufman, 2004, Lapham ve ark.,2002, Chiesa ve ark., 2001, Atwood ve ark., 2002]. 2Al (s) +3H 2 O (g) =Al 2 O 3(k)+ 6H (katı alüminyum içindeki gaz hidrojen) Genel olarak sıvı metalde çözünen hidrojen, ergitmede kullanılan şarj malzemesinden, nem ve yağlardan kaynaklanmaktadır. Kalıp malzemesinin sahip olduğu nem, sıvı metal sıcaklığının etkisi ile buharlaşarak sıvıya geçer [Atwood ve ark., 2002, Atwood ve ark., 2003, Atwood ve ark., 2008]. Döküm malzemede oluşan boşluklar çekirdeklenme mekanizmaları ile açıklanmaktadır. Boşluklar homojen, heterojen ve klasik olmayan çekirdeklenme (hava sürüklenmesinden kaynaklanan boşlukların etkisinden) olarak ele alınmaktadır. Sıvı metal içinde boşluk oluşumu için gerekli şartlar Fisher tarafından homojen çekirdeklenme mekanizması ile açıklanmaya çalışılmıştır [Flemings, 1974]. Sıvı içerisinde boşluğun oluşumu,

66 41 yapılan iş miktarı ile ters ilişkilidir. V hacmindeki bir boşluğun oluşması için gerekli iş miktarı, sıvının basıncı Ps ile hacminin çarpımına (P s V) eşittir. Sıvı ve gaz ara yüzeyindeki A alanının oluşması için gereken iş miktarı ise yüzeyler arasındaki enerji veya yüzey gerilimi ile yüzey alanının çarpımına (γa) eşittir. Oluşan V hacmindeki boşluğu doldurmak için gerekli iş miktarı ise gaz basıncı P g ile hacminin çarpımına eşittir (gaz basıncı negatif yöndedir). Eş de boşluğun oluşumu için gerekli iş miktarları yazılmıştır, Eş de ise boşluğun kritik yarıçapı (r * ) hesaplanmıştır. G γa P V P V 4γπr 4 3 πr P P 2.21 r 2γ P 2.22 Homojen çekirdeklenmenin varsayıldığı durumlarda boşluğun oluşması için gerekli basınç çok yüksektir (bu yüzden homojen çekirdeklenme pratikte oluşmamaktadır). Heterojen çekirdeklenme ise bir katı yüzeye karşı boşluğun oluşması ile gerçekleşir. Sıvı ile katı arasındaki temas açısına bağlı olarak çekirdek oluşmaktadır. Islatma açısının 0 derece olması ıslatmanın tam olarak gerçekleştiğini, 180 derece olması halinde ıslatmanın olmadığını göstermektedir. Heterojen çekirdeklenme için gerekli basınç, homojen çekirdeklenme için gerekli olan basıncın 1/20 si kadardır. Katılaşma sürecinde genellikle heterojen çekirdeklenme oluşmaktadır. Sıvı alüminyumun içinde oluşan Al 2 O 3 parçacıkların çevresinde boşluk oluşumları artmaktadır. Ayrıca sıvı sıcaklığının azaltılması Al 2 O 3 sıvı metal arasındaki temas açısını arttırmaktadır. Klasik olmayan çekirdeklenme ise, çekirdeklenme mekanizmaları haricinde sıvı metalin kalıba dolması sürecinde, gazların kalıp boşluğuna sürüklenmesi ve sıvı metalde büyümesi ile gerçekleşmektedir. Kalıp boşluğuna sürüklenen gazlar, sıvı metal yüzeyine ulaşacak zamanı bulamayarak veya bifilm oksit film tabakalarının etkisinde büyüyerek, katılaşan döküm parça içerisinde kalmaktadırlar. Boşlukların oluşumunda bu gaz sürüklenmeleri oldukça önemlidir [Talbot, 1975, Jeurgens ve ark., 2002, Griffiths, 2009]. Li ve Chang ın yaptığı bir çalışmada A356 alaşım sisteminde hidrojen boşluğunun oluşumunda katılaşma parametreleri ile birlikte

67 42 çekirdeklenme mekanizmalarının, hidrojen miktarına bağlı olarak farklılık gösterdiği belirtilmektedir [Li ve Chang, 2004] Çekme boşluğu oluşumu Çekme boşlukları (hacimsel daralma), alaşımın katılaşması sırasında katı ve sıvı fazlarının yoğunluk farklarından kaynaklanmaktadır. Saf alüminyum, sıvı ve katı fazların yoğunluk farkından dolayı, sıvı hacminin yaklaşık %7 si kadar hacimsel daralma (çekme) gösterir [Campbell, 2003, Campbell, 2004]. Alüminyum alaşımlarının sıvı-katı faz dönüşümü sırasındaki hacimsel daralma miktarı %5 6 aralığındadır. Hacimsel daralama oluşmasını engellemek ve dendritler arası boşlukları azaltmak için sıvı metal ile beslenmesi gerekir. Çekme boşlukları Resim 2.3.b de görüldüğü gibi, dendrit kollar arasında oluşmaktadır. Şekil a da döküm sıcaklığından oda sıcaklığına kadar soğuyan alaşımın hacimsel değişimi görülmektedir. Çekme boşlukları birkaç milimetreden birkaç mikrona kadar geniş aralıkta olabilir. Yapıda çekme boşluğu oluşumunun engellenmesi için (Şekil 2.14 b de görüldüğü gibi) katılaşma sırasında beş farklı besleme mekanizması bulunmaktadır. Çizelge 2.3 te katılaşma sırasındaki döküm malzemede çekmelerin engellenmesi için gerekli besleme mekanizmaları verilmiştir [Campbell, 2003, Yu, 2002, Flemings, 1974, Stefanescu, 2009, Reikher ve Barkhudarov, 2007]. Ayrıca döküm malzemelerdeki bifilmlerden kaynaklanan boşlukların oluşmasında iki önemli mekanizma olduğu öne sürülmektedir. Bu durum yeterli ve yetersiz besleme olmak üzere iki kısımda ele alınmaktadır. Eğer yeterli besleme var ise bifilmin çevresindeki basınç, metalostatik basınç ile karşılaştırıldığında ihmal edilebilir ve bifilmin içine difüze olan gaz basıncı, sadece katılaşma oranı ile kontrol edilir. Yetersiz beslenme durumunda ise ortalama büyüme oranı, çekme (hacimsel daralma) ve kompozisyonun içerdiği hidrojen miktarı tarafından kontrol edilir. Çözünen gazların bifilm içine birikmesi difüzyon ile kontrol edilmektedir. Bu yüzden katılaşma oranının artmasıyla gözenek miktarı azalmaktadır. Döküm malzemede boşluğun olmaması bifilmlerin olmadığı anlamına gelmemektedir [Dışpınar, 2005].

68 43 (a) (b) Şekil Sıvı fazdaki metalin, katılaşması esansındaki üç faklı şekilde çekmesi; sıvı, katılaşma ve katı çekmesi (a), katılaşma sırasında oluşan besleme mekanizmaları (b) [Campbell, 2003, Stefanescu, 2009] Çizelge Katılaşma sırasındaki beş besleme mekanizması [Campbell, 2003, Stefanescu, 2009] Besleme Mekanizması Sıvı besleme Kütlesel besleme Dendritler arası besleme Burst besleme Katı besleme Mekanizma Sıvı metalin hacimsel hareketi ile oluşan çekmenin beslenmesi. Eşeksensel tanelerin ve sıvının hacimsel hareketinin birleşiminden oluşan çekmenin beslenmesi Dendritler arasında oluşan çekmenin birincil dendrit kolları arasındaki boşlukların beslenmesi Süreksiz besleme ve dendritler arasında hapsolan sıvı bölgelerin beslenmesi Katı malzemede oluşan çekmenin beslenmesi Weibull Dağılımı İstatistik Analizi Malzemelerin gereksinim duyulan mekanik özelliklerinin tekrarlanabilir olarak üretim süreçlerinin değerlendirilmesinde ve bu özelliklerin belirlenmesinde etkisinin en yaygın kullanılan istatiksel yöntem Weibull istatiksel dağılımıdır. İlk kez Waloddi Weibull tarafından Bofors çeliklerin akma dayanımlarının ve akma dayanımına üretim süreçlerinin etkisinin belirlenmesinde kullanılmıştır [Weibull, 1951]. Malzemenin karakteristik özelliklerinin belirlenmesinde ve güvenirliğinin karar

69 44 verilmesinde birden fazla seçilen testler tekrarlanarak uygulanır. Weibull istatistiğinin güvenilirliği ve geçerliliği için en az numune gerekir. Kullanılan numune sayısının fazla olması Weibull modülün geçerliliğini artırmaktadır [Green ve Campbell, 1994, Dai ve ark.,2003]. Weibull dağılımı, x eksenindeki test sonuçlarının logaritmik fonksiyonuna karşı y ekseninde oluşma sıklığına (frekansına) bağlı olarak elde edilen verilerle değerlendirilir. Döküm sürecindeki sıvı metal hareketinin malzeme kalitesi üzerine etkisi Weibull dağılımı istatiksel metodu ve modülü ile ilgilidir. Weibull modülü, F w test sonucunun oluşma ihtimaline karşı çekme test sonucunun logaritmik değerine karşı çizilen doğrunun eğimidir, (Şekil 2.15.a) da verilmiştir. Eş de Weibull modülü λ, x elde edilen test sonucu, σ pozisyon parametresini (%62,8) simgelemektedir [Green ve Campbell, 1994, Weibull, 1951, Khalili, 1991]. Bu amaçla öncelikle numunelerden elde edilen değerler küçükten büyüğe doğru sıralanır daha sonra numune sayısına bağlı olarak F w bulunur. Bu amaçla bir tahmin edici seçilmelidir. Genel tahmin edici eşitliği Eş de verilmiştir. Ayrıca Çizelge 2.4 te sıklıkla kullanılan tahmin ediciler de verilmiştir. Döküm parça kalitesinin tahmin edilmesinde özellikle Hazen ve Bernard tahmin edicileri kullanılmaktadır. F 1 exp σ λ (2.23) F 2.24 Weibull istatiksel metodunu kullanarak kullanan Green ve Campbell; Al-Si döküm alaşımlarının, üretim sürecindeki yolluk sistemlerinin kalite ve güvenirlik üzerine etkilerini incelemiştir. Şekil a ve b de çekme sonuçları ve oluşma sıklıkları, c de ise çekme sonucunun logaritmik fonksiyonuna karşı F w değeri çizilmiştir. Bu eğrinin eğimi Weibull modülü olarak bilinmektedir [Green ve Campbell, 1993, Tiryakioğlu ve ark., 2009].

70 45 (a) (b) (c) Şekil Çekme test sonuçlarına karşı frekans (a), çekme test sonuçlarına karşı tahmin edici (b) ve F w ye karşı çekme değerinin logaritmik karşılığı (c) [Green ve Campbell, 1993] Döküm malzemenin kalitesi ve güvenirliği Weibull modülü ile değerlendirilir. Weibull modülü yerçekimine karşı yapılan dökümlerde arasında, metal kalıp veya diğer döküm metotları ile üretilen malzemeler için arasındaki değerde ise havacılık sektöründe kullanılan döküm parçalar için kabul edilebilir olarak belirtilmektedir.

71 46 Çizelge Weibull istatiksel analizinde kullanılan tahmin ediciler [Kırtay ve Dışpınar, 2012] Tahmin ediciler Bernard Mean Hazen Filliben Blom Gringorten Tahmin edici formülleri i 0,3 / n 0,4 i / n 1 i 0,5 / n i 0,3175 / n 1,635 i 0,5 / n 0,25 i 0,44 / n 0,12

72 47 3. DÖKÜM MALZEMENİN KATILAŞMASI Katılaşma, metal ve alaşımların üretiminde en önemli aşamadır. Katılaşma sadece döküm malzemenin mikroskobik ve makroskobik yapısal oluşumu olarak düşünülmemelidir. Katılaşma aşaması yarı katı döküm, lazer ergitme, toz atomizasyonu, metal matris kompozitler ve metalik camlar gibi birçok malzeme ve yeni üretim teknolojileri içinde önemlidir [Campbell, 2003, Campbell, 2004, Yu, 2002,Fleming, 1974, Stefanescu, 2009]. Katılaşma basitçe Şekil 3.1 de gösterildiği dört kısımda gibi incelenebilir. Makro boyutta katılaşma çekme boşluğu, soğuk birleşme, eksik döküm, makrosegregasyon, çatlak, yüzey pürüzlülüğü ve döküm parçanın ölçüleri gibi malzeme kalitesini belirleyen sonuçlarla da ilişkilidir ( mm. aralığında). Bu aralık da sıvı-katı fazlar ve bu fazlar arasında keskin bir ara yüzey bulunmaktadır. Makro boyutta katılaşma modellenirken kütle, enerji ve momentum korunum eşitlikleri dikkate alınmaktadır. Meso boyutta katılaşma, tane boyutu seviyesinde mikro yapı özelliklerinin tanımlanabildiği (yaklaşık10-4 mm.) aralığı içermektedir. Burada sıvı, katı ve yarı-katı bölge olmak üzere üç farklı faz görülmektedir. Modelleme çalışmaları Hücresel Otomasyon (HO) tekniği ile yapılmaktadır. Tane morfolojisi bu teknik ile makro aralıkta yapılan modellemeye göre, doğru şekilde tahmin edilebilir. Bununla beraber sıvı-katı ara yüzeyi, makro modellemedeki gibi düz değil, daha karmaşıktır (fakat tane yoğunluğu, tanelerin morfolojisi ve ortamla, mekanik özelliklerin tahmin edilmesi mümkün değildir). Mikro boyutta katılaşma, sıvıdan ilk oluşan taneciklerin karmaşık şekillerini tanımlamakta yardımcı olur. Mikro aralıkta ( mm.) katılaşan döküm ve kaynaklı üretim süreçlerinde oluşan mikro yapının mekanik özellikler ile ilişkisini açıklamada kullanılmaktadır. Katılaşma sonunda oluşan tane şekli ve morfolojisinin tahmin edilmesini (boyut, tip veya kolonsal, dendritik gibi) sağlamaktadır. Geniş aralıkta mikro yapı, dendrit kolları arasındaki mesafeler ve segregasyon (bileşim ayrılması) konsantrasyonu hakkında bilgi vermektedir. Nano boyutta katılaşma (atomik boyutta), sıvı-katı ara yüzeyinde oluşan atomik yapının (10-9 mm.) tanımlanmasını sağlamaktadır. Sıvı-katı ara yüzeyindeki çekirdeklenme ve büyüme kinetikleri bu aralıkta ele alınmaktadır [Stefanescu, 2009].

73 48 Şekil Katılaşma incelenme aralıkları [Stefanescu, 2009] 3.1. Dökümün Makro ve Mikro Yapısını Etkileyen Parametreler Döküm malzemelerin katılaşması sonucu oluşan makro ve mikro yapıları, sıvı metalin sahip olduğu ısı enerjisine ve temas ettiği kalıp malzemesinin ısıl iletkenliğine bağlı olarak gelişmektedir. Sıvı metalin sahip olduğu ısı enerjisi, temas ettiği kalıp duvarından başlayarak dışarı doğru (çevreye) yayılır. Kalıp boşluğunu dolduran sıvı metal ile kalıp malzemesi arasında gelişen ısıl ilişki Şekil 3.2 de verilmiştir. Sıvının sahip olduğu ısı enerjisinin, kalıp çevresine iletilmesi sırasında Şekil 3.2 de gösterilen direnç bölgeleri aşılması gerekmektedir. Çoğunlukla sıvı metal, kalıbı doldurması sırasında sahip olduğu ısı enerjisinin sadece %1 ini kaybeder. Geri kalan ısı enerji ise ısıl dirençler tarafından emilerek çevreye verilir [Campbell, 2003].

74 49 Şekil Sıvı metalin katılaşmasında oluşan ısıl dirençler [Campbell, 2003] Bir döküm malzemenin katılaşması sırasında oluşan ısıl dirençler sırası ile aşağıdaki gibi sıralanabilir; a) Sıvı metalde, b) Katılaşan metalde, c) Sıvı ve katılaşan metal arasında, d) Kalıp malzemesinde, e) Kalıbı çevreleyen atmosfer ortamı. Sıvı metalin katılaşması ve döküm malzemenin içyapısının oluşumu, ısı akışında yer alan ısıl dirençlerden doğrudan etkilenmektedir. Farklı döküm metotlarında baskın olan ısıl direnç veya dirençler, döküm malzemenin makro ve mikro yapısını etkiler. Bunlar sıvı metalin katılaşması sırasında, katılaşma parametreleri, konum, sıcaklık ve zaman değerlerine bağlı olarak gelişmektedir. Döküm ve kalıp sistemi için baskın ısıl dirençler ise üretimde kullanılan farklı döküm metotlarına bağlı olarak değişmektedir. Çizelge 3.1 te döküm-kalıp arasındaki ısıl dirençler ve kullanılan metotta baskın olan ısıl direnç verilmiştir. Şekil 3.3 de ise baskın ısıl dirençlerin sıcaklık profilleri verilmiştir.

75 50 Çizelge Döküm kalıp arasında katılaşma sırasında oluşan baskın dirençler [Stefanescu, 2009] Döküm metodu Şekil 3.3 Katı metal Kalıp/katı metal ara yüzeyinde Baskın ısıl direnç Kalıpta Kalıp/hava ara yüzeyinde Kum kalıba a 0 0 Yüksek 0 Permanent kalıba b 0 Yüksek 0 0 İngot kalıba c Yüksek İngot kalıba d Yüksek 0 Yüksek 0 Şekil Sıvı metalin katılaşması sırasında baskın ısıl dirençlerin sıcaklık profilleri [Stefanescu, 2009] Katılaşan bir döküm parça kalıp yüzeyinden merkeze doğru, chill bölge, sütunsal (kolonsal) bölge ve eşeksensel bölgeden oluşmaktadır. Sıvı metal veya alaşımın sıvı

76 51 fazdan katı faz sıcaklık gradyantı, büyüme oranı gibi zamana ve konumun bir fonksiyonu olarak katılaşma şartlarını belirlenmektedir. Ayrıca farklı kompozisyonlar mikro yapı ve malzemenin davranışında başlıca önemli parametredir. Katılaşma da genel olarak kolonsal ve eşeksensel tanelerin oluştuğu kabul edilmektedir [Flemings, 1974]. Alt soğuyan izotermal eriyik de kristallerin çekirdeklenmesinden sonra büyüme eşeksensel taneler ile her yönde eşit olarak oluşmaktadır. Özellikle dendritik bölgenin oluşturduğu kolonsal tanelerin, eşeksensel tanelere dönüşmesi sadece katılaşma parametrelerine bağlı değildir. Ayrıca sıvı metalin kalıp boşluğunu doldurması sırasındaki oluşturduğu konveksiyondan dolayı, dendrit tanelerin uç kısımlarının kırılması, sıvı akışının etkisiyle merkeze ilerlemesi ve çekirdeklenmesinden kaynaklanmaktadır [Kurz ve ark., 2001]. Doğrusal katılaştırılmış Al-%7 Si alaşımının makro yapısı (Şekil 3.4.a) [Gandin ve Parpaz, 1994] iki boyutlu olarak döküm şeması (Şekil 3.4.b) dış yüzeydeki eşeksenel bölge, kolansal bölge ve chill bölge olarak verilmiştir [Kurz ve Fisher,1998]. (a) (b) Şekil Doğrusal katılaştırılmış Al-%7Si alaşımının makro yapısı (a), iki boyutlu şematik görüntüsü (b) [Gandin ve Parpaz, 1994, Kurz ve Fisher,1998]

77 Katılaşma Parametreleri Katılaşma parametrelerinin mikro ve makro yapı üzerine etkisinin incelenmesinde, katılaşma hızı (dendritin büyüme oranı) V, termal gradyantı G ve soğuma oranı T dikkate alınır. Termal gradyantın düşük olduğu durumlarda katılaşma hızı artar ve bu bölgelerde sürekli soğumadan dolayı (hızlı ısı akışı) sıvı çekirdeklenip büyüme başlar [Flemings, 1974]. Katılaşma hızının etkisiyle ilk oluşan katı parçacıklar sıvı içinde her yönde gelişi güzel olarak meydana gelir. Bu nedenle ikincil dendrit kolları oluşmaktadır. Tek yönlü olarak katılaştırılan malzemelerde katılaşma hızı ve termal gradyant gibi katılaşma parametreleri (fırın vb. ekipmanlar ile) kontrol edilebilmektedir. Fakat ısıl rejiminin kararsız olduğu durumlarda, katılaşma hızı ve termal gradyant sürekli zamana ve konuma bağlı değişir [Rocha ve ark., 2003]. Ayrıca genel olarak döküm malzemenin mikro yapısı, lokal katılaşma zamanı t L veya soğuma oranı T * ile ilişkilendirilmektedir. Lokal katılaşma zamanı, döküm malzeme içinde belli konumdan alınan liküdüs ve solidüs sıcaklıkları arasında geçen süredir. Toplam katılaşma zamanı ise sıvının döküldüğü sıcaklıktan solidüs sıcaklığına kadar geçen zaman dilimidir. Dendritik yapının tahmin edilmesinde, lokal katılaşma zamanı veya soğuma oranını kullanılmaktadır. Katılaşma hızı ve termal gradyant, deneysel verilerden elde edilmektedir. Katılaşma hızı, döküm içinde seçilen iki nokta arasındaki uzaklığın (1. nokta x 1 ve 2. nokta x 2 ), liküdüs sıcaklıklarının yakalandığı zaman aralığına oranıdır (birinci noktada liküdüs sıcaklığın yakalandığı zaman t 1, ikinci noktada liküdüs sıcaklığın yakalandığı zaman t 2 ). Başka bir ifadeyle liküdüs sıcaklığının mesafeye bağlı olarak yer değiştirme zamanına bölümü ile hesaplanmaktadır (Eş. 3.1). V x x t t 3.1 Termal gradyant, döküm içindeki farklı konumlardan alınan sıcaklık-zaman eğrilerinden liküdüs sıcaklığı ve ölçülen sıcaklık arasındaki sıcaklık farkının uzaklığa bölünmesi ile hesaplanmaktadır. Kısaca, termal gradyant, hesaplanan sıcaklık farkının uzaklığa oranıdır (Eş. 3.2).

78 53 G T T X X 3.2 Katılaşma hızı ve termal gradyant döküm malzeme içinde ölçülen noktadaki sıcaklık ve zamanın bir fonksiyonu olarak değişir. Soğuma oranı T * ise termal gradyan ve katılaşma hızının çarpımına eşittir (Eş. 3.3). T G V 3.3 Sıvı metal veya alaşımın katılaşmasının daha iyi anlaşılabilmesi için, sıvıdan başlayarak katı hale kadar geçen sürede kaydedilen sıcaklık-zaman verilerinden alaşımın katılaşma hızı, termal gradyantı ve soğuma oranı gibi katılaşma parametreleri Eş. 3.1, 3.2 ve 3.3 kullanılarak hesaplanır [Rodrigues ve ark.,2010]. Katılaşma parametreleri üzerine yapılan araştırmalarda sıvı metali kalıp boşluğuna ileten yolluk sistemleri çoğunlukla kullanılmamaktadır [Grıffıths, 1999, Santos ve ark., 2001, Hallam ve Griffiths, 2004, Aweda ve Adeyemi, 2009]. Seramik kalıpdaki metal veya alaşım sıvı hale getirilip, su soğutmalı kalıpta belli yönde katılaştırılmaktadır. Fakat çoğu döküm işlemlerinde ve özelliklede yerçekimine karşı yapılan dökümlerde, sıvı metal veya alaşım kalıp içinde değil kalıp dışından sıvı hale getirilmektedir. Sıvı metalin hazırlanışı ve akışı sırasında oluşan oksit bifilm tabakaları döküm malzemenin makro ve mikro yapısını, mekanik özelliklerini önemli ölçüde etkilemektedir. Ayrıca sıvı metalin kalıp boşluğundaki ısı dağılımı ve taşınımı, mikro yapıyı oluşturan dendritlerin kırılmasına ve yapıyı oluşturan fazların değişmesine sebep olmaktadır. Sıvı metal akışı, alaşımın mikroyapısının oluşumunda önemli bir rol oynamaktadır. Flemings e göre, sıvı metalin akış yönüne bağlı olarak yukarı doğru katılaşmada mikro yapıda kolonsal taneler oluşmaktadır [Fleming, 1974]. Fakat Shan ve Yaohe yaptıkları yatay doğrultudaki katılaştırılmış Al-Cu alaşımlarında akışın etki ile alaşımın farklı bölgelerinde mikro yapının değiştiğini belirtmektedir [Lıu ve Zhou, 1996]. Alüminyum alaşımları ise kaba bir yüzeyde katılaşması sırasında mikroskobik skalada (yüzyüze olmayan büyüme halinde), sıvıdan atomların katı bölgelere geçmesi şeklinde olmaktadır [Cantor ve Vogel., 1977]. Turchin ve arkadaşları kuvvetli akış altında Al-%4,5 Cu alaşımlarının kolonsal veya eşeksenel yapı morfolojisini incelemişlerdir [Turchin ve ark. 2007].

79 54 Deney düzeneklerinde elektromanyetik pompa ile tek yönlü ve sabit akış sağlamışlardır. Potada dikdörtgen kalıp içinde (800x60x70 mm.) su soğutmalı bronz soğutucu (34x110 mm.) ile Al-%4,5 Cu katılaştırılmıştır. Akış kuvveti altındaki (0,003 m/s. hız ile) katılaşma deney düzeneği Şekil 3.5 te verilmiştir (soğutucu yüzeyinde 1, 5 ve 10 mm. uzaklıklardaki sıcaklık verileri kayıt edilmiştir). Akış yönü Soğutucu Şekil Akış şartları altında katılaştırma deney düzeneği [Turchin ve ark.,2007] Katılaşma yüzeyine dik olarak uygulanan akış sonrasında yapılan mikro yapısal incelemelerde soğutucu yüzeyine yakın bölgelerde soğuma yönüne dik, merkeze doğru ise sıvı metal akışının etkisi ile yönlenen ince taneler olduğu görülmüştür. Bununla birlikte termal gradyantda akış yönünde hafif bir eğim gösterilmiştir, Resim 3.1 de farklı sıvı metal sıcaklıklarında ve sabit akış şartlarında katılaştırılan Al- %4.5Cu alaşımlardan elde edilen makroskobik görüntüleri verilmiştir [Turchin ve ark. 2007].

80 55 Akış Yönü Resim Soğuma yönüne dik olarak m/s hız ile akış altında katılaştırılmış Al-%4.5Cu alaşımlarının boyuna makroskobik görüntüleri. Sıvı metal sıcaklığı 700 C (a), 720 C (b), 740 C (c) [Turchin ve ark. 2007] Döküm malzemenin katılaşmasında bir diğer önemli parametre ise kalıp ve katılaşan döküm arasındaki ısı transfer katsayısıdır. Isı transfer katsayısı, kimyasal kompozisyona, döküm sıcaklığına, kalıp malzemesinin ısı iletkenliğine, pürüzlülüğüne var ise kaplama kalınlığına ve yerçekimine bağlıdır. Kai ve Pehlke, sıvı metal ve kalıp arasındaki ısı akışını ilk ele aldıklarında farklı yönlerde (altta ve yanda) soğutucu yardımı ile tek yönlü katılaşma sırasında oluşan ara yüzey boşluğunun ısı transferi katsayısı üzerine etkili olduğunu belirlemişlerdir [Kai ve Pehlke, 1985]. Birçok araştırmacı farklı döküm malzemelerin, farklı kalıp malzemelerine karşı katılaştırdıklarına sıvı metal ve kalıp arasındaki ısı transfer katsayısını sonlu farklar ve sonlu elemanlar gibi modellemeler ile incelemiştir [Grıffıths, 1999, Santos ve ark., 2001, Hallam ve Griffiths, 2004, Trovant, Argyropoulos-1, 2000 ve Trovant, Argyropoulos-2, 2000, Kron ve ark, 2005, Kron ve Fredriksson,2005, Kobryn ve Semiatin, 2001]. Lagerstedt ve arkadaşları ise dökme demir kalıplarda döküm-kalıp arasında oluşan boşluğu sensorlar ile ölçmeye ve modellemeye çalışmışlardır [Lagerstedt ve ark., 2005]. Döküm kalıp ara yüzeyinde oluşan boşluğunda hava ve helyum gazının ısı iletkenliği katsayısını artırmaktadır. [Argyropoulos ve Carletti, 2000]. Aweda ve Adeyemi, sıkıştırma

81 56 dökümde sıkıştırma basıncın artmasıyla ısı transferi katsayısı artığını ve ara yüzey boşluğunun azaldığını belirlemişlerdir [Aweda ve Adeyemi, 2009]. Sabau ise döküm soğutucu ara yüzeyindeki ısı akışını sensor yardımıyla doğrudan ölçmüştür [Sabau, 2006] Katılaşma Hızının Çekme, Gaz Boşluğu Oluşumu ve Mekanik Özelliklere Etkisi Sıvı metalin, kalıp boşluğuna transferinde sonra meydana gelen bifilm oksit tabakları, katılaşma sırasında ise hacimsel daralmadan dolayı mikro ve makro çekmeler oluşmaktadır. Çoğu boşluk hatası tek tek görülebileceği gibi birlikte de görülebilmektedir. Bifilm oksit hatalarının oluşturduğu gaz ve/veya çekme boşlukları, makro ve mikro çekme boşlukları malzemenin çekme, yorulma gibi mekanik özelliklerini de olumsuz etkilemektedir. Sıvı metal ve kalıp arasındaki ısı transferi sırasında oluşan çekme boşlukları genel bir döküm hatasıdır. Bu hatalar döküm malzemenin servis ömrünü ve kalitesinide olumsuz yönde etkilemektedir. Çekme hataları açık ve kapalı çekme hataları olarak iki ana başlık altında sınıflandırılmaktadır. Kapalı çekme (hacimsel daralma) hataları mikro ve makro gözenekler olarak gruplandırılmaktadır. Bu çekme hataları, Şekil 3.6 da şematik olarak gösterilmiştir. Şekil Döküm parçada gözlenen çekme hatalarının şematik gösterilmesi [Stefanescu, 2005]

82 57 Bütün bu döküm hataları kalıp gazları ve yarı katı bölgedeki sıvı metalin davranışına bağlı olarak gelişir. Besleme çekmesi, metalin katılaşma sırasında gösterdiği büzülme sonucu oluşur. Besleme çekmesi genellikle bütün metal ve alaşımlarda meydana gelmektedir. Geniş katılaşma aralığına sahip alaşımlarda çekmeden dolayı yüzeyde oluşan boşluk çekme hatasıdır. Makro boşluk çekmesi ise sıvı metalin katılaşma yüzeyinden sürekli beslenmesi sırasında oluşur. Besleme için itici güç, döküm yüksekliğinden kaynaklanan basınçtır. Katılaşma sırasında sıvı katı bölgede iken negatif çekme basıncı meydana gelir [Stefanescu, 2005]. Gaz boşlukları, sıvı metalin katılaşması sırasında kalıp boşluğundan kalıp gazlarının tahliye edilememesinden kaynaklanmaktadır. Gaz oluşumunun başlıca sebepleri ise, sıvı metalin katı durumda çözünenden daha fazla gazı çözebilmesi, karbon ile oksijenin CO ve CO 2 oluşturması, kuma dökümlerde ise kalıp neminin sıvı metal ile reaksiyona girmesidir [Bianchi ve Viskanta, 1997]. Akhtar ve arkadaşları bakır soğutucuya karşı seramik izole kalıp ile yönlü katılaştırılmış A356 alaşımındaki gözenek ve boşluk morfolojisini incelemişlerdir. Çalışmalarında, elektrik direnç ocağındaki sıvı A356 alaşımı Ar, Ar+%10 H 2, Ar+%10 NH 3, Ar+ H 2 O (gaz) ve talaş gibi farklı yöntemler ile rafine edilmiştir. Boşluk oluşumunu, soğutuculu kalıp içinde dik yönde katılaştırılan malzemelerin soğutucu yüzeyi, merkezi ve üst kısımdan alınan numunelerden elde edilen yoğunluk ölçümleri sonuçlarına göre incelemişlerdir. Soğutucudan uzaklaştıkça gözenek oluşumun arttığını belirlenmişlerdir [Akhtar ve ark., 2008]. Mikroboşluklar, dendritler arasında oluşan hacimsel daralmanın ve sıvı metal içinde çözünmemiş gazlardan kaynaklanmaktadır. Alüminyum alaşımlarının dökümünde oluşan bu boşluk veya gözeneklerin dağılımı ve boyutu soğuma oranına, hidrojen içeriğine, tane inceltme ve ötektik modifikasyonuna bağlıdır. Conley ve arkadaşları Magmasoft simülasyon programında makroskobik ısı transfer metodu ile akış modellerini, ve sıcaklık dağılımlarını incelemişlerdir. Dökümdeki bu sıcaklık dağılımına göre boşluk oluşumunu, mikroskobik olarak (Darcy ve basit kütlenin korunumu prensiplerini) iki boyutlu modellemişlerdir. Hidrojen konsantrasyonu belirlenmesi içinde Sievert prensibini kullanılmışlardır. Yapılan çalışmalar sonucunda, soğuma oranındaki artışa bağlı olarak artmasıyla yoğunluğunun artığını ve boşluk boyutlarının azaldığını hem

83 58 simülasyon hem de deneysel olarak görmüşlerdir. Ayrıca TiB 2 ile yapılan tane inceltme ile tane boyutlarının küçüldüğü ayrıca boşlukların boyutlarının ve hacimlerinin küçüldüğü belirtmişlerdir [Conley ve ark. 2000]. Carlson ve Beckermann çalışmalarında ise WCB çelik, A356 alaşımı ve AZ91D alaşımlarında Niyama kriterine göre hacimsel daralmadan kaynaklanan boşlukların oluşumlarını incelemişlerdir. Niyama kriteri basit olarak lokal termal katılaşma parametreleri ile tanımlanmaktadır (Eş. 3.4). N y =G/ T (3.4) Niyama kriterinde son boşluk hacim oranının (yüzdesini) hesaplanması (alaşıma bağlı olarak) katı oran-sıcaklık verileri ve toplam katılaşma çekmesinin bilinmesi gerekir. Toplam katılaşma zamanının artması ile çekme boşlukları da artmaktadır [Carlson ve Beckermann, 2009]. Özellikle dayanım/ ağırlık oranı yüksek Al-Si [Goulart ve ark., 2006] ve Al-Si-Mg alaşımları Al-Cu, Sn-Pb, Sb-Pb [Rocha ve ark.,2003, Rocha ve ark., 2008] alaşımları, mikro yapılarındaki dendrit kolları arasındaki mesafeler mekanik özellikler üzerine etkilidir. McDowell ve arkadaşları, A356 alaşımlarına uygulanan T6 ısıl işlemi sonrasında yorulma davranışlarını modellemişlerdir. Yüksek çevrim şartlarında Al-Si-Mg alaşımında gerilimin yoğun olduğu bölgelerde, mikro yapıdaki inklüzyon ve ikinci fazlar yorulma davranışlarını olumsuz etkilemektedir. Mikro yapı bileşenleri yorulma çatlağının oluşmasında ve çatlak ilerlemesinde etkilidir. Çekme boşlukları genellikle ötektik ve silisyumca zengin bölgelerde oluşmaktadır. Döküm malzemenin içerdiği inklüzyon boyutları A, B, C, D ve E olarak sınıflandırılır. Çizelge 3.2 de inklüzyon tipleri ve geniş aralıkta ölçüleri verilmiştir [McDowell ve ark, 2003].

84 59 Çizelge İnklüzyon tipleri ve ölçüleri [McDowell ve ark.,2003] İnklüzyon tipi A B C D E İnklüzyon ölçüleri Si partikülleri ve mikro boşluklar (oksit ve büyük boşluklar değildirler). Mikro boşluklardan büyük boşluklar, çok büyük boşluklar ve oksitler değildirler ve genellikle dendritik hücre boyutunun üç katından küçük boşluklardır. Büyük boşluklar (dendritik hücre boyutunun üç katından büyük boşluklardır). Büyük boşluklardır fakat yüzeydeki boşluğun çapı dendrtitik hücre boyutunun üç katından büyüktür. Geniş oksit filmler dendrtitik hücre boyutunun üç katından büyüktür. Cruz ve ark., Al-Sn ve Al-Si alaşımlarını su soğutmalı kalıp ile fırın içinde katılaştırmışlar ve dendritlerin büyüme yönüne dik, çekme mukavemetlerini ve mikroabrasiv aşınma özelliklerini incelemişlerdir. Her iki alaşım sistemi için birincil dendritler arasındaki mesafenin küçülmesi ile çekme mukavemeti artmaktadır. Al-Si alaşımın aşınma testleri sonrasında birincil dendrit kolların bir fonksiyonu olarak aşınma direncinin arttığı, buna karşılık Al-Sn alaşımların çekme mukavemetleri ve aşınma dirençleri, kalayca zengin bölgelerin aşınma sırasındaki yağlayıcı etkisinden dolayı birincil dendritler arasındaki mesafeye ile ters ilişkili olduğunu ifade etmişlerdir [Cruz ve ark., 2010]. Guo-fa ve arkadaşları, Al-Si-Mg alaşımlarında farklı kalınlıklardaki bakır soğutucuların ikincil dendrit kollar arası mesafe ve yoğunluklarını üzerine etkisini incelemişlerdir. Soğutucu kalınlığının artmasına bağlı olarak ikincil dendirt kollar arası mesafe azalmaktadır [Guo-fa ve ark., 2007]. Mikro boşluklar, alaşımın katılaşması ve ısı transferi, lokal mikro yapının oluşum uzunluğu, katılaşma sırasındaki hidrojen konsantrasyonu, yüzey-gerilim kuvveti üzerindeki bir itici güç ile baloncuk oluşumu, yarı katı bölgede mikro boşluğun oluşması için gerekli basınç ve boşluğun genişleyebileceği bir bölgenin olması halinde oluşmaktadır. Ayrıca katılaşma sırasındaki sıvı metal basıncının değişmesi, sıvının içerdiği hidrojen miktarını da değiştirmektedir. Boşluklar, hidrojen içeriği ve sıvı metalin hacimsel

85 60 daralmasından oluşmaktadır. Mikro boşluklar, yarı katı bölgedeki lokal basıncın düşmesi halinde oluşmaktadır. Hacimsel daralma (çekme) boşlukları ise sıvı metalin dendritler arasındaki sıvı bölgelerin ihtiyacı olan sıvı metali karşılayamamasından meydana gelmektedir. Katılaşma sırasında farklı döküm metotları kullanıldığında (kuma ve soğutucuya) sıvı metalin lokal basıncında, bir değişim olmamaktadır. Her iki döküm metodunda gaz ve hacimsel daralmadan kaynaklanan boşluklar meydana gelmektedir [Sabau ve Viswanathan, 2002 ] Katılaşma Hızının Oksit Film Tabakaları ve İntermetalik Fazların Mekanik Özellikler Üzerine Etkisi Dökümlerde kullanılan bakır soğutuculara karşı seramik izole kalıp ile yönlü katılaştırılmış A356 alaşımındaki gözeneklerin soğutucuya yakın bölgelerde, ince zar şeklinde (genişleyememiş) oksit bifilm tabakalarının, soğutucudan uzaklaştıkça (katılaşma hızının azalması sonucu) daha büyük küresel şekilli olarak oluşmaktadır. Bu durum, sıvı metalin içerdiği hidrojen miktarından daha fazla hidrojenin oksit bifilmlerin veya metal dışı inklüzyonların içine difüze edecek yeterli difüzyon zamanını yakalayamamasından kaynaklanmaktadır. Ayrıca üst bölgelerde oluşan boşlukların dendritler arasındaki sıvı metalin mikro çekmesine sebep olmaktadır [Akhtar ve ark., 2008]. Al-7Si-Mg alaşımı malzemelerde, döküm sırasında sıvı metalin karmaşık hareketinden kaynaklanan oksit filmler, malzemenin içinde çatlak ağ şeklinde görülmektedir. Bu çatlakların kalınlıkları 1-10 µm arasındadır. Ayrıca 1mm. ile 10 µm arasındaki hatalar boşluk olarak değerlendirilmektedir. Bu tür hataların giderilmesi için sıcak izostatik presleme kullanılmaktadır. Sıcak izostatik presleme sonrasında çatlakların kalınlığı ise 1 µm civarındadır. Oksit filmlarin sebep olduğu bu kusurlar malzemenin yorulma davranışlarına olumsuz etkilemektedir. Yorulma testi sonrasında kırık yüzeyleri SEM ile incelendiğinde kırılmaya, oksit film hatalarının (genç ve yaşlı oksit filmlerin) ve boşlukların neden olduğu belirlenmiştir [Nyahumya ve ark., 2001]. Al-Si-Mg alaşımlarında farklı oranlara sahip Fe ve Mn elementelerinin oksit film oluşumuna ve intermetalik fazlar üzerine etkisi araştırılmıştır. Alaşımın içerdiği Fe miktarının artması ile oksit film hataları

86 61 çevresinde α-fe parçacıkları ve demirce zengin β-al 5 FeSi plakaları oluşmaktadır. Kompozisyonda artan Mn içeriğine bağlı olarak β-fe plakaların bileşimindeki Mn miktarıda artmaktadır. Oksit film hatalarının alüminyum matris ile ıslattığı yüzeyde intermetalik fazlar rastgele oluşmaktadır [Cao ve Campbell, 2003]. Demirce zengin fazların katılaşması, alaşım içindeki soğuma oranına ve Fe-Mn miktarlarına bağlı olarak, üç aşamadan oluşmaktadır. Katılaşma sırasıyla dendritik yapı, ötektik ve peritektik reaksiyon ile oluşmaktadır. Sonuç olarak demirce zengin β- fazı, katlanmış oksit film tabakalarının ıslattığı bölgelerde oluşabilirken, kuru (yapışmayan) yüzeylerde ise alüminyum matris içinde çatlak görünümünde olmaktadır [Cao ve Campbell, 2004]. Döküm Al-Si-Mg alaşımından ile üretilmiş oksit tank adaptör kapaklarının performansını deforme olmuş kapak üzerinden alınan numuneler Jha ve Sreekumar tarafından incelemiştir. Kırık yüzeylerden alınan SEM görüntülerinde ikincil dendrit kollar arası mesafenin maksimum 50 µm olduğunu ve düzensiz şekilde (asiküler) ve rastgele dağılmış ötektik silisyum parçacıkları gözlenmiştir. Bu bölgelerde FeMg 3 Si 6 Al 8 intermetalik plakalar ile birlikte asiküler silisyum ötektiği ve alüminyum dendritler arasındaki iğnemsi ötektik silisyumun, kırılma üzerinde etkin olduğunu belirtmektedirler. Boşluklar ve gözenekler katılaşma sırasında sıvı metal geçişine imkan vermeyerek, beslenme problemini ortaya çıkarmaktadır. Genellikle gözenekler, ötektik tane sınırları çevresinde izole olmuş sıvı küreciklerinin oluştuğu bölgelerde oluşmaktadır [Jha ve Sreekumar, 2009 ]. Ma ve arkadaşları döküm A319 ve A356 alüminyum alaşımlarının soğuma oranını ve bileşimdeki demir oranının darbe dayanımına etkisini incelemişlerdir. Soğutucuya bağlı olarak dendrit kollar arası mesafeyi µm olarak ölçmüşlerdir. Soğuma oranı ve demir içeriğine bağlı olarak oluşan β-al 5 FeSi intermetaliği görüntü analiz programları ile incelenmiş, soğuma oranının azalması ile β-al 5 FeSi intermetaliğinin boyutunun artığı belirlenmiştir. Bununla birlikte soğuma oranı ve β-al 5 FeSi intermetaliğinin artması ile Mg ilavesinin yararlı etkisinde de azalmalar olmaktadır. Demir içeriğinin oluşturduğu intermetalik fazlar darbe dayanımını olumsuz etkilemektedir ve β- plakalar A319 alaşımında µm, A356.2 alaşımında ise µm civarındadır [Ma ve ar., 2003]. Kuijepers ve arkadaşları AA 6005 alaşımında α-al(femn)si ve β-

87 62 Al 5 FeSi intermetaliğini SEM, EDS ve X-ışını kırınımı metotları ile ayırt etmeye çalışmışlardır. Çünkü intermetalikleri mikro yapıda birbirinden ayırt etmek oldukça zor hatta imkansızdır. Sürekli döküm ile üretilen ekstrüze alüminyum alaşımlarında monolitik yapıdaki kararsız β-al 5 FeSi ve stokiyometrik α-al(femn)si birbirlerine çok benzemektedir. β-al 5 FeSi intermetaliği özellikle alaşımın ekstrüzyon özelliklerine olumsuz etki etmektedir. Homojenizasyon ısıl işlemi ile β-al 5 FeSi intermetaliğinin silisyum miktarı azalırken alüminyum α- dendritlerin küresel hale gelmekte ve ektrüzyon kabiliyetli artmaktadır. α-al(femn)si ve β-al 5 FeSi intermetaliğinin XRD sonuçlarında 2θ açısında 15 ve 50 aralığında kristalografik verileri ölçülmüş ve hesaplanmıştır. Ayrıca optik mikroskop incelemelerinde α- Al(FeMn)Si ve β-al 5 FeSi intermetaliklerini renklerine göre ayırt etmek zordur. Bu gibi durumlarda görünür oran dikkate alınmaktadır. Görünür oran, intermetalik plakanın uzunluğunun kalınlığına oranıdır. Eğer görünür oran yaklaşık 10 civarında ise β-al 5 FeSi intermetaliği, 1 civarında ise α-al(femn)si intermetaliği olarak tanımlanabilir [Kuijepers ve ark., 2003]. Gokhale ve Patel, pres döküm yöntemi ile üretilmiş Al-Si-Mg alaşımlarının çekme testi sonrasında kırılma yüzeylerini incelemişlerdir. Al-Si-Mg alaşımlarının döküm mikro yapısı, alüminyumca zengin dendritler ve dendritler arasındaki silisyum parçacıklarından, mikro boşluklar ve minor intermetalikler olduğu belirtmişlerdir. Bu alaşımların mekanik özellikleri mikro boşluklar, silisyum parçacıkların boyutu ve şekline bağlıdır. Çalışma sonrasında kırılma yüzeylerinde sıvı metalin hazırlanmasında kullanılan temizleme flaksı ve tane inceltici elementler ve oksit tabakalarının olduğu görülmüştür. Kırılma yüzeyindeki hatalı bölgelerin konsantrayonu ve çekme testi sonrası elde edilen süneklik değeri arasında bir bağıntı olduğu anlaşılmaktadır [Gokhale ve Patel, 2005]. Eidhed yaptığı çalışmada Sr ile yaptığı modifikasyon sonucunda β-al 5 FeSi intermetaliklerinin azaldığını belirtmektedir. β-al 5 FeSi intermetalikleri gözeneklerin çevresinde oluşmakta ve dendritler arası besleme kabiliyetine engel olmaktadır [Eidhed, 2008]. Al-Si-Cu alaşımlarında katılaşma hızına bağlı olarak ikinci dendrit kolların arasındaki mesafenin azaldığında mekanik dayanım artmaktadır. Ayrıca Sr ile modifikasyon, yüksek soğutma hızı ve maçalardaki çıkıcılar ile merkeze doğru ikincil dendrit kollar arasındaki mesafeyi de azaltmaktadır [Irfan ve ark., 2011].

88 63 Al-%7 Si, Al- %12 Si, 319 ve A356 alaşımlarında Sr modifikasyonu, boşluk ve oksit oluşumu üzerine etkilidir. Stronsiyum modifikasyonlu alaşımlarda stokiyometrik stronsiyum oksitleri görülmektedir. Gözeneklerin morfolojisi ise dairesel veya şekilsizdir. Sıvı metalin hazırlanması ve döküm sırasında oluşan alüminyum oksitlerin ise stronsiyum oksitlerden daha derindir. Ayrıca gözenek çevresinde β- Al 5 FeSi intermetaliği oluşmaktadır [Liu ve ark., 2003]. Al-7Si-0.4Mg alaşıma stronsiyum ilavesiyle özellikle düşük soğuma oranlarında β-al 5 FeSi intermetaliği inceltilmektedir. Fe ve Mn ilavesiyle yapıdaki demirce zengin faz miktarı artmaktadır. Mangan ilavesi ayrıca dendritler arası besleme kabiliyetini azaltmaktadır. Özellikle ötektik silisyum çevresinde demirce zengin β-fazının oluşurken demirce zengin fazın oluşması için öncelikle ötektik silisyumlu bölge ve üçlü ötektik reaksiyonun gerçekleşmesi gerekir [Lu ve Dahle, 2005]. Al-Si-Mg alaşımlarını titanyum-stronsiyum (Al-5Ti-B ve Al-10Sr) ile modifiye edildiğinde Al-12Si alaşımında β-fazının morfolojisi plaka halinden karmaşık şekilli yapıya dönüşmektedir. Sonuç olarak modifikasyon ile iğnemsi β-fazının morfolojisi ince küresel şekilde oluşmaktadır. Ayrıca tane inceltmenin etkisi ile kalite endekslerinde artış elde edilmiştir [Haro-Rodriguez ve ark., 2011]. Raiszadeh ve Griffiths alüminyum alaşımlarında sıvı haldeki metalin fırında tutulması ve oksit film hatlarının oluşumlarını incelemişlerdir. Oksit film hataları katılaşma çekmesi sırasında sıvı metalin atmosferden kaynaklanan hidrojen çözünmesinden kaynaklanmaktadır. Bifilm oksit hatalarının elimine edilmesinde şarj malzemesinin içerdiği hidrojen miktarı düşük olsa bile yaklaşık ergitme süresi 7-77 dakika aralığında oluşabilmektedir. Sonuç olarak sıvı metalin fırında bekletilmesi esnasında atmosfer ile teması bifilm oksit tabakaların oluşmasına oldukça etkili bir parametredir [Grifftiths ve Raiszadeh, 2006, Raiszadeh ve Griffiths, 2009, Raiszadeh ve Griffiths, 2011].

89 A356 Alaşımının Katılaşması ve Faz Oluşumları Al-Si-Mg alaşımları dökülebilirlikleri, korozyon dirençleri ve dayanımları düşünüldüğünde havacılık sektörü ve diğer uygulamalar için ideal alaşımlardır. Döküm sıcaklığı C, ergime sıcaklığı 610 C ve katılaşma sıcaklığı 543 C dir. Bu alaşım mekanik dayanımlarının yüksek olması ve düşük yoğunluğundan dolayı otomotiv ve havacılık elektroniği sektöründe geniş kullanım alanı bulunmaktadır. Magnezyum ilavesinin minör fazların (demir esaslı intermetalikler) oluşumu ve dağılımına etki ettiği bilinmektedir. Al-Si-Mg alaşımlarında magnezyum miktarı artar veya soğuma oranı azalır ise ikili Al-Si alaşımın ötektik dönüşüm sıcaklığı ve liküdüs sıcaklığı azalmaktadır. Akma dayanımlarında da dikkate değer bir artışa rastlanmamıştır [Wang ve Davidson, 2001]. Başka bir çalışmada ise Al-%7 Si alaşımına farklı oranlarda (0,4-0,75 aralığında) Mg ilavesi sonucunda akma dayanımında artış, yüzde uzama ve kırılma tokluğu değerlerinde azalmalara rastlanmıştır. Magnezyum ilavesi ile akma dayanımındaki artış ise uygulanan ısıl işlem sonrasında oluşan Mg 2 Si parçacıklarının artışına bağlıdır. Ayrıca stronsiyum modifikasyonu ile A367 ve A357 alaşımlarında silisyum ötektik fazı daha homojen ve küçük boyutlu olmaktadır. Mg miktarının A357 alaşımlarında artmasına bağlı olarak π-al 9 FeMg 3 Si 5 intermetalik fazı oluşumu artarken A356 alaşımlarında ise β-al 5 FeSi intermetaliklerinin oluşumunun artmaktadır [Caceres ve ark., 1999]. Al-Fe-Si alaşımlarında soğuma oranına bağlı olarak katılaşma davranışları incelendiğinde, lokal katılaşma oranına bağlı olarak kararlı yada yarı kararlı Al 3 Fe 4 (veya Al 3 Fe), Al 6 Fe ve β-al 5 FeSi intermetalikleri oluşmaktadır. Soğuma oranının artması, demir içerikli ötektik faz miktarının azalmasına, ayrıca ikincil intermetalik fazların oluşmasına neden olur [Dutta ve Rettenmary, 2000]. Demir içeriğinin artması ve katılaşma oranının azalması sonucu olarak dendrit kolları arasındaki mesafe ile birlikte β-al 5 FeSi intermetaliklerinin uzunluğu da artmaktadır. T6 ısıl işlemi sonrasında alüminyumca zengin dendritler içinde π-al 9 FeMg 3 Si 5 intermetalik fazı Mg 2 Si fazına dönüşmektedir [Gustafsson ve ark, 1986]. Al-MgSi alaşımlarının

90 65 katılaşmasında magnezyum ve silisyum iki ana elementtir. Bu alaşım elementleri Mg 2 Si oluşumuna imkan vermektedir. Döküm yapısı incelendiğinde, yapısı α- alüminyum, Mg 2 Si ve Al 15 Si 2 (FeMn) 3 fazları görülmektedir. Mikro yapı içinde Mg 2 Si fazı ikili ötektik reaksiyon sonucunda iki şekilde görülür. Al 15 Si 2 (FeMn) 3 intermetaliği ise üçlü ötektik reaksiyon sonucun da oluşmaktadır [Liu ve Kang, 1997]. Thompson ve arkadaşlarının A356 alaşımına stronsiyum ilave edildiğinde düşük, orta ve yüksek soğuma oranlarında Mg 2 Si fazının oluşum sıcaklığının düştüğünü belirlemişlerdir. Ayrıca stronsiyum ilavesi ile Al-Si ötektiği incelmektedir. Soğuma oranı katı fraksiyonunun üzerine çok fazla etki etmemekle birlikte hızlı soğuma oranında solidüs sıcaklığının C azalmaktadır [Thompson ve ark., 2004]. Çizelge 3.3 de A356 (Al-Si-Mg) alaşımının katılaşması sırasında oluşan fazlar ve oluşma sıcaklıkları verilmiştir [Arnberg, 1990, Arnberg, 1996]. Çizelge A356 alaşımında katlaşmanın gelişimi sırasında oluşan reaksiyonlar [Arnberg, 1996,Arnberg, 1990] Oluşan reaksiyon α- alüminyum dendritlerin oluşumu İlk ötektik reaksiyonun oluşumu ve üçlü ötektiğin oluşumu; Sıvı Al+Si veya Sıvı Al+Si+Al 5 FeSi Mg 2 Si fazının oluşumu; Sıvı Al+Si+ Mg 2 Si Karışık, dörtlü ötektiğin oluşumu; Sıvı Al+Si+ Mg 2 Si+Al 8 Mg 3 FeSi 6 Katılaşmanın sonlanması Reaksiyon sıcaklığı ( C) Katı fraksiyonu (f s ) A356 alaşımları, dendrit kolları arası mesafenin azalması ile yüksek sıcaklıklarda düşük yorulma davranışı ve oda sıcaklığında yüksek yorulma davranışı sergilemektedir. A356 alaşımının çekme ve basınç altında yüke maruz kaldığında

91 66 dislokasyonlar, ötektik parçacıklar ve dendritler ile etkileşmektedir. Dendrit kolları arası mesafenin düşük olması durumunda hem oda şartlarında hem de yüksek sıcaklıkta yapılan düşük devirli yorulma testlerinde dayanım beş kattan daha fazla artmaktadır. A356 malzemeye uygulanan ötektik modifikasyon, katılaşma oranı ve ısıl işlem gibi birçok parametre mekanik özelliklere etki etmektedir [Jeong ve ark. 2008]. A319-F ve A356 alaşımlarının yorulma davranışlarını incelendiğinde, boşluklu yapının kırılma yüzeylerinde etkili olduğu anlaşılmaktadır. Düşük basınç ile üretilen A319-F alaşımı ve köpük döküm metodu ile üretilmiş A356-T6 alaşımlarının yorulma davranışları karşılaştırıldığında, iki alaşım grubu içinde kırılma yüzeylerinde çekme ve mikro boşluklar yorulma çatlağı oluşumda etkilidir. Al-Si alaşımlarının yorulma davranışları, ötektik silisyum parçacıklarının boyutu ve ikincil dendrit kolları arasındaki mesafe, intermetalikler, kayma bantları ve döküm hataları tarafından belirlenmektedir. Yüzeydeki gözenek yorulma ömrü için önemlidir. Yüzeydeki boşluk veya porozitenin artmasıyla yorulma ömrü azalmaktadır. A319 alaşımlarında intermetalikler α-demir Al 12 (MnCuFe) 3 Si 2, Mg miktarına bağlı olarak Al 8 Mg 8 Cu 2 Si 6 fazı ve Al 2 Cu fazı A356 alaşımlarında Mg 2 Si ve β-al 5 FeSi intermetalik fazları oluşmaktadır [Ammar ve ark., 2008]. Al-Si ötektik alaşımlarında gözenek ve β-al 5 FeSi intermetalik fazlarının oluşmasında, soğuma oranı etkilidir. Düşük soğuma oranı β-al 5 FeSi intermetalik fazının oluşumuna kusursuz kristalografik yüzeyde çekirdeklenmesine imkan vermektedir. Ayrıca oluşan β-al 5 FeSi intermetalik fazının sıvı metalin beslenme kabiliyetine olumsuz etki etmektedir [Moustafa, 2009].

92 67 4. MALZEME VE METOT Deneysel çalışmalar, simülasyon aşaması, farklı yolluk sistemlerinin uygulanarak ideal yolluk sistemlerinin belirlenmesi ve belirlenen ideal yolluk sistemlerinde farklı soğutucu etkisinin belirlenmesi olarak üç temel aşamadan oluşmaktadır. Simülasyon aşamasında, dikey ve yatay yolluk sistemi elemanlarının sıvı metalin akış karakteristiği (türbülans ve yüzey türbülansı) üzerine etkisi incelenmiştir. Farklı yolluk sistemleri ile sağlanan sıvı metal akışının döküm malzeme kalitesi üzerine etkisi, çekme test sonuçları Weibull modüllerine göre değerlendirilmiştir. En yüksek Weibull modülüne sahip yolluk sistemleri, farklı soğutucular (elektrolitik bakır ve H13 çeliği) ile tek yönlü katılaştırılarak bifilm oksit film tabakası oluşumu, şekil ve boyutları incelenmiştir. Lokal katılaşma zamanına bağlı olarak, ikincil dendritik kollar arasındaki mesafe (SDAS) ölçümleri yapılmıştır Deneysel Çalışmalarda Kullanılan A356 (Al-Si-Mg) Alaşımı Deneysel çalışmada, döküm malzemesi olarak A356 (Al-Si-Mg) alaşımı kullanılmıştır. Ergitmede kullanılan A356 alaşımı 17 şer kg. lık ingotlar halinde ETİ Alüminyum A.Ş den temin edilmiştir. A356 alaşımının standart ve temin edilen ingotların kimyasal bileşimi Çizelge 4.1 de verilmiştir. Çizelge A356 alaşımının standart ve ingot malzemelerin kimyasal bileşimi Si Mg Fe Ti Mn Cu Zn A356 6,50-0,20- (LM 25) sandart 0,20 0,20 0,35 0,25 0,35 7,50 0,45 bileşimi İngot bileşimi ,40 0,15 0,111 0,030 0,0023 0,00002

93 Kalıpların Hazırlanması Aşamasında Kullanılan Malzemeler Deneysel çalışmalarda, simülasyon aşamasında tasarlanan yolluk sistemlerinin ahşap maça modelleri hazırlanmıştır. İzole kalıp boşluklarının oluşturulmasında kestamit malzemeden hazırlanan model kullanmıştır. Kalıplama aşamasında Siltaş A.Ş. den temin edilen AFS tane iriliğine sahip silis kumu ve izole seramik kalıpların yapımında Akm Metalurji den temin edilen Termal Ceramics LOD607 dökülebilir refrakter malzeme kullanılmıştır. Kalıp kumunun bağlayıcılığını sağlamak için, Çukurova Kimya A.Ş. den temin edilen ester bazlı alkali fenolik reçine (TPA41) ve serter (TH9) kullanılmıştır. Soğutucu olarak kullanılan elektrolitik bakır Arbak Metal den, çelik soğutucu olarak kullanılan H13 sıcak iş takım çeliği AFB Metal den temin edilmiştir. Deneysel çalışmada kullanılan soğutucu malzemelerin kimyasal bileşimleri Çizelge 4.2 de verilmiştir. Çizelge Deneysel çalışmada kullanılan soğutucuların kimyasal bileşimleri Soğutucu Malzeme C Si Mn Cr Ni Mo Ti V Co Cu Elektrolitik bakır ,99 H13 çeliği 0,40 1,04 0,42 4,946 0,189 1,463 0,002 0,894 0,027 0,062 Tek yönlü katılaştırılmış döküm malzemede sıcaklık verilerinin toplanmasında 8 kanallı PİCOLOG veri kayıt edici sistem ve mineral izoleli 1,5 mm. çapında (0,23 mm tel kalınlığı) ısıl çiftler (temokupollar) kullanılmıştır Ergitme Aşaması Ergitme işlemi Karabük Üniversitesi Teknoloji Fakültesi İmalat Mühendisliği bölümünde bulunan 35 kg alüminyum ergitme kapasiteli, elektrik direnç ocağında yapılmıştır. Hazırlanan sıvı metalin kalıplara taşınması ve döküm işlemi sırasında meydana gelmesi muhtemel kalıntıların oluşmasını engellemek için alttan akıtmalı (stoperli) pota sistemi kullanılmıştır.

94 Tasarlanan Yolluk Sistemlerinin Hesaplanması Deneysel çalışmalarda yapılacak olan çekme numunlerini elde edilmesi için 125x220x15 mm. ölçülerinde plaka kullanılmıştır. Sıvı metalin kalıp boşluğuna akışını sağlayan yolluk sistemleri enerjinin korunumu ve kütlenin korunumu prensibi eşitlikleri ile model geometrisine bağlı olarak hesaplanmıştır. Dikey yolluktaki hava emişini azaltmak için, dikey yolluk yüksekliği ve döküm havuzundaki etkin döküm yüksekliğine uygun, inceltilmiş dikey yolluk alanları belirlenmiştir. Dikey yolluklarda iki farklı (kare ve daire) şekle sahip yolluklar tasarlanmıştır. Dikey yolluk ve yatay yolluğun birleştirilmesinde oluşan basınç düşüşünü ve türbülansı azaltmak için inceltilmiş dirsek modeli uygulanmıştır. Yatay yollukta sıvı metal hızının, türbülans ve yüzey türbülansını azaltılması için, giriş kesit alanı 225 mm 2 çıkış kesit alanı 450 mm 2 olan, farklı çıkış (kare, dikdörtgen ve daire) şekillerine sahip difüzörlü yatay yolluklar kullanılmıştır (meme giriş hızına bağlı olarak (0,30 m/sn.) 1000 mm 2 olarak kesit alanı hesaplanmıştır). Deneysel çalışmada uygulanan dikey, yatay yolluk sistem elemanları Çizelge 4.3 te gösterilmiştir. Sıvı metalin katlanmasını engellemek için yatay yolluk uç kısımları eğimlendirilmiştir.çalışmada dikey yolluklarda kare kesit (K), daire kesit (D) yatay yolluklarda difüzörlü yatay yolluk sistemleri (D) ve kesit şekli kare (K), dikdörtgen (Dg), daire (Da) şeklinde kısaltılmıştır. Çizelge Deneysel çalışma uygulanan tasarlanan yolluk sistem elemanları Dikey yolluk sistemi şekli Kare kesitli dikey yolluk (K) Giriş kesiti =25.2 mm. Çıkış kesiti= 15 mm. Daire kesitli dikey yolluk (D) Giriş kesiti =Ø28.5 mm. Çıkış kesiti= Ø17 mm. Yatay yolluk sistemi şekli Kare kesitli difüzörsüz yatay yolluk (K) Kare kesitli difüzörlü yatay yolluk (DK) Dikdörtgen kesitli difüzörlü yatay yolluk (DDg) Daire kesitli difüzörlü yatay yolluk (DDa) Daire kesitli difüzörsüz yatay yolluk (Da) Daire kesitli difüzörlü yatay yolluk (DDa) Dikdörtgen kesitli difüzörlü yatay yolluk (DDg) Kare kesitli difüzörlü yatay yolluk (DK)

95 70 Çalışmada tasarlanan kare kesitli dikey yolluk grubuna ait yolluk sistemlerinin ölçüleri Şekil 4.1 de, daire kesitli dikey yolluk grubuna ait yolluk sistemleri ölçüleri Şekil 4.2. de verilmiştir. Şekil Kare kesitli dikey yolluk grubuna ait yolluk sistemleri

96 Şekil Daire kesitli dikey yolluk grubuna ait yolluk sistemleri 71

97 Simülasyon Çalışmaları Sıvı metal akışının simüle edilmesi için Kardökmak A.Ş bünyesinde bulunan NovaFlow&Solid Gravity simülasyon programı kullanılmıştır. NovaFlow&Solid Gravity simülasyon programında, Solidworks çizim programında üç boyutlu olarak oluşturulan STL formatındaki çizim, sonlu farklar metoduna dayalı olarak sıvı metalin akış hızı, türbülans ve yüzey türbülansı oluşum ihtimalleri simüle edilmiştir. Tasarlanan yolluk sistemlerinde sıvı akışının hassasiyetinin artırılması amacı ile 1 mm.lik menşlerden oluşan hücreleme yöntemi kullanılmıştır. Simülasyon esnasında oluşturulan toplam hücre ve döküm hücre sayıları Çizelge 4.4 te verilmiştir. Simülasyon sonunda zamana ve konuma bağlı olarak, iki boyutlu olarak sıvı metal akış hızları vektörel büyüklükleri (kalıp ortasından) alınmıştır. Ayrıca üç boyutlu akış şekilleri ve büyüklükleri zamana bağlı olarak oluşturulmuştur. Çizelge Simülasyon esnasında oluşturulan toplam hücre ve döküm hücre sayıları Dikey yolluk sistemi şekli Kare kesitli dikey yolluk Daire kesitli dikey yolluk Yatay yolluk sistemi şekli Kare kesitli difüzörsüz yatay yolluk Kare kesitli difüzörlü yatay yolluk Dikdörtgen kesitli difüzörlü yatay yolluk Daire kesitli difüzörlü yatay yolluk Daire kesitli difüzörsüz yatay yolluk Daire kesitli difüzörlü yatay yolluk Dikdörtgen kesitli difüzörlü yatay yolluk Kare kesitli difüzörlü yatay yolluk Toplam Hücre Sayısı Döküm Hücre Sayısı

98 Döküm Kalıpların Hazırlanması Deneysel çalışmalarda kullanılan döküm kalıpların hazırlanmasında AFS silis kumu ve kum ağırlığının %1,8 i kadar (en fazla) ester bazlı alkali fenolik reçine ve reçine ağırlığının %20-25 si kadar (en fazla) sertleştirici ilave edilen hazırlanan kalıp kumu kullanılmıştır. Çalışmalarda uygulanan yolluk sistemlerinin her birinden üçer adet döküm kalıbı hazırlanmıştır. Farklı yolluk sistemlerine sahip ahşap model maça sandıkları Resim 4.1 ve Resim 4.2 de verilmiştir. Resim Kalıplama öncesinde kare kesitli dikey yolluğa sahip grubun maça sandıkları görüntüsü. Difusörsüz kare kesitli yatay yolluk (a), difüzörlü kare kesitli yatay yolluk (b), difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk (c), difüzörlü daire kesitli yatay yolluk (d)

99 74 Resim Kalıplama öncesinde daire kesitli dikey yolluğa sahip grubun maça sandıkları görüntüsü. Difusörsüz daire kesitli yatay yolluk (a), difüzörlü daire kesitli yatay yolluk (b), difüzörlü kare kesitli yatay yolluk (c), difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk (d) Hazırlanan kare kesitli dikey yolluğa sahip grubun kalıpları (Resim 4.3. a, b, c ve d) ve döküm havuzu resmi (Resim 4.3.e) verilmiştir. Döküm öncesinde kalıplar işkence ile sıkılarak 24 saat bekletilmiştir. Beklemeye bırakılan kalıp görüntüsü Resim 4. 4 te verilmiştir.

100 Resim Kalıplanmış kare kesitli dikey yolluğa sahip grubun kalıpları difüzörsüz kare kesitli (15 15) yatay yolluklu kum kalıp (a), difüzörlü kare kesitli (21,20 21,20) yatay yolluklu kum kalıp (b), difüzörlü dikdörtgen kesitli (6 75) yatay yolluklu kum kalıp (c), difüzörlü daire kesitli (Ø24) yatay yolluklu kum kalıp (d) ve kalıplanmış döküm havuzu (e) 75

101 76 Resim Beklemeye bırakılan döküm kum kalıplar Sıvı metalin kalıp boşluğuna girişi ve dolumu sırasındaki akışı şeklini elde edebilmek için difüzörsüz kare ve daire kesitli yatay yolluğa sahip yolluk sistemlerinde SCHOTT ROBAX 800 C sıcaklığa dayanıklı cam ile kalıp boşluğunun bir tarafı görünür hale getirilmiştir. CASIO marka EX-FH25 model yüksek hızlı video kayıt edebilen fotoğraf makinesi ile döküm esnasındaki kalıp boşluğundaki akış 420 fsp. (420 adet foto/s.) hızla kayıt edilmiştir. Gerçek akış şekli alınan difüzörsüz kare kesitli yatay yolluğun döküm sonrası görüntüsü Resim 4.5 te verilmiştir. Resim Gerçek akış şeklinin görüntülendiği dökümü tamamlanmış difüzörsüz kare kesitli yatay yolluğa sahip kalıp resmi

102 77 Tek yönlü katılaştırma işlemlerinde kalıp boşluğunu oluşturan izole seramik kalıpların hazırlanmasında kestamit maça sandığına dökülebilir refrakter ağırlının %90 kadar su ilave edilerek hazırlanan refrakter kalıp malzemesi kestamit kalıplara dökülerek 24 saat (oda sıcaklığında) kurumaya bırakılmıştır. Daha sonra izole seramik kalıplar 850 C de 5 saat ısı kürü uygulanarak fırında soğutulmuştur. İzole seramik kalıpların kalıp duvar kalınlığı 37,5 mm dir. Kalıp boşluğundaki ve soğutucudaki ısı akışını ölçebilmek için PİCOLOG USB 8 kanallı sıcaklık veri kayıt edici sistem ve K-tipi Ni-Cr (0,23 mm. tel çapına sahip ve 1,5 mm. mineral izoleli) ısıl çiftler kullanılmıştır. Soğutucu olarak 1125x200x15 mm ölçülerinde elektrolitik bakır ve H13 sıcak iş takım çeliği kullanılmıştır. Isı akışının soğutucuya doğru desteklenmesi için 3 lt/dk. debi ile su soğutması yapılmıştır. Tek yönlü katılaştırılan döküm plakalarda sıcaklık verilerinin toplandığı noktalar, metalografik incelemenin yapıldığı bölge ve çekme test numunelerinin alındığı bölgeler Şekil 4.3 te verilmiştir. Şekil Tek yönlü katılaştırılmış kalıp içindeki sıcaklık verilerinin toplandığı, metalografik ve çekme numunelerinin bölgeleri

103 78 Tek yönlü katılaşmanın uygulandığı izole seramik ve silika kalıplar Resim 4.6.a da ısıl çiftlerin ve sıcaklık kayıt edici sistemin montajı Resim 4.6.b de ve döküm sonrası kalıbın görüntüsü Resim 4.6.c de verilmiştir. Şekil 4.3 te termal çiftlerin yerleştirildiği noktalardan sıcaklık kayıt edici sistem ile her 0,5 sn. de zamana bağlı sıcaklık değerleri toplanmıştır. Termal çiftlerin yerleştirildiği noktalardaki sıvı metalin lokal katılaşma zamanları ısıl çiftlerin liküdüs ve solidüs sıcaklıkları arasında zaman dilimi farkı ile hesaplanmıştır. Resim Tek yönlü katılaşmanın uygulandığı kalıbın hazırlanmasında kullanılan izole seramik ve silis kumundan kalıplar (a), ısıl çiftlerin ve sıcaklık kayıt edici sistem (b) ve döküm sonrası kalıp görüntüsü (c) 4.7. Ergitme ve Döküm İşlemi Ergitme işleminde Karabük Üniversitesi Teknoloji Fakültesi İmalat Mühendisliği bölümünde bulunan 35 kg. lık alüminyum ergitme kapasitesine sahip grafit potalı elektrik direnç fırını kullanılmıştır. A356 alaşımı külçeler uygun büyüklükte parçalara bölünerek alkol ile silindikten sonra ocağa şarj edilmiştir. Ergitme işlemi yaklaşık olarak 3-3,5 saatte gerçekleştirmiştir. Sıvı metal, ergitme ortamından ve sarj malzemesinden kaynaklanan safsızlık miktarını azaltmak için grafit lans ile 1 bar

104 79 basınçta 5 dk. argon gazı ocak ortamında verilmiştir. Hazırlanan sıvı metalin kalıplara taşınması aşamasında, 200 mm. çapında ve 200 mm. yüksekliğinde yaklaşık 17 kg. sıvı alüminyum taşınabilen alttan akıtmalı (stoperli) bir pota kullanılmıştır. Çalışmada kullanılan elektrik direnç ocağı Resim 4.7.a da argon gazının verildiği lans başlığı Resim 4.7.b de verilmiştir. Sıvı metalin kum kalıplara transferinde kullanılan alttan akıtmalı potanın resmi Resim 4.8 de verilmiştir. (a) (b) Resim Çalışmada kullanılan elektrik direnç fırını (a) ve grafit lans başlığı (b) Resim Alttan akıtmalı grafit stoperli pota

105 Homojenizasyon Isıl İşlemi Döküm işlemleri tamamlanan A356 plakalar talaşlı imalat öncesinde katılaşma sırasındaki makro segregasyonların (bileşim farklılıklarının) giderilmesi için 540 C de 6 saat homozenize fırın ortamında soğutulmuştur Çekme Numunelerin Hazırlanması Sıvı metalin yolluk sistemi ve kalıp boşluğunu doldurması sırasında oluşan türbülans ve yüzey türbülansının döküm malzemenin mekanik özellikleri üzerine etkisin incelenmesi için çekme testleri yapılmıştır. Çekme testleri için kuma dökülen A356 plakalardan dikey ve yatay olarak numuneler hazırlanmıştır. Ayrıca su soğutmalı farklı soğutucu malzemeler kullanılarak dökülen plakalardan ise yatay olarak kesilerek hazırlanmıştır. Çekme numuneleri ASTM E 8M-04 standardına hazırlanmıştır. Standarda uygun olarak hazırlanan çekme numuneleri ölçüleri Şekil 4.4 te ve talaşlı imalat sonrası görüntüsü Resim 4.9 da verilmiştir. Şekil ASTM E 8M-04 standardına göre çekme numunesi ölçüleri Resim ASTM E 8M-04 standardına göre çekme numunesi resmi

106 Re 81 Tasarlanan farklı yolluk sistemleri ile dökülen plakalardan dikey ve yatay doğrultuda hazırlanmış çekme numuneleri görüntüleri Resim 4.10 da verilmiştir. (a) (b) Resim Yatay (a) ve dikey (b) çekme numuneleri Yaşlandırma (T6) Isıl İşlemi Çekme numuneleri Karabük Üniversitesi Teknoloji Fakültesi İmalat Mühendisliği bölümünde bulunan PROTHERM marka ve PLF 120/27 model sıcaklık kontrollü ısıl işlem fırınında T6 ısıl işlemine tabi tutulmuştur. T6 ısıl işleminin yapıldığı fırın resmi Resim 4.11 de verilmiştir. Çekme numuneleri C de 8 saat solüsyona alındıktan sonra oda sıcaklığında su verme işlemi ile hızlı soğutulmuştur. Oda sıcaklığında 24 saat doğal yaşlandırma sonrasında 170 o C de 10 saat yapay yaşlandırılmıştır. Resim Çekme numunelerine T6 ısıl işleminin uygulandığı fırın resmi

107 Karakterizasyon Çalışmaları A356 döküm plakaları yoğunluk ölçümleri ile optik ve tarama elektron mikroskobu (SEM) görüntü analiz sistemi, X-ışınımı Difraktometresi (XRD), sertlik ölçümleri ve çekme testleri yapılarak karakterize edilmiştir Yoğunluk ölçümleri Tasarlanan farklı kesit şekline ve kesit alanlarına sahip yolluk sistemleri ile silis kumu ile kalıplanan döküm A356 plakalardan hazırlanan 25x25 mm. ebatlarındaki numunelerden yoğunluk ölçümleri yapılmıştır. Her plakadan 40 adet numune alınarak yoğunluklar ölçülmüştür. Yoğun ölçümleri Karabük Üniversitesi Teknoloji Fakültesi İmalat Mühendisliği bölümündeki PRECİSA XB 220A yoğunluk ölçüm kitinde Archimed s prensibine göre ölçülmüştür. Yoğunluk ölçüm cihazı görüntüsü Resim 4.12 de verilmiştir. Resim Yoğunluk ölçüm cihazı

108 Sertlik ölçümü Silika kuma dökülen döküm plakalardan döküm ve T6 ısıl işlemi sonrasında ve tek yönlü katılaştırılmış döküm plakalardan T6 ısıl işlemi sonrasında sertlik ölçümleri (HV2) yapılmıştır. Sertlik ölçümlerinde Karabük Üniversitesi Teknoloji Fakültesi İmalat Mühendisliği bölümünde bulunan AFFRI marka VRSD 251 üniversal sertlik cihazı kullanılmıştır (Resim 4.13). Resim Sertlik ölçüm cihazı Metalografik numunelerin hazırlanması ve optik mikroskop görüntülerinin analizi Metalografik numunelerin hazırlanması aşamasında, Karabük Üniversitesi Teknoloji Fakültesi İmalat Mühendisliği bölümünde bulunan PRESI marka MEGAPOL P262 zımpara ve polisaj cihazı (Resim 4.14) kullanılmıştır. Standart metalografik işlemlerde ve 1200 SiC zımpara hazırlanan numuneler 3 ve 1µm elmas pasta ile parlatılmıştır. Hazırlanan numuneler Keller dağlayıcısı (30-45 s.) ile dağlanmıştır.

109 84 Resim Zımpara ve polisaj cihaz görüntüsü Farklı soğutucuların (elektrolitik bakır ve H13 sıcak iş takım çeliği) tek yönlü katılaştırılmış izole seramik kalıp içinde katılaştırılmış A356 döküm alaşımından Şekil 4.3 te belirlenen ısıl (çiftlerin üzerinden) noktalardan metalografik incelemeler için numuneler alınmıştır. Mikro yapı görüntüleri Karabük Üniversitesi Teknoloji Fakültesi İmalat Mühendisliği bölümünde bulunan MEIJI marka optik mikroskobu (Resim 4.15) kullanılmıştır. Farklı büyütmelerde kayıt edilen (4X-10X-20X-50X ve 100X) görüntüler MSQ PLUS 6.5 görüntü analiz programı ile incelenmiştir. İkincil dendrit kolları arasındaki mesafe, gaz ve/veya çekme boşlukları (bifilm) şekil ve boyut değişimleri incelenmiştir. Resim Mikro yapıların incelendiği optik mikroskop

110 Çekme testleri Döküm plakalardan hazırlanan (ASTM E 8M-04 standardına uygun) çekme numuneleri T6 ısıl işlemi sonrasında Karabük Üniversitesi Teknoloji Fakültesi İmalat Mühendisliği bölümünde bulunan SHİMADZU AG-IS marka 50 kn kapasiteli çekme cihazında ve 2 mm/dk. çekme hızında test edilmiştir (Resim 4.16). Resim SHİMADZU AG-IS marka çekme cihazı resmi Çekme test sonuçlarına Weibull dağılımı istatiksel analizinin uygulanması Döküm malzemelerine uygulanan farklı şekil ve kesit alanlarına sahip yolluk sistemlerinin malzemenin servis ömrü ve kalitesi üzerine etkisinin araştırılmasında Weibull dağılımı analizi sonucu elde edilen Weibull modülü kullanılmıştır. Çalışma kapsamında, Weibull dağılımı istatiksel analizinde Hazen tahmin edicisi kullanılmıştır. Çekme numunelerinden elde edilen çekme mukavemet değerinin logaritmik değerine karşı tahmin edicinin logaritmik fonksiyonuna göre çizilen doğrunun eğimi (Weibull modülü) hesaplanmıştır.

111 Tarama elektron mikroskobu (SEM) ve enerji dağılımlı X-ışını spektrometresi (EDS) Mikro yapı ve çekme numunelerinin kırık yüzeylerinin incelenmesinde Gazi Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Metalurji Mühendisliği bölümünde bulunan JEOL JSM-6060 cihazı (EDS li) kullanılmıştır. Kırık yüzeylerdeki mikro yapı, boşluk ve inklüzyonların dağılımı ayrıca intermetalik fazların boyut ve oluşum bölgeleri incelenmiştir. Ayrıca ısıl işlem sonrasında Mg 2 Si çökeleklerinin belirlenmesinde Bilkent Üniversitesi UNAM da bulunan FEI-Nova NanoSEM 430 cihazı kullanılmıştır X-ışını kırımını A356 (Al-Si-Mg) döküm alaşımdaki bileşiklerin tanımlanması için Ortadoğu Teknik Üniversitesi Merkez Laboratuarlarında bulunan Rikuga Ultima IV X-ışınımı Difraktometresi kullanılarak katılaşma ve uygulanan T6 ısıl işlemi sonrasında oluşan A356 alaşımındaki fazlar incelenmiştir.

112 87 5. DENEYSEL SONUÇLAR VE TARTIŞMALAR 5.1. Sıvı Metal Akış Simülasyon Sonuçları NovaFlow&Solid Gravity döküm simülasyon programı ile, sıvı metalin yolluk sistemini ve kalıp boşluğunu doldurması sırasında, iki boyutlu vektörel hızı ve üç boyutlu akış şekli (türbülans ve yüzey türbülansı) incelenmiştir. Simülasyon sırasında döküm havuzu tamamen dolu kabul edilmiştir ve etkin döküm yüksekliği olan döküm havuzundaki sıvı metal yüksekliği 25 mm. olarak tutulmuştur. Deneysel aşamada, etkin döküm yüksekliğini korumak için döküm havuzu grafit stoper ile kapatılmıştır. Döküm havuzu tamamen doldurulduktan sonra stoper kaldırılarak döküm işlemini yapılmıştır (sıvı metalin iki boyutlu vektörel hız görüntüleri döküm kalıbın ortasından alınmıştır). Resim 5.1 de kare kesitli dikey yolluk ve difüzörsüz kare kesitli yatay yolluk sistemindeki akış hızları iki boyutlu vektörel büyüklük olarak verilmiştir. Sıvı metal yaklaşık 0,105 s. sonra dikey yolluk ile yatay yolluğu birleştiren inceltilmiş dirseğe ulaşmaktadır (Resim 5.1.a). Bu sırada sıvı metalin yön değiştirmesinden kaynaklanan bir hız değişimi söz konusudur. Ayrıca sıvı metal yolluk sistemini tamamen dolduramadığından süreksiz akış görülmektedir. Sıvı metalin 205 mm. yükseklikten düşmesi ve akışın süreksiz olmasından dolayı, dirsek kısmında hız hesaplanan hız 2 m/s. nin oldukça üzerindedir. Tasarımlarda bilinen dirsek kullanımından farklı olarak hava emişine ve basınç artışına karşı kavise doğru inceltilmiş dirsek yöntemi ilk kez bu çalışmada kullanılmıştır. Fakat akışın süreksizliği ve dirsekteki basınç artışından dolayı ölü bölgeler oluşmasına engel olunamamıştır. Sıvı metalin 0,291 s. sonra yatay yolluğun sonuna kadar ulaştığı ve meme kesit alanına türbülanslı bir şekilde giriş yaptığı görülmektedir (Resim 5.1.b). İşlem sonrasında, 0,691 s. sonra döküm kalıbın yaklaşık %72 sini doldurmuştur, kalıp içinde türbülans azalmaktadır (Resim 5.1.c). Vektörel hız büyüklükleri, yolluk sisteminin tamamen doldurulmasından ve akışın kararlı duruma geçmesinden dolayı, başlangıçta hesaplanan teorik akış

113 88 hızlarına oldukça yakındır. Toplam döküm süresi ise yaklaşık 1,759 s. olarak hesaplanmıştır. Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörsüz kare kesitli yatay yolluk sistemindeki akış hızlarının iki boyutlu vektörel büyüklükleri Resim 5.2 de kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sistemindeki akış hızlarının iki boyutlu vektörel büyüklükleri verilmiştir. Sıvı metal 0,174 s. sonra difüzör çıkışına (kare kesitli) ulaşmıştır ve süreksiz akıştan dolayı difüzör kesitini dolduramadığından yaklaşık 1,82-1,52 m/s hız ile yatay yolluğu doldurmaya başlamıştır (Resim 5.2.a). Sıvı metal, 0,529 s. sonunda yatay yolluğun uç kısmına ulaşmış ve yatay yolluk tam dolmadan meme girişinden yukarı doğru (0,60-0,20 m/s hız ile) doldurmaya başlamıştır. Hız ortalamasına bakıldığında,

114 89 hesaplanan 0,30 m/sn hıza yakın değerler elde edilmiştir. Yatay yolluğun uç kısmından geri dönen sıvı metal, alan artışından dolayı difüzöre hareket etmektedir. (Resim 5.2.b). Bu sırada sıvı metalin kendi üzerine katlanmaktadır. Katlanmanın malzeme kalitesi üzerine etkisi ise deneysel aşamada tartışılacaktır. Bunun sebebi artan kesit alanına sahip difüzörlü yatay yolluk sisteminde yolluk hacminin difüzörsüz yolluğa kıyasla fazla olmasıdır. Yatay yolluk tamamen dolmadan sıvı metal kalıbın yaklaşık %72 sini doldurmaktadır (Resim 5.2.c). Sıvı metal 1,831 s. sonra kalıp boşluğunun hemen hemen tamamını doldurmuştur (Resim 5.2.d). Sıvı metalin, kalıp boşluğunu meme kesit alanından itibaren doldurması sırasında yüzey türbülansının kalıptaki sıvı metal hacminin artması ve difüzörün etkin görev yapmasından dolayı düzenli bir duruma geçtiği görülmektedir. Vektörel akış çizgilerinin birbirine yakın değerler ile azaldığı görülmektedir. Bunun sonucu olarak yüzey türbülansı azalmaktadır. Toplam döküş süresi 1,851 s. olarak hesaplanmıştır. Sıvı metalin kalıp boşluğunu tamamen doldurduğu zamana yakın zaman aralığında alınan hız dağılımı görüntüsünde ise (1,831 s.) kalıp boşluğundaki sıvı metalin vektörel hız dağılımı görülmektedir.

115 90 Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sistemindeki akış hızlarının iki boyutlu vektörel büyüklükleri Resim 5.3 de kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk sistemindeki akış hızlarının iki boyutlu vektörel büyüklükleri verilmiştir. Sıvı metal 0,155 s. sonra dikey yolluktan dikdörtgen çıkışlı yatay yolluğa ulaşmıştır. Dirsek kısmındaki düşük basınçtan ve kumun gaz geçirgenliğinden dolayı kalıp duvarının dış yüzeyinden hava emişi söz konusudur (Resim 5.3.a). Yatay yolluğun uç kısmına 0,314 s. sonra sıvı yaklaşık 1 m/s. hız ile çarpmaktadır (Resim 5.3.b). Sıvı metal 0,888 sn. sonra kalıp boşluğunu doldurmaktadır. Fakat dirsek kısmında yatay yolluk kesit alanındaki artıştan dolayı kalıbın tamamen doldurulması sağlanamamaktadır (Resim 5.3.c) (toplam döküş süresi 1,994 s.).

116 91 Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk sistemindeki akış hızlarının iki boyutlu vektörel büyüklükleri Resim 5.4 te kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk sistemindeki akış hızlarının iki boyutlu vektörel büyüklükleri verilmiştir. Sıvı metal 0,176 s. sonra daire kesitli difüzör çıkışına ulaşmaktadır. Fakat yolluk sistemindeki aşırı çalkalanma (türbülans) nedeniyle katlanmaya maruz kalmaktadır (Resim 5.4.a). Daire kesitli yatay yolluk sisteminde son noktaya 0,303 s. sonra ulaşmaktadır. Bu yolluk sisteminde kesit şeklinin geniş olması sebebi ile aşırı bir katlanma olduğu görülmektedir (Resim 5.4.b). Daire kesitli difüzör 0,832 s. sonra bile sıvı metal tarafından tam olarak doldurulamamıştır. Bu aşamada sıvı metal, düşme yüksekliğinin etkisinde meme kesit alanından kalıp boşluğunu doldurmaktadır (Resim 5.4.c). Sıvı metalin akışı düzensiz ve beraberinde hava sürüklenmesine imkân

117 92 verecek şekilde kalıbı doldurmaktadır (toplam döküş süresi 1,875 s. olarak hesaplanmıştır). Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk sistemindeki akış hızlarının iki boyutlu vektörel büyüklükleri Resim 5.5 te daire kesitli dikey yolluk ve difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk sistemindeki akış hızlarının iki boyutlu vektörel büyüklükleri verilmiştir. Sıvı metal daire kesitli dikey yolluktan 0,118 s. sonra yatay yolluk girişine ulaşmıştır. Düzensiz akışdan dolayı dirsekte basınç artışı ve ölü bölgeler oluşmaktadır (Resim 5.5.a). Sıvı metal yatay yolluğu 0,304 s. sonra doldurmakta ve memeden kalıp boşluğuna dolmaktadır. Sıvı metalin kalıba giriş hızı, meme kesit alanının her noktasından sıvı metal geçmediğinden dolayı yaklaşık 1,60-1,50 m/s civarındadır (Resim 5.5.b). Sıvı

118 93 metal kalıp boşluğunu, 0,663 s sonra yaklaşık olarak 0,10-0,78 m/s. lik hız aralığında doldurmaktadır (Resim 5.5.c) (toplam döküm süresi 1,716 s. olarak hesaplamıştır). Resim Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk sistemindeki akış hızlarının iki boyutlu vektörel büyüklükleri Resim 5.6 da daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk sistemindeki akış hızlarının iki boyutlu vektörel büyüklükleri verilmiştir. Sıvı metal 0,155 s. sonra daire difüzöre aşırı türbülans ile giriş yapmakta ve bu nedenle saçılma meydana gelmektedir. Daire kesitli yatay yolluk sisteminin en uç noktasına ulaşana kadar sıvı metal (0,336 s.), yatay yolluğu doldururken kendi üzerine çalkantılı ve düzensiz bir akış sergilediği için katlanmaktadır (Resim 5.6.b). Daire kesitli yatay yolluk ve difüzörü doldurmadan (0,726 s.) kalıp boşluğunu türbülanslı bir şekilde

119 94 doldurmaktadır (Resim 5.6.c) (toplam döküm süresi 1,752 s olarak hesaplanmıştır). Ayrıca sıvı metalin yolluk sistemini doldurması sırasında sıvı metal yüzeyinde sürekli olarak bir yüzey türbülans oluşmaktadır. Bunun sebebi, kesit şekline bağlı olarak sıvı metalin yüzeyi ilerlediği yolluk sistem elemanının kesit şekline bağlı olarak değişmesidir. Sıvı metal (ilerlediği yolluk sistemi boyunca) hızından dolayı süreksiz akış halinde türbülansa uğrarken, sıvı hızına dik yönde de yolluk sistemini dolduğundan dolayı üzerindeki koruyucu oksit film tabakası kırılmakta ve katlanmaktadır. Resim Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk sistemindeki akış hızlarının iki boyutlu vektörel büyüklükleri

120 95 Resim 5.7 de daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk sistemindeki akış hızlarının iki boyutlu vektörel büyüklükleri verilmiştir. Sıvı metal 0,179 s. sonra dikdörtgen difüzörden yatay yolluğa doğru akmaktadır (Resim 5.7.a). Dikdörtgen kesitli yatay yolluk sonuna ulaşan sıvı metal (0,347 s.), yatay yolluğu doldurmaktadır (Resim 5.7.b). Dikdörtgen kesitli yatay yolluk ve difüzörü doldurmadan (0,741 s) kalıp boşluğunu daire kesitli yatay yolluğa göre türbülansız şekilde doldurmaktadır (Resim 5.7.c) (toplam döküm süresi 1,774 s. olarak hesaplanmıştır). Resim Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk sistemindeki akış hızlarının iki boyutlu vektörel büyüklükleri

121 96 Resim 5.8 de daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sistemindeki akış hızlarının iki boyutlu vektörel büyüklükleri verilmiştir. Sıvı metal 0,172 s. sonra kare difüzörden yatay yolluğa geçmektedir (Resim 5.8.a). Kare kesitli yatay yolluk sonuna ulaşan sıvı metal 0,365 s. dc yatay yolluğu doldurmaktadır (Resim 5.8.b). Kare kesitli yatay yolluğu (0,750 s) türbülanslı bir şekilde doldurmaktadır (Resim 5.8.c) (toplam döküm süresi 1,724 s. olarak hesaplanmıştır). Resim Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sistemindeki akış hızlarının iki boyutlu vektörel büyüklükleri Sıvı metalin kalıp boşluğunu doldurması sırasındaki akış hali simülasyon programı ile üç boyutlu olarak da değerlendirilmiştir. Resim 5.9 da kare kesitli dikey yolluk ve difüzörsüz kare kesitli yatay yolluk sisteminin üç boyutlu akış durumu Resim 5.1 deki zaman dilimleri için verilmiştir. Sıvı metalin kalıp boşluğuna girdiği 0,291

122 97 s. de meme kesit alanındaki türbülans ve yüksek hız görülmektedir. Sıvı metal akışı 0,691 s. sonra sürekli akış şeklinde (yolluk sistemi tamamen dolu olduğu durum) kalıp boşluğunu doldrumaktadır. 0,105 s. 0,291 s. 0,691 s. 1,738 s. Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörsüz kare kesitli yatay yolluk sisteminin üç boyutlu akış durumu Resim 5.10 da kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sisteminin üç boyutlu akış durumu Resim 5.2 deki zaman dilimleri için verilmiştir. Sıvı metalin 0,174 s. de kare kesitli difüzörün çıkışına ulaşmıştır. Bu aşamada çok fazla türbülansın olduğu söylenemez. Fakat 0,529 s. de sıvı kalıp boşluğuna ilk anda girmesi sırasında türbülans meydana gelmektedir.

123 98 0,174 s. 0,529 s. 0,823 s. 1,831 s. Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sisteminin üç boyutlu akış durumu. Resim 5.11 de kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk sisteminin üç boyutlu akış durumu Resim 5.3 de verildiği gibi zaman dilimleri için verilmiştir. Sıvı metalin 0,155 s. de dikdörtgen kesitli difüzörün çıkışına ulaşmıştır. Difüzör kesitinin ince ve geniş olmasından dolayı sıvı metal saçılmaya başlamıştır. Dikdörtgen yatay yolluk 0,314 s. sonra kısmen doldurulamamış kare kesitten dikdörtgen kesite geçişinde ölü bölgeler görülmektedir. Sıvı metal içinde ince kesitlerde oluşan saçılmadan ve ölü bölgelerden kalıp geçirgenliğinden dolayı oksitlenmeye ve inklüzyonların oluşmasına sebep olmaktadır. Dikdörtgen kesite sahip yatay yollukların sıvı metalin akışın sürekli olması halinde geniş yüzeyde yükselmesi yüzey türbülansının oluşumuna engel olurken, özellikle geçiş ve süreksiz akış halinde sıvı metalin ani olarak geniş yüzeyli kesite aktarılması, dağılması saçılmaya ve kalıp duvarından ayrılmasına sebep olmaktadır.

124 99 0,155 s. Ölü bölgeler 0,314 s. Saçılma başlangıcı 0,888 s. 1,972 s. Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk sisteminin üç boyutlu akış durumu Resim 5.12 de kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk sisteminin üç boyutlu akış durumu Resim 5.4 deki zaman dilimleri için verilmiştir. Sıvı metalin 0,176 s. de daire kesitli difüzörün çıkışına türbülans ve yüzey türbülansının yüksek olduğu bir akış şekli oluşmaktadır. Difüzör kesitinin geniş ve oval şeklinden sıvı metal kalıp duvarlarında ayrılıp kendi üstüne katlanmaktadır. Sıvı metal 0,303 s. sonra daire kesitli yatay yolluğun son noktasına ulaşmakta ve akış yönüne ters yönde katlanmaktadır, 0,832 sonrasında kalıp boşluğunu doldurmaya başlamaktadır. Ayrıca daire kesitli yatay yollukta sıvı aşırı derecede türbülansa uğramakta daha sonrada kalıp boşluğundaki sıvı metalin yüksekliğinin artması ve akışın sürekli hale gelmesi ile türbülans azalmaktadır. Fakat sıvı metal akışın ilk aşamasında, süreksizlik halinde oluşan türbülans ve yüzey türbülansından oksitlenen sıvı akışın etkisiyle kalıp boşluğuna taşınmaktadır.

125 100 Sıvı metal kendi üzerine kalıp duvarından ayrılıp katlandığı bölge Akış yönüne ters yönde oluşan katlanma 0,176 s. 0,303 s. 0,832 s. 1,853 s. Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk sisteminin üç boyutlu akış durumu Resim 5.13 de daire kesitli dikey yolluk ve difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk sisteminin üç boyutlu akış durumu (Resim 5.5 de verildiği gibi) zaman dilimleri için verilmiştir. Sıvı metal 0,118 s. de daire kesitli yatay yolluğa sıvı metal ulaşmaktadır. Akışın süreksizliği, yolluk sisteminde sıvı metal hızının yüksek olmasına sebep olmaktadır. Sıvı metal 0,304 s. sonra daire kesitli yatay yolluğun hemen hemen tamamını doldurarak meme kesit alanından kalıp boşluğuna girmektedir. Sıvı metal meme kesit alanındaki süreksizlik ve ani kesit artmasından dolayı türbülans meydana gelmektedir. Sonrasında ise yolluk sistemini tamamen doldurduğundan dolayı kalıp boşluğunu sürekli aynı akış oranında doldurmaktadır.

126 101 0,118 s. Sıvı metalin yolluk girişine doğru katlanması 0,304 s. 0,663 s. 1,673 s. Resim Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk sisteminin üç boyutlu akış durumu Resim 5.14 de daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk sisteminin üç boyutlu akış durumu (Resim 5.6 da verildiği gibi) zaman dilimleri için verilmiştir. Sıvı metalin 0,155 s. de difüzörlü daire kesitli yatay yolluğa ulaşmaktadır. Sıvı metal dairesel şekilli iki yolluk sistemi elemanından geçerken, akışa dik yönde kendi üzerine katlanmalardan ve yüzey türbülansından etkilenmektedir. 0,726 s de sıvı metal yatay yolluğun bir kısmını doldurmakta ve kalıp boşluğuna ilerlemiştir. Sıvı metalin ilerlediği kesit alanı dairesel şekle sahip difüzör ve yatay yollukla türbülansa maruz kaldığı, özellikle değişen sıvı hacmi ve sıvının ıslattığı kanal cidarında katlanmalara sebep olmaktadır.

127 102 Sıvı metalin kendi üzerine katlanması 0,155 s. 0,336 s. 0,726 s. 1,731 s. Resim Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk sisteminin üç boyutlu akış durumu Resim 5.15 de daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk sisteminin üç boyutlu akış durumu (Resim 5.7 de verildiği gibi) zaman dilimleri için verilmiştir. Sıvı metalin 0,179 s. de difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluğa ulaşmaktadır. Sıvı geniş dikdörtgen kesitinde saçılmalar ve birbirinden ayrılmalar ile yatay yolluğu doldurmaktadır. Sıvı metal dairesel şekilli iki yolluk sistemi elemanından geçerken akışa dik yönde kendi üzerine katlanmalardan ve yüzey türbülansından etkilenmektedir. 0,741 s. de sıvı metal yatay yolluğun bir kısmını doldurmuş ayrıca kalıp boşluğunda ilerlemiştir.

128 103 0,179 s. Saçılma ve ayrılma Sıvının ayrıldığı bölgeler 0,347 s. 0,741 s. 1,752 s. Resim Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk sisteminin üç boyutlu akış durumu Resim 5.16 da daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sisteminin üç boyutlu akış durumu (Resim 5.8 de verildiği gibi) zaman dilimleri için verilmiştir. Sıvı metalin 0,172 s. de difüzörlü kare kesitli yatay yolluğa sıvı metal ulaşmıaktadır. Sıvı kare kesite dikdörtgen kesitli difüzörlü yatay yolluğa göre daha az saçılmalar ve ayrılmalarla yatay yolluğu doldurmaktadır. Sıvı metal 0,365 s. de sıvı metal yatay yolluğun bir kısmını doldurmaktadır, yatay yolluğun uç kısmında oluşan katlanma görülmektedir. Daha sonra yatay yolluk sistemini tamamen doldurmadan kalıp boşluğunda ilerlemiştir (0,750 s.). Daha sonra sıvı kalıp boşluğunu ve yolluk sistemini, doldurmaktadır (1,703 s.). Campbell yaptığı çalışmalar sonucunda, alüminyum alaşımları için kritik meme hızını yüzey deformasyonunu düşünerek hesaplamıştır. Kritik meme hızını maksimum 0,5 m/sn olarak bulmuştur [Campbell 2003, Campbell 2004]. Yolluk sistemlerinde oluşan hava sürüklenmesi ve oksit oluşumu, Weber, Froude sayıları dışında Hsu boyutsuz sayısıda ile de değerlendirilmektedir. Yatay yolluklarda sıvı metalin kalıp duvarları ile teması sonrasında meydana gelen, geri gelen sıvının katlanması sıvı metalin iç

129 104 basınçının yükseklik basıncı ve yüzey gerilimine oranı ile tanımlanmıştır [Reilly ve ark., 2012]. 0,172 s. 0,365 s. Sıvı metalin yatay yolluğun uç kısmında katlanması 0,750 s. 1,703 s. Resim Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sisteminin üç boyutlu akış durumu Yapılan çalışmada, farklı olarak dikeyde eşit kesit alanına sahip inceltilmiş daire ve kare dikey yolluklar tasarlanmıştır. Dikey yolluk ve yatay yolluk azalan kesit alanına sahip uygun radiusla yatay yolluklara birleştirilmiştir. Ayrıca dirsekten sonra olası ölü bölgelerin engellenmesi için dirsek kesit alanına eşit yatay yolluk eklenmiştir. Sonrasında yatay yolluk kesit alanı iki katına sahip kare, dairesel ve dikdörtgen difüzörlü yatay yolluklar tasarlanmıştır. Yatay yolluklarda sıvı metal hızı 1 m/sn. meme kesit alanında ise sıvı metal giriş hızı ise 0,30 m/sn. civarında hesaplanmıştır. Simülasyon sonuçlarında, her iki dikey yolluk tasarımında uygun radius ile inceltilmiş dirsek ile birleştirilen yatay yolluklarda sıvı metalin çarpmanın ve yön değiştirmesi ile oluşan ölü bölgelerin azaldığı fakat sıvı metalin hızının azalmadığı görülmüştür. Sıvı metal farklı şekillere sahip difüzörlü yatay yolluklara ulaştığında ise ilk (düzensiz) aşamada sıvı hızının artığı fakat ilerleyen zaman dilimlerinde sıvı

130 105 metal hızının difüzörlü yatay yolluklarda çıkış sonrasında sıvı metalin hızı hesaplanan 1 m/sn. e düştüğü görülmektedir. Fakat özellikle sıvı metalin difüzörlü daire kesitli yatay yolluklarda kalıp duvarlarının kavisinden dolayı akışa dik yönde kendi üzerine katlandığı görülmüştür. Sıvı metalin bu katlanması dairesel yatay yolluğun tamamen doldurulması ile sonlanmaktadır. Gebelin ve arkadaşlarının tasarladıkları difüzör topuğa sahip yolluk sistemlerinde de topuk kısmında benzer durum söz konusudur. Difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluklarda ise sıvı metal dikdörtgen genişliğinin fazla (75 mm.) ve kalınlığının (6 mm.) az olasından dolayı başlangıçta sıkışarak saçılmaktadır. Sonrasında kalıp duvarlarından ayrılmaya çalışmaktadır [Gebelin ve ark., 2006]. Çalışmada tasarlanan difüzörlerin engelleyici etkisi olmadığından dolayı sıvı metal hızı ilk aşamada azalmadığı görülmektedir, Hsu ve Lin çalışmalarında kullandıkları engelleyici difüzörlerde ise sıvı metal hızı azalmaktadır [Hsu ve Lin, 2009]. Difüzörlü yolluk sistemlerinin tamamında ilk aşamada (süreksizlik durumunda) sıvı metal, yolluk duvarlarından ayrılma ve sıçrama davranışı sergilemektedir. Ayrıca bütün difüzörlü ve difüzörsüz yatay yollukların en uç noktasında sıvı metalin kendi üzerine katlanmaması için eğimli olarak birleştirilmiştir. Dikdörtgen kesitli difüzörlü yatay yolluklarda kalınlığın az olmasında (6 mm.) katlanma minimum olmuştur. Kare kesitli dikey yolluk grubunda düzenli, (türbülans ve yüzey türbülansının en az olduğu) sıvı metal akışı, difüzörlü kare kesitli yatay yollukta sağlanmıştır. Buna karşılık daire kesitli dikey yolluk grubunda ise düzenli (türbülans ve yüzey türbülansının en az olduğu) sıvı metal akışı, difüzörsüz daire kesitli yatay yollukta daha sakin dolum sağlanmıştır. Vortex akış olmadığından dolayı sıvı metal kalıp duvarına çarparak kendi üzerine katlanmıştır. Difüzörlü daire kesitli yatay yolluklarda sıvı metal yolluk sistemini doldururken, yolluk kesit şekline bağlı olarak akış yönüne dik kendi üzerine sürekli katlanma eğilimindedir. Simülasyon sonunda elde dilen iki boyutlu vektörel hız dağılımlarında, kare kesitli dikey yolluk grubunda difüzörlü kare kesitli yatay yolluk ve daire kesitli dikey yolluk grubunda ise difüzörsüz daire kesitli yatay yollu ile iki boyutlu vektörel hız dağılımlarında hız farklılıklarının daha az olduğu görülmektedir. Üç boyutlu sıvı akış şekilleri incelendiğinde, sıvı metal yolluk sistemini tamamen doldurulana kadar geçen zaman diliminde türbülans ve yüzey türbülansına maruz kaldığı sıvı akışında düzensizlik meydana gelmektedir.

131 Sıvı Metal Gerçek Akış Sonuçları Sıvı metalin, yolluk sistemi ve kalıp boşluğunu doldurması sırasındaki hareketi simülasyon programı dışında farklı X-ray radyografi, yüksek hızlı kamera vb. görüntüleme sistemleri kullanılmaktadır. Deneysel çalışmalar kapsamında, sadece difüzörsüz yatay yolluk sistemlerinde CASIO marka EX-FH25 model yüksek hızlı video kayıt edebilen fotoğraf makinesi ile döküm sırasındaki akış 420 fsp. (her saniyede 420 adet fotoğraf çekilmiştir, 0,0023 s. de bir) hızla kayıt edilmiştir. Dökümü tamamlanan kare kesitli difüzörsüz yatay yolluğa ait dökülmüş kalıbın görüntüsü Resim 5.17 de verilmiştir. Sıcaklığa dayanıklı cam sıvının sıcaklığından etkilenmemiş fakat yeterli genleşmeyi tolere edemediği için katılaşma sonrasında kırılarak kullanılmaz hale gelmiştir. Döküm havuzu Sıcaklığa dayanıklı çatlamış cam Resim Kare kesitli dikey yolluk difüzörsüz kare kesitli yatay yolluk sisteminin video kayıt sonrası resmi Yüksek hızlı videolar izlendiğinde sıvı metalin yolluk sistemine girmesinden sonra (kalıp boşluğuna girmeden önce) kalıp bağlayıcısı ve nemi sıcaktaki ani artış ile buharlaşarak kalıp boşluğuna doğru ilerlemektedir. Kalıp boşluğuna ilk ulaşan sıvı

132 107 memenin uç kısmını kullanarak türbülanslı bir şekilde kalıba dolmaktadır. Difüzörsüz kare kesitli yatay yolluğun farklı zamanlarda alınan video görüntüleri Resim 5.18 de verilmiştir (görüntülerin üzerindeki zaman birimi saniyedir). Sıvı metalin kalıp boşluğuna girişi. 0,0 s. 0,1 s. Sıvı metalin kalıp boşluğunda yayılması. Sıvı metalin kalıp duvarına çarparak katlanması. 0,2 s. 0,3 s. Sıvı metalin meme kesit alanını tamamen doldurma başlaması. 0,4 s. 0,5 s. Resim Difüzörsüz kare kesitli yatay yolluğun farklı zamanlarda alınan video görüntüleri

133 108 0,6 s. 0,7 s. Sıvı metalin kalıp duvarına ulaşması ve katlanması. 0,8 s. 0,9 s. 1,0 s. 1,1 s. 1,2 s. 1,3 s. Resim (Devam) Difüzörsüz kare kesitli yatay yolluğun farklı zamanlarda alınan video görüntüleri

134 109 1,4 s. 2,1 s. 2,9 s. 3,75 s. Resim (Devam) Difüzörsüz kare kesitli yatay yolluğun farklı zamanlarda alınan video görüntüleri Sıvı metalin meme kesit alanında kalıp boşluğuna giren sıvı metal 0,1-0,3 s. aralıklarında ani kesit alanı ve yön değişikliğinden fazla türbülans ve yüzey türbülansına maruz kaldığı görülmektedir. Sıvı metal ancak 0,5 s. de meme kesit alanını tamamen doldurabilmiştir. Bunun sebebi yolluk sisteminin tamamının dolduralamamış olmasıdır. Sıvı metal 0,6-0,7 s. den itibaren sürekli ve türbülanssız şekilde kalıp boşluğuna dolmaktadır. Sıvı metalin üzerindeki oksit film tabakası ince kesitli kalıp duvarlarından farklı yönlere (sağa ve sola) hareket etmektedir. Kalıp boşluğundaki sıvı metal hacminin ve kalıp atmosferindeki gaz basıncının artmasının sonucu, sıvı metalin kalıp boşluğundaki ilerleme hızı azalmaktadır. Oluşan basınç sıvı metalin türbülansız bir şeklinde kalıp boşluğunu doldurmasına yardımcı olmaktadır. Fakat gaz basıncı ve oksit filmlerin ince olduğu sıvı metal yüzeylerinde ani yükselişler olduğu video görüntülerinden anlaşılmaktadır. Kalıp boşluğu tamamen 3,75 s. de sıvı metal ile doldurulmuştur. Yapılan çalışmaların çoğunda yolluk sisteminden fazla meme giriş kesitinde yön ve hız değişiminden kaynaklandığı bilinmektedir. Dökülen alaşımın, döküm karakteristikleri (örneğin, akıcılık, yüzey gerilimi, oksidasyon davranışı vb.) simülasyon ve gerçek döküm

135 110 şartlarında farklılıklar göstermektedir [Green ve Campbell, 1994, Dai ve ark.,2003, Bahreinian ve ark., 2006, Gebelin ve ark., 2006, Tiedje ve Larsen, 2010]. Alaşımın döküm karakteristiğine bağlı olarak simülasyon ve gerçek döküm sonuçlarının uyum gösterdiği çalışmalar yapılmıştır. McDavid su ile yolluk sisteminin ve kalıp boşluğunu doldurduğu bir çalışmada, simülasyon sonuçları ile deneysel sonuçların (döküm süreleri baz alınarak) tamamen uyumlu olduğunu belirtmektedir [McDavid ve Dantzig, 1998]. Bu çalışmada ise simülasyon ve gerçek döküm sonuçlarının örtüşmediği belirlenmiştir. Bunun nedeni ise yukarıda belirtildiği gibi alaşımın döküm karakteristikleri olarak ifade edilebilir. Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluğun farklı zamanlarda alınan video görüntüleri Resim 5.19 da verilmiştir.

136 111 Sıvı metalin kalıp boşluğuna girdiği andaki türbülans 0,0 s. 0,1 s. Sıvı metalin giriş hızının etkisiyle kalıp duvarına çarparak düşmesi 0,2 s. 0,3 s. Sıvı metalin kalıp duvarına çarpması 0,4 s. 0,5 s. Sıvı metalin yüzeyindeki oksit film tabakasının kırışması 0,6 s. 0,7 s. Resim Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluğun farklı zamanlarda alınan video görüntüleri

137 112 0,8 s. 0,9 s. 1,0 s. 1,1 s. 1,2 s. 1,3 s. 1,4 s. 2,1 s. Resim (Devam) Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluğun farklı zamanlarda alınan video görüntüleri

138 113 2,9 s. 3,35 s. Resim (Devam) Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluğun farklı zamanlarda alınan video görüntüleri Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluğun doldurduğu kalıp boşluğuna sıvı metal 0,1 ve 0,2 s. arasında yoğun türbülans ile kalıp boşluğuna girmektedir. Sıvı metalin yüzeyindeki oksit film tabaka kalıbın doldurulması sırasında, 0 ile 1,2 s. zaman aralıklarında oksitli yüzeylerin birbiri üzerine katlanmasıyla sanki bir kırışık bölge oluştuğu görülmektedir. Sıvı metal meme kesit alanını 0,4 s. de tamamen doldurabilmiştir. Farklı zaman aralıklarında sıvı metal (0,5-0,7-0,9 ve 2,1 s. deki zamanlarda) yüzeyindeki en ince oksit film kalınlığına sahip olduğu düşünülen bölgelerden kendi üzerine sıçrama ve katlanma eğilimindedir. Kare ve dairesel kesitli yolluk sistemleri karşılaştırıldığında sıvı metal kalıp boşluğunu sırası ile 3,75 s. ve 3,35 s. ile doldurmuştur. Yolluk sistemi kesit şekli, sıvı metalin kalıp boşluğuna giriş şeklini de değiştirmektedir. Simülasyon programlarından elde edilen görüntüler ve gerçek görüntüler karşılaştırıldığında birebir uyum göstermemektedir. Bunun birinci sebebi, simülasyon programlarında sıvı metalin kalıp boşluğuna girdiği anda oluşan sıcaklığın etkisi ile nem ve bağlayıcılardan oluşan artan kalıp basıncının göz ardı edilmesinden kaynaklanmaktadır. Oluşan bu basınç, sıvı metalin hareketini etkileyerek kalıp boşluğunda oluşması öngörülen türbülansı engellemektedir. Diğer bir sebebi ise, sıvı metalin akış sırasında yolluk sistemi, kalıp duvarları arasındaki sürtünme ve sıvının yön değiştirmesi sırasındaki enerji kayıplarının simülasyon çalışmalarında öngörülememesidir. Gerçek döküm işlemi sırasındaki sıvı akışları izlendiğinde sıvının kalıp boşluğuna girmeden önce bağlayıcının ve kalıp ve ortamın neminden kaynaklanan gaz kütlesinin, kalıp boşluğuna sıvıdan önce girdiği görülmüştür. Bu kalıp gazları, sıvı metalin meme kesit alanındaki giriş hareketini ve

139 114 kalıp dolması sırasındaki hareketini geciktirmektedir. Sıvı metalin hızını yavaşlatmasıyla beraber bazı bölgelerde oksit filmlerin kırışmasına ve/veya oksit film tabakalarının katlanmasına sebep olmaktadır. Farklı geometrilerde tasarlanan yolluk sistemlerinde dikey yolluktan yatay yolluğa ulaşan sıvı metal hızının değişmezken, azalan kesitlerde, sıvı metal hızının artarak ölü olarak adlandırılan alanları oluşturmaktadır [Gebelin ve ark,. 2006]. Aynı zamanda sıvı metalin kalıp boşluğuna girmesi sonucunda kalıp malzemesinin bağlayıcı özelliğini sağlayan kimyasal ve kalıp boşluğunu dolduran sıvı metal akış oranını azaltmaktadır [Hwang ve ark.,1997]. Tiedje ve Larsen tarafından yapılan bir çalışmada yolluk sistemlerinin verimliliği, döküm ağırlıkları ve sıvı metalin yatay yolluk ve kalıp boşluğuna girişi sırasında oluşan türbülans ve yüzey türbülansına bağlıdır. Ayrıca simülasyon ve gerçek akış görüntülerinin birebir uyuşmadığı, bunun sebebinin sıvı metalin akış esnasında kalıp içindeki basıncın sürekli değişimi ve yolluk sisteminin kayıp katsayısı olarak da ifade edilmektedir [Tiedje ve Larsen, 2010] Ergitme ve Döküm Sonuçları A356 (Al-Si-Mg alaşımı) ve sıvı metalin elde edilmesinde kullanılan ingotun ve döküm sonrasında alınan kimyasal analiz sonuçları Çizelge 5.1 de verilmiştir. Fırın ergitme süresi yaklaşık 3-3,5 saattir. Uzun süre ocak atmosferi ve hava ile temas halindeki sıvı metal argon gazı verilerek içerdiği hidrojen miktarı azaltılmaya ve oksit film tabakaları uzaklaştırılmaya çalışılmıştır. Yaklaşık C aralığında sıvı metale argon gazı verilmiştir, sıvı metal yaklaşık C taşıma potasına alınmıştır. Dökümü yapılan sıvı metalin bileşimi standartta belirtilen bileşim aralığındadır. Öncelikle kare kesitli dikey yolluk grubu daha sonra daire kesitli dikey yolluk grubu dökümleri yapılmıştır.

140 115 Çizelge A356 ingot ve dökümün kimyasal bileşimi Malzeme Si Mg Fe Ti Mn Cu Zn A356 6,50-0,20- (LM 25) sandart 0,20 0,20 0,35 0,25 0,35 7,50 0,45 bileşimi Döküm bileşimi 7,34 0,319 0,14 0,115 0,031 0,010 0, Yaşlandırılan A356 Alaşımın Mikroyapı İncelemeleri A356 (Al-Si-Mg) döküm alaşımları üretildikten sonra yaşlandırılarak kullanılan alaşımlardır. Bu nedenle farklı yolluk sistemleri kullanılarak üretilen A356 alaşımları üretildikten sonra yapısal segregasyonların giderilmesi amacı ile 540 C de 6 saat homojenize edilmiştir. Homojenizasyon ısıl işleminden sonra hazrılanan çekme numuneleri C de 8 saat solüsyona alınıp oda sıcaklığında su verme işlemi ile hızlı soğutulmuştur. Oda sıcaklığında 24 saat doğal yaşlandırma sonrasında 170 o C de 10 saat yapay yaşlandırılmıştır. Mikyapı incelemelerinde, α-al. dendritleri, Al-Si ötektiği ve Al 9 FeMg 3 Si 5, β-al 5 FeSi ve benzeri (Al-Si-Fe) intermetalikleri oluşmaktadır. Uygulanan T6 ısıl işlemi sonrasında (Mg 2 Si) fazı oluşmaktadır. Resim 5.20 de döküm ve döküm sonrası T6 ısıl işlemi uygulanmış A356 malzemelerin optik mikroskop görüntüleri verilmiştir. Döküm sonrasındaki katılaşma sırasında alüminyum (α-al.) dendritler arasında oluşan alüminyum silisyum ötektiği Resim 5.20.a da görülmektedir. T6 ısıl işlemi sonrasında α-al dendritleri Resim 5.20.b de görülmektedir. T6 ısıl işlemi sonrasında dendritler arasındaki Al-Si ötektiği yapısındaki değişim görülmektedir. Döküm sonrasında lameller halinde oluşan Al-Si ötektiği T6 ısıl işlemi sonrasında küresel şekle yakın olarak dendritlerin tane sınırlarında kümeleşmektedir. Ayrıca katılaşma ve T6 ısıl işlemi sonrasında oluşması muhtemel intermetalik fazların optik mikroskop görüntüsü ile (Al 9 FeMg 3 Si 5, β-al 5 FeSi ve Mg 2 Si) ayırt etmek mümkün değildir. Özellikle Al 9 FeMg 3 Si 5 ve β- Al 5 FeSi intermetalik fazların birbirlerinden ayrılmasında uzunluk ve kalınlık oranı kullanılarak veya SEM mikroskobu ve EDS analizleri neticesinde karar verilmeye çalışılmıştır. Döküm işlemi sırasında oluşan intermetalik fazlar çekme mukavemetini azaltırken, sertliği artırmaktadır. Bunun yanında Mn, Cr, Be ve Ni gibi elementlerin

141 116 ilave edilmesi durumunda, demir bazlı oluşan intermetalik plakaların morfolojisini plakalar şeklinden oval bir şekile dönüşmektedir [Crepeau, 1997, Otte ve ark, 1999 ve Elsharkawi, 2010]. Resim A356 alaşımının döküm (a, c) ve T6 ısıl işlemi sonrasındaki (b, d) optik mikroskop görüntüleri Resim de T6 ısıl işlemi sonrasında A356 alaşımından alınan SEM görüntüsü ve EDS analizi sonuçları verilmiştir. Alaşımın yapısı içinde Mg 2 Si intermetalik fazı nm. aralığında küresel olarak yapıda dağıldığı görülmektedir. Mg 2 Si çökeltiler A356 alaşımının çekme mukavemet değerlerini artırmaktadır.

142 117 Resim T6 ısıl işlemi sonrasında A356 alaşımından alınan SEM görüntüsü (a) ve EDS analizi (b) sonuçları Al-Si-Mg (A356) alaşımlarındaki bu dayanımın artışının en büyük nedeni yaşlanma ile yapıda oluşturulan Mg 2 Si fazıdır (metaller arası bileşik) [Warmuzek, 2004]. Alaşımın yapısında bulunan Mg ve Si yaşlanma sıcaklığında bir araya gelerek oluşturduğu dengedeki Mg 2 Si alaşımın mekanik özelliklerini artırmaktadır. Mg 2 Si fazının yapıda homojen dağılım sergilediği Resim 5.21 den de anlaşılmaktadır. SEM görüntüsü üzerinde yapılan ölçümlerde Mg 2 Si intermetalik fazının nano boyutta olduğu anlaşılmaktadır. EDS analizinde ise Mg 2 Si fazı ağırlıkça %29,47 Mg ve %73,53 Si den oluşmaktadır Yaşlandırılan A356 Alaşımın X-ışını Kırınımı (XRD) Sonuçları Döküm Al-Si-Mg A356 alaşımını döküm ve T6 ısıl işlemi sonrasında yapıyı oluşturan fazların ve bileşiklerin tanımlanması için X-ışınımı kırınımı metodu ile toz numuneden Cu-Kα ile 1,54060 dalga boyunda alınan analiz sonucu Şekil 5.1 de verilmiştir. Toz haline getirilen numuneden, (2θ) aralığında çalışılmıştır. (kullanılan pastadan kaynaklanan pikler isimlendirilmemiştir). Alüminyum matris 38,476-44,742-65,07-78,139-82,411-98,87 ve 111,92 ve silisyum alaşım elementi ise sadece 56,13 2θ derecelerinde saptanmıştır. Al-Si-Mg alaşımlarının katılaşması sırasında sıvı kompozisyonun içerdiği demir miktarına bağlı olarak farklı oranlarda Al-Si-Fe bileşikleri oluşmaktadır [Warmuzek, 2004]. Genellikle plakamsı veya

143 118 iğnesel şekilde yapıda yeralmaktadırlar ve malzemenin mekanik özelliklerini olumsuz etkilemektedirler [Elsharkawi, 2010, Ma ve ark., 2008]. Al-Si-Fe bileşiği olan Al 5 SiFe bileşiği 21,476-38,476 ve 44,742 2θ derecelerinde görülmüştür. Alüminyum oksit (Al 2 O 3 ) bileşiği 38,476-44,742-65,07 ve 78,139 2θ derecelerinde görülmektedir. A356 alaşımında bulunan Mg elementi sıvı metalin hazırlanması ve sıvının kalıp boşluğuna aktarılması aşamasında oksitlenmiş ve alüminyum oksitle birleşerek spinel yapıya sahip MgAl 2 O 4 (Al 2 O 3 MgO) bileşiğini meydana getirmiştir. MgAl 2 O 4 bileşiği 44,742-65,07-82,411ve 111,92 2θ derecelerinde tespit edilmiştir. Genellikle Al-Si-Mg alaşımlarında spinel yapı (Al 2 O 3 MgO ) yaşlı oksit film tabakaları olarak, ergitme zamanına ve sıcaklığına bağlı olarak oluşmaktadır [Nyahumwa ve ark., 2001, Cao ve Campbell, 2003]. T6 ısıl işlemi sonrasında oluşan Mg 2 Si intermetaliği ise 65,07 ve 78,139 2θ derecelerinde tespit edilmiştir. Bölüm 5.4 te Resim 5.12 de yapıda oluşan Mg 2 Si intermetaliğinin SEM görüntüsü ve EDS analizide verilmiştir. Al-Si-Mg alaşımlarına uygulanan ısıl işlem sonrasında mekanik özellikleri artıran çoğunlukla küresel yapılı Mg 2 Si intermetaliği oluşmaktadır [Warmuzek, 2004]. Çalışmada kullanılan ingotların içerdiği oksit filmlerin yoğun olması, ergitme süresinin yüksek oluşu ve sıvı metalin stoperli potaya alınması sırasında oluşan oksit film tabakalarının ve spinel yapının döküm parçasına karıştığı düşünülmektedir. Döküm parçanın çekme mukavemeti ve yüzde uzama değerlerinin düşük çıkmasında etkili olmuştur. Şekil A356 döküm alaşımın X-ışınımı kırınımı sonucu

144 Farklı Yolluk Sistemleriyle Dökülen A356 Döküm Malzemenin Yoğunluk Sonuçları Yoğunluk ölçümleri için farklı yolluk sistemleri kullanılarak dökülen A356 alaşım plakaların her birinden 40 adet numune hazırlanmıştır. Archimed s prensibine göre yoğunluk ölçümleri yapılarak numunelerin alındıkları bölgelerdeki makro/mikro boşluk oluşumları belirlenmeye çalışılmıştır. Şekil 5.2 de numunelerin alındığı konumlar verilmiştir. Döküm malzemenin, kalitesinin bir ölçüsü de malzemenin içerdiği boşluk miktarıdır. Eğer döküm malzemenin içerdiği boşluk oluşumu kontrol altında veya engellenebilirse, döküm malzemenin kalitesi ve servis performansı artırılabilmektedir [Monroe, 2005]. Döküm malzeme de boşluk oluşum sebepleri; sıvı metalin akışı sırasındaki hava sürüklenmesinden, kalıp veya maçanın bağlayıcılık özelliğini kazandıran kimyasalların sıvı metalin sıcaklığı ile buharlaşması sonucu oluşan gazdan, sıvı metalin akışı sırasında oluşan oksit film tabakalarından, sıvı metalin içinde çözünen gazların katı halde iken daha az çözünmesinden ve fazla olmasından, sıvı metalin katı faza geçmesi sırasında oluşan hacimsel daralmadan olarak sıralanabilir. Şekil Döküm plakadan çıkarılan yoğunluk numunelerin konumları

145 120 α-al. dendritleri arasında ötektik bölgede yoğun olarak oluşma ihtimali olan bu makro/mikro boşluklar oluşumundaki en büyük etkenlerden biriside sıvıdaki hidrojen miktarıdır [Liu, Samuel ve Samuel, 2003]. Kalıp kumuna bağlayıcı olarak ilave edilen reçine ve serter gibi kimyasallarda döküm parça içindeki gaz boşluğu oluşumuna neden olan diğer bir unsurdur. Artan kalıp basıncı sıvı metalin akışı sırasında hava sürüklenmesi ve gaz ile teması sonucu büyük ve küresel kabarcıkların (gaz boşluklarının) oluşmasına sebep olmaktadır [Gerasimov ve Pogosbekyan, 2007]. Çizelge 5.2 de kare kesitli dikey yolluk grubuna ait yatay yolluk sistemleri ile dökülmüş Çizelge 5.3 de ise daire kesitli dikey yolluk grubuna ait yatay yolluk sistemleri ile dökülmüş A356 döküm plakaların ölçülen yoğunlukları verilmiştir. Çizelge 5.2 ve 5.3 de yüksek yoğunluğa sahip numuneler kırmızı, düşük yoğunluğa sahip numuneler sarı renkle gösterilmiştir. Çizelge Kare kesitli dikey yolluk grubuna ait yatay yolluk sistemleri ile dökülmüş K-K (a), K-DK (b), K-DDg (c), ve K-DDa (d) A356 döküm plakaların yoğunlukları 2,626 2,62 2,617 2,561 2,502 2,618 2,625 2,639 2,617 2,613 2,591 2,534 2,533 2,594 2,621 2,621 2,616 2,600 2,585 2,554 2,518 2,591 2,619 2,452 2,544 2,618 2,595 2,600 2,556 2,614 2,581 2,623 2,589 2,623 2,566 2,624 2,464 2,502 2,576 2,623 (a) K-K

146 121 Çizelge (Devam) Kare kesitli dikey yolluk grubuna ait yatay yolluk sistemleri ile dökülmüş K-K (a), K-DK (b), K-DDg (c), ve K-DDa (d), A356 döküm plakaların yoğunlukları 2,625 2,598 2,609 2,609 2,558 2,570 2,587 2,614 2,615 2,595 2,583 2,573 2,582 2,575 2,597 2,612 2,609 2,587 2,561 2,552 2,550 2,554 2,586 2,609 2,615 2,598 2,589 2,546 2,538 2,542 2,597 2,573 2,625 2,609 2,593 2,565 2,553 2,585 2,610 2,620 (b) K-DK (c) K-DDg 2,621 2,609 2,571 2,541 2,553 2,589 2,608 2,620 2,614 2,596 2,566 2,538 2,450 2,562 2,598 2,612 2,615 2,591 2,561 2,539 2,445 2,564 2,592 2,614 2,616 2,592 2,583 2,577 2,574 2,584 2,594 2,615 2,621 2,612 2,542 2,610 2,611 2,606 2,612 2,621 (d) K-DDa

147 122 Çizelge Daire kesitli dikey yolluk grubuna ait yatay yolluk sistemleri ile dökülmüş D-D (a), D-DDa (b), D-DDg (c), ve D-DK (d) A356 döküm plakaların yoğunlukları 2,656 2,651 2,325 2,650 2,638 2,640 2,551 2,666 2,653 2,646 2,634 2,611 2,641 2,597 2,595 2,603 2,652 2,628 2,618 2,349 2,593 2,612 2,610 2,650 2,630 2,619 2,565 2,589 2,592 2,500 2,598 2,619 2,623 2,646 2,629 2,550 2,472 2,622 2,620 2,622 (a) D-D 2,528 2,584 2,531 2,536 2,540 2,538 2,569 2,516 2,594 2,579 2,567 2,562 2,557 2,563 2,571 2, ,578 2,557 2,536 2,530 2,537 2,556 2,576 2,595 2,577 2,546 2,518 2,471 2,525 2,558 2,583 2,594 2,579 2,545 2,505 2,504 2,539 2,446 2,588 (b) D-DDa 2,662 2,655 2,654 2,650 2,650 2,650 2,657 2,610 2,656 2,645 2,636 2,629 2,625 2,632 2,645 2,655 2,651 2,634 2,615 2,602 2,532 2,609 2,631 2,649 2,645 2,637 2,614 2,614 2,598 2,610 2,631 2,652 2,596 2,654 2,647 2,639 2,618 2,636 2,649 2,657 (c) D-DDg

148 123 Çizelge (Devam) Daire kesitli dikey yolluk grubuna ait yatay yolluk sistemleri ile dökülmüş D-D (a), D-DDa (b), D-DDg (c), ve D-DK (d) A356 döküm plakaların yoğunlukları 2,581 2,561 2,564 2,563 2,568 2,566 2,576 2,587 2,581 2,557 2,541 2,542 2,539 2,547 2,564 2,586 2,581 2,559 2,524 2,513 2,523 2,546 2,573 2,585 2,583 2,566 2,533 2,509 2,525 2,553 2,577 2,588 2,588 2,580 2,565 2,570 2,560 2,564 2,570 2,584 (d) D-DK Yoğunluğun yüksek olduğu bölgeler, katılaşma zamanının kısa olduğu ve kalıp duvarı ile temas yüzey alanı fazla olan bölgelerdir. Bu bölgelerdeki boşluk miktarı en düşük seviyededir. Yoğunluğun düşük olduğu bölgeler ise, kalıp bağlayıcısından kaynaklanan gazın sıvı metal tarafından kalıp dışına atılmasının zor olduğu ve malzemenin orta kısmında katılaşma zamanın fazla olduğu bölgelerdir. Döküm A356 plakanın üst kısımlarında oluşan boşlukların kalıp gazından ve sıvı metalin aktarılması sırasında hava sürüklenmesi ile oluşmaktadır [Shabestari ve Moemeni, 2004]. Merkezde oluşan düşük yoğunluğun sebebi, dendritler arasındaki sıvı kalan bölgelerdeki sıvı metalin hacimsel daralması ve sıvı metalin hidrojen miktarınınn artmasıdır. En yüksek yoğunluğa sahip numuneler ise, katılaşma sırasında soğuma yüzey alanı yüksek olan kenar bölgelerde yoğunlaşmaktadır. Yoğunlukları ölçülen yolluk sistemlerinin ortalama yoğunluk ve boşluk miktarları Çizelge 5.4 te verilmiştir (teorik yoğunluk 2,685 gr/cm 3 olarak alınmıştır).

149 124 Çizelge Ortalama yoğunluk ve boşluk miktarları Yolluk Sistemi Ölçülen ortalama Ölçülen ortalama yoğunluk (gr/cm3) boşluk miktarı (%) K-K 2,584 3,756 K-DK 2,587 3,661 K-DDg ,852 K-DDa ,781 D-D 2,598 3,237 D-DDa 2,552 4,971 D-DDg 2,633 1,926 D-DK 2,561 4,620 Kare kesitli dikey yolluk grubunda Weibull modülü yüksek olan difüzrölü kare kesitli yatay yolluk ile dökülen A356 parçanın ortalama yoğunluğu en yüksektir. Buna karşın dairesel kesitli yolluk grubunda en yüksek Weibul modülü difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk olmasına rağmen en yüksek ortalama yoğunluk difüzörlü dikdörtgen yatay yolluğa sahiptir Dökülen A356 Döküm Malzemenin Sertlik Sonuçları Döküm ve T6 ısıl işlemi sonrasında hazırlanan numunelerden sertlik ölçümleri yapılmıştır. Döküm A356 alaşımın sertliğinin artimetik ortalaması 45,4 HV2 (±2,8) T6 ısıl işlemi uygulanmış numunelerde ise aritmetik ortalama 110,2 HV2 (±1,4) civarındadır (Şekil 5. 3 te görterilmiştir). Sertlik artışının sebebi, T6 ısıl işlemi sonucu oluşan Mg 2 Si fazıdır [Hengcheng ve ark.,2003].

150 125 Sertlik (HV2) En Düşük En Yüksek 20 0 Döküm T6 Şekil Döküm ve T6 ısıl işlemi sonrasında elde edilen sertlik değerleri 5.8. Farklı Yolluk Sistemlerinin Çekme Test Sonuçları, Weibull Dağılımı Analizi ve Kırık Yüzey İncelemeleri Sıvı metalin yolluk sistemi ve kalıp boşluğundaki türbülans ve yüzey türbülansı sonucunda kırılan-katlanan (veya kırışan) oksit film tabakaları döküm malzemenin yapısında kusurlu bölgelere neden olmaktadır. Oksit film tabakaları üst üste geldiğinde birbirleri ile birleşmezler ve çatlak hatası gibi görünürler [Campell, 2006]. Bunun dışında hacimsel daralmadan ve hidrojen içeriğine bağlı olarak oluşan bu çatlak görünümündeki oksitlerle birlikte gaz veya mikro çekme boşluklarıda görülmektedir. Bu oksitler ve gaz boşlukları döküm malzemenin mekanik özelliklerini, servis ömürlerini olumsuz etkilemektedir Çekme test sonuçları ve Weibull dağılımı analizi Weibull dağılımı istatiksel analizi ilk kez, çeliklerin üretim parametrelerindeki uygulanan değişikliklerin akma dayanımları üzerine etkisinin incelenmesinde kullanılmıştır [Weibull, 1951]. Daha sonra döküm malzemelerin kalitesini etkileyen faktörlere bağlı olarak sonrasında (yolluk sistemleri) oluşan değişimin değerlendirilmesinde kullanılmaktadır [Green ve Campbell 1993, Green ve Campbell

151 , Yang ve ark., 1998, Dai ve ark., 2003, Yang ve ark., , Bozchaloei ve ark.,2012, Ahmad ve Hashim, 2011]. Yolluk sistemlerinde, farklı çıkış şekillerine (kare, dairesel, dikdörtgen) sahip difüzörlü yatay yolluk sistemlerinin sıvı metal akışının malzemenin mekanik değerleri üzerine yapılmış bir çalışma bulunmamaktadır. Deneysel çalışmada çekme numunelerinin hazırlanması sırasında karşılaşılan olumsuzluklardan dolayı her gruptan eşit sayıda numune hazırlanamamıştır. Tasarlanan sekiz farklı yatay yolluk sistemleri (difüzörlü ve difüzörsüz) ile silika kuma dökülen plakalardan elde edilen çekme test sonuçlarından çekme mukavemeti (MPa) ve uzama miktarları (%) elde edilmiştir. Her gruptan elde edilen çekme mukavemet değerleri birleştirlerek bir dizi haline getirilmiştir. Daha sonra çekme mukavemet değerleri kullanılarak iki dağılımlı Weibull istatiksel analizi ile Weibull eğrileri, modülleri ve karakteristik ortalamaları bulunmuştur. Weibull karakterislik ortalaması, çekme mukavemet değerlerinden türetilen Weibull eğrisi denklemi (y=ax+b), sıfıra eşitlendiğinde çekme değeri ln fonksiyonuna karşılık gelen % 62,8 güvenirlik ile hesaplanmaktadır. Bölüm 2.5 te Weibull dağılımı ile ilgili geniş bilgi verilmiştir. Ayrıca yatay ve dikey eksende çekilen numunelerin aritmetik ortalamaları, standart sapmaları hesaplanmıştır. Çizelge 5.5 de kare kesitli dikey yolluk grubundan dikey olarak kesilen çekme test sonuçları, aritmetik ortalamaları ve standart sapmaları verilmiştir. Çizelge 5.6 da da kare kesitli dikey yolluk grubundan yatay olarak kesilen çekme test sonuçları, aritmetik ortalamaları ve standart sapmaları verilmiştir. Çizelgelerde kullanılan kısaltmalar Bölüm 4.4 te Çizelge 4.3 te verilmiştir, sırasıyla dikey yolluk-yatay yolluk şekillerini ve farklılıklarını simgelemektedir.

152 127 Çizelge Kare kesitli dikey yolluk grubundan dikey kesilen çekme numunelerinin test sonuçları Yolluk Sistemleri (Dikey yolluk-yatay yolluk) Sıra No Çekme Muk. (MPa) K-K K-DK K-DDg K-DDa Uzama (%) Çekme Muk. (MPa) Uzama (%) Çekme Muk. (MPa) Uzama (%) Çekme Muk. (MPa) Uzama (%) 1 202,04 5,89 169,99 4,96 179,77 5,56 74,66 1, ,21 4,27 101,96 2,53 154,96 4,26 105,66 2, ,73 1,57 134,73 3,32 135,61 3,74 82,12 1, ,74 2,33 96,27 2,26 71,40 1,70 160,21 4, ,80 2,35 111,08 3,15 88,64 2,44 34,43 0, ,22 1,50 172,09 4,76 41,72 0,88 73,06 1, ,33 0,86 138,27 3,56 57,75 1,17 54,60 1, ,20 1,12 159,16 3,90 158,93 3,65 15,64 0, ,61 1,36 120,53 3,50 97,32 2,35 42,33 0, ,66 0,16 91,90 2,36 80,30 1, ,51 4,03 A.Ort. 92,28 2,31 129,60 3,43 109,57 2,86 72,30 1,56 S.Sap. 57,36 1,73 30,06 0,93 49,29 1,55 40,64 1,14 Çizelge 5.5 te (dikeyde çekilen) kare kesitli dikey yolluk ve difüzörsüz kare kesitli yatay yolluk aritmetik ortalama (A.Ort.) 92,28 MPa, difüzörlü kare kesitli yatay yolluk A.Ort. 129,60 MPa, difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk A.Ort. 109,57 ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk grubunda ise A.Ort. 72,30 MPa olarak hesaplanmıştır. Difüzörlü kare kesitli yatay yolluk en yüksek çekme mukavemet ve yüzde uzama sahip olmasına karşın difüzörsüz kare en düşük çekme mukavemeti ve yüzde uzamaya sahiptir.

153 128 Çizelge Kare kesitli dikey yolluk grubundan yatay kesilen çekme numunelerinin test sonuçları Yolluk Sistemleri (Dikey yolluk-yatay yolluk) Sıra No Çekme Muk. (MPa) K-K K-DK K-DDg K-DDa Çekme Çekme Çekme Uzama Uzama Uzama Muk. Muk. Muk. (%) (%) (%) (MPa) (MPa) (MPa) Uzama (%) 1 191,37 4,78 142,85 3,51 152,47 3,48 77,59 1, ,60 2,34 197,18 4,78 181,04 5,23 135,50 3, ,72 3,68 135,34 3,36 83,06 2,06 101,07 2, ,46 3,73 183,42 4,56 170,93 4,20 153,19 4, ,73 1,17 132,02 2,93 123,01 3,20 110,25 2, ,62 2,60 132,80 3,31 170,15 3,71 120,09 2, ,71 2,01 180,98 4,73 131,08 2,97 138,87 3, ,42 2,28 118,15 3,30 74,82 1,22 101,35 2, ,97 1,57 186,45 4,90 127,55 2,88 167,94 4, ,32 2,43 146,17 3,76 83,45 1,82 108,92 2, ,47 2,28 189,49 4,72 172,14 4,36 156,06 4, ,96 3,91 95,11 2,60 156,34 3,40 134,40 3, ,16 3,94 109,81 2,77 110,47 2,70 150,59 4, ,24 3,68 115,06 2,59 147,16 4, ,78 4, ,20 2,73 A.Ort. 123,19 2,82 148,79 3,78 132,25 3,13 130,56 3,37 S.Sap. 38,20 1,07 32,81 0,81 36,02 1,06 25,17 0,82 Çizelge 5.6 da (yatayda çekilen) kare kesitli dikey yolluk ve difüzörsüz kare kesitli yatay yolluk A.Ort. 123,19 MPa, difüzörlü kare kesitli yatay yolluk 148,79 MPa, difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk 132,25 ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk grubunda ise 130,56 MPa olarak hesaplanmıştır. Difüzörlü kare kesitli yatay yolluk en yüksek çekme mukavemet ve yüzde uzama değerine sahiptir. Çekme mukavemet ve yüzde uzama değerlerinin aritmetik ortalamaları incelendiğinde dikey ve yatay eksende en düşük değer difüzörsüz kare kesitli yatay yolluğa sahip yolluk sisteminde hesaplanmıştır. Kare kesitli dikey yolluk sistemi grubuna ait çekme ve uzama değerleri sonuçlarına bakıldığında sırasıyla difüzörlü kare, dikdörtgen, daire ve difüzörsüz kare yollluk sistemidir.

154 129 Sıvı metalin yolluk sistemini ve kalıp boşluğunu doldurana kadar, oluşan katlanma ve saçılmadan dolayı oluşan bifilm oksit tabakaları, sıvı metal katılaşana kadar sıvı metal içinde hareket halinde yüzmektedirler. Bifilmler katılaşma sırasında dendritler arasında sıkışarak kalmaktadır. Sonrasında sıvı metalde çözünen hidrojen atomları bifilmlerin içine difüz olacak zamanı bularak bifilmin genişlemesine ve uç kısımlarda çatlaklara yol açmaktadır. Bu kusurlu bölgeler malzemenin mekanik dayanımını ve servis ömrünü kısaltmaktadır. Döküm malzemenin üretimi sırasında kullanılan yolluk sistemleri değiştiğinde, döküm kalitesindeki değişimin daha iyi anlaşılabilmesi için Weibull dağılımı istatiksel analizi kullanılmıştır. Kare kesitli dikey yolluk grubunun Şekil 5.4 te Weibull dağılımı eğrileri ve modülleri, Şekil 5.5 te ise oluşma sıklığına (frekans) karşı çekme mukavemet değerleri verilmiştir. Simülasyon çalışmalarında akışın sonlanmasına yakın alınan iki boyutlu vektörel hız bileşenleri ve çekme mukavemet değerlerinden elde edilen Weibull modülleri birlikte değerlendirildiğinde, hız farklılıklarının oluşturduğu (ölü bölgelerin fazla olduğu) döküm malzemenin Weibull modülleri de düşük çıkmıştır. Bu bölgelerde sıvı metalin katlanması sonucunda oksit film tabakalarının (bifilmlerin) oluşması simülasyon ve çekme sonuçları ile desteklenmektedir. Ayrıca sıvı metalin sadece kalıp boşluğunu doldurduğu sırada değil, yolluk sistemini oluşturan elemanların kesit şekillerinden ve alanlarında sıvının oksitlenmesi söz konusudur. Bu nedenle de akış şartlarına bağlı olarak, inklüzyonların oluşumunda da yolluk sistemleri önemlidir. Kare kesitli dikey yolluk grubunun Weibull dağılımı eğrisini oluşturan çekme test sonuçları geniş bir spektrumdadır. Döküm malzemenin yapısındaki kusurların (mikro ve makro çekme, gaz boşluğu, intermetalik fazlar vb.) oluşumu ve gelişimi oksit film içeriği ile ilgilidir.

155 130 Şekil Kare kesitli dikey yolluk grubunun Weibull dağılımı eğrileri ve modülleri Şekil Kare kesitli dikey yolluk grubunun oluşma sıklığına karşı çekme mukavemet dağılımları Sıvı metalin, kalıp boşluğunu doldurması sırasında yüzeyindeki koruyucu oksit film tabakası katlanması akış yönüne dik olarak gerçekleşmektedir. Bu nedenle, kalıp boşluğunun dolum yönüne dik olarak elde edilen çekme numunelerinin mukavemeti ve uzama değerleri ortalamaları düşüktür. Kare kesitli dikey yolluk grubunda en yüksek Weibull modülü difüzörlü kare yatay yollukta 5,1 olarak hesaplanmıştır.

156 131 Difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk Weibull modülü 3,0 dir. Difüzörlü daire kesitli yatay yolluk 2,1 ve difüzörsüz kare kesitli yatay yollukta ise Weibull modülü 1,9 olarak hesaplanmıştır. Kare kesitli dikey yolluk grubuna ait Weibull karakterislik ortalama değerleri Çizelge 5.7 de verilmiştir. Çizelge Kare kesitli dikey yolluk grubuna ait Weibull eğrisi denklemleri, modül ve karakterislik ortalamaları. Yolluk sistemi Weibull eğrisi denklemi Weibull modülü Weibull karakterislik ortalama (MPa) K-K y=1,95x-9,44 1,9 126,59 K-DK y=5,13x-25,82 5,1 153,41 K-DDg y=3,08x-15,21 3,0 139,53 K-DDa y=2,19x-10,58 2,1 125,34 Ayrıca kare kesitli dikey yolluk grubunun Weibull eğrilerinde çekme mukavemet değerlerinin oldukça dağınık ve tekrarlanabilirliğin düşük olduğu (Şekil 5.4) görülmektedir. Daire kesitli dikey yolluk grubundan dikey olarak kesilen çekme test sonuçları Çizelge 5.8 de yatay olarak kesilen çekme test sonuçları ise Çizelge 5.9 da verilmiştir. Çizelge 5.8 de (dikeyde çekilen) dairesel kesitli dikey yolluk ve difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk A.Ort. 154,09 MPa, difüzörlü daire kesitli yatay yolluk A.Ort. 120,59 MPa, difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk A.Ort. 144,05 ve difüzörlü kare kesitli yatay yolluk grubunda ise A.Ort. 107,22 MPa olarak hesaplanmıştır.

157 132 Çizelge Daire kesitli dikey yolluk grubundan dikey kesilen çekme numunelerinin test sonuçları Yolluk Sistemleri (Dikey yolluk-yatay yolluk) Sıra No Çekme Muk. (MPa) D-Da D-DDa D-DDg D-DK Çekme Çekme Çekme Uzama Uzama Uzama Muk. Muk. Muk. (%) (%) (%) (MPa) (MPa) (MPa) Uzama (%) 1 190,68 2,3 125,42 1,55 189,26 4,48 154,56 3, ,02 2,94 108,42 1,25 121,43 2,95 156,86 3, ,15 2,72 132,05 2,11 187,24 2,54 104,68 1, ,22 1,85 105,11 1,37 140,64 1,2 86,54 0, ,82 1, ,27 141,81 1,61 65,55 0, ,01 2,12 170,39 2,84 131,67 1,43 125,5 1, ,83 1,38 87,92 0,98 88,41 0,86 65,92 0, ,15 0,92 172,14 3,04 130,57 1,46 80,24 0, ,55 1,91 65,95 0,75 167,18 2,16 96,76 1, ,04 1,83 145,59 2,81 142,25 1,81 82,28 0, ,25 1,94 104,31 1,26 89,4 0, ,67 2,26 163,07 3,3 121,54 1, ,95 3,13 120,19 1,55 129,24 1, ,94 3,71 79,66 0,91 142,06 2,03 A.Ort. 154,09 2,17 120,59 1,79 144,05 2,05 107,22 1,53 S.Sap. 30,93 0,75 33,12 0,87 30,56 1,06 31,13 0,81 Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk en yüksek ortalama çekme mukavemet ve yüzde uzama miktarına sahiptir. Difüzörlü daire kesitli yatay yolluk ise en düşük ortalama çekme mukavemet ve yüzde uzama miktarına sahiptir. Sıvı metalin yatay yolluğu doldurması sırasında kullanılan dairesel yolluklar akış yönüne dik olarak oluşan yüzey türbülansından katlanmanın yüksek olmasına ve mekanik değerlerin azalmasına sebep olmaktadır. Dai ve arkadaşlarının yaptıkları bir çalışmada dairesel, üçgen ve kare kesitli yatay yollukların Al-Si-7Mg alaşımının dört nokta eğme mukavemet değerleri üzerine araştırma yapmışlardır. Dairesel kesitli yatay yolluk ile vorteksel (tanjantsal) akışın sağlandığı yolluk sisteminin modülleri (yatayda 18,0- dikeyde 12,7) uygulanan diğer üçgen (yatayda 6,0-dikeyde 8,6) ve dikdörtgen (yatayda 14,9-dikeyde 8,8) yatay yolluğa göre yüksektir [Dai ve ark., 2003]. Bu çalışmada tanjantsal akış şartları kullanılmadığından dolayı dairesel kesitli yatay

158 133 yolluklarda sıvı metalin oksitlenmesi ve bifilmlerin oluşmasına sebep olmuştur. Bu yüzden tasarlanan difüzörlü dairesel kesitli yatay yolluklarda mekanik değerlerin ve Weibull modüllerin düştüğü gözlenmiştir. Çizelge 5.9 de (yatay çekilen) dairesel kesitli dikey yolluk ve difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk A.Ort. 182,65 MPa, difüzörlü daire kesitli yatay yolluk A.Ort. 139,0 MPa, difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk A.Ort. 182,86 ve difüzörlü kare kesitli yatay yolluk grubunda ise A.Ort. 147,23 MPa olarak hesaplanmıştır. Döküş yüksekliğinin ve difüzörlü yatay yolluk sistemlerinin üzerine yapılan çalışmada, döküş yüksekliğine ve filtreli yolluk sistemleri Weibull modülleri bağlı olarak değerlendirilmiştir. Uygulanan difüzörlü yatay yolluk (5 lik acı ile) artan kesit alanına sahiptir. Difüzörlü yatay yolluklarda sıvı metal hızının yeterli derecede yavaşlamadığı fakat yatay yolluk duvarlarından ayrıldığı görülmüştür. Difüzörlü yatay yollukta Weibull modülünün 29,8 ve dikdörtgen kesitli yollukta Weibull modülünün 214,6 olarak hesaplanmıştır [Sirrell ve Campbell, 1997].

159 134 Çizelge Daire kesitli dikey yolluk grubundan yatay kesilen çekme numunelerinin test sonuçları Yolluk Sistemleri (Dikey yolluk-yatay yolluk) Sıra No Çekme Muk. (MPa) D-Da D-DDa D-DDg D-DK Çekme Çekme Çekme Uzama Uzama Uzama Muk. Muk. Muk. (%) (%) (%) (MPa) (MPa) (MPa) Uzama (%) 1 229,5 3,96 196,82 2,74 228,01 4,02 108,24 1, ,43 2,95 65,17 0,7 188,99 2,81 183,97 2, ,5 2,9 159,1 1,98 196,34 2,6 181,97 2, ,93 2,99 218,22 3,78 217,07 3,4 148,87 1, ,85 3,38 157,19 1,78 188,05 2,95 164,18 2, ,88 2,52 180,43 2,68 189,43 2,91 125,91 1, ,05 2,07 164,4 2,46 190,65 2,58 161,2 1, ,45 1,97 136,64 1,55 173,52 2,91 136,16 1, ,69 1,9 128,36 1,7 190,82 2,95 127,93 1, ,65 1,93 120,13 1,74 163,02 2,43 121,74 1, ,11 1,2 113,95 1,24 191,81 3,39 146,99 2, ,02 1,83 88,29 0,82 178,82 2, , ,43 2,55 139,26 2,53 154,95 1,85 155,67 2, ,25 2,3 109,8 1,49 137,61 2,05 141,96 1, ,27 1,55 140,7 1,67 197,12 3,32 134,01 1, ,97 2,62 115,1 1,62 167,98 3,07 144,67 1, ,14 2,69 129,43 1,49 183,63 4,18 195,46 3, ,62 2,32 153,68 2 A.Ort. 182,65 2,42 139,00 1,88 182,86 2,90 147,23 1,85 S.Sap. 23,33 0,67 38,21 0,76 22,10 0,63 24,12 0,67 Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk en yüksek ortalama çekme mukavemet ve yüzde uzama miktarına sahiptir. Difüzörlü daire kesitli yatay yolluk ise en düşük ortalama çekme mukavemet ve yüzde uzama miktarına sahiptir. Daire kesitli dikey yolluk grubunun Şekil 5.6 da Weibull dağılımı eğrileri ve modülleri Şekil 5.7 de oluşma sıklığına karşı çekme mukavemet değerleri verilmiştir

160 135 Şekil Daire kesitli dikey yolluk grubunun Weibull dağılımı eğrileri ve modülleri Dairesel kesitli dikey yolluk grubunda ise en yüksek Weibull modülü difüzörsüz daire kesitli yatay yollukta 6,3 olarak hesaplanmıştır. Difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yollukta Weibull modülü 6,0 tir. Difüzörlü kare kesitli yatay yollukta Weibull modülü 4,3 ve difüzörlü daire kesitli yatay yollukta ise Weibull modülü 4,2 olarak hesaplanmıştır. Şekil Daire kesitli dikey yolluk grubunun oluşma sıklığına karşı çekme mukavemet dağılımları

161 136 Çizelge 5.10 da daire kesitli dikey yolluk grubuna ait Weibull eğrisi denklemleri, modül ve karakterislik ortalamaları verilmiştir. Dairesel kesitli dikey yolluk grubunun Weibull eğrileri incelendiğinde, elde edilen çekme değerlerinin oluşma sıklığı ve tekrarlanabilikleri oldukça yüksektir. Çizelge Daire kesitli dikey yolluk grubuna ait Weibull eğrisi denklemleri, modül ve karakterislik ortalamaları verilmiştir. Yolluk sistemi Weibull eğrisi denklemi Weibull modülü Weibull karakterislik ortalama (MPa) D-Da y=6,32x-32,97 6,3 184,33 D-DDa y=4,21x-20,93 4,2 144,24 D-DDg y=6,05x-31,49 6,0 182,17 D-DDK y=4,13x-21,40 4,1 177,96 Sarj malzemesinden, ergitme ortamından ve yolluk sistemindeki türbülans ve/veya yüzey türbülansı sonucunda oluşan oksit film tabakaları sıvı metalin akışıyla birlikte kalıp boşluğuna girmektedirler. Sıvı metalin içinde yüzey oksit film tabakaları katılaşma sonucunda döküm malzeme yapısında kalmaktadırlar. Bu nedenle, akış yönüne dik olarak alınan çekme numunelerinin mukavemet değerleri düşük çıkmaktadır [Dai ve ark., 2003, Campbell, 2006]. Bozchaloei ve arkadaşları Al-7Si- Mg alaşımlarında yatay yolluk yüksekliğinin bifilm oluşumları ve mekanik özelliklerine etkilerini incelemişlerdir. Sadece yatay yolluk yüksekliğinin bile mekanik özelliklere etkisi olduğunu ortaya koymuşlardır [Bozchaloei ve ark., 2012].

162 Farklı yolluk sistemi ile elde edilen çekme numunelerinin kırık yüzey SEM ve EDS görüntülerinin incelenmesi A356 alaşım malzemelerin çekme testleri sonrasında kırık yüzey incelemeleri SEM ve EDS analizleri ile yapılmıştır. Kopma sonrasında kırık yüzeylerde hata ve kırılma oluşumu incelenmiştir. Resim 5.22 de kare kesitli dikey yolluk ve difüzörsüz kare kesitli yatay yolluk sistemi kullanılarak dökülen çekme numunesinin SEM görüntüleri ve EDS analizleri verilmiştir. Resim 5.22.a da verilen kırık yüzey genel görüntüsünde gaz boşlukları, küçük kum tanecikleri, inklüzyonların ve oksit film tabakalarının olduğu belirlenmiştir. Sıvı metalin yolluk sistemi ve kalıp boşluğunda akışı sırasında kalıp yüzeylerinden kum taneciklerin sürüklenmesi sonucu inklüzyon ve döküm malzeme içinde hatalar oluşmaktadır. Kalıp yüzeylerinde oluşan sürüklenme etkisiyle sıvı metal içine kalan kum tanecikleri malzemenin yük altında kırılmasına sebep olmaktadır. Kırık yüzeyde üst bölgede SiO 2 kum taneciği görülmektedir. Ayrıca döküm parçalar homojenize olmasına rağmen kaba Al-Si ötektiğinin dağılamadığı anlaşılmaktadır. Bunun yanı sıra bazı kırık yüzeyde oksit film tabakalarının oluştuğu da görülmektedir. Resim 5.22.b de numune üst köşesindeki SiO 2 kum tanesi (c,1) ve stoperden koptuğu düşünülen keskin köşeli yassı karbon parçacığı (c,2) EDS analizleri ise Resim 5.22.c de verilmiştir. Ayrıca yapıda karmaşık şekilli boşluk görüntüsü Resim 5.22.d de verilmiştir.

163 138 (a) (b) 1 2 (c) α- alüminyum dendritleri arasındaki oluşan boşluk (d) Resim Kırık yüzeyin genel SEM görüntüsü (a), numune üst köşesindeki SiO 2 kum tanesi ve karbon görüntüsü (b)ve EDS grafiği (c), dendritler arasındaki oluşan boşluk (d)

164 139 Resim 5.23 de kare kesitli dikey yolluk ve difüzörsüz kare kesitli yatay yolluk sistemi kullanılarak elde edilen döküm parçadan hazırlanmış çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü verilmiştir. Resim 5.23.a da sıvı metalin hazırlanmasında ve/veya ergitme süresine bağlı olarak oluşan oksit bifilm tabakaları görülmektedir. Boşlukların oksit bifilm tabakalarına difüze olan hidrojen atomları sonrasında oluştuğu düşünülmektedir. Hidrojen miktarının yüksek olması bifilmlerden oluşan boşlukların büyümesine sebep olmaktadır. Bu tür boşlukların oluşumuna, yaşlı oksit film tabakalarını sebep olduğu bilinmektedir. Genç oksit film hataları sonucu oluşan boşlukların derinlikleri daha azdır [Campbell, 2003].

165 140 Oksit bifilm tabakaları Oksit bifilm tabakası (a) (b) 1 2 (c) Resim Kırık yüzeyin genel SEM görüntüsü (a), Al-Si-Fe intermetalik iğnemsi plakanın ve Al-Si ötektiğinin SEM görüntüsü (b) ve EDS analizi (c) Resim b deki SEM görüntüsünden de anlaşılacağı gibi oksit film tabakası çevresinde oluşmuş demirce zengin Al-Si-Fe intermetaliği ve Al-Si ötektiği (Resim 5.23.c) görülmektedir. Bu durum alınan EDS analizi ile de doğrulanmaktadır. Al- Si-Mg ve Fe elementinden katılaşma esnasında α- alüminyum dendritleri arasında Al-Si ötektiği ve β-al 5 FeSi, Al 8 Mg 3 FeSi 6 ve Mg 2 Si intermetalikleri bulunmaktadır. Alaşımın kimyasal bileşimindeki oranına bağlı olarak bu intermetaliklerin kimyasal bileşimlerinde farklılık gösterebilmektedir [Warmuzek, 2004]. Resim 5.24 de kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk sistemine ait numuneden

166 141 elde edilen SEM kırık yüzey görüntüleri verilmiştir. Çekme numunesinin kırık yüzeyinin ortasında dendritler arasındaki küresel boşluk (373 µm) görülmektedir (Şekil 5.24.d). Bu küresel boşluğun sebebinin sıvı metalin içerdiği yüksek hidrojenden dolayı bifilmlerin içine sıvı metalin sahip olduğu hidrojenin difüze olmasından kaynaklanmaktadır. Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk sistemine ait numunelerin kırık yüzey SEM görüntüleri Resim 5.25 te kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk sistemi sisteme ait numunenin kırık yüzeyinden alınan SEM görüntüsü ve EDS analizi verilmiştir. Kırık yüzeyden alınan EDS analizinde Al-Si-Fe elementlerinin oluşturduğu plakalar şeklinde iğnemsi olarak β-al 5 FeSi intermetaliği boşluk çevresinde görülmektedir. Çekme testi sırasında uygulanan artan yük altında β-al 5 FeSi intermetaliği çentik etkisi yaratarak kopmanın başlamasını sağlamaktadır.

167 142 Al-Si-Fe oluşturdukları oluşturdukları intermetalik β-fazı (a) (b) Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk sistemine ait çekme numunesi kırık yüzey SEM görüntüsü (a) ve EDS analizi (b) Resim 5.26 da kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk sistemine ait çekme numunesinin kırık yüzey SEM görüntüsü ve EDS analizi verilmiştir. Resim 5.26 da kırık yüzey genel SEM görüntüsü (a), stoperli pota grafit stoperi ve/veya alkol bazlı grafit boyadan kaynaklandığı düşünülen karbonun SEM görüntüsü ve EDS analizi (b) verilmiştir. Ayrıca katılaşma esnasında oluşan Al-Si ötektiği dendritler arasında görülmektedir (c).

168 143 Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk yolluğa ait numunenin kırık yüzey genel SEM görüntüsü (a), karbon inklüzyonun SEM, EDS analizi (b), alüminyum silisyum ötektiğinin SEM, EDS analizi (c) Resim 5.27 de kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk ile dökülen parçanın çekme numunesinin kırık yüzey SEM genel görüntüsü verilmiştir. Kırık yüzey üzerinde hidrojen miktarının fazla olmasından (genişlemiş bifilm) kaynaklanan boşluğu Resim 5.27.b de görülmektedir. (a) Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk sistemli çekme numunesinin kırık yüzey genel görüntüsü (a), boşluk görüntüsü (b) (b)

169 144 Resim 5.28 de kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk sistemine ait çekme numunesinin kırık yüzeyinden alınan genel SEM görüntüsü (a) verilmiştir. Kırık yüzey üzerinde dendritik bölgeden alınan görüntüde α- alüminyum dendritler ve oksit bifilmler (b) görülmektedir. Oksit bifilmler bkl α- alüminyum dendritler (a) (b) Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk sistemine ait çekme numunesinin kırık yüzeyinden alınan genel SEM görüntüsü (a), dendritler arasında oksit bifilmler Resim 5.29 da kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sistemine ait çekme numunesinin kırık yüzeyinden alınan SEM görüntüsü (a) verilmiştir. Kırık yüzeyde SEM görüntüsünde (b) yaklaşık 400 µm büyüklüğündeki hava kabarcığı (genişlemiş bifilm) ve türbülans sonucu oluşan bifilm görülmektedir.

170 145 Genişlemiş bifilm (a) (b) Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sisteme ait çekme numunesinin kırık yüzeyinden alınan SEM görüntüsü (a) ve hava kabarcığı ve bifilm görüntüsü (b) Resim 5.30 da kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sistemine ait çekme numunesinin kırık yüzeyinden alınan SEM görüntüsü (a) verilmiştir. Kırık yüzeydeki oksit film tabakaları ve dendritik yapı, çekme ve gaz boşlukları görülmektedir. Artan kuvvet altında gaz ve/veya mikro çekme boşlukları çevresindeki intermetalikler kırılmaya sebep olmaktadır [Wang ve Caceres, 1998, Lados ve Apelian, 2008]. (a) (b) Resim Kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sistemine ait çekme numunesinin kırık yüzeyinden (a) ve dendritik yapıdan (b) alınan SEM görüntüsü

171 146 Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk sistemine ait çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü Resim 5.31.a da ve Resim 5.31.b de Al-Si-Fe intermetaliği SEM görüntüsü ve Resim 5.31.c de EDS analizi verilmiştir. Al-Si-Fe intermetaliği farklı oranlarda Al-Si-Mg alaşımlarına % 0,20 ve üzerinde demir ilave edildiğinde dendritler arasında boşluk veya Al-Si ötektiği çevresinde farklı kimyasal oranlarda oluşmaktadır [Warmuzek, 2004]. α- alüminyum dendritler Al-Si-Fe intermetaliği (a) (b) (c) Resim Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk sistemine ait çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü (a), Al-Si-Fe intermetaliğinin SEM görüntüsü (b) ve intermetaliğin EDS analizi sonucu (c) Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk sistemine ait çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü Resim 5.32.a da ve Resim 5.32.b de α-alüminyum dendritleri ve kırılma yüzeyi verilmiştir. Al-Si-Mg alaşımlarında

172 147 kırılma genellikle taneler arasında ve tane sınırlarındaki kusurlu bölgelerden kaynaklanmaktadır [Caceres, 1995, Caceres ve Selling, 1996]. α- alüminyum dendritler (a) (b) Resim Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü daire kesitli yatay yolluk sistemine ait çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü (a), dendrtiler arasındaki kırık yüzey SEM görüntüsü (b) Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk sistemine ait çekme numunesinde alınan genel SEM görüntüsü Resim 5.33.a da ve kırık yüzeyden alınmış SEM görüntüsü Resim 5.33.b de verilmiştir. Kırık yüzeylerde döküm sırasında sıvı metalin ergitme ve kalıp boşluğuna aktarılmasında kullanılan stoper, pota boyası vb. malzemelerden kaynaklanan karbon kirlenmesi sonucu kusurlu bölgeler oluşmaktadır. Kırılma yüzeyleri (a) (b) Resim Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü dikdörtgen kesitli yatay yolluk sistemine ait çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü (a), kırık yüzey SEM görüntüsü (b)

173 148 Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sistemine ait çekme numunesinde alınan genel SEM görüntüsü Resim 5.34.a da ve kırık yüzeyde dendritler arasındaki 377µm uzunluğunda ve 202 µm genişliğinde dendritler arası çekme boşluğu görülmektedir. Resim Daire kesitli dikey yolluk ve difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sistemine ait çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü (a), dendritler arası çekme boşluğunun SEM görüntüsü (b) Al-Si-Mg alaşımlarında kırılma üç şekilde oluşmaktadır. Bunlar düşük plastik gerilime sahip silisyum parçacıkların kırılması, kırılmış parçacıkların birbirlerinden ayrılması ve mikro boşlukların oluşumun sonrasında kırılma şeklinde olmaktadır. Kırılma Al-Si-Mg alaşımlarında dendrit hücrelerin arasında, tane sınırlarında meydana gelmektedir. Buna karşın, soğuma oranına bağlı olarak oluşan (ince) dendritik tane yapısına sahip döküm Al-Si-Mg alaşımlarında tane içinde de kırılma oluşabilmektedir. Fakat genellikle Al-Si-Mg döküm alaşımlarında kırılma taneler arasında oluşmaktadır [Wang ve Ca ceres, 1998] Tek Yönlü Katılaştırılmış A356 Döküm Malzemenin Karakterizasyonu Bölüm 4.4 te anlatıldığı gibi hazırlanan ısı yalıtımı sağlanmış kalıplara gruplar içinde en yüksek Weibull modülüne sahip, kare kesitli dikey yolluk difüzörlü kare kesitli yatay yolluk ve daire kesitli dikey yolluk difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk

174 149 sistemleri ile su soğutmalı (tek yönlü) elektrolitik bakır, H13 çeliği ve izole seramik kalıplar kullanılarak katılaştırılmıştır. Konum ve sıcaklığa bağlı ikincil dendrit kollar arasındaki mesafe (SDAS), çekme mukavemet değerleri ve soğuma oranına bağlı olarak bifilm oksit tabakaların dağılımı arasındaki ilişki araştırılmıştır Tek yönlü katılaştırılmış A356 döküm malzemenin ikincil dendrit kollar arasındaki mesafe (SDAS) incelemeleri Döküm metal ve alaşımların, katılaşma hızı (V), termal gradyantı (G), soğuma oranı (T * ) ve lokal katılaşma zamanı (t L ) konuma göre değişen katılaşma parametreleri ile dendritik yapıyı doğrudan etkilemektedir. Dendrittik yapı, katılaşma parametrelerine bağlı olarak birincil, ikincil veya üçüncül olabilir. Dendritik kollar arasındaki mesafe (DAS) ve katılaşma parametreleri arasındaki ilişki Eş. 5.1 de verilmiştir. DAS a t veya DAS a GV 5.1) Burada a, kalıp malzemesine bağlı bir katsayıdır, n ise birinci dendrittik yapı için 0,5 ikincil dendritik yapı için ise 1/3 ve 1/2 aralığında değer almaktadır. [Flemings,1974]. Döküm kalıplarda soğutucu kullanımı dendrit kolları arasındaki mesafeyi, dolayısıyla malzemenin mekanik özelliklerini etkilemektedir. İkincil dendrit kolları arası mesafenin uzun yada kısa olması, kullanılan soğutucunun türüne ve soğutucu kalınlığına bağlıdır [Guo-fa ve ark, 2007, Peres ve ark., 2004]. Resim 5.35 te difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sistemiyle tek yönlü katılaştırılan döküm malzemelerin ikincil lokal katılaşma zamanları (t L ) ve ikincil dendrit kolları arasındaki mesafe (SDAS) verilmiştir. Soguma şartlarına bağlı olarak lokal katılaşma zamanının (katılaşma parametresi) artması ile dendritik hücrelerin yapısal değişimi görülmektedir. Lokal katılaşma zamanının artması ile ikincil dendrit kollar arası mesafenin artığı ve Al-Si ötektiğinin lameller halinde α-al dendrit hücreler arasında kalınlaştığı görülmektetir. Lokal katılaşma zamanının hesaplanması sırasında liküdüs sıcaklığı 610 C ve solidüs sıcaklığı 543 C olarak alınmıştır [Arnberg 1990, Arnberg 1996].

175 150 Uzaklık Elektrolitik Bakır (Şekil 5.8) H13 Çelik (Şekil 5.9) 5 mm. t L -SDAS 1,4 s.-13 µm 22 s.-27 µm 15 mm. t L -SDAS 33,5 s.-27 µm 47 s.-40 µm 30 mm. t L -SDAS 51,5 s.-31µm 91 s.-44 µm 100 mm. t L -SDAS 188 s.-42 µm 289 s.-57 µm Resim Difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sistemiyle tek yönlü katılaştırılan döküm malzemelerin SDAS uzunlukları

176 151 İzole seramik kalıp içinde katılaştırılan kalıp merkezinden alınan optik mikroskop görüntüsünde ikincil dendrit kolları arasındaki mesafe 73 µm olarak ölçülmüştür. Resim 5.36 da optik mikroskop görüntüsü verilmiştir. Lokal katılaşma zamanına bağlı olarak Al-Si ötektiğinin lameller halinde kalınlaştığı görülmektedir. Resim Difüzörlü kare kesitli ve yatay yolluk sistemiyle izole seramik kalıp ile katılaştırılan döküm malzemelenin merkezinden alınan optik mikroskop görüntüsü Şekil 5.8 de elektrolitik bakır soğutucu, Şekil 5.9 da H13 çeliği soğutucu ve Şekil 5.10 da izole seramik kalıp içinde katılaştırılan kare kesitli dikey yolluk ve difüzörlü kare kesitli yatay yolluk ile dökülen A356 malzemenin zaman-sıcaklık grafikleri verilmiştir. Döküm sıcaklığı elektrolitik bakır ve H13 çelik soğutuculu kalıplarda yaklaşık C civarındadır. Soğutucunun ve soğutma suyunun etkisi ile sıvı metal sıcaklığı kalıp boşluğunun yarısını doldurana kadar sıvı metal soğumaktadır. Elektrolitik bakır soğutucu ile dökülen kalıpta ısıl çiftlerden (liküdüs sıcaklığının hemen üzerinde) 617 C ve H13 çelik soğutucu ile dökülen kalıpta ısıl çiftlerden 650 C sıcaklığa ulaşmıştır. Sıvı metal yolluk sistemini ve elektrolitik su soğutmalı kalıptan kaynaklanan yaklaşık 120 C derecelik H13 soğutucu etkisi altında ise yaklaşık 90 C derecelik bir sıcaklık kaybı meydana gelmiştir. Sıcaklık verileri döküm-soğutucu ara yüzeyinden ve 100mm. uzaklıklardan her 500 milisaniyede (0,5 saniye) ısıl çiftler ile toplanmıştır. Elektrolitik bakır ile soğutulan kalıplarda ikincil dendrit kolları arasındaki mesafe sırasıyla 13, 27, 31, 42 µm olarak ölçülmüştür. H13 çeliği ile soğutulan kalıplarda ikincil dendrit kolları arasındaki

177 152 mesafe ise sırasıyla 27, 40, 44, 57 µm olarak ölçülmüştür. İzole seramik kalıp ise yaklaşık 690 C sıcaklıkta dökülmüştür. Döküm plakanın merkezinden alınan ısıl çiftten maksimum sıcaklık 620 C ölçülmüştür. Yaklaşık olarak kalıp boşluğu ve yolluk sisteminde 70 C bir sıcaklık kaybı meydana gelmiştir. Zaman-sıcaklık grafiklerinde K, soğutucu kalıp malzemeyi ve D, döküm malzemeyi simgelemektedir. Şekil Bakır soğutucu ile katılaştırılan kare kesitli dikey yolluk difüzörlü kare kesitli yatay yolluk ile dökülen plakanın zaman-sıcaklık grafiği

178 153 Şekil Çelik (H13) soğutucu ile katılaştırılan kare kesitli dikey yolluk difüzörlü kare kesitli yatay yolluk ile dökülen plakanın zaman-sıcaklık grafiği Şekil İzole seramik kalıp içinde katılaştırılan kare kesitli dikey yolluk difüzörlü kare kesitli yatay yolluk ile dökülen plakanın zaman-sıcaklık grafiği

179 154 Difüzörlü kare kesitli yatay yolluk ile dökülen elektrolitik bakır ve H13 çeliğine karşı katılaştırılan plakaların lokal katılaşma zamanına bağlı olarak ikincil dendrit kolları arasındaki mesafe arasındaki ilişki Eş. 5.1 e göre Şekil 5.11 de verilmiştir. Lokal katılaşma sıcaklığının artması ile α- alüminyum dendritik ikincil dendrit kolları arasındaki mesafe de artmaktadır. SDAS (µm) y = 11,935x 0, Lokal Katılaşma Zamanı (s.) SDAS (µm) 70 y = 12,541x 60 0, Lokal Katılaşma Zamanı (s.) Şekil Kare kesitli dikey yolluk difüzörlü kare kesitli yatay yolluk ile dökülen elektrolitik bakır (a) ve H13 çeliğinin (b) lokal katılaşma zamanı ve ikinci dendrit kollar arasındaki mesafe arasındaki ilişki Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk sistemiyle tek yönlü katılaştırılan döküm malzemelerin ikincil dendrit kolları arasındaki mesafe (SDAS) ve lokal katılaşma zamanları ısıl çiftlerden alınan zaman-sıcaklık verilerine göre hesaplanmaktadır. Resim 5.37 de farklı soğutuculardan eşit uzaklıklardan alınan ikincil dendrit kolları arasındaki mesafe ölçümleri verilmiştir. Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk sistemiyle tek yönlü katılaştırılan döküm malzemelerin ikincil dendrit kolları arasındaki mesafe (SDAS) ve lokal katılaşma zamanları verilmiştir. A356 alaşımı için dendritik hücreler arasındaki mesafeyi hesapladıklarında SDAS=10,2 (t L ) 0,33 olarak hesaplamışlardır. Döküm sıcaklığı, soğuma şartlarına ve yolluk sistemine bağlı olarak ikincil dendrit kolları arası mesafe değişmektedir [Sabau ve Viswanathan, 2002].

180 155 Uzaklık Elektrolitik Bakır (Şekil 5.11) H13 Çelik (Şekil 5.12) 5 mm. t L -SDAS 1 s.-16 µm 28 s.-28 µm 15 mm. t L -SDAS 18 s.-22 µm 29 s.-36 µm 30 mm. t L -SDAS 26,5 s.-32 µm 105,5 s.-43 µm 100 mm. t L -SDAS 82 s.-51 µm 132 s.-54 µm Resim Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk sistemiyle tek yönlü katılaştırılan döküm malzemelerin SDAS uzunlukları

181 156 Difüzörsüz daire yatay yolluk ile dökülen izole seramik kalıp içinde katılaştırılan kalıp merkezinden alınan optik mikroskop görüntüsünde ikincil dendrit kolları arasındaki mesafe 89 µm olarak ölçülmüştür. Resim 5.38 de optik mikroskop görüntüsü verilmiştir. Resim Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk sistemiyle izole seramik kalıp ile katılaştırılan döküm malzemenin merkezinden alınan optik mikroskop görüntüsü Şekil 5.12 de elektrolitik bakır soğutucu, Şekil 5.13 de H13 çeliği soğutucu ve Şekil 5.14 de izole seramik kalıp içinde katılaştırılan daire kesitli dikey yolluk difüzörsüz, daire kesitli yatay yolluk ile dökülen A356 malzemenin zaman-sıcaklık grafikleri verilmiştir. Döküm sıcaklığı elektrolitik bakır soğutuculu kalıpta yaklaşık 780 C ve H13 çelik soğutuculu kalıplarda yaklaşık yaklaşık 740 C civarındadır. Soğutucunun ve soğutma suyunun etkisi ile sıvı metal sıcaklığı kalıp boşluğunun yarısını doldurana kadar sıvı metal soğumuştur. Elektrolitik bakır soğutucu ile dökülen kalıpta ısıl çiftlerden (liküdüs sıcaklığının hemen üzerinde) 684 C ve H13 çelik soğutucu ile dökülen kalıpta ısıl çiftlerden 658 C sıcaklık yakalanmıştır. Sıvı metal yolluk sistemini ve elektrolitik su soğutmalı kalıptan kaynaklanan yaklaşık 110 C derecelik H13 soğutucu etkisi altında ise yaklaşık 80 C derecelik bir sıcaklık kaybına uğramıştır. Sıcaklık verileri döküm-soğutucu ara yüzeyinden ve 100 mm. uzaklıklardan her 500 milisaniyede (0,5 saniye) ısıl çiftler ile toplanmıştır. Elektrolitik bakır ile soğutulan kalıplarda ikincil dendrit kolları arasındaki mesafe sırasıyla 16, 22, 32, 51 µm olarak ölçülmüştür. H13 çeliği ile soğutulan kalıplarda ikincil dendrit kolları arasındaki mesafe ise sırasıyla 28, 36, 43, 54 µm olarak

182 157 ölçülmüştür. İzole seramik kalıbın döküm sıcaklığı yaklaşık 750 C dir, ısıl çiften ölçülen en yüksek sıcaklık ise yaklaşık 681 C dır. Şekil Bakır soğutucu ile katılaştırılan daire kesitli dikey yolluk difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk ile dökülen plakanın zaman-sıcaklık grafiği Şekil Çelik (H13) soğutucu ile katılaştırılan daire kesitli dikey yolluk difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk ile dökülen plakanın zaman-sıcaklık grafiği

183 158 Şekil İzole seramik kalıp içinde katılaştırılan daire kesitli dikey yolluk difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk ile dökülen plakanın zaman- sıcaklık grafiği Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk ile dökülen elektrolitik bakır ve H13 çeliğine karşı katılaştırılan plakaların lokal katılaşma zamanına bağlı olarak ikinci dendrit kollar arasındaki mesafe arasındaki ilişki Eş. 5.1 e göre Şekil 5.15 de verilmiştir. Lokal katılaşma sıcaklığının artması ile mikro yapıyı oluşturan dendritik yapıda ikincil dendrit kolları arasındaki mesafe artmaktadır. SDAS (µm) y = 14,498x 0, Lokal Katılaşma Zamanı (s.) SDAS (µm) y = 11,091x 0, Lokal Katılaşma Zamanı (s.) Şekil Daire kesitli dikey yolluk difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk ile dökülen elektrolitik bakır (a) ve H13 çeliğinin (b) lokal katılaşma zamanı ve ikinci dendrit kollar arasındaki mesafe arasındaki ilişki

184 Tek yönlü katılaştırılmış A356 malzemenin çekme mukavemeti incelemeleri A356 döküm malzeme iki farklı yolluk sistemi ile (difüzörlü kare ve difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk) elektrolitik bakır, H13 çeliği ve izole seramik kalıplara dökülerek katılaştırılmıştır. Katılaşma sırasındaki soğuma oranına bağlı olarak döküm malzemenin mekanik özelliklerindeki değişimin belirlenmesi için döküm malzeme dört bölgeye ayrılarak incelenmiştir. Çizelge 5.11 de difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sistemi ile dökülen elektrolitik bakır, H13 çeliği ve izole seramik kalıp içinde katılaştırılan A356 döküm malzemenin çekme mukavemetleri (MPa) verilmiştir. Çekme test numuneleri, soğutucuya doğru iletilen ısı akısına paralel olarak hazırlanmıştır. Sıvı metalin kalıp boşluğuna girişi ve soğutucu malzeme ile temasıyla katılaşma tek yönlü olarak sağlanmıştır. Kalıp boşluğu aşağıdan yukarıya doğru dolarken soğuma, soğutucuya doğru gelişmektedir. Soğutucu kalıp ile ilk teması sağlayan kısım soğutucunun su girişinin sağlandığı bölgedir (1. bölge). Soğumanın arttığı diğer bölgeler, soğutucunun üst bölgesi (2. bölge), soğutucuya uzak alt bölge (3. bölge) ve soğutucuya uzak üst bölgede (4. bölge) etkilidir. Zamansıcaklık verileri incelendiğinde, soğumanın tek yönde sağlandığı görülmektedir. Buna bağlı olarak döküm parçanın ortasından elde edilen metalografik numuneler ikincil dendrit kolları arası mesafe, lokal katılaşma zamanın artmasıyla artmıştır [Cruz ve ark., 2010]. En yüksek çekme mukavemet değeri elektrolitik bakır soğutucuda 1. bölgede 285 MPa, H13 sıcak iş takım çeliğinde 1. bölgede 225 MPa ve izole seramik kalıp içinde ise 3. bölgede 233 MPa olarak bulunmuştur. En düşük çekme mukavemet değerleri ise elektrolitik bakır soğutucuda 4. bölgede 242 MPa, H13 sıcak iş takım çeliğinde 4. bölgede 151 MPa ve izole seramik kalıp içinde ise 2. bölgede 127 MPa olarak ölçülmüştür. İzole seramik kalıp katılaşması sıvı metalin kalıp boşluğuna girişini sağlayan meme kesitinden başladığı ve yukarıya doğru yerçekiminin etkisi altında katılaştığı görülmektedir.

185 160 Çizelge Difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sistemi ile elektrolitik bakır (a), H13 çeliği (b) ve izole seramik kalıba dökülen (c) A356 alaşımın çekme mukavemeti ve numunelerin konumları E.Bakır soğutucu Sıvı-katı çekme bölgesi ,33 242, Bölge 4.Bölge Metalografik numune bölgesi , , Bölge Bölge Meme Çelik soğutucu Sıvı-katı çekme bölgesi ,33 151, Bölge 4.Bölge Metalografik numune bölgesi , , Bölge Bölge Meme (a) (b) İzole Seramik kalıp Sıvı-Katı Çekme Bölgesi , , Bölge Bölge Metalografik numune bölgesi Bölge Meme 233,25 3.Bölge (c) Sıvı metal izole seramik kalıp boşluğunu yukarıya doğru kademeli olarak doldurmaktadır ve ısı kaybı minimumdur. İzole seramik kalıp içinde katılaştırılan A356 alaşımında, sıvı-katı faz dönüşümü sırasında kaynaklanan hacimsel daralma sıvı metalin daha uzun süre kalıp içinde sıvı olarak bulunmasından kaynaklanmaktadır. Bu yüzden 2. ve 4. bölgelerde daha az çekme numunesi elde edilebilmiştir. Özellikle soğutucu yüzeyi ile temas halindeki bölge (1.Bölge) memeden gelen ve kalıp içindeki sıvı akışın etkisi ile sıvı metal ısısını daha hızlı kaybedilmesine sebep olmaktadır. Ayrıca bifilm oksit tabakaları sıvı metal içinde, kalıp boşluğunun üst kısmına ulaşabilecek zamanı bulmaktadır. Çizelge 5.12 de

186 161 difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk sistemi ile dökülen ve farklı soğutucular ile katılaştırılan A356 alaşımın çekme mukavemetleri verilmiştir. En yüksek çekme mukavemeti elektrolitik bakır soğutucuda 1. bölgede 274 MPa, H13 sıcak iş takım çeliğinde 1. bölgede 247 MPa ve izole seramik kalıp içinde ise 4. bölgede 229 MPa olarak elde edilmiştir. En düşük çekme mukavemeti ise elektrolitik bakır soğutucuda 4. bölgede 245 MPa, H13 sıcak iş takım çeliğinde 4. bölgede 129 MPa ve izole seramik kalıp içinde ise 2. bölgede 154 MPa olarak elde edilmiştir. Çizelge Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk sistemi ile elektrolitik bakır (a), H13 çeliği (b) ve izole seramik kalıba dökülen (c) A356 alaşımın çekme mukavemeti ve numunelerin konumları Sıvı-katı çekme bölgesi Sıvı-katı çekme bölgesi E.Bakır soğutucu ,67 245, Bölge Bölge Metalografik numune bölgesi Bölge Meme 267,75 3.Bölge Çelik soğutucu ,67 129, Bölge Bölge Metalografik numune bölgesi ,25 1.Bölge Meme 216,5 3.Bölge (a) (b) İzole seramik kalıp Sıvı-katı çekme bölgesi , , Bölge Bölge Metalografik numune bölgesi , , Bölge Bölge Meme (c)

187 162 Kuo, A201 alüminyum alaşımlarında yaptığı çalışmada kullandığı farklı kalıp malzemelerinin (silis, %50 silis- %50 kromit ve kromit kumu )soğuma oranı ve mikro yapı üzerine etkisini araştırmıştır. Dendritik mikro yapıda soğuma oranının artması ile dendrit ikincil kolları arasındaki mesafenin azaldığını ve mekanik çekme sonuçlarının artığını belirlenmiştir [Kuo, 2008]. Soğutucu ile dökülen kalıplarda katılaşma sırası ve çekme mukavemet değerleri bu doğrultuda birbirini uyumludur. Bölgelerin ısı aktarım kabiliyetlerine göre, katılaşma zamanı göz önünde bulundurulduğunda, elde edilen çekme mukavemeti değerleri, 1.bölge<2.bölge <3.bölge<4.bölge şeklinde olmaktadır. Bölgelerden alınan çekme test sonuçlarının ortalaması, bu sonuç ile desteklenmektedir. Difüzörlü kare kesitli yatay yolluk ile elektrolitik bakır soğutucuya karşı katılaştırılan A356 alaşımı plakadan elde edilen çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü, Resim 5.39.a da verilmiştir. SEM görüntülerinden anlaşıldığı gibi boşlukların sebep kırılma yüzeyindeki gözenekler kırılmaya zemin hazırlamaktadır. Kırılma yüzeyi Bifilmlerden oluşan boşluklar (a) (b) Resim Difüzörlü kare kesitli yatay yolluk ile dökülmüş elektrolitik bakır soğutucuya karşı katılaştırılmış çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü (a), gaz boşluğu SEM görüntüsü Difüzörlü kare kesitli yatay yolluk ile H13 sıcak iş takım çeliği soğutucuya karşı katılaştırılan A356 alaşımı plakadan elde edilen çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü Resim 5.40 verilmiştir. Elektrolitik bakır ve H13 sıcak iş takım çeliği soğutucuya karşı dökülen çekme numunelerinin kırık yüzeyleri karşılaştırılmıştır. Elektrolitik bakır soğutucu kullanılan çekme numunesinin kırık yüzeyinde homojen küçük gözenekler (yaklaşık 100µm civarında) görülmektedir.

188 163 H13 sıcak iş takım çeliği soğutucu kullanılan çekme numunesinin kırık yüzeyinde daha büyük boşluklarının (yaklaşık 400µm civarında) olduğu görülmektedir. Bifilm yüzeyi gaz boşluğu (a) (b) Resim Difüzörlü kare kesitli yatay yolluk ile dökülmüş H13 sıcak iş takım çeliği soğutucuya karşı katılaştırılmış çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü (a), gaz boşluğu SEM görüntüsü (b) Difüzörlü kare kesitli yatay yolluk ile izole seramik kalıp içinde katılaştırılan A356 alaşımı plakadan elde edilen çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü Resim 5.41'de verilmiştir. Kırılma yüzeyleri α-alüminyum dendritler (a) (b) Resim Difüzörlü kare kesitli yatay yolluk ile dökülmüş izole seramik kalıp içinde katılaştırılmış çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü (a), gaz boşluğu SEM görüntüsü (b) Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk ile elektrolitik bakır soğutucuya karşı katılaştırılan A356 alaşımı plakadan elde edilen çekme numunesinin kırık yüzey

189 164 genel SEM görüntüsü Resim 5.42'de verilmiştir. Elektrolitik bakır soğutucu kullanılarak elde edilen numunelerin kırık yüzeylerinde izole seramik kalıp kullanılarak elde edilen çekme numuneleri kırık yüzeyine göre gözeneklerin daha homojen dağılım sergilediği ve küçük oldukları anlaşılmaktadır. Bifilm boşluklar (a) (b) Resim Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk ile dökülmüş elektrolitik bakır soğutucuya karşı katılaştırılmış çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü (a), gaz boşluğu SEM görüntüsü (b) Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk ile H13 sıcak takım iş çeliği soğutucuya karşı katılaştırılan A356 alaşımı plakadan elde edilen çekme numunesinin kırık yüzey SEM görüntüsü Resim 5.43 de verilmiştir. Resim Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk ile dökülmüş H13 sıcak takım iş çeliği soğutucuya karşı katılaştırılmış çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü

190 165 Boşluğun çevresindeki farklı kimyasal bileşime sahip Al-Si-Fe intermetaliğinin sebep olduğu kırılma yüzeyi SEM görüntüsü Resim 5.44.a da ve farklı kimyasal bileşime sahip Al-Si-Fe intermetaliğinin EDS analizi sonucuda Resim 5.44.b de verilmiştir. (a) (b) Resim Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk ile dökülmüş H13 sıcak takım iş çeliği soğutucuya karşı katılaştırılmış çekme numunesinin kırık yüzeyindeki farklı kimyasal bileşime sahip Al-Si-Fe genel SEM görüntüsü (a) ve EDS analizleri (b) Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk ile izole kalıp seramik içinde katılaştırılan A356 alaşımı plakadan elde edilen çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü Resim 5.45 te verilmiştir.

191 166 Resim Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk ile dökülmüş izole seramik kalıp içinde katılaştırılmış çekme numunesinin kırık yüzey genel SEM görüntüsü Kırık yüzeyde kırılma oluşumunu tetikleyen gözenekler görülmektedir. Ayrıca kırık yüzey SEM mikroskobu altında incelendiğinde, döküm sarj malzemesinden ve/veya sıvının kalıp boşluğuna transferi sırasında oluşan (alüminyum oksi)t katlanmış inklüzyon Resim 5.46 da 1. nolu bölgede görülmektedir. Al-Si ötektiği Resim 5.46 da 2. nolu bölgede ve kullanılan malzemelerden kaynaklandığı düşünülen, karbon kirlenmesi Resim 5.46 da 3. nolu bölgede görüntülenmiştir. Bu noktalardan alınan EDS sonuçlarında inklüzyonların kimyasal bileşimleri verilmiştir. Elektrolitik bakır soğutucu, H13 sıcak iş takın çeliği soğutucular ve izole seramik kalıp içinde katılaştırılan A356 alaşımında kırık yüzeyler incelendiğinde, bifilm tabakalarının içine difüz olan hidrojenin sebep olduğu gaz boşlukları ve/veya mikro çekme boşlukları görülmektedir. Her iki farklı yatay yolluk sistemi ile dökülen elektrolitik bakır ve H13 sıcak iş takım çeliği soğutucu ile katılaştırılan çekme numunesinin kırık yüzeyleri karşılaştırılmıştır. Elektrolitik bakır soğutucular ile katılaştırılan çekme numunelerinde boşluk boyutlarının ( µm) birbirine yakın, küçük ve yapı içinde homojen oldukları, H13 sıcak iş takım çeliğinde ise boşlukların daha büyük ( µm) olduğu belirlenmiştir. İzole seramik kalıp içinde katılaştırılan A356 alaşımında ise boşlukların daha da büyüdüğü görülmüştür. Bunun sebebi, ısıl şiddetin azalmasından dolayı bifilmlerin sıvı metalin daha sıcak bölgelere doğru itilmesi ve çözünmeyen hidrojenin bifilmlere difüz olması olarak düşünülmektedir.

192 167 Resim Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk ile dökülmüş izole seramik kalıp içinde katılaştırılmış çekme numunesinin kırık yüzeyindeki alüminyum oksit, karbon SEM görüntüleri ve EDS analiz sonuçları Al-Si-Mg döküm alaşımlarının mekanik dayanımlarını ikincil dendrit kolları arasındaki mesafe, ikincil fazların dağılımı ve boyutları etkilemektedir. Bununla birlikte alüminyum alaşımlarının mekanik özelliklerini, oksit film hataları, çekme boşlukları, gaz boşlukları ve inklüzyonlar olumsuz etkilemektedir. A356 alaşımının çekme kırık yüzeylerinde pürüzlü şekilde kırılmalar meydana gelmektedir. Bu tür kırılmaların belirli kusurların kesişmesi sonucu oluştuğunu belirlenmiştir [Francis ve Delphine Cantin, 2005]. Al-Si-Mg ve Al-Si-Cu alaşımların döküm veya uygulanan ısıl işlem sonrasında oluşan intermetalik fazları (β-alsife intermetaliği), oksit film tabakalarının çevresinde çekirdeklenerek büyümektedir. Boşluk çevresinde oluşan bu intermetalik plaka şeklindeki fazlar boşluk çevresinde yük altında çentik etkisi yaratmaktadır [Ma ve ark.,2008].

193 Soğuma oranına bağlı boşluk-bifilm oksit tabakalarının incelenmesi Döküm malzemelerin mekanik özellikleri ve servis ömürleri etkileyen faktörler şu şekilde sıralanabilir, şarj malzemesinden ve ergitme ortamında meydana gelen yaşlı oksit film tabakaları, sıvı metalin yolluk sistemi ve kalıp boşluğunu doldurması sırasında meydana gelen genç oksit film tabakaları, sıvı metal alaşımda çözünen gaz konsantrasyonu ve rafinasyon, modifikasyon elementleri lokal katılaşma zamanı olarak belirtilebilir. Döküm malzeme içinde boşlukların önlenmesinde öncelikle bu faktörler göz önünde tutulmalıdır [Monroe, 2005, Conley ve ark., 2000]. Döküm işlemi sırasında meydana gelen bifilmlere hidrojen atomlarına difüz olması sonucunda boşluk hatalarını oluşmaktadır [Dışpınar ve Campbell., 2004, Akhtar ve ark., 2008]. Katılaşma parametresine bağlı olarak (lokal katılaşma zamanı) farklı yolluk sistemleri dökülen A356 malzemenin sıcaklık-zaman verilerinin alındığı bölgelerdeki boşluk oluşumları, boyutları ve şekilleri incelenmiştir. Difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sistemiyle tek yönlü katılaştırılan (elektrolitik bakır ve H13 sıcak iş takım çeliği) döküm malzemelerin boşluk-bifilm optik mikroskop görüntüleri Resim 5.47 de verilmiştir.

194 169 Uzaklık Elektrolitik Bakır H13 Çelik 5 mm. En-Boy -µm µm 15 mm. En-Boy 117 µm µm 30 mm. En-Boy 208µm µm 100 mm. En-Boy µm µm Resim Difüzörlü kare kesitli yatay yolluk sistemiyle tek yönlü katılaştırılan döküm malzemelerin boşluk- bifilm dağılımları

195 170 Elektrolitik bakır soğutucunun ısıl iletkenliğinin yüksek olmasından dolayı, döküm soğutucu ara yüzeyinden 5 mm. uzaklıkta açılmış oksit film tabakası veya gaz boşluğu görülmemektedir. 15 mm uzaklıkta yaklaşık 117 µm büyüklüğünde, 30 mm uzaklıkta 48 µm genişliğinde 208 µm uzunluğunda, 100 mm uzaklıkta ise (döküm plaka merkezinde) µm büyüklüğünde boşluk oluştuğu belirlenmiştir. H13 sıcak iş takım çeliğinde ise döküm soğutucu ara yüzeyinden 5 mm. uzaklıkta 48 µm genişliğinde 262 µm uzunluğunda dendritler arasında sıkışmış bifilm tabakası, 15 mm uzaklıkta µm ölçülerinde, 30 mm uzaklıkta µm ve 100 mm uzaklıkta (merkezde) µm gaz/çekme boşlukları gözlenmektedir. Elektrolitik bakır soğutucunun ısıl iletkenliğinin, H13 sıcak iş takım çeliği soğutucuya göre yüksek olmasından dolayı, sıvı A356 alaşım içinde çözünen hidrojenin bifilm tabakaları arasına difüze olabilecek zamanı H13 sıcak iş takım çeliğinde döküm-soğutucu arayüzeyinden 5 mm uzaklıkta gerçekleşmiştir. Ayrıca döküm-soğutucu arayüzeyinden (15, 30 ve 100 mm. uzaklıklarda) elektrolitik bakır soğutucu ve H13 sıcak iş takım çeliği ile katılaştırılan A356 alaşımında H13 sıcak iş takım çeliğinde boşluk miktarı artmaktadır. Alüminyum alaşımlarının dökümlerdeki gaz boşlukları, oksit (Al 2 O 3 ) türü inklüzyonlara daha çok sıvının içindeki azot ve diğer çözünemeyen gazlar sebep olmaktadır [Pikunov ve ark., 2009]. Bifilm oksit tabakaları sarj malzemesinden kaynaklanabilmektedir. Şarj malzemesinden kaynaklanmayan bifilmler ise sıvı metalin kalıp boşluğuna transferi sırasında, yolluk sistemi tasarımından meydana gelmektedir [Fox ve Campbell, 2000]. Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk sistemiyle tek yönlü katılaştırılan döküm malzemelerinde bifilm, gaz veya çekme boşluklarının optik mikroskop görüntüleri ise Resim 5.48 de verilmiştir. Elektrolitik bakır soğutucuda, 5 mm uzaklıkta boşluğa rastlanmamıştır, 15 mm uzaklıkta yaklaşık 181 µm, 30 mm uzaklıkta 201 µm ve 100 mm uzaklıkta µm gaz veya çekme boşluk oluşumu gözlenmiştir. H13 çeliğinde ise döküm soğutucu ara yüzeyinden 5 mm. uzaklıkta 330 µm genişliğinde, 15 mm. uzaklıkta µm aralığında uzunluğuna sahip dendritler arasında boşluk, 30 mm uzaklıkta µm ve 100 mm uzaklıkta ve µm boyutlarında boşlukların olduğu belirlenmiştir. Soğuma oranının azalması ve lokal katılaşma zamanının artmasına bağlı olarak dendritler arasında bifilmlerin sebep olduğu boşluklar genişlemekte ve küresel hale gelmektedir [Akhtar ve ark., 2008].

196 171 Uzaklık Elektrolitik Bakır H13 Çelik 5 mm. En-Boy -µm 330 µm 15 mm. En-Boy 181 µm µm 30 mm. En-Boy 201 µm µm 100 mm. En-Boy ve 317µm ve µm Resim Difüzörsüz daire kesitli yatay yolluk sistemiyle tek yönlü katılaştırılan döküm malzemelerin boşluk- bifilm dağılımları