YOLLUK SİSTEMLERİ VE AKICILIK

BÖLÜM 5 YOLLUK SİSTEMLERİ VE AKICILIK 5.1 YOLLUK TASARIMI Yolluk sisteminin amacı, sıvı metali, gerekli ızda ve sıcaklık kaybı olmadan, türbülanssız ve cürufsuz olarak kalıp içine göndermek ve dağıtmaktır. Çabuk oksitlenen metallerde oksitlenmeye engel olmak için daa az türbülansla akış istenir. Buna karşılık dökme demirde buna gerek olmamaktadır. Dolayısıyla yolluk seçimi, dökülen metal cinsine de bağlıdır. İdeal bir yolluk sistemi şu fonksiyonları yerine getirmelidir: 1) Çok sıcak metale itiyaç göstermeden kalıbı çabuk doldurmalıdır. ) Curuf, pislik, kum taneciklerinin, vs. nin kalıp boşluğuna dolmasını önlemelidir. ) Hava veya kalıp gazlarının akan sıvı metal içine girmesini önlemelidir (aspirasyonu önlemelidir). 4) Maça veya kalıptaki erozyonu önlemelidir. 5) Katılaşma için faydalı termal gradyanı temin etmeli ve döküm parçasındaki distorsiyonu minimuma indirmelidir. 6) Sıvı metali istenilen zaman aralıkları içerisinde kalıp boşluğuna doldurmalıdır. 7) Kolayca dökülebilmeyi sağlamalıdır. Araştırmalarda kullanılan ısıtılmış seramik kalıplar ile normal dökümlerde kullanılan soğuk kalıplarda yolluk tasarımı da değişmektedir. Yolluk tasarımında ana nokta, düşey ve yatay yolluklarda akış prensiplerini incelemektir. Bu prensipler yardımıyla yapılan esaplar, döküm zamanının esaplanmasına ve bundan daa önemli olarak gaz absorpsiyonu, cürufun döküme kaçması gibi sorunların önlenmesine yarayacaktır. 94

Öncelikle akışkan akışı için idroliğin ana prensipleri ve bunların yatay ve düşey yolluklara olan uygulamasını gözden geçirmek gerekir. Burada idrolikten başlıca iki prensip alınmaktadır. Devamlılık kanunu (Law of continuity) ve Bernouille denklemleri 5.1.1. DEVAMLILIK KANUNU Şekildeki sistemde kenarların impermeable (geçirmez) ve sıkışmayan bir akışkan ile dolu olduğu kabul ediliyor. Bu durumda Q Av 1 1 A v dir. Burada, Q=akış debisi A=Kesit alanı V=Akış ızıdır Not: sıvı metal çok az sıkıştırılabileceğinden pratik olarak sıkışmayan olarak kabul edilebilir. Ancak burada sürtünme ile olan kayıplar imal edilmektedir. Ayrıca kum kalıplar permeable (geçirgen) olduklarından işin içine başka faktörler de girmektedir. 5.1.. BERNOUILLE DENKLEMLERİ Bernouille denklemleri basınç, ız ve referans düzlemine olan yükseklik ile alakalı ve "enerjinin korunumu" prensibinden faydalanılarak ortaya konmuştur. noktasındaki akış enerjisi, 1 noktasındaki enerjiye eşittir. Ancak 1 den ye geçerken meydana gelen türbülanstan dolayı, enerji kaybı mevcuttur. O alde E 1 = E + E kayıp (1-) 95

Hesaplamalarda kolaylık sağlamak amacıyla enerji terimleri? Mesafe birimi ile temsil edilecektir. Bu mesafeler ise, akışın olduğu düzlemden (referans düzlemi) itibaren olan mesafelerdir. Dolayısıyla sabit ve birim ağırlıkta bir sıvı partikülü 1 noktasında belirli bir potansiyel enerjiye saip olacaktır ki bu enerji, referans düzleminden olan () yüksekliğine bağlıdır. Eğer sürtünme kayıpları imal edilirse, aynı partikül noktasında bir kinetik enerjiye saip olacaktır ki bu da, 1 noktasındaki potansiyel enerjiye eşit olacaktır. (Enerjinin korunumu prensibi). Basınç enerjisi eşit miktarda kinetik enerjiye dönüşmüş olur. noktası ise geçiş bölgesidir. Dolayısıyla sürtünme kayıpları yoksa E1 = E = E Olacaktır veya genel olarak, bir noktadaki basınç, kinetik ve potansiyel enerji toplamları, diğer noktadaki toplama eşit olacaktır. Örnek olarak şekildeki (1) ve () noktaları alınıp, enerji toplamları eşit olacak şekilde Bernouille denklemleri yazıldığında, E m g 1 m v PV. Potansiyel Enerji Kinetik Enerji Basınç Enerjisi (1) ve () noktaları alınıp, enerji toplamları eşit olacak şekilde Bernouille denklemleri yazıldığında, v P v P 1 1 1 g w g w 96

Şekildeki dolu tank için: başlangıç ızı (1 noktası) Sıfır olduğundan P 1 1 0 w 1 v P g w P1= 1 atm., P= açığa çıkıyor =1 atm. P1=P O alde, sistem atmosferik basınç altında olduğundan v g 1 g= 981 cm/sn g 44. v H 5.1.. Kalıbı doldurma zamanı t=kalıbı doldurma zamanı V t Q t V A g v g V= kalıp boşluğunun acmi Ag=yolluğun kesit alanı V=vg=yolluktaki sıvı metalin ızı g T Şekildeki dökümün dolma zamanının esab ediniz. (Kalıba giriş kesiti cm dir.) V t Q 44, t V A g v g 97

5.1.4. ASPİRASYON (Gaz Emişi) Buraya kadar kalıp kenarlarının geçirgen olmayan olduğu kabul edilmişti. Ancak çoğu dökümün kum kalıba yapıldığı ve kum kalıbın da geçirgen olduğu göz önüne alınırsa yolluklarda, kalıptan gaz emme durumu olup olmayacağının kontrol edilmesi gibi bir durum ortaya çıkacaktır. Bu gazlar ava, su buarı, kalıpta bağlayıcı olarak kullanılan organik maddelerin parçalanma ürünleri olabilir. Öncelikle bir düşey yolluk ele alındığında, işi basitleştirmek için, döküm avuzunda metal yüksekliğinin ep sabit tutulduğu kabul edilecektir. geçirgen olmayan duvarlar göz önüne alınarak Bernouille denklemleri 1 ve noktaları için uygulandığında, 1atm v 1atm T 0 0 w g w Olacaktır. (sürtünme imal edilmiştir.) Aynı denklemler ve noktaları için düşünüldüğünde, devamlılık kanununa göre A.V = A.V olacaktır. = 44. ve noktalarında ız eşittir (kesit aynı). Oysa bu, enerjinin korunumu prensibi ile uyuşmaz gibi gözüküyor zira noktası daa yüksek olup, noktasına nazaran daa büyük potansiyel enerjisine saiptir. Bu eşitsizlik, basınç enerjisi teriminden ileri gelmektedir. Denklemler şöyle yazılabilir: v P v 0 g w g 1atm w v =v P= 1 atm-w P basıncı 1 atm den w kadar düşüktür. O alde kalıp geçirgen ise, noktasında kalıptan gaz emişi olacaktır. 98

Gaz Emişe Engel Olmak Gaz emişe engel olmak için düşey yollukta bazı değişiklikler yapılmalıdır. Bunun için ve noktalarında tekrar Bernouille denklemleri tatbik edildiğinde, bu sefer, basıncın er iki noktada eşit olacağı düşünülecektir. P =P v P v 0 g w g 1atm w P = P = 1 atm ise, Absorbsiyona engel olunabilir. O alde Olacaktır. A R A Alınırsa A v A.v A v R v A v.v v g Ayrıca olacaktır. O alde v g v g R v g H= (T-C) ve R R C T C T Bu oran, daa önceki örnekten görüldüğü gibi "P" basıncını oluşturacak (1 atm) ve aspirasyon olmayacaktır. Burada ile arası, iperbolik bir eğri şeklindedir. Bununla beraber pratikte A ile A düz Çizgi ile birleştirilir. Burada belirtildiği gibi C yüksekliğinin de önemli bir rolü olmaktadır. 99

A, A nin yarısına eşit olur. 5.1.5. Alttan Yollukla Besleme Genellikle birçok döküm uygulamasında, alttan besleme terci edilir. Bu sayede yukarıdan beslemede meydana gelen sıçrama ve oksidasyon eğilimi giderilebilir. Dökümün dolma zamanının esabı (bu şekilde) daa değişik olacaktır. Şekildeki döküm düşünüldüğünde T (düşey yolluk yüksekliği),kalıpta metal yükseldikçe azalacaktır. t =Döküm başlangıcından itibaren geçen zaman, T =Toplam yükseklik, m =Kalıpta metal yüksekliği, A G =Giriş yolluğunun kesit alanı, A K =Kalıp yatay kesit alanı. Belirli bir (dt) zaman aralığında kalıpta, metal (d) kadar yükselir ve metal acmi (AK.d) kadar artar. dt zamanında giriş yolluğundan geçen metal miktarı, cm, (AG.V.dt) olacaktır. Kalıpta yükselen metal ile yolluktan giren metal (dt zaman aralığında) eşittir: olur. Eğer dökümün dolması için gerekli toplam zaman tf ise ve döküm yüksekliği de m ise, t=0 - t=tf ve =0 =m arasında integral olarak zaman belirlenir. T m A G A K =Toplam yükseklik, =Kalıpta metal yüksekliği, =Giriş yolluğunun kesit alanı, =Kalıp yatay kesit alanı. olacaktır. Alttan beslemede döküm zamanının daa uzun olacağı açıktır. Verilen örnek için esaplandığında; 100

T=m=1cm A K =150 cm Eğer çıkıcı kullanılıyorsa, aynı esap çıkıcı içinde yapılır ve A K yerine çıkıcı kesiti kullanılır. olacaktır. 5.1.6. Yatay Yolluklar Düşey yolluğu takiben, metalin kalıba düzgün bir akış ile girmesini sağlayan yolluklardır. Bunlar aynı zamanda minumum ısı kaybı ve türbülanslı olarak döküm yapmayı sağlayacak şekilde olurlar. Ayrıca metal içindeki pisliklerin de metale girmesini önlerler. Bu arada istikamet değişimlerinde yatay yolluklarda da bir aspirasyon görülebilir. Vena Kontrakta Metal akışı, keskin köşeden dönerken yatay yolluk içinde bir büzülme gösterir. Bu olaya "Vena Kontrakta" adı verilir. 90 derecelik dönüşlerde eğrisellik verilmediği durumda ava kabarcığı oluşumu: vena Kontrakta ve noktalan için Bernouille denklemleri yazıldığında, A >A, P =1 atm ve Vena kontrakta V deki ız V den küçük V <V, o alde A.V = A.V Kalıp V<V Vakum oluşumu P <P =1atm P, 1 atm olacaktır. O alde aspirasyon mevcuttur Keskin köşe, daa yumuşak geçişli köşeler elde edilecek şekilde düzeltilir. "Vena kontrakta"nın gerektirdiği çap değerleri, deneysel sonuç olarak aşağıdaki bağıntı ile verilmektedir. 101

5.1.7. Yolluk Sistemlerinde Düşey, yatay ve giriş yolluğu oranları. Her ne kadar sonsuz şekil ve sayıda yolluklandırma sisteminin olacağı tamin edilirse de, aslında 4 esas çeşit mevcuttur. 1- Yassı, plaka şekilli ve büyük yüzeyi yatay olacak şekilde dökülen parçalar için yolluklandırma (yandan yolluk). -Kompleks şekilli dökümler (ekseri çok maçalı) alttan, üstten veya yandan besleme. -Yığın kalıplama ki bu, (1) ve () nin bileşik alidir. 4-Cüruf tutucu sistem. Bu oranın en iyimser olarak 1:4:4 olması gerektiği belirlenmiştir. Burada düşey yolluk alanı, yolluğun tabanında ölçülen alandır. Giriş yolluklarının döküm boşluğuna girişi 1 atm olarak alındığına göre, yatay yolluklarda ve dönemeçlerde basınç kayıplarının olmaması gerekir. Bunun için de sıvı metalin biraz basınçlı gönderilmesi gerekmektedir; bu da yatay yolluk kesitlerinin daraltılması ile sağlanır. Ayrıca yapılan deneyler, sıvı metalin %56 sının uçtaki yolluklardan, %44 ünün de diğerlerinden beslendiğini göstermektedir. Yanda şekil ve boyutları verilen yatak gövdesinin boşluksuz dökülebilmesi için gerekli çıkıcı esabını NRL metoduna göre yapınız. Döküm parçası ve çıkıcının, örneğin 90 saniyede dolabilmesi için giriş yolluk kesitleri (dairesel çapı) ne olmalıdır? Yatağın er iki yanağı (G<K olduğuna göre) çubuk olarak alınıp, bağlantılar imal edilerek aşağıdaki şekilde çözüme gidilebilir. Dairesel kısımda: 10

Her bir çubuk için boyutlar: 10+7,5+10= 47.5 cm boy 5 cm en.5cm kalınlık Olacaktır. Bir kenar için esaplama yapıldığında: V D =47.5x5x.5=594 cm V Ç =594x0.5=148.5 149cm Şekil 4. den çıkıcı boyutları: Ç.7 cm dç 7.4 cm olarak bulunur. Besleme kontrolü ise şu şekilde yapılır! İki adet çıkıcı kullanıldığında ise: 149/=75 cm Ç cm d Ç 6 cm alınabilir. İki çıkıcı arasında beslenen mesafe 10 cm, er çıkıcıdan kenarlara olan besleme mesafesi de 15 cm dir. Ayrıca çıkıcının kapladığı saa da esaba alındığında, 15+10+6+6+15=5 cm >47.5 cm besleme olacaktır. NOT: Diğer parça, ilkinin simetriği olduğu için yapılan esaplar bu parça için de geçerli olmaktadır. Dolayısıyla aynı boyutlarda iki çıkıcı elde edilecektir. Sonuç olarak, bütün döküm parçası için iki adet 150 cm acminde çıkıcının kullanıldığı kabul edilebilir. Dolma zamanının esabında yine şeklin simetrikliğinden faydalanarak yalnız bir çıkıcı, bir kenar ve bir giriş yolluğu için işlem yapılabilir; aynı süre zarfında diğer parçanın da dolacağı düşünülür. (Ag: giriş yolluk kesiti). 10

Döküm parçasının dolma zamanı: 5.. AKICILIK Yolluk esapları ile kalıplamanın tamamlandığı kabul edilebilir. Geri kalan önemli bir nokta da, dökülecek metal veya alaşım için en uygun döküm sıcaklığının seçimidir. Bu problemi daa iyi anlayabilmek için daa önceki yolluk esaplamalarında olduğu gibi sıvı metal tipik bir akışkan olarak alınacaktır. Ancak burada sıvı metal için temel iki özelliğe dikkat etmek gerekir. a) Eğer bir alaşım çok düşük sıcaklıkta dökülmüş ise, yolluk sisteminde katılaşma başlayabilir ve kalıp dolmaz. Bundan başka düşük döküm sıcaklığı başka atalara da yol açabilir (örneğin iki ayrı sıvı akımının kalıp içinde birbiriyle tam olarak kaynaşamaması) b) Eğer döküm sıcaklığı çok yüksek seçilirse, gerek yollukta ve gerek kalıp içinde kum duvarları sıvı metal tarafından daa ciddi bir şekilde tarip edilirler. Bu durum sonucunda döküm yüzeyi pürüzlü olur ve döküm içine reaksiyon ürünleri (katı, sıvı, gaz) girer. 104

Demek ki döküm sıcaklığı er iki tip atayı giderecek şekilde seçilmelidir. Genel olarak döküm tekniğinde birçok dökümün tek bir potada yapıldığı göz önüne alındığında, belirli bir döküm sıcaklık aralığı seçmek gerekir. Bu seçimi dökümü yapana bırakmak atalı olur. Çünkü o kendine göre en geniş sıcaklık aralığını terci edecektir. Ancak, bu aralık ne kadar dar olursa, dökümün sağlamlığı ve yüzey kalitesi en iyi dökümler elde edilir. Dökümcülükte kullandığımız akıcılık deyimi, fizikokimyadakinden biraz farklıdır. Fizikokimyada akıcılık vizkozitenin tersidir. Oysa dökümcülükte aradığımız akıcılık; Bir metal ve alaşımın belirli bir sıcaklıkta kalıbı doldurabilme kabiliyeti yani kalıp içindeki yürüme mesafesidir. Sıvı metalin akma kabiliyeti (akıcılığı) döküm proseslerinde çok önemlidir. Çünkü sıvı metal sürekli olarak sıcaklığını kaybederken, aynı anda da katılaştığı için oluşan mikroyapı döküm parçasını çok etkileyecektir. Akıcılık üzerine çok çeşitli araştırmalar yapılmış ve sonuç olarak kantitatif bir ifade ortaya konmuştur. Akıcılık, Lf döküm işlemlerinde kalıp içerisinde sıvı metalin akabildiği maksimum mesafe olarak ifade edilmiş ve uzunluk birimi de mm olarak verilmiştir. Burada dikkat edilmesi gereken usus, viskozitenin tersi olarak bilinen akıcılık ile karıştırılmamasıdır Bu akıcılık ölçüsünü bulabilmek amacıyla değişik metodlar geliştirilmiştir. Bunların en basit ve en çok kullanılanları; a) kuma dökülmüş akıcılık spirali ile b) emme-tüp metodu dur. Saf metaller alaşım elementi içermediği için segregasyon ve bölgesel olarak bileşim değişikliği oluşturmayacaktır. Dolayısı ile, dendritik katılaşmayacak. Buna ek olarak tek bir sıcaklıkta sıvıdan katıya geçeceği için ya düzlemsel ya da ısı akışına bağlı olarak ücresel büyüme gösterecektir. Ötektik nokta da aynı şekilde davranış gösterecektir. Çünkü tek bir sıcaklıkta sıvıdan katıya geçtiği için saf metal gibi davranır. İşte bu yüzden bu tip alaşımlara Dar Katılaşma Aralığına Saip Alaşımlar (DKAS) adı verilir ve büyüme şekillerine Kabuk Oluşturarak Büyüme adı verilir. 105

Katı-Sıvı aralığına saip diğer alaşımlarda ise yapı sürekli dendritik olacağından bu büyüme şekillerine Pasty Büyüme adı verilir ve Geniş Katılaşma Aralığına Saip Alaşımlar (GKAS) adı verilir. Dar katılaşma aralığına saip alaşımlarda büyüme kademesi düzlemsel arayüzey ile olacağından katılaşma olayı metal ergime sıcaklığının üzerine yapılmış olan ısıtmayı yani aşırı ısıtmayı uzaklaştırdığı an katılaşacaktır. Dolayısıyla, özellikle spiral testlerde, sıvı metal kalıpta ilerlerken etrafındaki sıvı metalin ısısından da etkilenerek uzun süre sıcak (ergime noktası üzerinde) kalacaktır. Katılaşma, sıvı metal spiralin sonuna gelip tüm kalıbı doldurduktan sonra tüm ısısını kaybetmeye başladıktan sonra katılaşacaktır. Sıvı metalin ilerleme ızının sabit ve n olduğunu kabul edersek: Lf=n.tf olacağından bu tip alaşımlarda akıcılık, doğrudan aşırı ısıtma miktarı ile orantılı olacaktır. Geniş katılaşma aralığına saip alaşımlarda ise kalıp kenarından itibaren başlayan soğuma ile dendrit oluşumu başlayacak ve bu dendritler geometrik yapısı itibariyle sıvı akışını engelleyerek yarıkatı ya da çamurumsu bir al almasını sağlayacak ve belirli bir süre sonra sıvı artık besleyemez ale gelecek ve akıcılık düşecektir. Yapılan deneysel çalışmalarda Geniş katılaşma aralığına saip alaşımların akışkanlığının 0. ile 0.5 arası değişen bir farka saip olduğu gözlenmiştir. Lf = 0. n.tf ve Lf =0.5 n.tf ;yani: Sonuç olarak Dar katılaşma aralığına saip alaşımlar Geniş katılaşma aralığına saip alaşımlardan ile 5 kat arası değişen bir farka saip olacaklardır. Örneğin Al-Sn denge diagramına bakıldığında katı/sıvı aralığı geniş olan bir alaşım görülmektedir. Bu amaçla deneysel olarak yapılan ve Al içerisine Sn ilavesinin akışkanlığa etkisi incelendiğinde; saf Al Lf=600 mm iken artan Sn ilavesi ile Lf=00 mm ve altına düşmektedir. Bu çalışmada aynı zamanda aşırı ısıtmanın da etkisi görülmektedir. Grafikten de görülebileceği gibi artan aşırı ısıtma miktarı ile akıcılık da artmaktadır. 106

Benzer bir deneysel çalışma Pb-Sn alaşımı için de yapılmıştır. Pb içerisinde artan Sn miktarına göre akıcılık ölçümleri yapılmış ve Lf-Pb=00 mm iken artan Sn miktarı ile birlikte bu değer 100 mm ye kadar düşmüştür. Aynı şekilde diyagram ters taraftan incelendiğinde (100% Sn) içerisinde artan Pb miktarına göre akıcılık test sonuçlarına bakıldığında Lf-Sn=400 mm den 10 mm lere düşmüştür. Bu çalışmadaki en önemli usus ötektik noktadaki akıcılık değeridir Lf-ö=600 mm dir ve em saf Pb (00 mm) em de saf Sn (400 mm) akıcılık değerlerinin üzerinde bir değere saiptir. Her iki değerin ortalamasının kat kat üstünde olmasının en önemli iki nedeni vardır: i) saf metaller er ne kadar Dar katılaşma aralığı alaşımlar olsada, ısı transferine bağlı olarak düzlemsel yerine ücresel büyüme gösterebilirler. Bu da akışkanlığın düşmesine sebep verecektir ii) akışkanlığı etkileyen en önemli parametrelerden biri de sıcaklıktır ve ötektik alaşımın ergime sıcaklığı er iki saf metalin ergime sıcaklığının altındadır. 5..1. Akıcılığı Etkileyen Faktörler 1.Aşırı Isı: artarsa akıcılık artar.sıvı metal ızının etkisi: Lf=V.tf denkleminden de görülebileceği gibi artan ız ile akıcılık artacaktır. Ancak bunun sürekli olarak bu şekilde olduğunu düşünmek büyük bir ataya sebep verecektir. Özellikle döküm ile ilgilenen müendisler, ince ve dar kesitli döküm parçalarını atasız, kusursuz ve boşluksuz doldurabilmek için maksimum ız ile dökmek isterler (sıvıyı iletmek isterler). Ancak burada dikkat edilmesi gerekli olan çok önemli bir usus vardır; türbülans 107

.Katılaşma süresinin etkisi: Tekrar, Lf=V.tf denkleminden de görülebileceği gibi artan katılaşma süresi ile akıcılık artacaktır. Yani metal uzun süre katılaşmadan sıvı olarak ilerleyecektir. Dolayısıyla aslında döküm ızını değiştirmek yerine yani türbülans problemini çözmek için katılaşma süresi ile oynamak daa kolay olacaktır. ÇALIŞMA SORULARI 1. Yolluk nedir? Ideal bir yolluk sisteminin yerine getirmesi gereken fonksiyonlar nelerdir?. Devamlılık kanunu nedir. Bernoulli denklemleri nedir? Ne işe yarar 4. Dökümlerde Aspirasyon (gaz emişi) nedir? Nasıl önlenir? 5. Yatay yolluklarda Vena Kontrakta olayı nedir ve nasıl önlenir? 6. Akıcılık nedir? Nasıl ölçülür? 7. Akışkanlığı etkileyen faktörler nelerdir? 8. En yaygın akıcılık ölçme yöntemleri nelerdir? Şekil çizerek açıklayınız? 108