Ahmet ARAN Döküm Teknolojisi ÇNDEKLER 1 GR 1.1. DÖKÜM TEKN 1.2 TARHÇE 1.3 TÜRKYE DE DÖKÜM SANAY 2. ERTME, DÖKME ve KATILAMANIN ESASLARI 2.1 ERTME 2.2 GAZ ÇÖZÜNÜRLÜÜ VE GAZ GDERME 2.3 KALIBIN DOLDURULMASI VE YOLLUK SSTEM 2.4 AKICILIK 2.5 KATILAMA 2.5.1 Saf Metallerde Kat,la-ma 2.5.2 Ala-,mlarda Kat,la-ma 2.5.3 Kat,la-ma S,ras,nda Olu-an Hac,m Azalmalar, 2.5.4 Kal,p çinde Kat,la-man,n Yönlendirilmesi 3. KUM KALIBA DÖKÜM 3.1 GR 3.2 MODELLER 3.2.1 Model Türleri 3.2.2 Model Tasar,m, 3.2.3 Model Malzemeleri 3.3 MAÇALAR 3.4 KUM ESASLI KALIP TÜRLER 3.4.1 Ya- Kum Kal,plar 3.4.2 Kuru Kum Kal,plar 3.4.3 Toprak (Balç,k) Kal,plar 3.4.4 Çukur Kal,plar 3.4.5 Karbondioksit Yöntemi 3.4.6 Kabuk Kal,plar 3.4.7 Havada Sertle-en Kal,plar 3.4.8 Çimento BaBlay,c,l, Kal,plar 3.4.9 Vakumlu Kal,plama Yöntemi 3.4.10 Dolu Kal,ba Döküm 3.5 KUM ESASLI KALIP MALZEMELER 3.5.1 Kum Özellikleri 3.5.2 BaBlay,c, ve DiBer Katk,lar 3.5.3 Kum Esasl, Kal,p Malzemelerinin Özellikleri 3.5.4 Kum Yenileme ve Ta-,ma 3.5.5 Yüzey Kaplamalar, 3.6 KUM KALIPLAMA MAKNALARI 1
Ahmet ARAN Döküm Teknolojisi 4. DER DÖKÜM YÖNTEMLER 4.1 HARCANAN KALIP KULLANILAN YÖNTEMLER 4.1.1 Hassas Döküm 4.1.2 Alç, Kal,ba Döküm 4.1.3 Seramik Kal,ba Döküm 4.2 KALICI KALIP KULLANILAN YÖNTEMLER 4.2.1 Kal,c, Kal,ba Döküm 4.2.2 Bas,nçl, Döküm 4.2.3 Savurma Döküm 3.4.4 Çukur Kal,plar 3.4.5 Karbondioksit Yöntemi 3.4.6 Kabuk Kal,plar 3.4.7 Havada Sertle-en Kal,plar 5. ERTME OCAKLARI 5.1 POTALI OCAKLAR 5.2 KUPOL OCAI 5.3 ALEVL OCAKLAR 5.4 ELEKTRKL OCAKLAR 5.4.1 Ark Ocaklar, 5.4.2 Endüksiyon Ocaklar,: 5.4.3 Direnç Ocaklar, 6. BTRME LEMLER 6.1 KALIP BOZMA 6.2. YOLLUK VE ÇIKICILARIN AYRILMASI 6.3. YÜZEY TEMZLEME 6.4. ÇAPAK KESME 6.5. ISIL LEM 6.6. SON YÜZEY LEMLER 6.7. ONARIM 7. DÖKÜM KUSURLARI VE KALTE KONTROL 7.1. DÖKÜM PARÇA KONTROLU 7.2 DÖKÜM PARÇA KUSURLARI 8. DÖKÜM PARÇA TASARIMI 9. DÖKÜM MALZEMELER 2
Ahmet ARAN Döküm Teknolojisi 1 GR Günümüz insan,n,n ya-am standart,nda son 50 y,lda sablanan olabanüstü iyile-me, büyük ölçüde mühendislik tasar,mlar,n,n seri ve ucuz olarak imalat,n, sablayan yöntemlerin geli-tirilmesi sayesindedir. mal usullerini tan,mak bütün mühendislik disiplinleri için kaç,n,lmaz bir zorunluluktur. Mühendisler her bir imal usulünün imkanlar,n,, üstünlüklerini ve s,n,rlar,n, tan,yarak amaçlad,klar, tasar,ma en ucuz ve dobru olarak ula-mak için gerekli bilgileri edinmek zorundad,rlar. Üretim, dobada bulunan maddeleri istenilen özellik ve biçimdeki ürünlere dönü-türmek olarak tan,mlanabilir. Üretim yöntemlerini iç ve d,- dönü-ümler olarak ikiye ay,rmak mümkündür. ç dönü-ümler genellikle cevherlerin indirgenmesi, kimyasal ar,tma,,s,l i-lemler gibi maddelerin kimyasal dönü-üme ubrad,klar, tekniklerdir. D,- dönü-ümler ise malzemelerin istenilen biçim ve boyutlara getirilmesi anlam,nda olup, Türkçe teknik terminolojide bu yöntemler için genellikle imal usulleri ad, kullan,lmaktad,r. mal usulleri çok say,da debi-ik yöntemi içerir; bunlar aras,nda ba-l,calar, döküm, kaynak, plastik -ekil verme ve tala- kald,rma yöntemleridir, ekil 1.1. Bu kitap kapsam,nda ele al,nan döküm teknibi, s,v, halde ak,c, olan metallerin, üretilmek istenen parçan,n biçiminde bir bo-luk içeren kal,plara (yerçekimi yard,m,yla veya uygulanan bas,nçla) doldurularak kat,la-t,r,ld,b, bir imalat yöntemidir. S,v, metalin içine döküldübü kal,p olarak, her dökülen parçadan sonra bozulan (örnebin kum) kal,plar kullan,ld,b, gibi, birden fazla parçan,n üretimine imkan veren kal,c, (örnebin metal) kal,plar da kullan,labilir. Metalin kat,la-mas,ndan sonra kum kal,plarda kal,p bozularak, kal,c, kal,plarda ise kal,p aç,larak dökülen parça ç,kar,l,r. Döküm yöntemiyle dobrudan parça üretildibi gibi, ingotlar da dökülebilir. ngotlar, metal endüstrisinde ala-,mland,r,lmas, tamamlan-m,- eriyik halindeki malzemenin, haddeleme veya dövme ile -ekil verilmek üzere basit ve büyük kal,plara dökülmesi ile elde edilen parçalard,r. 3
Ahmet ARAN Döküm Teknolojisi ÜRETM YÖNTEMLER Ç DÖNÜÜMLER Kimyasal ve Fiziksel Dönüümler DI DÖNÜÜMLER Biçimlendirme DÖKÜM Erimi Durumdaki Akclktan Yararlanlr Kum Kalba Hassas Metal Kalba Basnçl KAYNAK Yerel Eritme le Birletirme Sa lanr Oksi-Asetilen Elektrik Ark Tozalt Plazma TALA KALDIRMA stenmeyen Ksmlar Uzaklatrlr Tornalama Frezeleme Planyalama Ta#lama PLASTK EKL VERME Malzemenin "ekil De itirme Kabiliyetinden Yararlanlr Dövme Haddeleme Ekstrüzyon Çekme ekil 1.1. Üretim Yöntemleri 4
Ahmet ARAN Döküm Teknolojisi Döküm yönteminin diber imal usullerinden üstünlükleri -öyle s,ralanabilir: Yöntemin s,n,rlar, çok geni- olup, hem çok küçük parçalar,n, hem de tonlarca ab,rl,ktaki büyük parçalar,n üretimine uygun debi-ik teknikler bulunmaktad,r. Çok karma-,k biçimli ve içi bo- parçalar,n üretimi mümkündür. Hemen hemen tüm metal ala-,mlar,n,n dökümü mümkündür. Baz, malzemeler ise (örnebin dökme demir) sadece döküm yoluyla elde edilebilir. Seri üretime uygun döküm yöntemleri geli-tirilmi-tir. Döküm yönteminin snrlar ise -unlard,r Çok ince kesitlerin elde edilmesi güçtür. Az say,da parça üretimi için genellikle ekonomik debildir. Ayn, malzemenin plastik -ekil verme yöntemleri (örnebin dövme) ile elde edilmiolan,, dayan,m bak,m,ndan genellikle daha üstündür. Genellikle hassas boyut toleranslar,n,n ve iyi yüzey kalitelerinin sablanmas, güçtür. Çevre dostu bir imalat yöntemi debildir. ekil 1.2: Döküme haz,r bir kapal, kum kal,b, kesiti 5
Ahmet ARAN Döküm Teknolojisi 1.1. DÖKÜM TEKN Döküm i-lemi, içinde üretilmek istenen parçan,n biçimine sahip bir bo-luk bulunan kal,plara s,v, metalin doldurulmas, ile yap,l,r. Kal,p bo-lubunun boyutlar, elde edilmek parçanan biraz daha büyüktür; bu -ekilde kat,la-ma ve sobuma s,ras,ndaki boyut azalmalar, dengelenir. S,v, metalin dolduruldubu kal,p aç,k veya kapal, olabilir. Döküm teknolojisinde daha yayg,n olarak kullan,lan kapal, kal,plarda, s,v, metalin kal,ba doldurulmas, için bir yolluk sistemi bulunur, ekil 1.2. Kal,plar debi-ik refrakter malzemelerden yap,labilir, bunlar aras,nda kum, alç,, seramik ve metal say,labilir. Kat,la-ma sonras,nda baz, döküm yöntemlerinde parçan,n ç,kar,lmas, için kal,b,n bozulmas, gerekir, yani kal,plar sadece bir kez kullan,l,rlar (kum kal,p). Baz, yöntemlerde ise kal,plar kal,c,d,r ve birden çok parça üretimi için kullan,l,rlar (metal/kokil kal,p). Döküm öncesinde metal eritilir ve döküm s,cakl,b,na ç,kar,l,r. Kal,ba dolan metal sobumaya ba-lar, s,cakl,k belirli bir debere dü-tübü zaman kat,la-ma ba-lar ve kat,la-ma tamamland,b,nda hala s,cak olan parça oda s,cakl,b,na kadar sobur. Bu s,rada önemli miktarda,s, uzakla-t,r,l,r ve faz dönü-ümleri olabilir. Bütün bu süreç boyunca parçan,n boyut ve biçimi yan,nda malzemenin içyap,s, ve dolay,s,yla özellikleri belirlenir. Döküm sonras,nda parça kal,ptan ç,kar,l,r, parçaya ait olmayan k,s,mlar uzakla-t,r,l,r, yüzey temizlenir, varsa,s,l i-lem yap,l,r ve gerekli kontrollerden sonra imalat tamamlanm,- olur. DeBi-ik ülkelerden bilim adamlar,, mühendis ve ustalar,n katk,lar,yla kal,p malzemeleri, kal,plama yöntemleri, eritme ocaklar,, döküm malzemeleri gibi alanlarda sürekli geli-tirilen döküm teknolojisi, günümüzde yayg,n olarak kullan,lan bir imalat yöntemi haline gelmi-tir. Döküm yoluyla biçimlendirilen metallerin en önemlileri: dökme demirler, çelik, bak,r ve alüminyum ala-,mlar,d,r. Günümüzün dökümhaneleri mekanizasyon ve otomasyon yöntemlerinin yayg,n olarak uyguland,b, modern tesislerdir. Döküm teknibinde kaliteyi, büyük ölçüde erimi- metalin içine döküldübü kal,plar,n türü ve haz,rlan,-,nda gösterilen özen belirler. Uygulanacak kal,plama yönteminin seçiminde: üretilecek parça say,s,, amaçlanan üretim h,z,, boyut hassasiyeti, yüzey kalitesi, metalurjik kriterler ve yönteme özgü diber özellikler dikkate al,n,r. Metal döküm teknikleri kullan,lan kal,plar,n türüne göre iki gruba ayr,l,r: Harcanan kal p kullan lan yöntemler: Bu yöntemlerde kat,la-ma sonras,nda parça ç,kar,l,rken kal,p bozulur. Yani her yeni parça için yeni bir kal,p gereklidir. Kal c kal p kullan lan yöntemler: Bu yöntemlerde kal,p defalarca kullan,labilecebinden, seri üretim için daha ekonomik çözümdür. 6
Ahmet ARAN Döküm Teknolojisi Bu kitapta döküm yöntemleri bu iki grupta toplanarak teker teker ele al,nacakt,r. Ancak bunlar aras,nda kum kal,ba döküm uygulamalar, diber tekniklere göre çok daha yayg,n olarak kullan,ld,b,ndan, ayr,nt,l, bilgi verebilmek amac,yla ayr, bir bölüm olarak ele al,nm,-t,r. 1.2 TARHÇE Arkeolojik bulgular, döküm yönteminin M.Ö.4000 y,llar,ndan ba-layan bir geçmi-i oldubunu göstermektedir. Eski çablarda kullan,lan eritme ocaklar,nda genellikle bak,r cevheri ile odun, tabakalar halinde doldurulur ve ayakla çal,-an keçi derisi körükler yard,m,yla eritilen metal, ta- veya pi-irilmi- kilin i-lenmesiyle elde edilen kal,plara dökülürdü. Önceleri tek parça aç,k kal,plarla balta ve benzeri yass, parçalar,n üretimi için kullan,lan döküm teknibi, yuvarlak biçimli parçalar,n üretilmesi için iki veya daha çok parçal, kal,plar,n kullan,m,yla geli-tirildi. M.Ö. 2000 y,llar,ndan itibaren iç bo-luklar,n elde edilmesi için pi-irilmi- kilden maçalar kullan,lmaya ba-land,. Bunun yan,nda kal,plamada mum modellerin kullan,ld,b, ve,s,t,larak eritilen mumun kal,b, terketmesiyle kal,p bo-lubunun olu-turuldubu hassas döküm yöntemi de ayn, as,rlarda geli-tirilmi-tir. M.Ö.1500 y,l,ndan ba-l,yarak döküm teknibinin özellikle Mezapotamya ve Çin'de çok geli-tirildibi ve Çinlilerin çok parçal, kal,plarla karma-,k parçalar,n üretiminde ustala-t,b, görülmektedir. Geli-tirilen bu teknikler sava-lar ve göçebe insanlarla birlikte Akdeniz havzas,na ve daha sonra Avrupa' ya ula-t,. M,s,rl, ustalar,n da metal döküm teknibine çok önemli katk,lar, olmu-tur. Avrupa da döküm uygulamalar,, ba-lang,çta kiliselerin himaye ve kontrolünde gerçekle-mi- ve dökümcüler 13.yüzy,la kadar genellikle kiliselere çan dökmek ile ubra-m,-lard,r. Nitekim ilk bronz top, döküm ustas, bir rahip taraf,ndan 1313 y,l,nda dökülmü-tür. Bunun yan,nda özellikle talya'da çok say,da sanat dökümü üretilmi-, papal,k dökümhanesinin ba-,nda bulunan ustalar döküm teknolojisi hakk,nda ilk kitaplar, haz,rlam,-lard,r. Rönesans'tan sonra canlanan sanat uygulamalar, ve ticaret, bab,ms,z bir döküm sanayinin geli-mesinin ba-lang,c, olmu-tur. ekil 1.3. M,s,rl,larda metal dökümü (M.Ö.1500) 7
Ahmet ARAN Döküm Teknolojisi 1.3 TÜRKYE DE DÖKÜM SANAY Ülkemizde döküm yönteminin ilk önemli uygulamalar, askeri amaçl, olup, Fatih Sultan Mehmet taraf,ndan Tophane'de kurulan top dökümhanesi, diber padi-ahlar taraf,ndan da (özellikle Kanuni zaman,nda) geli-tirilmi-tir. Cumhuriyet döneminde de devlet yat,r,mlar, olarak büyük döküm tesisleri kurulmu-tur. 1960' lardan sonra otomotiv ve in-aat sektörünün geli-melerine paralel olarak ülkemizdeki döküm sanayi de h,zl, bir geli-me göstermi-tir. Halen ülkemizde sanayinin yobun oldubu bölgelerde debi-ik kapasitelerde çok say,da dökümhane bulunmakta ve bu kitap kapsam,nda ele al,nan yöntemlerin büyük çobunlubu ba-ar, ile uygulanmaktad,r. Türk döküm sanayi halen Avrupada 6., dünyada ise 13. s,radad,r. Yakla-,k 1.000.000 ton/y,l olan toplam üretimin %71'i lamel grafitli dökme demir, %14'ü küresel grafitli (sfero) dökme demir, %1'i temper dökme demir, %10'u dökme çelik ve %4'ü de demird,-, metallerin üretimi olarak gerçekle-tirilmektedir. Bu üretimin %25'i in-aat, %35'i makina-imalat, %20'si otomotiv, %8'i bas,nçl, boru ve %12'si demir-çelik ve diber alanlarda kullan,lmaktad,r. Türk Döküm Sanayicileri DerneBi taraf,ndan haz,rlanan a-ab,daki tablolarda, bu sektörün son 40 y,l içindeki h,zl, geli-mesi aç,kça görülmektedir. Tablo 1.1 de verilen y,ll,k üretim rakamlar, son 40 y,ldaki büyük geli-meyi, Tablo 1.2 de verilen ihracat rakamlar, da 1980 y,l,ndan itibaren ihracatta sablanan büyük art,-lar, yans,tmaktad,r. Türk Döküm Sanayinde ya-anan debi-imi vurgulamak için, Tablo 1.3 de, 1977 ile 1998 y,llar,na ait rakamlar kar-,la-t,r,lmaktad,r. GörüldüBü gibi bu 20 içinde sektörde büyük i-letmelerin üretimdeki pay, h,zla artm,-, gerçekle-tirilen modern yat,r,mlar ve verimlilik art,-lar, sonucu çal,-an say,s, hemen hemen ayn, kalmas,na rabmen üretimde iki kat art,- sablanm,-t,r. Tablo 1.1: Türk Döküm Sanayinin son 40 y,l içindeki üretim rakamlar, (ton) YIL KIR DD SFERO TEMPER ÇELK DEMR DII. TOPLAM 1960 150,000 1,000 10,000 161,000 1970 200,000 2,000 15,000 217,000 1985 385,000 18,000 9,000 58,000 470,000 1990 415,000 60,200 10,500 58,000 543,000 1995 606,000 79,700 12,960 65,690 20,000 764,350 2000 690,000 130,000 7,000 98,000 40,000 965,000 8
Ahmet ARAN Döküm Teknolojisi Tablo 1.2: Türk Döküm Sanayinin son 20 y,l içindeki ihracat rakamlar, Y,l KIR DD SFERO TEMPER ÇELK DEMR DII TOPLAM 1980 3.770 --- ------- 880 4.650 1990 15.178 2.500 722 2.800 21.200 1997 98.000 39.000 1.840 21.000 159.840 2000 198.000 61.500 3.700 47.000 18.700 328.900 Tablo 1.3: Türk Döküm Sektöründe 1977 1998 aras,ndaki geli-meler 1977 1998 Büyük Tesisler Küçük Tesisler TOPLAM Büyük Tesisler Küçük Tesisler TOPLAM K,r DD Ton % 141500 38 230000 62 371500 100 605000 87 90000 13 695000 100 Sfero Ton % 2500 100 - - 2500 100 11760 98 240 2 12000 100 Temper Ton % 2500 100 - - 2500 100 115940 98 7060 2 123000 100 Çelik Ton % 65000 100 - - 65000 100 100000 100 1000-101000 100 Çal,-an Ki-i 8146 11850 19996 19860 6502 22362 9
Ahmet ARAN Döküm Teknolojisi 2. ERTME, DÖKME ve KATILAMANIN ESASLARI 2.1 ERTME Metali eriterek, döküm s,cakl,b,na ula-t,rmak için eritme ocaklar,ndan yararlan,l,r. Bu ocaklarda ayr,ca ala-,mlama, bile-imin ayarlanmas,, kat,-k,lar,n giderilmesi, gaz giderme ve a-,lama gibi baz, ek i-lemler de, dökümden hemen önce gerçekle-tirilir. Eritme ve döküm uygulamalar,nda büyük özenle çal,-,lmal,d,r, çünkü yap,lacak en küçük hatalar dahi, kaliteyi büyük ölçüde etkileyen ve daha sonra giderilmesi mümkün olmayacak sonuçlara neden olabilir. Bir saf metali döküm s,cakl,b,na ula-t,rmak için harcanan enerji a. Metali ba-lang,ç s,cakl,b,ndan erime s,cakl,b,na ç,kar,lmas, b. Metali sabit s,cakl,kta eritilmesi ve c. Erimi- metalin döküm s,cakl,b,na ç,kar,lmas, için harcan,r ve birim ab,rl,k ba-,na toplam,s, Q = UV {c k (T e - T o ) + r + c s (T d T e )} -eklinde yaz,labilir. Burada Q toplam,s,, U yobunluk, c k kat, durumda özgül,s,, T e erime s,cakl,b,, T o ba-lang,ç s,cakl,b,, r erime,s,s,, c s s,v, durumda özgül,s,,t d döküm s,cakl,b,d,r. Bu hesaplama ile ancak yakla-,k deberler elde edilebilir. Çünkü bu bab,nt,da bulunan bir çok katsay,n,n tam deberinin bulunmas, kolay debildir, ayr,ca bu deberler gerçekte sabit olmay,p, s,cakl,b,n bir fonksiyonu olarak debi-irler. Ayr,ca faz dönü-ümleri olabilir; ala-,mlarda için erime sabit bir s,cakl,kta debil belirli bir kat,la-ma aral,b,nda gerçekle-ir ve yukar,da hesaba dahil edilmeyen önemli birçok,s, kay,b, mevcuttur. Döküm s,cakl,b,, kat,la-ma s,cakl,b,ndan yüksek seçilmelidir, ancak s,cakl,b,n fazla yüksek olmas,, tane irile-mesi, oksitlenme, gaz çözünmesinin artmas,, penetrasyon gibi olumsuz etkilere yol açabilir. Bu nedenle döküm s,cakl,b,, yeterli olan en dü-ük s,cakl,k olarak seçilmelidir. Baz, döküm ala-,mlar,n,n erime ve döküm s,cakl,klar, Çizelge 2.1 de görülmektedir. 10
Ahmet ARAN Döküm Teknolojisi Çizelge 2.1. DeBi-ik malzemelerin döküm ve erime s,cakl,klar, MALZEME KATILAMA SICAKLII ( O C) DÖKÜM SICAKLII ( O C) K,r Dökme Demir (%3,5 C) 1175 1250 1350 Temper Dökme Demir (%2,8 C) 1250 1325 1400 Beyaz Dökme Demir (%3 C) 1240 1280 1320 Dökme Çelik (%0,6C) 1475 1550 1600 Aluminyum - Silisyum Ala-,m, 570 700 750 Aluminyum - Bak,r Ala-,m, 600 700 720 Aluminyum Bronzu 1025 1050 1150 Pirinç 60/40 890 990 1010 Magnezyum Ala-,mlar, 630 720 770 2.2 GAZ ÇÖZÜNÜRLÜÜ VE GAZ GDERME ekil 2.1. Metal içinde çözünen gaz miktar,n,n s,cakl,k ile debi-imi En uygun eritme ko-ullar,nda dahi gazlar,n (özellikle hidrojenin) s,v, metal içinde çözünmesine engel olunamaz. ÖrneBin hidrojen, havadaki veya ortamdaki nemin, s,v, metalin s,cak yüzeyinde hidrojen ve oksijene ayr,-mas, ile ortaya ç,kar ve küçük çapl, 11
Ahmet ARAN Döküm Teknolojisi olan bu atom, eriyik içinde kolayl,kla çözünür. Gazlar,n s,v, metal içinde çözünürlübü bas,nç ve s,cakl,ba çok babl,d,r. Çözünürlük, eriyibin sobumas, ve özellikle kat,la-mas, s,ras,nda büyük oranda dü-er (eki1 2.1), yani çözünmü- gazlar,n sobuma ve kat,la-ma s,ras,nda metal eribini terk etmesi gerekir. Kat,la-ma s,ras,nda aç,ba ç,kan bu gazlar, eriyik d,-,na kaçamaz ise parça içinde gözeneklerin ve gaz boluklar n n olu-mas,na ve malzeme özelliklerinin olumsuz etkilenmesine neden olurlar. ekil 2.1 den de görüldübü gibi gaz,n en büyük k,sm, kat,la-ma s,ras,nda aç,ba ç,kar. ÖrneBin bak,r, içinde ab,rl,k yüzdesi olarak sadece % 0,01 H 2 bulunmas, durumunda, 1 m 3 'lük bir bak,r eriyibinin içinden 0,3...0,4 m 3 hidrojenin ç,kmas, söz konusudur (kaynama!). Gazlar,n aç,ba ç,kmas,n, önleyen bir diber etken de bas,nçt,r. Yüksek bas,nç alt,nda s,v, metal içindeki gaz çözünürlübü yüksek olacab,ndan, örnebin bas,nçl, döküm yönteminde gazlar,n d,-ar, kaçmas, söz konusu debildir. Bu gazlar kat,la-ma ve sobuma bittikten sonra malzeme içinde hapis kal,rlar. Ancak bu tür parçalara sonradan eritme, elektroliz veya,s,tma bir i-lem uygulan,rsa, malzeme içinde a-,r, doymu- olarak kalan bu gazlar kaçmaya çal,-acab,ndan kusurlara neden olabilir. ÖrneBin eritme kaynab, yap,lan bas,nçl, döküm parçalarda diki-ler gözenekli olur! S,v, metallerde gaz çözünmesini önlemek için dikkat edilmesi gereken hususlar her metal için farkl,d,r, ancak baz, genel kurallar a-ab,da verilmi-tir: Döküm s,cakl,b, mümkün oldubu kadar dü-ük seçilmelidir. S,v, metal ile temas edecek tüm parçalar kurutulmal,d,r. Eriyik fazla bekletilmemeli, döküm en k,sa sürede yap,lmal,d,r. Eriyik gerekmedikçe kar,-t,r,lmamal, ve üzerindeki koruyucu örtü dökümden hemen önce s,yr,lmal,d,r. Bütün bu önlemlere rabmen eriyik içindeki gazlar,n çözünmesine tümüyle engel olunamayacab,ndan, gerektibinde gaz giderme i-lemleri uygulanabilir. Bu i-lemlerde s,v, metal, klor, azot, argon gibi nötr bir gazla süpürülür veya eriyik içine bu tür gazlar aç,ba ç,karan bir kat, maddeler dald,r,l,r. S,v, metal içinde yükselen gaz habbecikleri, eriyikten çözünmü- gazlar, ve yüzen oksit ve diber metal olmayan kal,nt,lar, süpürerek d,-ar, ç,kar,r. Gaz gidermede çok etkin, fakat pahal, bir yöntem de metali vakum alt,nda eritmek veya erimi- metali, dökümden önce vakum alt,na alarak, gazdan ar,nd,rmakt,r. 12
Ahmet ARAN Döküm Teknolojisi 2.3 KALIBIN DOLDURULMASI VE YOLLUK SSTEM S,v, metalin kal,p bo-lubuna doldurulmas,nda yolluk sistemlerinden yararlan,l,r. Bir yolluk sisteminin ba-l,ca bölümleri döküm abz,, dü-ey yolluk, yatay yolluk ve ara yolluklard,r (ekil 2.2). ekil 2.2. Yolluk sistemi ekil 2.3 DeBi-ik döküm ab,zlar, deal bir yolluk sisteminin i-levleri -öyle s,ralanabilir: Kal,b,n s,v, metal ile dolmas,n, sablar. Kal,ba dolan metalde türbülans olu-mas,n, önleyerek, metalin oksitlenmesine, gaz almas,na, cürufun ve erozyonla kopar,lan kal,p parçalar,n,n s,v, metale kar,-mas,na engel olur. S,v, metal içindeki cüruf, köpük, oksit v.b. istenmeyen k,s,mlar,n kal,p bo-lubuna girmesine engel olur. 13
Ahmet ARAN Döküm Teknolojisi Metalin kal,ba dolu-unu düzenleyerek, yönlenmi- kat,la-may, kolayla-t,ran, çarp,lmaya neden olmayan bir s,cakl,k gradyeni olu-turur. Kal,p bo-lubunu gereken h,zda doldurmaya yetecek kadar büyük, ancak malzeme kayb,na neden olmayacak kadar küçük boyutland,r,l,r. Kal,p bo-lubuna doldurulacak s,v, metal, dü-ey yollubun üstünde bulunan döküm az n n içine dökülür. Basit bir huni olarak biçimlendirilen döküm ab,zlar, oldubu gibi, metalin döküldübü ve kal,ba girdibi k,s,mlar,n tümsek ve perdelerle ayr,larak cüruf, köpük ve havan,n dü-ey yolluba girmesinin önlendibi biçimler de vard,r (ekil 2.3). Düey yolluk, a-ab,ya dobru daral,r ve metali yatay yollua iletir. Dü-ey yolluk kesiti a-ab,ya dobru daralt,larak, metalin serbest akmas,na, yani h,z,n,n giderek artmas,na tekabül edecek -ekilde biçimlendirilir ve bu -ekilde dü-ey yolluba hava kaçmas, önlenir. Topuk boyutlar, ve biçimi, yön debi-tirerek yatay yolluba geçen metalin erozyonla kal,b, bozmas,na ve türbülansla gaz almas,na engel olacak -ekilde düzenlenmelidir. Yatay yolluk, uygun konum ve boyutlardaki ara yolluklarla kal,p bo-1ubuna bablan,r. Yatay yollubun ucunda pislik tutucu bulunur. Ara yolluklar, kal,p bo-lubunun bir kenar, boyunca s,ralanabilir veya tüm çevre boyunca düzenlenebilir (ekil 2.4). Ara yolluklar,n konum ve dobrultular,, kal,p bo-lubuna giren s,v, metalin maça erozyonuna neden olmas,n, engelleyecek -ekilde düzenlenmelidir. S,v, metalin kal,ba doldurulmas, i-lemi, yer çekimi yard,m,yla veya bas,nç uygulanarak yap,l,r. En yayg,n olarak kullan,lan, metalin kendi ab,rl,b, ile bir yolluk sisteminden geçerek kal,b, doldurmas,d,r. Döküm, sürekli ve üniform bir h,zla yap,lmal,; döküm h,z,, döküm süresinin bitiminden sonra kat,la-ma ba-layacak -ekilde ayarlanmal,d,r. GerektiBinde birden fazla yolluktan döküm yap,labilir. Döküm h,z, eriyibin kal,ba doldurulma h,z,d,r. Doldurma yava- olursa kal,p tam dolmadan kat,la-ma ba-lar, h,zl, olursa türbülans problemleri ortaya ç,kabilir. Türbülans önlenmelidir, çünkü metalin atmosferle daha fazla temas ederek oksitlenmesine ve ayr,ca kal,p erozyonuna neden olur. ekil 2.4. Ara yolluklar,n düzenleni-i 14
Ahmet ARAN Döküm Teknolojisi S,v, metalin yolluk sistemi içindeki ak,-, Bernoulli denklemi yard,m,yla hesapsal olarak ele al,nabilir. Bu bab,nt,, sürtünmenin ihmal edilmesi durumunda akan bir s,v,da bas,nç, h,z ve yükselti debi-kenleri ile hesaplanan a-ab,daki ifadenin her noktada ayn, oldubunu söyler: p + ½ Uv 2 + Ugh = sabit (p:bas,nç, v:h,z, U:yoBunluk, h:yükselti) Sistem atmosferik bas,nç alt,nda ise ½ Uv 1 2 + Ugh 1 = ½ Uv 2 2 + Ugh 2 yaz,labilir. Bu bab,nt, yard,m,yla yolluk siteminin ç,k,- noktas,ndaki h,z hesaplanabilir. 1 noktas, yolluk sistemi giri-i, 2 noktas, yolluk sisteminin ç,k,- noktas,, dü-ey yolluk yükseklibi h ise ve ba-lang,ç h,z, 0 kabul edilirse v 2 = [2gh bulunur. DiBer bir bab,nt, da süreklilik bab,nt,s,d,r. Tüm yolluk sistemi boyunca kesit debi-ebilir, ancak süreklilik bak,m,ndan debinin sabit kalmas, gerekir. Q = v 1 A 1 = v 2 A 2 GörüldüBü gibi dökülen s,v,, ç,k,- noktas,na yakla-t,kça h,z, artar, yani süreklilik bab,nt,s,na göre yolluk kesitlerinin daralt,lmas, gerekmektedir. Kesit sabit b,rak,l,rsa tüm kesiti s,v, metal dolduramayacab,ndan, yolluk içine hava girer ve s,v, metalle birlikte kal,ba dolar. Bunu önlemek için yolluk sisteminin kesitleri v.a çarp,m, sabit kalacak -ekilde daralt,l,r. Döküm s,ras,nda kal,p dolma süresi (KDS) ise a-ab,daki bab,nt, ile hesaplanabilir. Doldurulmas, gereken kal,p bo-lubunun hacmi V ise KDS = V/Q = V/(A 2 [2gh ) yaz,labilir. Yolluk sistemleri aras,nda en yayg,n olarak kullan,lan, bölüm yüzeyi yolluklar d r (ekil 1.2). Bunun yan,nda ekil 2.5 'te baz, örnekleri verilen taban ve üst yolluk sistemleri de vard,r. Üst yolluk sistemlerinde (aç,k sistemler) cüruf ve pisliklerin tutulmas, ile metalin gaz almas,n,n önlenmesi çok güçtür. Taban yolluklar,nda ise türbülans ve kal,p erozyonu en aza indirilmi-tir, ancak kal,plama i-lemleri daha güçtür. 15
Ahmet ARAN Döküm Teknolojisi ekil 2.5. Taban ve üst yolluk sistemleri 2.4 AKICILIK Metal ve ala-,mlar,n yolluk sisteminden akarak, kal,b, kusursuz olarak doldurma özellibi ak,c,l,k olarak adland,r,l,r. Kal,p içine doldurulan s,v, metalin ak,c,l,b,, malzeme, parça, kal,p ve döküm uygulamas, ile ilgili çok say,da birçok parametreden etkilenir: Döküm s,cakl,b,, Malzemenin,s,l özellikleri, Kal,p malzemesi ve kal,b,n,s,l özellikleri, Yolluk sistemi, Malzemenin kal,p malzemesini,slatma özellibi Parçan,n ve kesitlerinin büyükleri, EriyiBin,s, içeribi Kat,la-ma türü ve aral,b, v.d. ekil 2.6: Döküm spirali 16
Ahmet ARAN Döküm Teknolojisi Kat,la-ma sabit s,cakl,kta ise ak,c,l,k en iyidir (saf ve ötektik ala-,mlar). DiBer ala-,mlarda ise belirli bir s,cakl,k aral,b,nda ayn, anda s,v, ve kat, fazlarbulunur ve ak,c,l,k olumsuz etkilenir. Döküm s,cakl,b,n,n art,r,lmas, ak,c,l,b, iyile-tirmek için kolay bir çözümdür, ancak yüksek s,cakl,klara ç,k,lmas, durumunda, oksit olu-umu, gaz çözünürlübün artmas,, penetrasyon gibi birçok olumsuzlubun ortaya ç,kacab, unutulmamal,d,r. Malzemelerin ak,c,l,k özellibinin saptanmas, için kullan,lan en yayg,n pratik deney "döküm spirali" dir, ekil 2.6. Döküm spiraline belirli ko-ullar alt,nda dökülen s,v, metalin spiral içinde ilerledibi uzunluk, eriyibin döküm kabiliyetinin bir ölçüsü olarak kullan,l,r. 2.5 KATILAMA Metal malzemelerin özellikleri büyük ölçüde kat,la-ma s,ras,nda olu-an içyap, ile belirlenir. Dolay,s,yla özellikle döküm malzemelerin özelliklerinin kontrol edilebilmesi için kat,la-ma olay,n,n (kristalle-me) iyi bilinmesi gerekir. Bir s,v, metalin kat,la-mas, birincil kristalle4me (katla4ma) ve bu s,rada olu-an kat,la-ma içyap,s, (döküm içyap,s,) birincil içyap olarak adland,r,l,r. Döküm parçalarda birincil içyap,, parça ömrü boyunca hiç debi-meyecebinden kat,la-ma olay,n,n çok iyi kontrol edilmesi zorunludur. Haddeleme, dövme gibi plastik -ekil verme yöntemleri sonras,nda bu içyap,,s,l veya termomekanik i-lemler (örnebin normalizasyon, s,cak -ekil verme gibi) ile yeniden olu-turulabilir (yeniden kristalle-me) ve bu -ekilde ortaya ç,kan içyap, ikincil içyap olarak adland,r,l,r. Döküm parçalarda bu imkan genellikle olmad,b,ndan kat,la-man,n iyi kontrolu ile uygun bir birincil içyap,n,n elde edilmesi çok önemlidir. 2.5.1 Saf Metallerde Katla4ma S,v, metal içindeki atomlar düzensiz (amorf) halde olup, sürekli olarak hareket ederler. SoBuma s,ras,nda,s,n,n uzakla-t,r,lmas, ile eriyibin enerjisi giderek azal,r. Saf metallerde kat,la-ma sabit s,cakl,kta olur. Bu s,cakl,ba inildibinde, eriyik içinde kristalle-me merkezi veya çekirdek denilen bir tak,m düzenli atom gruplar, olu-maya ba-lar ve eriyibin diber atomlar, zamanla bunlara eklenerek taneler ortaya ç,kar. Dolay,s,yla kat,la-ma olay,, yani içyap,daki tanelerin ortaya ç,k,-,, çekirdeklenme ve kristal büyümesi diye iki safhaya ayr,labilir. Her biri ayr, bir çekirdek etraf,ndaki büyüme sonucu meydana gelen taneler, metal malzemenin içyap,s,n, olu-turur, ekil 2.8. 17
Ahmet ARAN Döküm Teknolojisi ekil 2.7: Saf bir metalin sobuma ebrisi Çekirdeklenme Çekirdekler çok küçük kat, parçac,klar olup kararl,l,klar,, yani tekrar erimeden büyümeye devam etmeleri, ancak yeterli bir büyüklübe sahip olmalar,na babl,d,r. Bu durum, serbest enerji yard,m,yla aç,klanabilir. Herhangi bir olay,n kendilibinden devam edebilmesi için, bu olayla ilgili serbest enerji toplam,n,n azalmas, gerekir. Kat, durum, s,v,ya göre daha dü-ük enerjili oldubundan, eriyikte kat, parçac,klar,n olu-mas, s,ras,nda kristalle-me,s,s, aç,ba ç,kar. Öte yandan yeni yarat,lan s,v,/kat, ara yüzeylerinin olu-umu için enerjiye ihtiyaç vard,r ve aç,ba ç,kan enerji burada kullan,l,r. Dolay,s,yla çekirdeklenme s,ras,nda sistemin serbest enerjisi kristalle-me nedeniyle azal,rken, yarat,lan yeni yüzeyler dolay,s,yla artma ebilimindedir. Çekirdekler çok küçük iken yüzeyleri hacimlerine oranla büyüktür ve kristalle-me s,ras,nda aç,ba ç,kan enerji, bu yüzeylerin yarat,lmas, için yeterli olmaz. Çekirdek yar,çap, kritik bir r 0 deberine ula-t,b,nda, art, ve eksi i-aretli enerji debi-imleri birbirine e-it olur ve bu r 0 deberinden daha büyük yar,çapl, çekirdeklerde aç,ba ç,kan enerji yüzeylerin yarat,lmas, için gereken enerjiden büyük olacab,ndan ve dolay,s,yla toplam serbest enerji kat,la-ma ile azalacab,ndan kat,la-ma olay, kendilibinden devam eder. Özetle çekirdek tekrar erimeden, kristalin büyümeye devam edebilmesi için, en az r 0 yar,çap,na ula-m,- bulunmas,, veya diber bir deyi-le söz konusu yar,çapa ula-ana kadar gerekli aktivasyonun d,-ardan sablanm,- olmas, zorunludur. 18
Ahmet ARAN Döküm Teknolojisi ekil 2.8 Kat,la-ma s,ras,nda (a) çekirdeklenme, (b,c) dendritik büyüme, (d) kat,la-ma cephelerinin birle-mesi ile olu-an taneler ve tane s,n,rlar,. ekil 2.9 a) A-,r, sobuman,n (T), birim zamanda olu-an çekirdek say,s, (K) ve büyüme h,z,na (W)etkisi b) Saf metallerde artan sobuma h,z,n,n a-,r, sobuma miktar,na etkisi Homojen çekirdeklenme çinde çekirdek görevi yapabilecek parçac,klar (karbür, nitrür, oksit ve diber kat, bile-ikler gibi) bulunmayan ideal ve homojen bir eriyikte kararl, çekirdeklenmeye ili-kin aktivasyon enerjisi, eriyibin kendi enerji içeribinden kar-,lanmal,d,r. Bu nedenle homojen çekirdek olu4umu (öz çekirdeklenme) için bir miktar,s,l a-,r, sobumas, (T) 19
Ahmet ARAN Döküm Teknolojisi gereklidir. Yani eriyik kat,la-maya T e erime s,cakl,b,nda debil, daha dü-ük bir T = T e - T s,cakl,b,nda ba-lar. A-,r, sobuman,n (T) art,r,lmas, ile, birim zamanda olu-an çekirdek say,s, (K) yükselir (ekil 2.9a). Ancak s,cakl,b,n çok dü-mesi halinde bu kez atomlar,n hareketleri çok yava-layacab,ndan, bunlar,n yan yana gelip çekirdek olu-turmas, güçle-ir ve a-,r, sobuma çok artarsa K deberinde tekrar dü-me görülür. Birincil içyap,n,n tane büyüklübü, hem birim zamanda olu-an çekirdek say,s,na (K) ve hem de kristallerin büyüme h,z,na (W) babl,d,r. K ne kadar büyük ise, o kadar ince taneli bir içyap, olu-ur. Kristal büyüme h,z,n,n (W) çok büyük olmas, halinde ise ilk olu-an çekirdekler büyüyerek tüm içyap,y, kaplayacab,ndan yeni çekirdek olu-umuna zaman kalmaz ve içyap, daha kaba taneli olur. ekil 2.9a'da W 2 olarak gösterilen büyüme h,z,na sahip malzemenin içyap,s, W 1 'inkine oranla daha küçük tanelidir. Teknikte kullan,lan döküm ala-,mlar,nda sobuma h,z, kontrol edilerek içyap,daki tane büyüklübü büyük ölçüde ayarlanabilir. SoBuma h,zl, ise (örnebin kokil kal,ba döküm) a-,r, sobuma miktar, ve dolay,s,yla çekirdek say,s, artar. Daha yava- sobuyan kum kal,ba dökümde ise durum bunun tam tersidir. Ayr,ca bir parçan,n farkl, bölgelerinde farkl, sobuma ko-ullar,n,n bulunmas,, ayn, parça içinde farkl, özelliklere sahip içyap,lar,n ortaya ç,kmas,na neden olacakt,r. ekil 2.9b'de saf metallerde sobuma h,z,n,n a-,r, sobumaya (T) olan etkisini özetlenmektir. EBrinin (a) noktas, çekirdek olu-umunun, yani kristalle-menin ba-lang,c,n, temsil etmektedir. Aç,Ba ç,kan kristalle-me,s,s, nedeniyle s,cakl,k, erime s,cakl,b,na kadar artar. Daha sonra T e s,cakl,b, sabit kalarak kat,la-ma devam eder ve (b) noktas,nda sona erer. Heterojen Çekirdeklenme Teknik safl,ktaki s,v, metallerin içinde hemen her zaman kristalle-menin ba-layabilecebi yeterli say,da yabanc, yüzey bulundubundan, çekirdeklenme yukar,da anlat,lan öz çekirdeklenme (homojen) ile debil, heterojen çekirdeklenme yoluyla gerçekle-ir. Çekirdek olarak görev yapabilecek bu "yüzeyler" -unlar olabilir: EriyiBin içinde bulundubu kab,n duvarlar, (örnebin dökümde kal,p yüzeyleri), Erime s,cakl,b, yüksek olan ve eriyik içinde kat, halde bulunan bile-ikler (karbürler, nitrürler, oksitler), 20