DÖKÜM PRENSİPLERİ VE TEKNOLOJİSİ Standard with two long-horned bulls, 2400 2000 B.C.; Early Bronze Age III North central Anatolia Arsenical copper; H. (15.9 cm) Prof. Dr. AHMET ÖZEL Sakarya 2015 1
BÖLÜM 1 GİRİŞ VE TARİHÇE Günümüz insanının yaşam standartlarında sağlanan olağanüstü artış, önemli oranda yüksek kaliteli ürünlerin tasarımı ile bunların seri ve ucuz olarak üretimini sağlayan üretim yöntemlerinin geliştirilmesi sayesinde olmuştur. Bu sebeple Mühendisler her bir üretim yöntemini iyi bilmeli ve bu yöntemlerin üstünlüklerini ve olumsuz yanlarını tanıyarak elde etmek istedikleri tasarıma en kısa yoldan ulaşmak için gerekli adımları atmak zorundadırlar. Üretim, doğada bulunan maddeleri istenilen özellik ve biçimdeki ürünlere dönüştürmek olarak tanımlanabilir. Kısacası malzemelerin istenilen biçim ve boyutlara getirilmesi olup, genellikle imal usulleri olarak da anılmaktadır. Çok değişik yöntemleri içeren üretim yöntemleri döküm, kaynak, plastik şekil verme, toz metalurjisi, talaş kaldırma ve hızlı prototip ile yapılan üretimleri içerirler( Şekil 1.1) Şekil 1.1. Üretim Yöntemleri Metal dökümü özetle istenilen bir şekli elde etmek için, seçilen metal veya alaşımın ergitilmesi ve istenen şeklin negatifi olan kalıp boşluğuna, yerçekimi veya basınç uygulanarak doldurulup katılaştırıldığı yöntem olarak tanımlanabilir. Sağlam bir döküm elde etmek için altı ana ilke göz önünde tutulur: 1. Uygun döküm yöntemini seçimi 2. Seçilen yönteme göre kalıp ve model tasarımı (yolluk ve besleyici hesaplamaları ) 3. Kalıp ve maçaların hazırlanması, özelliklerini belirlenmesi ve kontrolü 4. Alaşım hazırlama, uygun ergitme ünitesinin seçilmesi, ergitme için gerekli işlemlerin yapılması (gaz giderme, flakslama, aşılama, modifikasyon) 5. Sıvı metalin kalıba uygun şekilde ve akıcılıkta girişinin sağlanması 6. Çekirdeklenme, katılaşma ve dolayısıyla döküm yapısının kontrolü Döküm Yönteminin Üstünlükleri Çeşitli parçaların üretiminde, bazı durumlarda yalnızca dökümden faydalanmak yeterli olmasına rağmen, bazı durumlarda da kaynak, dövme, plastik şekil verme ve talaşlı imalat gibi üretim yöntemlerinden de faydalanmak gerekmektedir, üretim de her tekniğin yeri ayrıdır. Her yöntemin üstün olduğu ve tercih edildiği üretim kademeleri mevcuttur. Döküm yolu ile üretimin tercih edilmesini gerektiren hususlar ve dökümün üstünlükleri aşağıdaki şekilde sıralanabilir: İçten ve dıştan çok karışık şekilli parçalar dökülebilir. Böylece, bazı üretim yöntemleri azaltılabilir veya tamamen ortadan kaldırılabilir. Dökme demirler gibi bazı metaller sadece döküm yolu ile üretilebilirler 2
Üretim basitleştirilebilir. Döküm yolu ile parçalar tek bir işlem ile üretilebilirken, diğer usullerde bazı parçaların birleştirilmesi gerekir. Çok sayıda ve hızlı üretim yapılabilir. Diğer usullerle yapımı zor ve ekonomik bakımdan uygun olmayan büyük ve ağır parçalar dökülebilir. Dökümlerin bazı mühendislik özellikler daha iyi elde edilebilir. Örnek olarak: Dökme demirde işlenebilme ve titreşime karşı koyma kabiliyeti yüksektir. Dökümde özellikler her yönde aynıdır. Bazı hafif metal alaşımlarında mukavemet ve hafiflik ancak dökümle sağlanır. Aşınmaya karşı daha iyi özellikler dökümle elde edilebilir. Döküm ekonomik avantaj sağlar. Bazı şartlar altında da, diğer üretim yöntemleri döküme tercih edilir. Mesela; talaşlı imalatta elde edilen çok düzgün yüzey ve ölçüye uygunluk, döküm dahil diğer hiçbir usulde sağlanamaz. Dövme ile yüksek mukavemet ve sertlik elde edilir; kaynakla komple parçalar yapılabilir; perçinle hafif ince malzemeler birleştirilebilir. Bundan dolayı, mühendis üretim yöntemlerinden en uygun birini veya birkaçını yapacağı iş için seçer. Döküm Yönteminin Olumsuzlukları: Çok ince kesitlerin elde edilmesi güçtür. Az sayıda parça üretimi için genellikle ekonomik değildir. Aynı malzemenin plastik şekil verme yöntemleri (örneğin dövme) ile elde edilmiş olanı, dayanım bakımından genellikle daha üstündür. Genellikle hassas boyut toleranslarının ve iyi yüzeyin kalitelerinin sağlanması güçtür. Çevre dostu bir imalat yöntemi değildir. TARİHÇE İnsanların metallerle tanışıp malzeme olarak kullanmalarının MÖ 6000 'den önceki yıllara kadar uzandığına ait bulgulara dayanan tahminler yapılmaktadır. Bu devirlerde özellikle doğada saf olarak bulunabilen altın ve gümüş gibi metallerin şekillendirilebilme kolaylıklarından dolayı sadece tas, bardak kupa gibi basit eşyaların yapımında kullanıldığı tahmin edilmektedir. Şekil 1.2. Metallerin kronolojik sıralanışı 3
Bakır metalinin tanınması da altın gümüş gibi önceleri saf olarak bulunanlardan kullanılmaya başlamakla beraber, özellikle MÖ 6000 yıllarında Mezopotamya'da Malahit (Yeşil renkli Bakır karbonat minerali)'den bakırın elde edilip kullanıldığına dair, önemli ipuçları mevcuttur. Metallerin keşfi (şekil 1.2) ve ilk kullanımının Mısır, Babil, Hint ve Çin kültürlerinde ilk kentlerinin kurulmasını ve böylece insanların tarım dışı işlerle ilk defa uğraşmaya başlamalarını teşvik etmiştir. Böylece sanat mesleklerinin gelişmesi de hızlanmıştır. MÖ 3000 yıllarında Kıbrıs ve Anadolu'da çıkarılan, bakır ve diğer madenlerin kullanıldığı Mısır, Sümer Medeniyetinde bakırın arsenik, kalay ve kurşun ile karışımlarından bronz alaşımı yapmak ve döküm yolu ile şekillendirme suretiyle Metalurji teknolojisi gelişmeye başlamıştır. Yine bu devirde Mezopotamya'da günümüzde hassas döküm olarak bilinen ve uygulanan mum kalıp döküm yönteminin kullanıldığı da yapılan kazılardan anlaşılmaktadır. Önceleri dövülerek biçimlendirilen bakırın, yüksek sıcaklıklarda eridiğini gören insanlar bu malzemeyi dökerek kullanmaya başlamışlardır. Bir bakır alaşımı olan bronz da bir rastlantı sonucunda bulunmuş ve dayanımı bakırdan daha yüksek olan bu malzeme bir tarih öncesi çağa adını vermiştir. Bu çağlarda kullanılan eritme ocaklarına bakır cevheri ile odun, tabakalar halinde doldurulur ve ayakla çalışan keçi derisi körükler yardımıyla eritilen metal, taş veya pişirilmiş kilin işlenmesiyle elde edilen kalıplara dökülürdü. Önceleri tek parça açık kalıplara balta ve diğer yassı parçaların üretimi için kullanılan döküm tekniği, yuvarlak parçaların üretilmesi için iki veya daha çok parçalı kalıpların kullanımıyla geliştirilmiştir. BRONZ ÇAGI (M.Ö. 3300-1200) Bakıra, Kalay ilave ederek bronz elde edilirken (~ %88 Cu - %12 Sn) (Şekil 1.3.) Anadolu'da kalay bulunmadığı için Hititler, bakır ile arseniği karıştırmak suretiyle yeni bir alaşım bulmuşlar ve bütün bu gelişmeler de Bronz (tunç ) çağının başlamasına yol açmıştır.(şekil 1.4). Aynı şekilde ilk demir üretimi de M.Ö. 1500 yılında yine Anadolu'da yapılmıştır. Şekil 1.3. Cu-Sn ve Cu-As denge diyagramı Demir metalinin bilinmesi de bronz kadar eski olmasına rağmen uzun zaman tek kaynak olarak meteoritlerden istifade edilmiştir. Anadolu'da Hititler hatırı sayılacak kadar çok demirden silah kullanan ilk topluluktur. Bundan dolayı Hititler yüksek nitelikli demir işçiliği ve sanatıyla uğraşan ilk uygarlık olarak ün kazanmışlardır (Şekil 1.5). Hititlerin daha bronz çağında iken demir işçiliği ile uğraştıkları tahmin edilmektedir. 4
Şekil 1.4. Bronz Çağı ve Tarihsel Gelişimi Şekil 1.5. Hititlerin Yaptığı Çeşitli Döküm Parçalar Anadolu tüm kültürlerin beşiği vazifesini gördüğü gibi dökümcülükte de en eski olma özelliğini korumuştur. Konya Çumra yakınında yapılan Çatal höyük kazısında MÖ 6000 yıllarında Anadolu'da madencilik yapıldığı tespit edilmiştir. Tokat yöresinde -Ankara -Karaali ve Amasya-Gümüşköy bucağındaki kazılarda 70.000 ton ile 1.5 Milyon ton arası değişen cüruf haznelerine rastlanmış, buradan alınan cüruf analizlerinden MÖ 1880 yıllarında çok iyi döküm yapıldığı tespit edilmiştir. MÖ 900-600 yıllarında Urartu'lar Kuzey İtalya'daki Etrüskler'e -Yunanistan'a tunçtan dökülmüş ürünler ihraç ettikleri tarihi belgelerden anlaşılmaktadır. Tokat Erbaa'da Gümüşlük mevkiinde yapılan sondajlarla araştırmalarda galerilerde MÖ 3800 yıllarına ait ahşap kazıma ve taşıma el aletlerine rastlanmıştır. Yine Kütahya Gümüşköy Aktepe bölgesinde MÖ 2400 yıllarında madenciliğin çıra ışığında yapıldığı anlaşılmaktadır. MÖ 700-550 yıllarında Anadolu'da yaşayan FRİGLER zamanında da döküm tekniğinin çok yüksek kalitede olduğu bilinmektedir. Alacahöyük'te yapılan kazılarda (1937) içinde % 9-17 arasında kalay ihtiva eden MÖ 2400 yıllarına ait bronz parçalar bulunmuştur. Aynı kazıda MÖ 3000 yılına ait altın kabzalı bir hançer bulunmuştur. Görüldüğü gibi metalurjinin önceleri ortaya çıktığı bölgeler Anadolu civarı ve Anadolu ile iç içe ilişkili olan bölgeler olup Türklerin de Metalurji ile ilk uğraşan topluluklardan biri olduğu anlaşılmaktadır. Anadolu Türk Uygarlıklarına gelindiğinde Metalurji ve döküm teknolojisinin 15. Asırdan sonra gelişme gösterdiğini görebiliyoruz. 5
En önemli gelişmenin İstanbul un Fethinden önce 1450 yıllarında Padişah Fatih Sultan Mehmet, mühendis Saruca Bey ile Mimar Muslihiddin hoca ve o sırada Bizans'ta çalışan ancak ücretinin az olmasından dolayı mühendis Saruca Beye müracaat eden Macar asıllı top dökümcüsü ORBAN'ın yardımları ile İstanbul tophane mevkiinde yapılan ilk top döküm tesisinde dev topların dökümüne başlanmıştır. Bu tesis her ne kadar top gövdeleri dökümü için geliştirildiyse de diğer askeri araçlarında yapımında önemli görevler görmüştür. II. Beyazıt zamanında Tophane genişletilmiştir. Osmanlı imparatorluğunun yükselme ve genişleme dönemi olarak önemli bir bölümünde padişahlık yapan Sultan Süleyman (1520-1568) eski Tophaneyi yıkarak yerine daha büyük ve daha modern tophanenin kurulmasını sağlamıştır. Şekil 1.7. Osmanlı Döneminde Dökülen ve İstanbul un Fethinde Kullanılan Şahi Topu 1862 yılında İstanbul'a gelen İngiliz elçisi eserinde Tophane'de yılda 300 Top döküldüğünü anlatmaktadır. 1835 yılında ölen Hoca İshak Efendinin 127 sayfa metin ve 60 sayfa Teknik Resim çizimli Teknik Kitabında tamamı top dökümüne ait yakın çağın teknolojik çalışmaları bulunmaktadır. Hoca İshak Efendi Mühendishane-i Berri Hümayunda (İ.T.Ü.) hocalık yapmış,modern döküm ve sanayi konularında ders vermiştir. Bu gün bu kitabın bir nüshası Askeri Müze koleksiyonunda bulunmaktadır. Avrupalı dökümcülerin ise 13.yüzyıla kadar en önemli uğraşları kiliselere çan dökmek olmuştur. Bu sebeple döküm uygulamaları başlangıçta kiliselerin himaye ve kontrolünde gerçekleşmiştir. Tarihte ilk top bir rahip tarafından bronz malzemeden 1313 yılında dökülmüştür. Bunun dışında özellikle İtalya'da çok sayıda sanat dökümü de üretilmiştir. Papalık dökümhanesinin başında bulunan Biringuccio döküm teknolojisi hakkında Pirotechnica adlı ilk yazılı eseri hazırlamıştır. Rönesans'tan sonra canlanan ticaret, bağımsız bir döküm sanayinin gelişmesini de sağlamıştır. 6
GÜNÜMÜZDE DÖKÜM SEKTÖRÜ Toplam Döküm Üretimi : 100 milyon ton (2013) Pik Sfero Temper Çelik Demir Dışı : 46 milyon ton : 25 milyon ton : 1,2 milyon ton : 11 milyon ton : 17,1milyon ton Çin ABD Rusya Hindistan Japonya Almanya Brezilya İtalya Türkiye : 42,5 milyon ton : 12.8 milyon ton : 7.8 milyon ton : 9.3 milyon ton : 5.3 milyon ton : 5.2 milyon ton : 2.8 milyon ton : 1.9 milyon ton : 1.4 milyon ton 2013 yılı rakamlarına göre Türkiye, Dünya Döküm Üretiminde demir-çelik ürünlerinde 10.sırada, demirdışı döküm ürünlerinde ise 14. sırada yer aldı. Çalışma Soruları 1. Üretim Yöntemleri nelerdir? Sınıflandırınız 2. Tarih öncesinde metallerin kronolojik sıraya göre sıralanışı nasıldır? 3. Bronz nedir? 4. Htitler bronz alaşımını neden ve nasıl üretmişlerdir? 5. Döküm Teknolojisi konusunda Avrupada ilk basılı eser nedir ve kim tarafından yazılmıştır? 6. İstanbul un fethinde kullanılan toplar neden yapılmış ve özellikleri nelerdir? 7. Günümüzde Dünya, Avrupa ve Ülkemiz döküm sektörünün konumu ve durumunu tartışınız? 7