6. Uluslar arası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 11), 16-18 Mayıs 2011, Elazığ, Türkiye. Yerçekimine Ters Dökümle (YTD) Üretilen Parçaların Dökülebilirlik Özelliklerine Döküm Şartlarının Etkileri H. Hasırcı ve F. Gül Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Döküm Eğitimi A.B.Dalı, Teknikokullar, Ankara. hasirci@gazi.edu.tr, fgul@gazi.edu.tr Effects Of Casting Conditions On The Castability Properties Of The Parts Produced By Counter Gravity Casting (CGC) Abstract In this study, effect of casting temperature and pressure on castabilitiy character of specimens produced by green sand mould traditional Gravity Casting and Counter Gravity Casting was investigated. In experimental study Al - 10 % Si casting alloys was used. The specimens were poured at 600, 640 and 690 C temperature, under, 200, 250, 300 and 500 mmhg vacuum level. The results showed that improved castability properties were obtained by Counter Gravity Casting process. Keywords Counter gravity casting, green sand mold, castability properties I. GİRİŞ Döküm işlemlerinde parça üretiminde avantajlarına bağlı olarak birçok yöntem kullanılmaktadır. Bunlardan birisi de yerçekimine ters döküm (YTD) yöntemidir. YTD yönteminin uygulanışı; sıvı metalin farklı etkenler kullanılarak yerçekiminin tersi yönde kalıba doldurulması esasına dayanır. Bu yöntem ile sıvı metal; basınçlı gaz, elektromanyetik pompa ve yardımı ile kalıp içerisine doldurulmaktadır. Dökümü özel ve kontrollü yapılması gereken ve özellikle çok ince kesitli parçaların üretiminde başarılı bir şekilde kullanılmaktadır [1-9]. Vakum kullanımı ile kalıbın doldurulduğu sistemde; kalıp boşluğuna sıvı metalin itilmek suretiyle değil de çekilerek (emilerek) doldurulmaktadır. Alçak basınçlı (gaz ile) yerçekimine ters dökümde olduğu gibi sıvı metalin kalıba dolduruluşu kalıbın alt kısmındaki genellikle gidici ve besleyici vazifesi yapan boru ile yapılmakta ve uygun metal akıcılığı sağlanmaktadır. Yöntem otomasyona uygun olup ve yüksek kalitede üretim yapılabilmektedir [2-10]. 1) Hazırlanan kalıp haznesine yerleştirilir 2) Kalıbın yolluğu ergitme ocağına daldırılıp sıvı metal ile kalıp içerisine doldurulur (emdirilir) 3) Döküm parça katılaştıktan sonra ise un kesilmesi ile yolluktaki sıvı metal ocağa geri boşaltılarak döküm işlemi tamamlanır. 4) Dökülen parçalar kalıptan çıkarılır. Şekil 1: Vakum ile yapılan yerçekimine ters döküm yönteminin işlem aşamaları Döküm işlemleri sırasında sıvı metalin kalıbı doldurması sağlam döküm parça üretimi açısından büyük önem taşımaktadır. Sıvı metalin katılaşma olmadan önce kalıp boşluğunu tam ve hiçbir hata oluşturmadan doldurulması akıcılık yada başka bir değişle dökülebilirlik olarak ifade edilebilir. Dökülebilirliği birçok faktör etkilemektedir [7,12]. Bunlar; kalıp malzemesi ve özellikleri, kalıp şekli ve boyutları, sıvı metal bileşimi ve döküm sıcaklığı, sıvı metal içerisindeki kirlilikler, yolluk dizaynı, sıvı metal içerisindeki gaz oluşumu ve miktarları, sıvı metalin döküş biçimi ve bunları etkileyen faktörler olarak sayılabilir. Bu etkenler dikkatli olarak kontrol edildiği takdirde sıvı metalin akışı ve akıcılığına (dökülebilirliğine) bağlı olarak yaşanabilecek problemler ve döküm hataları daha oluşmadan giderilmiş olacaktır. Ancak yukarıda ifade edildiği gibi döküm işlemi bir çok faktör ve bileşenin birlikte etkilediği kompleks bir malzeme üretim işlemidir. Dökülebilirlik ile ilgili çalışmalarda [5,7,12-17] bu hususlara dikkat çekilmektedir. Dökümlerin çoğu atmosfere açık bir yolluk sistemi kullanılarak, yerçekimi ile sıvı metalin kalıp boşluğuna doldurulması esasına dayanarak gerçekleştirilmektedir. Bu basit ve hızlı yapılabilen bir yöntemdir. Her türlü kalıp malzemesi kullanılarak yerçekimi ile döküm günümüzde en yaygın uygulanan döküm şeklidir. Bunun yanında alçak basınç yardımı ile hemen hemen tüm kalıp malzemelerinden üretilen kalıplara döküm işlemleri yapılmaktadır. Genellikle bu tür yöntemler ile yapılan dökümlerde yolluk sistemleri bir çok parçadan oluşmakta ve işlemler
H.Hasırcı, F.Gül karmaşıklaşmaktadır. Ayrıca bu tür sistemlerde, kalıp içerisinde sıvı metalin yüzey gerilimi ve çalkantı oluşması gibi daha bir çok döküm hatasının oluşumunu etkileyen faktörler bulunmaktadır. Vakum yardımıyla yerçekimine ters döküm yöntemi ile parça üretimi konusunda genel olarak yöntemi tanıtan sınırlı çalışmalar bulunmaktadır. Bu konuda miktarı, döküm sıcaklığı ve döküm işlemlerinde dünyada en yaygın olarak kullanılan yaş kum kalıpların üretilen döküm parçaların yapısı, mekanik ve dökülebilirlik özelliklerine etkilerinin belirlenmesine yönelik çalışma bulunmamaktadır. Bu nedenle bu çalışmanın amacı; sıcaklık ve basıncın () yaş kumdan hazırlanan kalıplara dökülen AlSi alaşımının dökülebilirlik özelliklerine etkilerinin belirlenmesidir. II. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Yerçekimine ters döküm yöntemi ile numune üretimi için elektrik direnç ergitme ünitesi kullanılmıştır. Ergitme sırasında; ocak ve sıvı metalin sıcaklığı K-tipi ısıl çiftler yardımıyla ölçülmüştür. Döküm işlemlerinde, kimyasal bileşimi Tablo 1 de verilen nominal %10 Si içeren ticari Al- Si döküm alaşımı olan ETİAL-171 kullanılmıştır. Çalışmada ile yerçekimine ters döküm yapılabilmesi için çelik malzemeden özel olarak hazırlanmış olan boru tipi dereceler kullanılmıştır. Yerçekimi döküm işlemlerinde ise dökümhanelerde kullanılan geleneksel çerçeve tipi dereceler kullanılmıştır. Dökülebilirlik incelemeleri 600, 640 ve 690 C sıcaklık,, 250 ve 500 mmhg şartları altında yapılmıştır. belirlenirken aşırı ısıtmanın etkilerinin azaltılması ve literatürden farklı olarak alaşımın ergime sıcaklığından ( 600 C) en fazla C üzerine aşırı ısıtma prensibine uygun olarak 690 C ye kadar seçilmiştir. Döküm sıcaklıkları döküm şartlarının etkilerinin daha iyi gösterilebilmesi için sıvı metal akıcılığının en az, orta düzeyde ve en fazla olabileceği sıcaklıklar seçilmiştir. Bütün döküm işlemleri; Şekil 2 de verilen farklı kesit kalınlıklarına sahip kademeli (basamaklı) dökülebilirlik modeli kullanılarak şekilde YTD (yerçekimine ters döküm) ve GD (geleneksel döküm) kalıplarında gösterildiği biçimde yerleştirilerek gerçekleştirilmiştir. Kademeli model 12 mm den (A basamağı) başlayarak 1.5 mm ye (D basamağı) kadar kalınlık azalacak biçimde A, B, C ve D olmak üzere 4 basamaktan oluşmaktadır. Döküm işlemi en kalın kesitten başlanarak en ince kesite doğru sıvı metalin doldurulması şeklinde gerçekleştirilmiştir. Her iki yöntemde de kalıp yüzeyleri kaplama ve boyama gibi yüzey işlemlerine tabi tutulmamıştır. Üretilen numuneler üzerinde sıvı metalin ulaşabildiği mesafelerde ölçülerek değerlendirilmeye çalışılmıştır. Tablo 1: Döküm işlemlerinde kullanılan ETİAL-171 malzemesi kimyasal bileşimi Si Fe Cu Mn Mg 9,42 0,38 0,05 0,431 0,36 Cr Ni Zn Ti Pb 0,015 0,04 0,06 0,10 0011 Al (Kalan) Şekil 2: Dökülebilirlik deney modeli ve kalıpta yerleştirme şekli III. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Dökülebilirlik terimi bu çalışmada, sıvı metal akıcılığı teriminin karşılığı olarak kullanılmıştır. Dökülebilirlik bakımından geleneksel ve yerçekimine ters yaş kum kalıpların incelenmesi amacıyla 600 C, 640 C ve 690 C döküm sıcaklıkları ve mmhg, 250 mmhg ve 500 mmhg değerleri seçilmiş ve kademeli blok dökülebilirlik numuneleri üretilmiştir. Üç farklı sıcaklık ve değerlerinde kademeli blok dökülebilirlik tespiti modelinin yaş kum kalıplarda hazırlanması ve döküm işlemlerinin yapılması sonucunda üretilen numunelerin görüntüleri Şekil 3 te verilmiştir. Her bir sıcaklıkta üretilen geleneksel ve yerçekimine ters döküm numuneler aynı şekil içerisinde verilmiştir (Şekil 3). Bu sunuş şekli ile aynı döküm sıcaklığında elde edilen sonuçların değerlendirilmesinde kolaylık sağlanacağı düşünülmüştür. Aynı zamanda Şekil 4 da ise farklı sıcaklık ve aynı değerlerinde üretilen numuneler verilerek sıcaklığın etkisi gösterilmeye çalışılmıştır. Dökülen parçalar üzerinde dökülebilirlik miktarının kolaylıkla anlaşılabilmesi amacıyla harfler bulunmaktadır. Bu harflerden A en kalın kesiti (12 mm) ifade ederken, D ise en ince kesiti (1.5 mm) temsil etmektedir. Resimler incelendiğinde aynı döküm sıcaklığında üretilen geleneksel ve yerçekimine ters döküm numunelerin dökülebilirliklerinin değiştiği görülmektedir. Vakum uygulaması sonucu dökülebilirliğin benzer sıcaklık şartlarındaki geleneksel yönteme kıyasla arttığı tespit edilmiştir. nın etkileri bakımından değerlendirme yapıldığında ise miktarındaki artışa bağlı olarak dökülebilirliğin geliştiği görülmektedir. Döküm sıcaklığındaki değişime bağlı olarak dökülebilirliğin değişimi incelendiğinde hem geleneksel hem de yerçekimine ters döküm uygulamalarında sıcaklıktaki artışa bağlı olarak dökülebilirliğin arttığı görülmektedir. Yüksek döküm sıcaklığında kademeli bloktaki mevcut en ince basamağa (D) kadar sıvı metal ulaşabilirken, düşük döküm sıcaklığında ise en kalın ikinci kademenin (B) yaklaşık yarısına kadar sıvı metalin ulaşabildiği tespit edilmiştir. 101
Yerçekimine Ters Dökümle (YTD) Üretilen Parçaların Dökülebilirlik Özelliklerine Döküm Şartlarının Etkileri (c) (d) Şekil 3: Kademeli blok modeli kullanılarak a) 600, 640 ve 690 C sıcaklıklarda geleneksel döküm, b) 600 C c) 640 C ve d) 690 C döküm sıcaklıklarında farklı miktarlarında üretilen dökülebilirlik numune görüntüleri Bu konudaki çalışmalar [4-7,18,19] incelendiğinde; yapılan denemelerin kullanılan metalin ergime sıcaklığından çok daha yüksek ( C ve daha yüksek) sıcaklıklarda yapıldığı görülmektedir. Oysa bu çalışmada kullanılan Al-%10 Si malzemesinin ergime sıcaklığının denge diyagramına bakıldığında yaklaşık 600 C olmasına karşın döküm sıcaklığı olarak 600, 640 ve 690 C kullanılmıştır. Burada yöntemin çok düşük döküm sıcaklıklarında dahi uygulanabilmesi açısından etkilerinin belirlenebilmesi amaçlanmıştır. Bu çalışmada kullanılan en yüksek sıcaklık, bu konuda yapılan ve yukarıda ifade edilen çalışmalardaki en düşük sıcaklıklardan daha düşüktür. Elde edilen sonuçlar; önceki çalışmalar ile kıyaslandığında, çok düşük döküm sıcaklıklarına rağmen üstün özellikte sonuçların elde edildiği görülmektedir. Yüksek döküm sıcaklıkları ile çalışma sonucunda meydana gelen önemli problemlerden bazılar; sıvı metal ile kalıp ara yüzeyinin etkileşmesi sonucu döküm parça yüzey pürüzlülüğü, gaz oluşumunda artış, yaş kum kalıplarda kum erozyonu ve sürüklenmesinin meydana gelmesi olarak sayılabilir. Bu sebeple; yüksek döküm sıcaklıklarının dökülebilirliği artırmasına rağmen, döküm işlemlerinde ifade edilen yüksek sıcaklıktan kaynaklanan olumsuzluklar sebebiyle, mümkün olan en düşük döküm sıcaklıkları tercih edilmektedir. Yapılan çalışmalar sırasında bu durumlar açıkça gözlenmiştir. Yüksek döküm sıcaklıklarında, numune yüzey pürüzlülüğü önemli oranda artmıştır. Yaş kum kalıba yerçekimine ters döküm işlemlerinde, hem düşük döküm sıcaklıklarının hem de düşük miktarlarının kullanılmasının avantaj sağladığı görülmüştür. Düşük miktarları ve döküm sıcaklıkların da daha temiz yüzeyli parça üretimi mümkün olmuştur. Yüksek değerlerinde yüzey pürüzlülüğündeki artışın; sıvı metalin kalıp içerisine emilmesi sırasında hava (gaz) geçirgenliği yüksek olan yaş kum kalıp malzemesi içerisine sıvı metalin nüfuz etmesinden kaynaklandığı görülmüştür. Kalıp üzerine uygulandığında; ortamın havasının hem kalıp boşluğu hem de kalıp içerisinden emilmesi nedeniyle, sıvı metalin kalıp yüzeyine kuvvetli bir biçimde çekilmesi sonucu pürüzlülük artmaktadır. Öyle ki etkisiyle sıvı metal kalıp duvarına kısmen nüfuz da edebilmektedir. Bu durum yüksek döküm sıcaklıklarında daha net görülmektedir. Bu tür problemlerin çözümü için; metal, alçı, sentetik reçineli kum kalıp, v.s. döküm kalıp malzemelerinin kullanılması ile bu olumsuzlukların giderilebileceği düşünülmektedir. Yaş kum kalıplar söz konusu olduğunda ise; kalıp yüzeylerinin boyanması bu tür problemlerin çözümünde yararlı olacaktır. Sonuçlar döküm sıcaklığının değişimine bağlı olarak değerlendirildiğinde; artan döküm sıcaklığı ile dökülebilirliğin arttığını göstermektedir (Şekil 3.a). Her sıcaklıkta uygulaması sonucunda dökülebilirlik geleneksel yönteme göre artmıştır (Şekil 3.b, c ve d). Farklı sıcaklık ve aynı seviyelerinde ise (Şekil 4), döküm sıcaklığındaki artış sonucunda dökülebilirlik gelişmiştir. Ancak 690 C sıcaklık ve ile döküm sonucunda hemen hemen tüm numune yüzeyleri sıvı metalin kuma nüfuzu nedeniyle pürüzlü olurken, 600 C de hiçbir numunede pürüzlülük meydana gelmemiştir. 640 C sıcaklıkta ise, 500 mmhg seviyesinde numune yüzeylerinde kısmen pürüzlülük oluşmuştur. Genel olarak; 102
% Değişim Dökülebilirlik Miktarı, mm H.Hasırcı, F.Gül 640 C sıcaklık, 250 ve 500 mmhg seviyelerinde yapılan YTD işlem sonuçlarının hem dökülebilirlik, hem de yüzey kalitesi açısından en uygun olduğu görülmüştür. Tablo 2: Döküm sıcaklığı ve uygulanan miktarına bağlı olarak dökülebilirliğin değişimi Geleneksel Dökülebilirlik Miktarı, mm % Değişim 600 C 80 *** 640 C 120 50 690 C 140 75 mmhg 600 C 110 37.5 640 C 140 75 690 C 160 250 mmhg 500 mmhg 600 C 120 50 640 C 150 87.5 690 C 170 112.5 600 C 130 62.5 640 C 160 690 C 180 125 ***Referans Değer (c) 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 90 80 70 60 50 600 640 690 Geleneksel mmhg 250 mmhg 500 mmhg Vakum Miktarı, mmhg Şekil 4: Kademeli blok modeli kullanılarak a) mmhg, b) 250 mmhg ve c) 500 mmhg seviyelerinde 600, 640 ve 690 C sıcaklıklarda üretilen dökülebilirlik numunelerinin görüntüleri Üretilen numunelerdeki dökülebilirliğin sayısal olarak ifade edilmesinin daha doğru olacağı düşünülerek yapılan ölçümler sonucunda elde edilen veriler Tablo 2 ve Şekil 5.a ve b de verilmiştir. Karşılaştırmalar geleneksel dökümde 600 C ile diğer döküm sıcaklıkları arasında, yerçekimine ters yönde dökümde ise her bir döküm sıcaklığı için geleneksel döküm ile uygulama sonuçları arasında yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde sıcaklığın artmasına bağlı olarak dökülebilirlik önemli oranda artmaktadır. Diğer yandan miktarındaki artışa bağlı olarak dökülebilirlik geleneksel döküme kıyasla önemli oranda artmıştır. Bu sonuçlar döküm sıcaklığı ve miktarındaki artış sonucunda dökülebilirliğin geliştiğini ve böylece daha ince kesite parçaların kolayca üretilebileceğini göstermektedir. 103 150 140 130 120 110 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 600 640 690 Geleneksel mmhg 250 mmhg 500 mmhg Vakum Miktarı, mmhg Şekil 5: Üretilen numunelerin a) dökülebilirlik miktarları ve b) % değişimi IV. SONUÇLAR Vakum uygulamasına bağlı olarak geleneksel döküme kıyasla akıcılığın iyileştiği görülmüştür. Tüm döküm sıcaklıkları ve miktarlarında geleneksel dökümlere kıyasla daha yüksek dökülebilirlik değerlerine ulaşılmıştır. Döküm sıcaklığındaki artış ile birlikte akıcılıkta (dökülebilirlikte) artış meydana gelmektedir. Sıcaklık artışı akıcılığın artmasına ve sıvı metalin daha uzun mesafelere ulaşmasına olanak sağlamaktadır. Ancak sıcaklık artışının çeşitli döküm hatalarına sebep olması
Yerçekimine Ters Dökümle (YTD) Üretilen Parçaların Dökülebilirlik Özelliklerine Döküm Şartlarının Etkileri nedeniyle mümkün olan en düşük sıcaklıkta döküm yapılmasının uygun olduğu görülmektedir. Artan miktarına bağlı olarak dökülebilirlik iyileşmiştir. Aynı sıcaklıkta düşük a kıyasla yüksek uygulaması akıcılığı geliştirmiştir. Deneyler sonucunda; akıcılığın miktarıyla paralellik gösterdiği tespit edilmiştir. Hem döküm sıcaklığı ve hem de miktarının arttığı numunelerde dökülebilirliğin en yüksek değere ulaştığı belirlenmiştir. Ancak bu artışların aynı zamanda döküm parça yüzey pürüzlülüğünde de artışa sebep olduğu tespit edilmiştir. KAYNAKLAR [1] G.D.Chandley, Use of Vacuum for Counter Gravity Casting of Metals Materials Res. Innovant, pp:14-23, 1999. [2] F.Ripkin and S.Lipson, Counter Gravity Casting of Aluminum Alloys in Green Sand Molds AFS Transactions, 67-70, pp:581-592, 1967. [3] Anon, Turning the Gating World Upside Down, Thecnical Paper, Hitchiner Manufacturing Co., (www.hitchiner.com) 2003. [4] G.D.Chandley, Counter Gravity Casting of Aluminum in Investment and Sand Molds, AFS Transactions, 86-39, pp:209-214, 1986. [5] S.Lipson and F.Ripkin, Effect of Sections Thickness on The Tensile Properties of Thin-Section Aluminum Alloy Sand Casting AFS Transactions, 69, pp:192-197, 1969. [6] G.D.Chandley and M.C.Flemings, Gating Premium Quality Casting AFS Transactions, 88-37, pp:121-128, 1988. [7] M.C.Flemings, H.F.Conrad and H.F.Taylor, Aluminum Alloys Fluidity Test AFS Transactions, 93-59, pp:496-507, 1993. [8] I.H.Katzarov and others, Porosity Formation in axi-symetric castings produced by counter-gravity casting method International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol:44, pp:111-119, 2001. [9] D.M.Stefanescu and others, In Situ Research Utilization for Processing of Metals Alloys on Lunar and Mars Bases, (www.science.nasa.gov/newhome/headlines/space98pdf/insitu.pdf) 2003. [10] G.D.Chandley, Making casting without ladles or sprues the CLA process AFS Transactions, 76-28, pp:37-42, 1976. [11] Anon, Molding Methods and Materials, American Foundryman s Society publications, Illinois, USA, pp:120-300,1962. [12] J. Campbell, Casting Butterworth-Heinemann, pp:120-300,1999. [13] S.W. Han, K. Katsumata, S. Kumai and A. Satı, Effects of solidification structure and aging condition on cyclic stress-strain response in Al -7 % Si 4 % Mg cast alloys, Materials Science and Engineering A 337, p:170-178, 2002. [14] J. Campbell, The concept of net shape for casting, Materials and Design 21, p:373-380, 2000. [15] C. Gonzales-Rivera, B. Campillo, M. Castro, M. Herrera and J. Juarez-Islas, On the local microstructural characteristics observed in sand cast Al-Si alloys, Materials Science and Engeneering A 279, p:149-159, 2000. [16] S. Fox and J. Campbell, visualisation of oxide film defects during solidification of aluminum alloys, Scripta Matearialia 43, p:881-886, 2000. [17] E. Niyama, K. Anzai, T. Funakubo and S. Hiratsuka, Some basic research for thin-wall casting technology, Journal of Materials Processing Technology 63, p:779-783, 1997. [18] T.M. Westendorf and others, Countergravity Casting of Thin-Wall Al A356, Part I: A Castability Study AFS Transactions 98-, pp:559-562, 1998. [19] Anon,Thecnical Paper, The Casting Filling Process Foundryman, 94-7, pp:203-209, July 2001. 104