Gaz. Gaz. Yoğuşma. Gizli Buharlaşma Isısı. Potansiyel Enerji. Sıvı. Sıvı. Kristalleşme. Gizli Ergime Isısı. Katı. Katı. Sıcaklık. Atomlar Arası Mesafe

Transkript

1 İmal Usulleri DÖKÜM

2

3 Katılaşma Döküm yoluyla üretimde metal malzemelerin kullanım özellikleri, katılaşma aşamasında oluşan iç yap ile belirlenir. Dolaysıyla malzeme özelliklerinin kontrol edilebilmesi için katılaşma olayının iyi bilinmesi gerekir. Katılaşma olayı ergimiş sıvı malzemenin katı hale geçişi olarak tanımlanır. Sıvı/katı geçişi birincil kristalleşme (katılaşma) ve bu sırada oluşan katılaşma iç yapısı (döküm iç yapısı) birincil içyapı olarak adlandırılır. Isıl ve termomekanik işlemler sonrasında ortaya çıkan yapı ikincil yapı olarak adlandırılır.

4 Gaz Gaz Yoğuşma Potansiyel Enerji Gizli Buharlaşma Isısı Sıvı Sıvı Kristalleşme Gizli Ergime Isısı Katı Katı Sıcaklık Atomlar Arası Mesafe

5 Katılaşma olayı: Sıvı halde saf bir metal veya alaşım soğutulmaya bırakılsın. Serbest enerji =G ise, sıvının serbest enerjisi=g 1 ve katının serbest enerjisi=g 2 olsun Sıcaklık T>T 0 için G 2 > G 1 sıvı faz hakim T=T 0 sıcaklığında ilk katılaşma Kristal ΔG= sıvı ve katı faz arasındaki serbest enerji farkı Serbest Enerji (G) ΔG Sıvı ΔG=G 2 -G 1 < 0 ise katılaşma kendiliğinden oluşur. ΔG=G 2 -G 1 > 0 ise katı faz oluşmaz. Aşırı Soğuma ΔG=0 ise katılaşma sonsuz zamanda tamamlanır. T 0 -T 1 aşırı soğumayı göstermektedir. T 1 T 0 Sıcaklık

6 Katılaşma iki safhadan oluşur: 1. Çekirdeklenme 2. Çekirdeklerin büyümesi ve tanelerin oluşumu Çekirdekler; çok küçük katı parçacıklar olup, karalılıkları, yani tekrar erimeden büyümeye devam etmeleri, ancak yeterli bir büyüklüğe sahip olmalarına bağlıdır. Bu durum serbest enerji yardımıyla açıklanabilir. Herhangi bir olayın kendiliğinden devam edebilmesi için, bu olayla ilgili serbest enerjinin azalması gerekir. Faz dönüşümünün sebebi, sistemin serbest enerjisini azaltma eğiliminden kaynaklanmaktadır.

7 Katılaşmada Serbest enerji iki bileşenden meydana gelir: 1. Hacimsel Serbest Enerji Değişimi ( Fv) Sistemin serbest enerjisini azaltan terimdir. Yani dönüşümün gerçekleşmesine katkıda bulunur. 2. Arayüzey enerjisi ( ) Sistemin serbest enerjisini artıran terimdir.

8 =Katı çekirdeğin oluşumunda birim hacim için dışarıya verilen, yani sistemden salınan enerjidir, o halde değeri negatiftir. =Katı-sıvı birim arayüzeyinin oluşturulması için harcanması gereken enerjidir, o halde değeri pozitiftir.

9 Homojen Çekirdeklenme Oluşan çekirdekler tekrar erimeden, kristallerin tekrar büyüyebilmesi için en az r kr yarıçapına sahip olması, veya diğer bir deyişle söz konusu yarıçapa ulaşabilmesi için gerekli aktivasyon enerjisinin dışardan sağlanmış olması zorunludur. İçinde çekirdek görevi yapabilecek parçacıklar (nitrür, oksit, v.b katı bileşikler) bulunmayan ideal ve homojen bir eriyikte kararlı çekirdeklenmeye ilişkin aktivasyon enerjisi, eriyiğin kendi enerji içeriğinden karşılanmalıdır. Bu durum homojen çekirdek (öz çekirdeklenme)oluşumunu ifade etmektedir ve bunun için bir ısıl aşırı soğuma gereklidir. Yani eriyik katılaşmaya T e erime sıcaklığında değil, daha düşük bir T=T e -ΔT sıcaklığında başlar.

10

11 Burada; ΔH f metalin gizli ergime ısısı, Tm ise denge katılaşma sıcaklığı ve sıvının sıcaklığı T olduğunda ΔT=Tm-T ise alt soğumadır. Bir yaklaşım olarak, homojen çekirdeklenme T= 0.2 T m (K) olduğunda meydana gelir.

12 Heterojen Çekirdeklenme Alışılmamış laboratuar deneyleri dışında, sıvı metal için homojen çekirdeklenme asla olmaz. Uygulamadaki sıvı metallerin içinde hemen her zaman kristalleşmenin başlayabileceği yeterli yabancı yüzeyler bulunduğundan, çekirdeklenme öz çekirdeklenme (homojen) ile değil heterojen çekirdeklenme yoluyla gerçekleşir. Çekirdek olarak görev yapabilecek bu yüzeylere bazı örnekler aşağıda verilmiştir. *Kalıp duvarları, *Erime sıcaklığı yüksek olan ve eriyik içinde katı halde bulunan bileşikler (karbürler, nitrürler, oksitler) *Aynı veya yabancı türden çekirdeklerin katılaşmadan hemen önce eriyiğe katılması (Aşılama)

13 Heterojen çekirdeklenme, homojen çekirdeklenmeye nazaran daha kolay meydana gelir. Çünkü oluşturulması gereken arayüzey daha küçüktür.

14

15 Büyüme; Çekirdek oluşumundan sonra bu çekirdeklere diğer atomların düzenli olarak eklenmesi ile katılaşma olayı devam eder. Kübik kristale sahip olan metallerde büyüme bazı tercihli yönlerde çok hızlı, diğer yönlerde ise daha yavaş olur. Bu şekilde büyüyerek ortaya çıkan kristallerin hacimsel düzeni dendrit olarak adlandırılır.

16 Büyüme Yapılan araştırmalar, kristalleşme biçimlerinin büyük oranda soğuma koşullarına bağlı olduğunu ortaya koymuştur. Eriyik, ısının her taraftan uzaklaştırılması ile soğursa eş eksenli, düzgün olmayan ısı iletiminde ise uzun çubuksu taneler meydana gelir (Şekil A). Çekirdeklenme ve dendritik büyüme ile kristalleşme cephelerinin birbiriyle birleşmesi sonucu iç yapının ortaya çıkışı Şekil B de gösterilmiştir. Şekil A Şekil B

17 Döküm Parçaların İç yapısı Döküm parçaların iç yapısıda, katılaşmadaki soğuma koşulları ile belirlenir. Burada üç ayrı bölge söz konusu olabilir. Kalıp cidarlarında ani soğuma (chill) etkisi ile küçük ve eş eksenli tanelerden oluşan bir kabuk, bunu izleyen bölgede sıcaklık gradyenin etkisi ile uzun çubuksu taneler, ortada ise soğuma her taraftan olduğundan, tekrar eş eksenli taneler görülür.

18 Sıcaklık T ( C) Saf Metallerde Katılaşma Saf metallerde katılaşma sabit sıcaklıkta olur. Katılaşma Başlangıcı Katılaşma Bitişi Aşırı soğuma Katılaşma Durak Noktası Zaman t (sn)

19 Alaşımlarda katılaşma En az iki atomun birlikte bulunduğu alaşımların katılaşması saf metallerden daha farklı olup, katılaşma olayı belli bir sıcaklık aralığında (sıvı+katı bölgesi) gerçekleşir. Alaşımların kendilerine özgü katılaşmalarında sıvı/katı ara yüzeyinde bileşim farklılıkları ortaya çıkar.

20

21 Yapısal Aşırı Soğuma Alaşımların kendilerine özgü katılaşmalarında sıvı/katı ara yüzeyinde bileşim farklılıkları ortaya çıkar.

22 Bir önceki slaytta görüldüğü gibi; İlk katılaşan element A dır. Çünkü A elementinin ergime-katılaşma sıcaklığı B ye göre yüksektir. Dolayısı ile A katılaşırken B henüz katılaşma noktasına gelmediğinden alaşım (eriyik) sürekli olarak B ile zenginleşir. Bu yüzden arta kalan eriyiğin likidus sıcaklığı B nin yani ergime sıcaklığı düşük olan elementin artışı ile sürekli olarak azalır. Bunun neticesinde alaşımın gerçek sıcaklığı, faz diyagramındaki likidüs sıcaklığından daha düşük olur. Bu duruma yapısal aşırı soğuma denir.

23

24 Mikrosegregasyon

25 Mikrosegregasyon

26 Mikrosegregasyon

27 KATILAŞMA SIRASINDA OLUŞAN HACİM AZALMALARI Katılaşma ve soğuma sırasında bazı özel durumların dışında metallerde daima hacim azalmaları söz konusudur. Bu hacim azalmaları üç safhada oluşurlar; Sıvının Kendini Çekmesi: Döküm sıcaklığından itibaren katılaşmanın başlayacağı sıcaklığa kadar soğuma sırasındaki hacim azalmasıdır. Katılaşma Çekmesi: Sıvı/katı dönüşümü sırasında atomların yeniden düzenlenmesi ile ortaya çıkan hacim azalmasıdır. Katının Büzülmesi: Katılaşmış parçanın oda sıcaklığına kadar soğuması sırasındaki hacim azalmasıdır. Sıvının kendini çekmesi ve katılaşma çekmesi nedeniyle döküm boşlukları, gözenekler, sıcak yırtılmalar ve iç gerilmeler ortaya çıkabilir. Katının büzülmesi ise boyut değişimlerine, çarpılmalara, çatlaklara ve iç gerilmelere neden olabilir.

28

29 Alaşımlarda ise sıvı/katı dönüşümü T Li ile T so arasındaki sıcaklık aralığında gerçekleştiğinden, katılaşma cephesinde sıvı ve katı fazların birlikte görüldüğü bir katılaşma aralığı (Δx) söz konusudur. Kristal büyümesi dentritik ise katılaşan dentrit kolları arasında küçük sıvı metal havuzcukları hapsolacak ve daha sonra bu bölgelerde katılaşma sırasında mikrogözenekler ortaya çıkacaktır. Mikrogözeneklerin miktarı, katılaşma cephesinin genişlemesiyle artar. Sıvı ile katının birlikte bulunduğu bu bölgenin dar olması için, Katılaşma aralığı dar olmalıdır.

30 Kalıp İçinde Katılaşma

31

32 Akıcılık

33 A nın ergime noktası Sıvı+KatıA Sıvı çözelti Likidüs B nin ergime noktası T Sıvı+KatıB Ö Solidü s Ötektik nokta Katı A+Katı B A %B B

34 Döküm Yöntemleri

35

36

37 Kum Kalıba Döküm

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71