3.2.1. Döküm alaşımlarının seçimi ve temini
Deneylerde kullanılacak alaşım seçimi yapılırken kimyasal bileşim esas alınmıştır. Kimyasal bileşimlerdeki farklılıklar katılaşmayı doğrudan etkilediğinden çalışmalarda döküm sektöründe yaygın kullanılan tüm alüminyum döküm alaşımları hakkında bilgi sahibi olunabilmesi için gerekli ve yeterli alaşım seçimi yapılmaya çalışılmıştır. Böylelikle yapılan çalışmalar sonucunda geliştirilmesi planlanan model kriter ile sadece dökümü yapılan alaşımlar değil, bütün alaşımları temsil edecek sonuçlar alınması hedeflenmiştir. Alüminyum döküm alaşımlarındaki temel alaşım elementleri, alaşım elementlerinin ilave miktarları, alaşım elementinin ticari olarak kullanımı göz önüne alınarak Tablo 3.2’de verilen alaşımlar ile dökümlerin yapılmasına karar verilmiştir. Ayrıca deneylerde kullanılması planlanan alaşımlara ait tipik özellikler Tablo 3.3’de verilmiştir.
Alaşımlar primer külçe olarak Seydişehir Eti Alüminyum tesislerinde üretilmiş ve Tuncel Metal (İstanbul) bayisinden temin edilmiştir. Temin edilen külçelerden spektral analiz için numuneler alınarak alaşımın kimyasal bileşiminin uygunluğu Altun Döküm San. Tic. Ltd. Şti (Konya) firmasında Spectero marka, Spectromax M1156235 model alüminyum ve alaşımlarının optik emisyon spektrometre cihazında analizi yapılmıştır. Ancak Etial 220 alaşımı kullanımının
56
kısıtlı olması ve ancak üreticilerin yüklü miktardaki talep üzerine üretim yapıyor olmasından dolayı temin edilememiş, alaşımın kendi imkânlarımızla hazırlanması yoluna gidilmiştir.
Tablo 3.2. Deneylerde kullanılan alaşımların Etinorm standardına göre kimyasal bileşimleri (% Ağ.)
(www.etialuminyum.com, 2014).
Alaşım Fe Si Cu Mn Mg Zn Ti Sn Etial 110 0,70 4,00 - 6,00 2,00 - 4,00 0,20- 0,60 0,15 0,20 0,20 0,05 Etial 140 0,60 11,50 - 13,50 0,10 0,40 0,10 0,10 0,15 0,05 Etial 160 1,00 7,50 - 9,00 3,00 - 4,00 0,50 0,30 1,00 0,20 0,10 Etial 171 0,50 9,00 - 10,00 0,10 0,40 - 0,60 0,30 - 0,45 0,10 0,15 0,05 Etial 177 0,20 6,60 - 7,40 0,02 0,03 0,30 - 0,45 0,04 0,08 - 0,14 0,05 Etial 220 0,30 0,35 4,00 - 5,00 0,10 0,10 0,10 0,05 0,05Tablo 3.3 Deneylerde kullanılan alaşımlara ait tipik özellikler (www.etialuminyum.com, 2014; www.alteams.com, 2014; www.matweb.com, 2014). Alaşım Özgül Ağırlık (gr/cm3) Katılaşma Sıcaklık Aralığı (°C) Isıl İletkenlik (watt/m °K)
Diğer Özellikler ve Kullanım Yerleri
Etial 110 2,76 525 - 625 100 121
İyi döküm, kaynaklanabilme
karakteristiği, silindir başları, yanmalı motorların krank kapakları
Etial 140 2,66 575 - 585 10 142
İnce kesit ve karışık dökümler, motor kutular, ölçme kutuları, pompa parçaları, deniz atmosferi
Etial 160 2,76 540 - 595 55 96 İyi yüzey gerektiren basınçlı dökümlerde kullanılır
Etial 171 2,64 575 - 595 20 146
Mukavemet dökülebilme özelliği, korozyona dayanımı, basınçta sızdırmazlık
Etial 177 2,68 540 - 610 70 151 Otomotiv sanayinde basınçlı sızdırmazlık jant yapımında kullanılır
Etial 220 2,75 565 - 645 80 190 Kum ve kokil dökümlerde, dişli kutularında kullanılır
3.2.2. Etial 220 alaşımlandırma çalışmaları
Etial 220 alaşımının kimyasal analizi dikkate alındığında içerisinde alaşım elementi olarak %4-5 arasında Cu elementi olduğu gözlenmektedir. Bu sebeple alaşım hazırlanmasında %99,8 Al içeren ticari saflıktaki primer Etial 8E alaşımına %99,99 Cu içeren iletken saflığında bakır alaşımı ilavesi yapılmıştır. Alaşımlandırma işlemi Teknoloji Fakültesi Döküm Laboratuvarı bünyesinde bulunan indüksiyon ocağında gerçekleştirilmiştir. 8 kg Al ergitme
57
kapasiteli indüksiyon ocağı içerisine katılacak Cu miktarı aşağıdaki şekilde hesaplanarak ilave edilmiştir.
İlave Edilecek Miktar = [(Hedef Değer – Mevcut değer) / (Tenör – Hedef Değer )] x Ocak
ağırlığı (Çolak, 2011). (3.5)
İlave Edilecek Miktar: Etial 220 için ocak içerisine katılması gereken Cu miktarı. Hedef Değer: Etial 220 alaşım standardında olması gereken %Cu değeri.
Mevcut değer: Etial 8 alaşımı içerisinde mevcut % Cu değeri.
Tenör: Cu alaşımlandırma işleminde ocağa katılan alaşım elementindeki Cu %değeri. Ocak ağırlığı: Ocakta yapılmak istenen toplam alaşım ağırlığı.
İlave Edilecek Cu = [(% 4,5 – % 0,01) / (% 99 – % 4,5 )] x 7,5 kg İlave Edilecek Cu = 0,356 kg
Yapılan hesaplamalara göre Etial 220 alaşımı hazırlamak için; 8 kg kapasiteli indüksiyon ocağı içerisine 356 gr bakır tel ve 7500 gr Etial 8E alaşımı ilave edilmiştir. Ocak içerisine Etial 8E alaşımı yüklendikten sonra sıcaklık 700 °C sıcaklığa çıkılarak ergitme gerçekleştirilmiş ve bakır tel sıvı metalin içerisine daldırılmıştır. Bakır tel sıvı metal içerisinde tamamen ergitildikten sonra, sıvı metal gaz alma ve cüruf alma işlemlerine tabi tutularak grafit kalıp içerisine dökülmüştür. Hazırlanan alaşımın kimyasal bileşiminin Etial 220 standart değer aralık limitinde olup olmadığının kontrolü için kimyasal analiz için numuneler alınmış ve spektral analiz testleri yapılmıştır.
3.2.3. Soğuma eğrisi alma deneyleri
Alaşımlara ait Tablo 3.2’de verilen kimyasal bileşim değerleri incelendiğinde, elementlerin %2’ye varan oranlarda tolerans aralığına sahip olduğu görülmektedir. Buna bağlı olarak deneylerde kullanılan alaşımların katılaşma sıcaklık aralıkları sabit olmayacağından her bir alaşımın katılaşma eğrisinin deneysel olarak ölçümü yapılmıştır. Döküm simülasyon programında da gerçek döküm şartlarının bilgisayara birebir aktarılması başarılı sonuçlar alınabilmesi için kritik bir öneme sahip olduğundan alaşımların her biri için alınan sıcaklık zaman grafikleri simülasyon programına bire bir girilmiştir. Alaşımların sıcaklık zaman grafiklerinin elde edilmesi amacıyla külçelerden alınan numuneler ergitilerek silindirik numune kalıbı şeklinde hazırlanmış kum kalıplara dökümleri yapılmıştır. EK-3 Şekil 3.9’da kum kalıpta soğuma eğrisi alma işlemi şematik olarak verilmektedir. Kokil kalıpta soğumanın modellenmesi için EK-3 Şekil 3.10’da gösterilen düzenek kullanılarak her bir alaşım için kokil
58
kalıpta soğuma eğrileri elde edilmiştir. Kum ve kokil kalıplardan sıcaklık zaman değişimi verileri kalıplara bağlanan K tipi termokapıl telleri ile 1 sn aralıkla ve 0.1 °C hassasiyette veri kaydedici (Data logger) yardımıyla alınmıştır. Veri kaydediciden elde edilen veriler Mirosoft Excell programında işlenerek soğuma eğrileri oluşturulmuştur. Ancak alınan soğuma eğrilerinden kum ve kokil kalıptaki soğuma hızına bağlı olarak katılaşma aralıkları çok net belirlenememiş ve elde edilen sonuçlarda farklılıklar tespit edilmiştir. Bu sebeple alaşımlara ait ergime ve katılaşma sıcaklıklarının daha net belirlenebilmesi için fırın içerisinde yavaş soğuma şartlarında veri kaydedici ile sıcaklık zaman verileri alınmıştır. Bu işlem şematik olarak EK-3 Şekil 3.11’de gösterilmiştir. Ocak içerisinde bor nitrür ile kaplanmış çelik pota içerisine külçe alaşım yüklenmiş ve alaşımın sıcaklığı 700 °C’ye gelince fırın kapatılarak soğumaya bırakılmıştır. Sıcaklık zaman verileri sıcaklık 400 – 450 °C’ye düşünceye kadar alınmıştır. Sıcaklık 400 °C’ye gelince tekrar ısıtma yapılarak bu kez ısıtma esnasındaki dönüşüm sıcaklıkları belirlenmek üzere veri alınmıştır. Böylece ısıtma ve soğutma esnasındaki dönüşüm sıcaklıkları ve aralarındaki farklar belirlenmiştir.
3.2.4. Termal analiz çalışmaları
Deneylerde kullanılacak alaşımların dönüşüm sıcaklıklarının daha yüksek hassasiyette belirlenebilmesi açısından termal analiz deneyleri yapılmıştır. İlk olarak Sakarya Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Laboratuvarlarında yer alan termal analiz cihazında azot gazı atmosferinde 10 °C/dk hızda ısıtılarak 700 °C’ye kadar ısıtma şartlarında termal analiz deneyleri yapılmıştır. Ancak deney alaşımlarına ait termal analiz deneyleri ısıtma esnasında yapıldığından sonuçlar geçerli bulunmamıştır. Dökümde sıvı metalin katılaşması söz konusu olduğundan deneyler Bilecik Üniversitesi Merkezi Araştırma Laboratuvarında, alaşımın 10 °C/dk soğutulması esnasında azot atmosferinde yapılmıştır. Termal analiz çalışmaları Set Aram Instrument LABSYS marka maksimum 1600 °C sıcaklığa çıkma kapasitesine sahip termal analiz cihazında yapılmıştır. Deneylerde soğutma hızı modelin dökümü ile eşleştirebilmek adına parça katılaşma ve soğuma şartlarına göre belirlenmiştir.