ÜRETİM YÖNTEMLERİ. Dr. Öğr. Üyesi Harun YANAR

1

ÜRETİM YÖNTEMLERİ

Dr. Öğr. Üyesi Harun YANAR

KAYNAKLAR

Ana Kaynak-Ders Kitabı:

1. M. P. Groover, Fundamentals of Modern Manufacturing, John Wiley and Sons, USA. Çeviri: M. Yurdakul ve Y. Tansel İç, Modern İmalatın Prensipleri, Nobel Akademik Yayıncılık, 2015, Ankar.

Yardımcı Kaynaklar:

1. Muammer GAVAS, Mustafa AYDIN, Mustafa YAŞAR, Yahya ALTUNPAK, ÜRETİM YÖNTEMLERİ ve İMALAT TEKNOLOJİLERİ, 4. Baskı, SeçkinYayıncılık San.veTic.A.Ş, 2015, Ankara.

2. S. Kalpakjian, S. R. Schmid, Manufacturing Engineering and Technology, Prentice Hall, New Jersey,USA.

3. J.A. Schey, Introduction to Manufacturing Processes, McGraw-Hill, 1987, New York, USA.

4. A. Aran, Metal Döküm Teknolojisi, Birsen Yayınları, İstanbul, 2007.

5. S. Anık, A. Dikicioğlu ve M. Vural, İmal Usulleri, Birsen Yayınları, İstanbul, 2006.

6. G. Pürçek, Ders notları.

2

Objelerin yapılması, kayıtlı tarihin başlangıcından beri,

insan medeniyetlerinin temel bir faaliyeti olmuştur. Günümüzde bu faaliyeti ifade etmek için imalat (üretim) terimi kullanılır.

İmalat, ekonomide toplumun maddi refah oluşturmasını sağlayan önemli bir araçtır. Günümüz küresel ekonomisinde, bir ülkenin güçlü bir ekonomisinin ve halkının yüksek bir yaşam standardının olabilmesi için sağlam bir imalat alt yapısına sahip olması gerekir.

İmalat/üretim Nedir?

3

İmalat/üretim Nedir?

Modern manada bir çalışma alanı olarak, imalat biri teknolojik ve diğeri ekonomik olmak üzere iki şekilde tanımlanabilir.

Teknolojik olarak imalat (manufacture), parçaların ve ürünlerin yapımı için belirli bir başlangıç malzemesinin geometrisi, özellikleri ve/veya görünümünün değiştirilmesi için fiziksel ve kimyasal işlemlerin uygulanmasıdır. İmalat, ürünlerin yapımı için çoklu parçaların montajını da kapsar.

Ekonomik olarak imalat, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi bir veya daha fazla işlem ve/veya montaj işlemleri ile malzemelerin katma değeri daha yüksek ürünlere dönüştürülmesidir. İmalatın en önemli özelliği malzemeye, şeklini ve özelliklerini değiştirerek veya benzer şekilde değiştirilmiş diğer malzemeler ile birleştirerek, değer katmasıdır. Malzeme, üzerinde gerçekleştirilen imalat yöntemleriyle daha değerli hale gelir.

• Demir cevheri çeliğe dönüştürüldüğünde katma değeri artar.

• Petrol plastik haline rafine edilirse katma değeri artar.

• Plastik de karmaşık şekilli bir veranda sandalyesine dönüşürse katma değeri artar.

ŞEKİL 1 .1 İmalatın iki farklı tanımı: (a) teknik bir işlem olarak ve (b) ekonomik bir işlem olarak.

4

İmalat Ürünleri: İmalat sanayileri tarafından yapılan nihai ürünler, tüketim malları ve yatırım malları olarak iki ana gruba ayrılır.

Tüketim malları: Otomobiller, kişisel bilgisayarlar, televizyonlar, araç lastikleri ve tenis raketleri gibi müşteriler tarafından doğrudan satın alınan ürünlerdir.

Yatırım mallar: Şirketler tarafından mal üretmek ve/veya hizmet sunmak üzere satın alınan mallardır.

Yatırım mallarının örnekleri arasında; uçaklar, bilgisayarlar, lokomotifler, takım tezgahları ve inşaat ekipmanları sıralanabilir. Bu yatırım mallarının çoğu hizmet sektöründeki işletmeler tarafından satın alınır.

Nihai ürünlere ilaveten diğer imal edilmiş mallar; malzemeler, parçalar ve nihai ürünleri yapan firmaların kullandığı sarf malzemeleridir. Bu mallara bazı örnekler; sac metal, metal çubuklar, preslenmiş metal parçalar, işlenmiş parçalar, ekstrüzyon ve kalıplama ile imal edilmiş plastik parçalar, kesici takımlar, kalıplar ve yağlayıcılardır.

Bu ders, genel olarak sürekli işlemler ile üretilen mallardan ziyade ayrık malları (münferit parçalar ve montajlı ürünleri) ele almaktadır.

Preslenmiş bir metal parça ayrık bir maldır, ancak bu ürünün imal edildiği sac-metal rulosu sürekli sayılabilecek bir üründür. Birçok ayrık parça, ekstrüzyon ürünleri ve elektrik telleri gibi sürekli veya yarı-sürekli ürünlerden çıkarılmaktadır. Bu imalat işlemlerinde sürekli (sayılabilecek) uzun profiller veya ürünler arzu edilen boylarda kesilmişlerdir. .

İMALAT SANAYİLERİ VE ÜRÜNLERİ

5

İmalat Miktarı ve Ürün Çeşitliliği:

Bir fabrika tarafından yapılan ürünlerin miktarının, o işletmenin personel altyapısı ve işlemlerinin organize edilme şekli üzerinde önemli bir etkisi vardır.

Üretim miktarı, belli bir ürün tipinden yıllık üretilen parça sayısını ifade eder.

Ürün çeşitliliği, tesiste üretilen değişik ürün tasarımları ve tiplerini ifade etmektedir. Farklı ürünlerin farklı tip ve çeşitliliği söz konusudur, farklı fonksiyonları bulunmaktadır, farklı pazarlar için tasarlanmıştır ve bazılarının parça sayısı diğerlerinden fazladır.

Fabrika açısından, ürün çeşitliliği ile üretim miktarı açısından ters bir orantı söz konusudur. Ürün çeşitliliği fazla ise bu işletmenin üretim miktarı muhtemelen düşüktür. Diğer taraftan üretim miktarı yüksek ise ürün çeşitliliği düşük olacaktır. İmalat tesisleri, aynı anda üretim miktarı ve ürün çeşitliliği konularında aşağıdaki şekildeki çapraz bant aralığında kalacak şekilde uzmanlaşmak eğilimindedir.

Ürün çeşitliliğindeki farklar ‘yumuşak’ ve ‘sert’ ifadeleri ile tanımlanmaktadır.

Yumuşak ürün çeşitliliği: Ürünler arasında, örneğin aynı üretim hattında yapılan araba modelleri arasındaki farklar gibi, sadece küçük farklar varsa söz konusudur.

Montajı yapılmış bir üründe yumuşak çeşitlilik, modeller arasında yüksek oranda benzer parçaların olması demektir.

Sert ürün çeşitliliği: Ürünler arasında önemli oranda fark varsa söz konusudur. Bir binek arabası ile kamyon arasındaki fark sert çeşitliliğe örnektir.

6

İMALATTA KULLANILAN MALZEMELER İmalat işlemi, bir malzemenin değerini artırmak amacıyla fiziksel ve/veya kimyasal olarak değişimine yönelik tasarlanmış bir yöntemdir. Bir imalat işlemi genellikle birim işlem olarak, yani başlangıç malzemesini son ürün haline dönüştürmek için gerekli işlem basamaklarından yalnızca biri olarak gerçekleştirilir.

İmalat işlemleri iki temel sınıfa ayrılır. Bunlar:

(1) İşleme yöntemleri, (2) Montaj işlemleridir.

İşleme yöntemleri, bir iş parçasını belirli bir halden arzu edilen son ürüne daha yakın bir hale dönüştürür. İşleme teknikleri genel olarak ayrık iş parçalarında uygulanır. Ancak, bazı işleme yöntemleri (örneğin nokta kaynaklı bir otomobil gövdesinin boyanması gibi) montajlı parçalara da uygulanabilir.

Montaj (‘birleştirme) işlemleri, iki veya daha fazla parçayı birleştirerek montaj ve alt montaj denilen veya birleştirme işleminin adı ile ifade edilen (örneğin, kaynaklı bir montaja kaynaklı bağlantı denir) yeni bir ürün haline getirirler.

İmalat işlemlerinin sınıflandırılması Şekil 1.4’te sunulmaktadır.

7

İMALAT İŞLEMLERİ

ŞEKİL 1.4. İmalat işlemlerinin sınıflandırılması.

Döküm, sıvı metalin şeklini aldığı kalıp boşluğuna yerçekimi sayesinde veya basınç altında doldurulduğu ve katılaştırıldığı bir üretim yöntemidir. Döküm ifadesi ayrıca bu yöntem ile üretilen parçaya da verilen isimdir.

Uygulaması 6000 yıl öncesine kadar giden en eski üretim yöntemlerinden birisidir. Döküm yönteminin prensibi basit gözükür: metal erg»itilir, kalıp boşluğuna doldurulur ve soğumaya-katılaşmaya bırakılır. Ancak, döküm işleminin başarılı bir şekilde gerçekleştirilebilmesi için birçok faktör ve değişkenin dikkate alınması gereklidir.

Döküm hem ingot hem de parça dökümü işlemlerini kapsar.

Ingot döküm, genellikle ara ürün üretimi yapan primer metal endüstrilerinde yapılır. İngot, daha sonra dövme ve haddeleme ile tekrar son şekillendirmenin yapıldığı basit şekilli büyük döküm parçalarıdır. Bu ders kapsamında ele alınacak parça dökümü, ürün veya parçanın son şekline oldukça yakın daha karmaşık geometrilerin dökümünü kapsamaktadır.

Katılaştırma, malzemeye bağlı olarak üç grupta incelenir:

1) Metaller 2) Seramikler

3) Polimerler ve polimer esaslı kompozitler

9 Döküm yoluyla üretimin diğer yöntemlerden üstünlükleri

*Yöntemin sınırları çok geniş olup, hem çok küçük hem de tonlarca ağırlıktaki büyük parçaların üretimine uygun değişik döküm teknikleri bulunmaktadır.

*Çok karmaşık ve içi boş parçaların üretimi mümkündür.

*Bazı malzemeler (örneğin dökme demirler) sadece döküm yöntemiyle üretilebilirler.

*Seri üretime uygun ekonomik bir yöntemdir.

Döküm yönteminin sınırları

*Çok ince kesitlerin elde edilmesi güçtür.

*Az sayıda parça üretilmesi için genellikle ekonomik değildir.

*Aynı malzemenin plastik şekil verme yöntemleri (örneğin dövme) ile elde edilmiş olanı, dayanım bakımından genelde daha üstündür.

*Genellikle hassas boyut toleransların ve yüzey kalitesinin sağlanması zordur.

*Çevre dostu bir imalat yöntemi değildir.

Dökümle yapılabilen parçalar:

Büyük parçalar

Otomotiv araçları için motor blokları ve silindir

kafaları, makina gövdeleri, vagon tekerlekleri, borular, büyük heykeller, pompa gövdeleri

Küçük parçalar

Diş kaplamaları, mücevher, küçük heykeller, kızartma tavaları

Demir esaslı ve demir dışı tüm metal türleri dökülebilir.

3

ERGİTME VE KALIBA DÖKÜM

Döküm işlemini gerçekleştirmek için metal, ergime sıcaklığının üzerinde bir sıcaklığa ısıtılarak ergitilir, bir kalıp içerisine dökülür ve katılaşmaya bırakılır.

METALİN ERGİTİLMESİ

Ergime Isısı: Ergime sıcaklığına ulaşılması ile sıcaklık bir süre yükselme göstermez. Ergimenin başlamasıyla birlikte, verilen ısı daha çok atomların düzenli kafes yapısı durumundan, düzensiz olan sıvı fazdaki durumuna; yani belirgin olmayan bir atom hareketinin görüldüğü duruma geçmesine neden olur. Ergime esnasında harcanan ısıya ergime ısısı denir. Bu ısı malzeme içerisinde bir sıcaklık yükselmesine yol açmadığından buna ayrıcadönüşüm ısısı ya da gizli ısı denilmektedir

Ergitme için gerekli ısı enerjisi:

Q= ρ. V. (c_k(Te-To) + r + c_s(Td-Te)) denklemiyle belirlenir. Birim ağırlık başına düşen ısının hesaplanmasında kullanılan bu denklemde ;

Q: Toplam ısı (J)

c_k: Katı durumdaki özgül ısı ( J/gC) c_s : Sıvı durumda özgül ısı (J/gC) Td: Döküm sıcaklığı (C)

Te : Ergime sıcaklığı (C) ρ : Yoğunluk (g/cm3) r: Ergime ısısı (J/g)

V: Ergitilen metalin hacmi (cm3)

Metal uygun sıcaklığa ısıtıldıktan sonra kalıba dökmek için hazırdır. Sıvı metalin kalıba doldurulması ve bu esnada sıvı metalin yolluk sisteminden geçerek kalıp boşluğuna akması döküm işleminin önemli bir adımıdır. Bu işlemin başarılı olması için sıvı metal katılaşmadan kalıp boşluğunun tüm detaylarını doldurmalıdır.

Sıvı metalin kalıba doldurulması işleminde önemli olan faktörler:

Döküm sıcaklığı, Döküm hızı ve Türbülanstır.

Döküm Sıcaklığı: Sıvı metalin kalıba döküldüğü andaki sıcaklığıdır. Burada önemli olan döküm başlangıcındaki sıcaklıkla katılaşmanın başladığı sıcaklık arasındaki farktır. Bu sıcaklık farkına bazen aşırı ısı denir. Bu ifade, sıvı metalin kalıba dökülmeye başlaması ile katılaşmanın başlangıcı arasında sıvı metalden uzaklaştırılması gereken ısı miktarı için de kullanılır.

Döküm Hızı: Sıvı metalin kalıba boşaltıldığı andaki hacimsel debisi (akış hızı) olarak ifade edilir. Eğer döküm hızı çok yavaş ise, sıvı metal kalıbı tam doldurmadan soğur ve katılaşır.

Döküm hızı aşırı yüksek ise türbülans ciddi bir problem olarak karşımıza çıkar. Sıvı akışında türbülans sıvı metalin akış hızının yönünün ve şiddetinin yer yer düzensiz değişmesi şeklinde ifade edilebilir. Türbülanslı akış, laminer akıştaki gibi düzenli ve sakin olmayıp düzensiz ve şiddetlidir. Birçok nedenden dolayı sıvı metalin kalıba doldurulması esnasında türbülans oluşumundan kaçınılmalıdır. Türbülans katılaşma esnasında döküm parçanın kalitesini olumsuz etkileyen metal oksitlerin oluşumunu hızlandırır. Türbülans kalıp erozyonunu (sıvı metal ile temas eden kalıp yüzeylerin sıvı metal vuruşundan dolayı zamanla aşınması) da artırır.

3

Malzeme Katılaşma sıcaklığı

(C)

Döküm sıcaklığı(C)

Kır 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 (%0,6 C) 1475 1550-1600

Al-Si alaşımı 570 700-750

Al-Cu alaşımı 600 700-720

Al- bronzu 1025 1050-1150

Pirinç (60/40) 890 990-1010

Mg alaşımı 630 720-770

Döküm sıcaklığı (Td) yüksek seçilirse;

• Tane irileşmesi

• Oksitlenme

• Gaz çözünürlüğünün artması

• Penetrasyon gibi durumlar meydana gelebilir.

Tablo: Farklı Malzemelerin Ergime/Katılaşma ve Döküm sıcaklıkları

3

Gaz Çözünürlüğü ve Gaz Giderme

Gazların sıvı metal içerisindeki çözünürlüğü sıcaklık ve basınç arttıkça artar. Gazların büyük bir kısmı ise katılaşma sırasında açığa çıkar. Katılaşma sırasında açığa çıkan bu gazlar sıvı metal içerisinden dışarıya kaçamaz ise metal içinde gözeneklerin ve gaz boşluklarının oluşmasına ve malzeme özelliklerinin olumsuz etkilenmesine yol açarlar

.

Metal içinde çözünen gaz miktarının sıcaklıkla değişimi

• Sıvı metallerdeki gaz çözünürlüğünün önlenmesi için dikkat edilmesi gereken hususlar her metal için farklı olmasına rağmen, aşağıda bazı genel kurallar verilmiştir:

– Döküm sıcaklığı mümkün olduğu kadar düşük seçilmelidir.

– Döküm öncesinde, sıvı metal ile temas eden tüm parçalar kurutularak nemden arındırılmalıdır.

– Sıvı metal gerektiğinden fazla bekletilmemeli, döküm en kısa sürede yapılmalıdır.

– Sıvı metal gerekmedikçe karıştırılmamalıdır.

Gaz çözünürlüğü: S=k√Pg denklemi ile hesaplanabilir.

Sievert kanunu olarak bilinen bu denklemde yer alan k denge sabitini, Pg ise eriyik içerisindeki gazın kısmi basıncını göstermektedir.

3 Gaz Giderme İşlemleri

• Sıvı metal klor, azot, argon gibi nötr bir gazla süpürülür veya içine bu tür gazlar açığa çıkaran bir katı madde daldırılır. Sıvı metal içinde yükselen gaz habbecikleri, sıvıdan çözünmüş gazları, yüzen oksit ve diğer metal olmayan kalıntıları süpürerek dışarı çıkarır.

• Gaz gidermede çok etkin, fakat pahalı bir yöntem de metali vakum altında ergitmek veya açıkta ergitilmiş metali, dökümden hemen önce vakum altına alarak gazdan arındırmaktır.

Sıvı metalin yolluk sistemi içindeki akışı:

Bernoulli denklemi yardımıyla hesaplanır.

P+ (1/2) ρ v²+ρ.g.h= Sabit (P: Basınç, v: hız, h: yükseklik) P₁+ (1/2) ρ v₁²+ρ.g.h₁= P₂+ (1/2) ρ v₂²+ρ.g.h₂

Atmosferik koşullarda P₁= P₂ve başlangıç hızı v₁=0 alınırsa Sıvı metalin kalıba doldurulma hızı: v₂= (2 g. h₁-h₂)^1/2 bulunur.

Tüm yolluk boyunca kesit değişebilir ancak süreklilik bakımından debinin sabit kalması gerekir.

Süreklilik denklemiQ= v₁A₁=v₂A₂

Bu denklemde görüldüğü gibi çıkış noktasına yaklaştıkça hız artar, yani süreklilik bağıntısına göre yolluk kesitlerinin daraltılması gerekmektedir. Kesit sabit bırakılırsa tüm kesiti sıvı metal dolduramayacağından, yolluk içine hava girer ve sıvı metalle birlikte kalıba dolar. Bunu önlemek için yolluk sisteminin kesitleri v.A sabit kalacak şekilde daraltılır.

Döküm sırasında sıvı metalin kalıba dolma süresi (KDS) ise;

KDS= V/Qbağıntısı ile hesaplanır. Burada V kalıp boşluğunun hacmini göstermektedir.

3 Şekil 9.3: Sıvı metalin akıcılığının belirlenmesi için uygulanan spiral kalıba döküm testi

Sıvı metalin yolluk sisteminden akarak bir kalıbı kusursuz olarak doldurma özelliğine akışkanlık (akıcılık, kalıp doldurma kabiliyeti) denir.

Bu özellik sıvı metalin özelliklerine ve döküm parametrelerine bağlıdır.

Sıvı metalin özellikleri:

Viskozite: Viskozite veya viskozite indeksi artarsa akıcılık azalır.

Yüzey gerilimi: Sıvı metalin yüzey gerilimi yüksekse akıcılık azalır. Bu yüzden ergimiş metal yüzeyinde oluşan oksit filmleri akıcılık üzerinde belirgin bir biçimde ters etki oluştururlar.

Alaşımın katılaşma aralığı : Katılaşma aralığı dar ise akıcılık fazla, katılaşma aralığı uzun ise akıcılık düşüktür.

Döküm parametreleri:

Kalıp malzemesi, dizaynı ve yüzey özellikleri: Termal iletkenliği yüksek ve yüzeyi pürüzlü kalıplarda akıcılık düşüktür. Kalıbı ısıtmak akıcılığı artırabilir, ancak katılaşmayı yavaşlatacağı için iri taneli bir yapının oluşmasına dolayısıyla düşük mukavemetli döküm elde edilmesine yol açar.

Aşırı ısı: Ergime sıcaklığının üzerinde aşırı ısıtma yapılarak akıcılık artırılabilir ancak bu durumda katılaşma gecikir.

Dökme hızı: Dökme hızı düşük ise akıcılıkta düşük olur. Bunun nedeni soğuma hızının yüksek olmasıdır.

Isı Transferi: Isı transferi viskoziteyi etkiler.

Malzemelerin akıcılık özelliğinin belirlenmesi için spiral kalıba döküm testinden yararlanılır. Döküm spiraline belirli koşullar altında dökülen sıvı metalin bu spiralin içerisinde ilerlediği uzunluk, sıvı metalin döküm kabiliyetinin bir ölçüsü olarak alınır.

3

Saf Metallerde Katılaşma

Karalı bir çekirdek oluşturmak için her zaman aşırı soğuma gerekir. Aşırı soğumanın ardından dışarı verilen gizli ısı, sıcaklığı tekrar katılaşma noktasına çıkarır. Sıvı metalin sıcaklığı katılaşma sıcaklığının altına düşünce, sıvı içerisindeki değişik noktalarda kararlı çekirdekler oluşur. Bu çekirdekler kristalleşmeye merkezlik yapar ve kristalleşme bu çekirdeklerin etrafında meydana gelir. Her bir çekirdek sıvı fazdan atom çekerek kendi uzay kafesi içerisinde büyür.

Dolayısıyla kristalleşme olayı, yani iç yapıdaki tanelerin ortaya çıkışı, çekirdekleşme ve kristal büyümesi şeklinde meydana gelir

Katılaşma sıvı metalin katı hale geri dönüşümü olayıdır. Katılaşma, sıvı metalin saf metal veya alaşım olmasına bağlı olarak farklı şekilde gerçekleşir.

3 Kalıp cidarının soğutucu etkisi (çil etkisi) ile sıvı metal kalıba dökülür dökülmez kalıp cidarında ince bir katı metal tabakası oluşur. Katılaşma kalıp boşluğunun merkezine doğru ilerlerken, oluşan katı metal tabakasının kalınlığı sıvı metal etrafını saran bir kabuğa dönüşünceye kadar artar. Katılaşmanın hangi hızda ilerlediği ısının kalıba transferine ve dökümü yapılan metalin termal özelliklerine bağlıdır.

Saf Metallerde Katılaşma

Katılaşma esnasında çekirdek oluşumu ve büyümesi meydana gelmektedir. Başlangıçtaki katı tabakayı oluşturan metal, ısı kalıp duvarları tarafından çekildiğinden, hızla soğur. Bu soğutma etkisi (çil etkisi) ilk katılaşan cidardaki tanelerin eş eksenli ve ince taneli olmasına neden olur. Soğumanın devam etmesi ile, ısı transferi yönünde yeni tane oluşumu ve büyümesi devam eder. Isı transferi kalıp yüzey ve duvarlar üzerinden gerçekleştiğinden, taneler içe doğru katı metal iğneleri veya kolonsal taneler şeklinde büyür. Oluşan bu iğneler büyüdükçe yanal dallar oluşur. Bu yanal dallar da büyürken bunlara dik açılarda yeni dallar oluşur. Bu tip tane büyümesi dendritik büyüme olarak ifade edilir ve sadece saf metallerin katılaşmasında değil alaşımlarda da gözlenir. Bu ağaç dalı benzeri yapıların ara boşlukları, dendritler üzerine sürekli eklenen sıvı metal tarafından katılaşma tamamlanıncaya kadar doldurulur. Dendritik büyüme ile oluşan taneler iri, uzun ve döküm merkezine doğru tercihli yönlenmiş kolonsal tanelerdir.

ŞEKİL 9.5 Bir saf metalin dökümü sonrası oluşan tipik tane yapısı (kalıp cidarlarında ince taneli eş eksenli taneler ve iç kısımlarda döküm merkezine yönlenmiş iri kolonsal taneler).

3

Alaşımların Katılaşması

Alaşımların çoğu sabit sıcaklıkta değil bir sıcaklık aralığında katılaşırlar. Bu sıcaklık aralığı alaşım sistemine ve kimyasal kompozisyona bağlıdır.

Bir alaşım sisteminin (Cu-Ni) faz diyagramı ve bu faz diyagramındaki belirli bir kompozisyona sahip alaşımın soğuma eğrisi aşağıdaki şekilde gösterilmektedir. Katılaşma, sıvı metal sıcaklığının likidüs (sıvlaşma eğrisi) adı verilen eğriye ulaştığında başlar ve solidüs eğrisinin altına (katılaşma eğrisi) düştüğünde de tamamlanır. Katılaşma başlangıcı saf metaldeki katılaşma durumuna benzerdir. Büyük sıcaklık gradyanından (farklılığından) dolayı kalıp cidarlarında ince taneli bir kabuk oluşur. Katılaşma kalıp cidarlarından merkeze doğru dendritlerin oluşması ile devam eder. Fakat, katılaşma ve sıvılaşma eğrileri arasındaki sıcaklık farkından dolayı, dendritik büyüme saf metaldekinden farklı olur ve burada sıvı ve katı fazların bir karışımı olan bir ilerleme bölgesi oluşur. Dendritik yapılar katı kısımlardır ve matristeki sıvı metali küçük adacıklar halinde hapsedecek düzeyde oluşurlar. Sıvı ve katının karışımı olan bölgeler yumuşak bir kıvamdadır dolayısıyla pelte bölgesi diye adlandırılır. Katılaşma şartlarına bağlı olarak pelte bölgesi çok dar veya dökümün her tarafında olabilir. Dökümün her tarafında pelte bölgesinin oluşumunu, sıcak metal ısısının transferinin yavaş olması ve sıvılaşma-katılaşma eğrileri arasındaki sıcaklık farkının çok geniş olması gibi faktörler artırır. Döküm parçasının sıcaklığı o alaşımın katılaşma eğrisine ulaştığı anda dendritler arasındaki sıvı metal de en son katılaşır.

(a) Cu-Ni faz diyagramı ve (b) %50Ni-%50 Cu alaşımının döküm esnasında gösterdiği soğuma eğrisi

Merkezinde alaşım elementi segregasyonunu bulunan bir alaşım dökümün tipik tane yapısı.

Alaşımların katılaşmasını daha karmaşık kılan diğer bir faktör de, oluşmaya (katılaşmaya) başlayan dendritlerin yüksek erime dereceli metali daha fazla tercih etmesidir. Dolayısıyla, katılaşma devam ettikçe ve dendritler büyüdükçe, katılaşan metal ile geriye kalan sıvı metalin kompozisyonu arasında bir fark oluşur. Bu kompozisyon farkı, katılaşma tamamlandıktan sonra döküm parçasında element segregasyonu oluşmasına yol açar. Segregasyon mikroskobik ve makroskopik olmak üzere iki türdür. Mikroskopik seviyede, kimyasal kompozisyon her bir tane içerisinde çekirdekten dışa doğru değişim gösterir. Bunun nedeni, her bir dendritin başlangıç omurgasında alaşımdaki bir elementin daha fazla oranda bulunmasıdır. Dendritin kendi çevresinde geriye kalan sıvının kendisine katılması ile büyümesi ve geriye kalan sıvıda bu elementin az miktarda kalması da mikrosegregasyona yol açar. Katılaşma esnasında en son katılaşan sıvı, dendrit dalları arasında sıkışan sıvı olup bu sıvının kompozisyonu ilk katılaşan dendritin kompozisyonundan çok daha farklıdır. Bu yüzden, döküm parçasının her bir tanesindeki kimyasal kompozisyon yer yer farklılıklar gösterir.

Katılaşma aralığı olan her alaşımın döküm yapısında görülen ve mikrosegregasyon veya tabakalı katılaşma olarak adlandırılan bu olay;

• Katılaşma aralığı ne kadar büyük,

•Soğuma ne kadar hızlı,

•Katılan elemanların yayınma katsayıları ne kadar küçük ise o kadar daha etkili olarak ortaya çıkar.

Mikrosegregasyonu önlemek için ötektik bileşim tercih edilmeli ya da solidus sıcaklığının hemen altında bir homojenleştirme tavı uygulanmalıdır. Ancak bu maliyeti arttırır.

Alaşımların Katılaşması

Makroskopik seviyedeki segregasyonda ise kimyasal kompozisyon döküm parçası boyunca değişim gösterir. Kalıp cidarlarına yakın bölgelerde olduğu gibi ilk katılaşan bölgeler bir bileşence zengin olacağından iç kısımlarda geriye kalan sıvıda katılaşıncaya kadar bu bileşen azalacaktır. Bu yüzden döküm kesiti boyunca ingot segregasyonu adı da verilen genel bir makro segregasyon oluşmaktadır.

Alaşımların Katılaşması

Çekirdeklenme

Çekirdeklenme homojen ve homojen olmayan çekirdeklenme olarak iki kısma ayrılır.

Homojen Çekirdeklenme : Sıvı içerisindeki atomların bir araya gelerek kümelenmesi ve katı fazdakine benzer şekilde düzen oluşturması homojen çekirdeklenme olarak tanımlanır.

Homojen Olmayan (Heterojen) Çekirdeklenme: Kristalleşmenin sıvı metal içerisinde bulunan yüzeylerde başlamasıyla oluşan çekirdeklenme homojen olmayan çekirdeklenme olarak tanımlanır.

Çekirdek olarak görev yapan yüzeyler kalıp duvarları, sıvı içerisinde bulunan yüksek ergime sıcaklığına sahip katı bileşikler, tane sınırları ve dislokasyonlar olabilir. Ancak bazı durumlarda sıvı metale ergime sıcaklığı yüksek bazı katı parçacıklar katarak çekirdek görevi yapan yüzeylerin oluşması sağlanır. Bu işleme aşılama denir.

3

Büyüme: Sıvı metalin sıcaklığı katılaşma noktasının altına düşünce, sıvı içerisinde değişik nokta veya konumlarda kararlı çekirdekler oluşur. Bu çekirdekler kristalleşmeye merkezlik yapar yani kristalleşme bu çekirdeklerin etrafında meydana gelir. Soğuma devam ettikçe artan sayıda atom ya mevcut çekirdeklere bağlanır ya da kendileri yeni çekirdekler oluşturur. Her çekirdek sıvı fazdan atom çekerek kendi uzay kafesi içerisinde büyür. Kristal büyümesi üç boyutlu uzayda devam eder ve atomlar belirli doğrultularda genellikle büyüme ekseni boyunca birbirlerine bağlanırlar. Bu büyüme olayı daha önce de ifade edildiği gibi dendrit olarak adlandırılır.

3

Döküm parçalarının içyapısında genelde soğuma koşullarına bağlı olarak üç ayrı bölge gözlenebilir. Bu bölgeler kalıp cidarlarında ani soğuma etkisi ile küçük ve eşeksenli tanelerden oluşan bir kabuktan (çil bölgesi), bunu izleyen bölgede sıcaklık gradyeninin etkisiyle oluşan uzun çubuksu tanelerden ve orta kısımda ise soğuma her taraftan eşit olması nedeniyle oluşan eş eksenli tanelerden meydana gelir.

Soğuma hızı ve ısının çekildiği yöne bağlı olarak oluşan mikro yapılar ve bu tür yapıya sahip metallerin bazı özellikleri şekilde gösterilmiştir.

KATILAŞMA SÜRESİ

Chvorinov Kuralındaki Kalıp Sabiti

• Cm kalıp sabiti aşağıdakilere bağlıdır:

– Kalıp malzemesi

– Döküm metalinin ısıl özellikleri

– Ergime sıcaklığına oranla döküm sıcaklığı

• Belirli bir döküm işlemi için Cm değeri, parça şekli çok farklı olsa bile, aynı kalıp

malzemesi, metal ve döküm sıcaklığı kullanılan önceki deneysel verilere dayanabilir

Chvorinov Kuralının Anlamı

• Daha yüksek bir hacim/yüzey oranına sahip bir döküm, düşük oranlı olana göre daha yavaş soğur.

– Ergimiş metali kalıp boşluğuna beslemek için, besleyicinin Tts değerinin ana dökümün Tts değerinden daha büyük olması gerekir.

• Besleyici ve dökümün kalıp sabitleri birbirine eşit olacağından, ana dökümün önce katılaşması için, besleyicinin daha büyük hacim/yüzey oranına sahip olacak şekilde tasarlanması gerekir.

Döküm parçası saf metal de olsa alaşım da olsa katılaşma belirli bir zaman alır. Toplam katılaşma süresi sıvı metalin kalıba dökülmesinden katılaşıncaya kadar geçen süredir. Bu süre döküm parçasının şekil ve boyutuna bağlıdır. Katılaşma süresi ile döküm parçasının şekli ve boyutu arasındaki bağıntı, Chvorinov Kuralı diye bilinen eşitlikle ifade edilir.

Chvorinov Kuralı Burada;

Tts= toplam katılaşma süresi, dakika;

V = döküm parçasının hacmi, cm3;

A= döküm parçasının yüzey alanı, cm2;

n= genellikle değeri 2 olarak kabul edilen üs Cm =kalıp sabitidir.

KATILAŞMA BÜZÜLMESİ

Sıvının kendini çekmesi: Döküm sıcaklığından itibaren katılaşmanın olacağı sıcaklığa iniş sırasında ortaya çıkacak hacim azalmasıdır. Sıvı durumdaki hacimsel azalma temel olarak atomların yeniden düzenlenmesi ile ilişkilidir.

Dolayısıyla en büyük çekilme boşluğu değeri yoğun sıkı paket düzlemine sahip malzemelerde yani YMK metallerde gözlenir.

Sırasıyla: YMK>HMK>SDH

Katılaşma çekmesi: Atomlar henüz serbest halde yani kristal düzenin olmadığı durumda iken (sıvı) belirli bir kristallografik yapıya geçiş sırasında meydana gelen hacim azalmasıdır.

Katının büzülmesi: Katılaşan parça, ortam sıcaklığına erişinceye kadar ortaya çıkacak hacim azalmasıdır.

Sıvı durumda ve katılaşma sırasındaki hacim azalmaları malzemede; gözeneklere, döküm boşluklarına, sıcak yırtılmalara ve iç gerilmelere sebep olur.

Silindirik bir döküm parçasının katılaşma ve soğuma esnasında büzülmesi:

(0) sıvı metalin kalıba doldurulduktan hemen sonraki seviyesi,

(1)soğuma esnasında sıvının kendini çekmesi sonucu çökme,

(2) katılaşma çekmesi sonucu sıvı metal seviyesinin düşmesi ve büzülme boşluğu oluşumu

(3) katı büzülmesi sonucu döküm parçası boyu ve çapında küçülme.

3

KATILAŞMA BÜZÜLMESİ

Model tasarımcıları büzülme (çekme) payını göz önüne alarak kalıp boşluğunu parça boyutundan biraz büyük tutarlar. Kalıp boşluğunun parçanın son boyutundan ne kadar büyük olacağının miktarı model çekme (büzülme) payı olarak adlandırılır. Her ne kadar büzülme hacimsel ise de, parça boyutları doğrusal olarak ifade edilir ve büzülme payları buna göre bırakılır. Döküm parçasının arzu edilen son boyutundan daha büyük kalıp ve model hazırlamak için uzun ölçekli özel ‘çekme (büzülme) kuralları’

uygulanır. Tablo 9.l’de çeşitli döküm alaşımlarının tipik doğrusal büzülme miktarları listelenmiş olup bu değerler çekme kuralı ölçeğini belirlemek için kullanılabilir.

Büzülmenin zararlı etkilerini azaltmak için, katılaşmanın kalıbın sıvı metal rezervine en uzak noktasında ilk önce başlaması ve en son besleyici(ler)de son bulması arzu edilir. Bu şekilde, katılaşmadan kaynaklanan büzülme boşluklarını engellemek üzere sürekli olarak besleyiciden sıvı metal takviyesi sağlanır. Sıvı metalin katılaşması esnasında önemli bir sorun olan katılaşma büzülmesinin kontrol edilmesine yönelik bu uygulamaya yönlendirilmiş katılaştırma denir.

3

KATILAŞMA BÜZÜLMESİ

Arzu edilen yönlendirilmiş katılaştırma, döküm parçasının kalıptaki doğrultusu da dahil tüm döküm işleminin ve döküm boşluğuna sıvı metal takviye eden besleyicinin tasarımında Chvorinov kuralına uymakla sağlanabilir. Örneğin, kalıbın düşük hacim/yüzey alanına (V/A) sahip bölümleri besleyiciye en uzak noktaya yerleştirilerek katılaşmanın ilk önce bu noktalarda başlaması ve sıvı metal depolarının en son katılaşması sayesinde döküm sonuna kadar sıvı metal takviyesinin devamı sağlanır.

Yönlendirilmiş katılaştırmayı teşvik eden diğer bir uygulama, döküm parçasının belirli bölgelerinde hızlı soğuma sağlayacak iç ve dış soğutucuların kullanılmasıdır.

İç soğutucu plakalar; kalıp boşluğuna dökümden önce yerleştirilen ve sıvı metalin ilk önce çevresinde katılaşmaya başladığı küçük metal parçalardır. İç soğutucu plakaları kimyasal kompozisyonu dökümü yapılan metale benzer olmalıdır ki, bu soğutucu plakanın dökümü yapılan metalin kendisinden yapılması ile kolaylıkla sağlanır.

Dış soğutucu plakalar, hızlı soğumayı teşvik etmek üzere kalıp duvarına yerleştirilen ve erimiş metalin ısısını kalıp kumundan daha hızlı uzaklaştıran metal parçalardır. Bu soğutucular genellikle kalıbın sıvı metal ile beslenmesinin güç olduğu bölgelerde etkili bir şekilde kullanılırlar ve bu sayede sıvı metale bağlantı kesilmeden bu bölgelerin hızlı katılaşması sağlanır.

Dış ve İç soğutucular kullanılması ve kalıbın yalıtılması

KATILAŞMA BÜZÜLMESİ

Kalıp boşluğunun gerekli bölgelerinde katılaşmanın ilk önce başlatılması kadar kalıbın besleyiciye yakın kısımlarında erken katılaşmanın önlenmesi de oldukça önemlidir. Bu bağlamda özellikle dikkat edilmesi gereken bölüm, besleyici ile döküm boşluğu arasındaki geçittir. Bu bağlantı döküm parçasından önce katılaşmayacak şekilde tasarlanmalıdır. Aksi takdirde, döküm parçasına besleyiciden sıvı metal takviyesi engellenir. Sıvı metale pislik bulaşmasını önlemek amacıyla her ne kadar bu geçidin hacmi mümkün mertebe küçük istense de, kesit alanı erken katılaşmayı geciktirmek için yeterli büyüklükte olmalıdır. Bu amaca ulaşmak için çoğunlukla bu bağlantının boyu kısa seçilir. Bu sayede, döküm parçası ve besleyicideki sıvı metalden ısı sağlanması (soğurulması) ile katılaşma gecikir.

Katılaşmada en sorunlu bölgelerden biri köşelerdir. Birleşme noktasındaki kesit, genellikle birleşen kesitlerden büyük olduğundan, bu bölgeler en son olarak katılaşır ve iç kısımlarında çekme boşlukları oluşabilir. Dolayısıyla bu bölgelerde ya kesit inceltilmeli, ya da soğutma plakaları yardımıyla buralarda soğuma hızlandırılarak katılaşmanın köşelerden başlaması

ve kollara doğru devam etmesi sağlanmalıdır. a) Kristal yüzeylerinin köşe bölgelerinde kesişmesi bu bölgelerin eğme ve darbeli zorlamaya karşı zayıflamasına yol açar.

b) Kalın kesitte sıvının katılaşmasında meydana gelen gecikmeden dolayı Lunker oluşur.

c) Kesit kalınlaşmasını ve kristal cephelerinin karşılaşmasını önleyen en uygun çözümdür.

Döküm yöntemleri kullanılan kalıba bağlı olarak iki gruba ayrılırlar. Bunlar:

1.Bozulabilir kalıba döküm:

Bozulabilir kalıba döküm yöntemlerinde, döküm parçasını kalıptan çıkarmak için kalıp bozulur. Her yeni döküm işlemi için yeni bir kalıp hazırlama gerektirdiğinden, bozulabilir kalıba döküm yöntemlerinde üretim hızı döküm için gerekli zamandan ziyade kalıbın hazırlanması için gerekli zaman tarafından belirlenir ve sınırlanır. Fakat, yine de belli geometriye sahip parçalardan kum kalıba döküm ile saatte 400 veya daha fazla parça dökümü mümkündür.

2. Kalıcı kalıba döküm:

Kalıcı kalıba döküm yöntemlerinde, kalıp metalden veya diğer dayanıklı malzemelerden yapılır ve birçok döküm işleminde kullanılabilir. Bu sayede daha yüksek üretim hızı avantajına sahiptirler.

• Kum kalıba döküm yöntemi tüm döküm yöntemleri içinde en yaygın olarak kullanılan yöntem olup, döküm ile üretilen toplam parça sayısının büyük çoğunluğu bu yöntem ile üretilmektedir.

• Neredeyse tüm döküm alaşımları bu yöntem ile dökülebilmektedir.

• Esnek bir yöntem olması sayesinde çok farklı büyüklükteki parçaların tek veya çok sayıda (milyonlarca) dökümü bu yöntemle gerçekleştirilebilir

Kum kalıba döküm yöntemi ile üretilmiş 680 kg ağırlığında oldukça büyük bir hava kompresörü gövdesi.

Kum kalıba döküm yöntemi:

✓ Model yapımı,

✓ Maça yapımı (gerekliyse),

✓ Kalıplama,

✓ sıvı metalin kalıba dökümü (boşaltılması),

✓ katılaşma için bekleme

✓ döküm parçasını çıkarmak için kalıbın bozulması adımlarını içerir.

✓ Daha sonra döküm parçası temizlenir ve kontrol edilir.

Bazı durumlarda metalürjik özellikleri geliştirmek için ısıl işlem gerekebilir.

Döküm parçasını çıkarmak için kalıp bozulduğundan üretilmek istenen her bir parça için yeni bir kum kalıp hazırlamak gerekir. Bu kısa tanımlamadan anlaşılacağı üzere kum kalıba döküm, sadece döküm işlemini değil aynı zamanda model yapımı ve kum kalıbın hazırlanmasını da kapsar. Kum kalıba döküm yönteminin üretim aşamaları;

3

MODEL VE MAÇALAR

• Kum kalıba döküm yönteminde, dökülecek parçanın bir kopyası olan ve döküm parçasından büzülme ve işleme payları kadar daha büyük olan bir model gereklidir.

Modeller kalıplama sırasında, dökülecek sıvı metalin doldurulacağı boşluğu elde etmek için kullanılırlar.

Model malzemeleri:

Ahşap – işleme kolaylığı nedeniyle en yaygın malzeme, ancak deforme olabilir Metal – yapması daha pahalı, ancak daha uzun ömürlü

Plastik – ahşap ve metal arasında özelliklere sahip

Model malzemelerinin seçiminde şu kriterler göz önüne alınmalıdır.

•Üretilecek parça sayısı

•İstenilen boyut hassasiyeti

•Uygulanacak kalıplama yöntemi

•Parçanın boyut ve biçimi

•Modelde düzeltme yapılıp yapılmayacağı

Üretilecek parçaların birebir ölçekli kopyaları olan modellerin biçim ve boyutlarının belirlenmesinde katılaşma sonrasında;

Parçanın kendini çekmesi (büzülme), İşleme payları

Modelin kalıptan sıyrılmasını kolaylaştıracak eğimler Maça yuvaları gibi durumlar dikkate alınmalıdır.

MODEL VE MAÇALAR

Tek (serbest) model: Tek parça halinde yapılan, döküm parçasının geometrisine sahip ve boyutu döküm parçası boyutundan büzülme ve işleme payı kadar büyük seçilen modeldir. Serbest bir model için kalıbın iki yarısı arasındaki ayırma yüzeyinin yerinin ayarlanması problemlidir ve yolluk sistemi ile düşey yolluğun kalıba yerleştirilmesi dökümhane çalışanının becerisine ve kararına bırakılmaktadır. Bu nedenle, serbest modellerin kullanımı genellikle az sayıda parça üretimi ile sınırlıdır.

Parçalı (Ayrık serbest) model: Kalıbın ayırma yüzeyi ile aynı düzlemden ayrılan ve iki parçadan oluşan modellerdir. Parçalı modeller karmaşık şekilli parçaların orta seviyede üretim sayıları için uygundur. Model iki parçaya ayrıldığından kalıbın ayırma yüzeyinin belirlenmesi daha kolaydır ve usta becerisine bağlı değildir.

Çift taraflı levhalı modellerde (tek levhalı model): Modelin iki parçası ahşap veya metal bir levhanın (aynı levhanın) yüzeylerine yapıştırılır. Levhadaki delikler yardımı ile kalıbın alt ve üst yarılarının üst üste yerleştirilmesi hassas bir şekilde gerçekleştirilebilir.

Tek taraflı levhalı modeller (çift levhalı model): Levhalı modellere benzer olup, sadece model yarımları aynı levhaya değil ayrı ayrı levhalara yapıştırılır ve model üst ve alt yarımları ayrı ayrı hazırlanabilir. İki levhalı modelde yolluk sistemi ve besleyici de bulunmaktadır.

33

Model tasarımı

Çekme payı: Model boyutlarına çekme payı eklenmesindeki amaç, metalin kalıp içerisindeki katılaşması bittikten sonra oda sıcaklığına kadar soğuması, yani katının kendini çekmesi sırasında boyut değişimlerinin dikkate almaktır.

İşleme payı: Eğer dökümden sonra parçanın bazı yüzeyleri işlenecekse, bu yüzeylerde yeterli bir işleme payının bırakılması gerekir.

Eğim ve köşe yuvarlatmaları: Modellerin kalıptan sıyrılması sırasında kalıbın bölüm yüzeylerine dik kısımlarının bozulmaması için bu yüzeylere yeterli eğim verilmesi gerekir. Model üzerindeki köşeler keskin olmamalı, yuvarlatılmalı ve buralarda kendini çekme çatlakları ile gerilme yığılmalarının oluşması önlenmelidir

Döküm Malzemesi

Çekme Payı (mm/m) Kır Dökme Demir 10

Beyaz Dökme Demir

20 Mangan Çeliği 30

Alüminyum Alaşımları

13

Kurşun 26

Model tasarımı

Modellerin kalıptan sıyrılması:

Kenarları dik modelin sıkışmış kalıptan sıyırılması zordur (Şekil (a). Dik yüzeylere 1/40 ila 1/60 oranında veya 1° ila 2° lik eğiklik verilmelidir (Şekil (b). Fakat bazı hallerde modelin parçalı olarak yapılması gerekmektedir.

Çarpılma payı:

Geniş ve yassı levhalar, kubbeler gibi dökümlerde düzgün bir model kullanılması halinde, parçalar çarpılabilmektedir. Böyle hallerde modellerin uygun bir çarpıklıkta yapılması arzu edilen doğru döküm şeklinin elde edilmesini sağlamaktadır.

35

MAÇALAR

Modeller döküm parçasının dış şeklini belirler. Eğer, dökülecek parçada iç boşluk bulunuyorsa maça gerekir. Maça, döküm parçasının iç yüzeylerinin (iç boşluğun) bire bir kopyasıdır.

• Maça sıvı metal kalıba dökülmeden önce kalıba yerleştirilir ve kalıba dökülen sıvı metal maça ve kalıp arasındaki boşluğu doldurup katılaşarak döküm parçasının iç ve dış yüzeyleri oluşur.

• Maça genellikle kumdan yapılır ve istenilen şekilde preslenir. Modelde olduğu gibi maçanın boyutu belirlenirken büzülme ve işleme payları dikkate alınır.

• Döküm parçasının şekline bağlı olarak maçaların kalıp boşluğuna yerleştirilmesi işleminde, maça yüzmesini önlemek için, maça desteklerine gereksinim duyulabilir. Bu maça destekleri dökümü yapılan metalden daha yüksek ergime sıcaklığına sahip bir metalden imal edilirler. Örneğin, dökme demirden bir parça dökümünde maça desteği gerekiyorsa çelik maça destekleri kullanılır. Sıvı metalin kalıba dökülmesi ve katılaşması esnasında maça destekleri döküm parçasına kaynayıp karışır. Döküm sonrası döküm parçasından dışarı sarkan maça desteği parçası kesilerek uzaklaştırılır.

Döküm sırasında dökümün hatalı olmasına neden olabilecek şekilde, sıvı metalin yüzme

eğilimi, maçaları yerinden oynatabilir.

• Maçayı kaldırmaya çalışan kuvvet = Yer

değiştiren sıvının ağırlığı - maçanın kendi ağırlığı F_b = W_m - W_c

F_b = yüzdürme kuvveti; W_m = yer değiştiren erimiş metal ağırlığı; ve W_c = maça ağırlığı

3

MAÇALAR

Maçaların özellikleri: Ortak özellik, dökümden sonra parçadan kolayca ayrılabilmelidir. Bunun dışında:

1. Şekillerini koruyabilmelidirler. Pişirme ve döküm esnasında çatlamamalı, dağılmamalı, 2. Sıvı metal ile teması esnasında mümkün olduğu kadar az gaz çıkarmalıdır,

3. Döküm esnasında meydana gelen gazların kolayca uzaklaşmasını temin için yeterli gaz geçirgenliğine sahip olmalıdır,

4. Döküm sırasında aşınmamalı ve içerisine gaz sızmamalı, 5. Ani sıcaklık değişmelerine dayanıklı olmalıdırlar.

Maça İmalatı

Maçaların imalatı genellikle maça sandığı ile yapılır.

Maça sandığı ile maça yapımında, içerisinde maçanın dış şekline sahip bir boşluk bulunan sandıklardan yararlanılır.

Sandık düz bir yüzey üzerine konur ve içerisine maça malzemesi konarak sıkıştırılır. Mukavemeti artırmak için maça içerisine tel parçalar konur. Sıkıştırma sırasında şişleme ve tekrar sıkıştırma uygulanır.

3

Çıkıcı ve Besleyiciler

38

•Çıkıcı ve besleyicilerin görevi, kalıp içersinde katılaşan parçanın iç ve dış çekme boşlukları oluşabilecek bölgelerini sıvı metal ile beslemektir.

•Yani çıkıcı ve besleyiciler, en son katılaşacak şekilde tasarlanmış sıvı metal depoları olup, kalıp içinde yönlenmiş katılaşmanın ve uygun bir sıcaklık gradyeninin sağlanmasında rolleri çok önemlidir.

•Besleyici, dökümden ayrılan ve sonraki dökümleri yapmak için yeniden ergitilen bir atık metaldir. Bir işlemde atık miktarını en aza indirmek için, besleyicideki metal hacminin en düşük değerde olması istenir.

Çıkıcılar dışarıya açık ve huni biçiminde, besleyiciler ise kapalı ve genellikle küresel biçimli kalıp elemanlarıdır.

Besleyici Tasarımı

Besleyici (çıkıcı) kum kalıba dökümde katılaşma büzülmesini karşılamak üzere döküm parçasına katılaşma esnasında sıvı metal takviyesi yapan sıvı metal depolarıdır. Fonksiyonunu yerine getirebilmesi için, besleyicinin döküm parçasının katılaşması tamamlanıncaya kadar sıvı halde kalması gereklidir. Bu şartı sağlamak içi besleyici boyutlarının belirlenmesinde Chvorinov kuralı kullanılabilir.

Yolluk Sistemi

Yolluklar: Döküm sırasında ergimiş metalin kalıp boşluğuna akışını kontrol ederek, kalıp boşluğunun tamamen doldurulmasını sağlamak üzere açılan yatay ve dik kanallara "yolluk" adı verilir.

➢ Düşey yolluklar; yatay düzleme dik olarak yerleştirilirler, direkt olarak kalıp boşluğuyla temas etmezler.

➢ Yatay yolluklar; yatay düzlemde bulunur ve kalıp ile direkt temas halindedirler. Ergimiş metalin kalıbı bozmadan sakin bir biçimde kalıbı doldurmasını, bazı pislik ve cürufun kalıp boşluğuna girmemesini sağlarlar.

Yolluk sisteminin görevleri

•Kalıbın sıvı metal ile dolmasını sağlar.

•Kalıba dolan metalde türbülans oluşmasını önleyerek, metalin oksitlenmesine, gaz almasına, cürufun ve erozyonla koparılan kalıp parçalarının sıvı metale karışmasına engel olur.

•Metalin kalıba doluşunu düzenleyerek, yönlenmiş katılaşmayı kolaylaştıran, çarpılmaya neden olmayan bir sıcaklık gradyeni oluşturur.

•Kalıp boşluğunu gereken hızda doldurmaya yetecek kadar büyük, ancak malzeme kaybına neden olmayacak kadar küçük boyutlandırılır.

Katılaşmayı yönlendirmek ve çekme boşluklarının oluşmasını önlemek için, bazı durumlarda çıkıcı ve besleyiciler yerine soğutucu plakalar veya iç soğutuculardan yararlanılır.

Bunlar çelik, dökme demir, bakır vb. malzemelerden yapılmış kalıp elemanları olup, kalıplamada kalıp boşluğunun duvarına yerleştirilirler.

Bu sayede en son katılaşması beklenen ve normal soğumada çekme boşluğu oluşabilecek bölgeler daha hızlı soğutularak katılaşmanın buralardan başlatılması ve istenilen şekilde yönlendirilmesi mümkün olur.

Soğutucular

Dış ve İç soğutucular kullanılması ve kalıbın yalıtılması

Dış

soğutucular

Kum

kalıp

KALIP VE KALIP YAPIMI

Dökümcülükte kullanılan kum, silis kumu (Si02) veya silisyumun diğer mineraller ile bir karışımıdır.

• Kum döküm esnasındaki yüksek sıcaklıklarda ergimemesi veya özelliklerinin olumsuz etkilenmemesi için yüksek refrakterlik özelliğine (yüksek sıcaklıklara dayanım kapasitesine) sahip olmalıdır.

• Kumun diğer önemli karakteristikleri tane boyutu, kum karışımının tane boyut dağılımı ve tane şeklidir. Küçük tane boyutlu kum ile döküm parçasının yüzey kalitesi daha yüksek olur.

• Diğer taraftan, iri taneli kumun gaz geçirgenliği yüksek olup, sıvı metalin kalıba dökülmesi sırasında daha fazla gaz tahliyesi sağlar.

• Girintili çıkıntılı (düzensiz) kum tanelerinden hazırlanan kalıpların dayanımı, kumların birbirini kilitleme eğiliminden dolayı, yuvarlak kum tanelerinden yapılan kalıplardan daha yüksek olur. Ancak, bu kalıpların gaz geçirgenliği daha düşüktür.

Kalıp yapımında kum taneleri, su ve bağlayıcı kil ile karıştırılarak kullanılır. Tipik bir kum-kil-su karışımı:

%90 kum, %3 su ve %7 kilden ibarettir.

Organik reçine (fenolik reçineler) ve inorganik bağlayıcılar (örneğin sodyum silikat ve fosfat) gibi diğer bağlayıcılar da kil yerine kullanılabilir. Karışıma, kum ve bağlayıcıya ek olarak bazen mukavemet ve/veya geçirgenlik gibi özellikleri geliştirmek için katkı maddeleri de eklenir.

Kalıp boşluğunu oluşturmak için uygulanan klasik metotta, derece adı verilen bir kutu içerisinde alt ve üst model yarımlarının etrafı kum ile sıkıştırılır. Sıkıştırma işlemi değişik yöntemlerle yapılır. En basit yöntem dökümcü tarafından el takımları ile yapılan el ile (manuel) yapılan dövme işlemidir. Buna ek olarak, kalıp kumunu sıkıştırma işlemini mekanik olarak yapmak için birçok otomatik kalıplama sistemi geliştirilmiştir.

Bunlar:

Kalıp kumu içindeki temel maddeler

a) Kum: Kalıplama kumunun % 50 - 95'ini meydana getirir. Demir oksit, alkali oksitler ve kireçten ibarettir. Bu katkı maddeleri kumun ergime sıcaklığını düşürür.

b) Kil: Kalıplama kumları % 2 - 50 arasında kil içerir. Kil, su ile birlikte kum tanelerini birbirine bağlayarak mukavemet ve plastiklik özelliği sağlar.

c) Su: Kuma % 1.5 - 8 oranında katılır. Kilin kalıplama kumuna mukavemet ve plastiklik özelliği vermesini sağlar. Fazla olarak ilave edilecek su; yağ etkisi yaparak kumun plastiklik ve kalıp yapılabilirlik özelliğini artırmasına rağmen kumun mukavemetini azaltır.

d) Diğer katkı maddeleri: Mısır unu, Öğütülmüş zift, Yumuşak kömür tozu, Talaş, Silis tozu, Demir oksit.

Kalıplama kumunda kum taneciklerinin birbirlerine bağlanışı

(1) model etrafındaki kumu pnomatik basınç sistemleri ile sıkıştırma (ezme),

(2) model ile birlikte bir kutu içerisindeki kuma uygulanan sarsma hareketi ile kumun sıkıştırılması ve (3) kum tanelerinin model yüzeyine basınçlı hava ile yüksek hızda çarptırılması ile sıkıştırmadır.

Kalıplamada kullanılan tabii kum, tabiatta bulunduğu şekilde kullanılan kumdur. Kimyasal olarak SiO2 olarak bilinen tabii kum, kuvars tanelerinin kil, kireç ve diğer oksitler tarafından çevrilmesiyle oluşur.

Kalıplamada kullanılan sentetik kum, bir yıkama sonucu elde edilmiş saf kuvars kumuna arzu edilen miktar ve özellikte kil ve diğer yardımcı maddelerin ilavesi ile elde edilen bir karışımdır. Kalıp kumu, içerisinde mevcut kil miktarına göre üç cinstir:

1) Zayıf kum : içerisinde % 5 - 8 oranında kil bulunan kumdur. Yaş kalıp zayıf kumdan yapılır, ince cidarlı döküm parçalarının kalıplarının yapımında kullanılır.

2) Orta yağlı kum : İçerisinde % 8 - 20 kil bulunur ve bu kum ile yapılan kalıp kurutulur. Böylece, mukavemet artışı sağlanmış olur. Orta yağlı kum, büyük ve kalın cidarlı döküm parçalarının kalıplanmasında kullanılır.

3) Yağlı kum: Fazla miktarlarda (% 20 - 35) kil ihtiva eden kumdur. Bu kumdan yapılan kalıpların mutlaka kurutulması gerekir.

Kullanma yeri ve menşeine göre de kalıp kumları üç grupta toplanır:

1)Taze (yeni) kum: Ocaktan gelen veya yeni hazırlanmış ve hiç kullanılmamış kumdur.

2) Eski kum: Döküm işlemi sonunda bozulan kalıptan çıkan kumdur. Eski kumun gaz geçirme kabiliyeti azdır.

3) Kullanma kumu: Eski kuma % 20 - 50 yeni kum, % 5 -15 taş kömürü tozu ve % 5 -12 oranında su ilâve edilerek elde edilir. Model kumu veya doldurma kumu olabilir. Model kumu ince taneli, iyi hazırlanmış ve kalıbın modele temas eden kısımlarına konan kumdur. Doldurma kumu ise, iri taneli, yüksek gaz geçirme kabiliyetlidir. Model kumu konduktan sonra, kalıbın geri kalan kısmı doldurma kumu ile beslenir.

KALIP VE KALIP YAPIMI

Kum kalıbın kalitesini belirlemek için kumun çeşitli özellikleri kullanılmaktadır. Bunlar:

(1) Mukavemet: kalıbın şeklini koruma ve sıvı metal erozyonuna karşı dayanma kapasitesi olup, tane şekline, bağlayıcının kalitesine ve diğer faktörlere bağlıdır;

(2) Geçirgenlik: döküm esnasında açığa çıkan sıcak hava ve gazları kalıp kumu taneleri arasındaki boşluklardan tahliye etme kapasitesi,

(3) Isıl kararlılık: Sıvı metal ile temas sırasında kalıp boşluğu yüzeyindeki kumun çatlama ve burulmaya dayanımı;

(4) Yeniden kullanılabilirlik: Kalıp bozulduktan sonra aynı kumun tekrar kullanılıp kullanılamayacağıdır.

Kum kalıplar, genellikle yaş kum, kuru kum veya yüzeyi kurutulmuş kum kalıplar diye sınıflandırılır.

Yaş kum kalıplar; kum-su-kil karışımından yapılırlar ve yaş terimi döküm esnasında kalıbın nem içerdiğini ifade eder. Yaş kum kalıplar, birçok uygulama için yeterli mukavemet, iyi dağılabilme (bozulabilme), iyi geçirgenlik ve yeniden kullanılabilme özelliklerine sahip olup en ucuz kalıplama şeklidir. Yaş kum kalıplar en çok kullanılan kum kalıp tipidir. Ancak, bazı problemleri bulunmaktadır. Kalıp kumundaki nem, döküm parçasının alaşımı ve şekline bağlı olarak bazı döküm hatalarına yol açabilir.

Yaş kum kalıba döküm yönteminin;

Avantajları

Ucuzdur ve tazelenerek defalarca kullanılabilir, Yöntem basittir ve gerektiğinde mekanizasyon da kullanılabilir,

Değişik metallerin dökümü için uygundur,

Dezavantajları

İnce, uzun karmaşık biçimli ve iri parçaların dökümüne elverişli değildir. (mukavemet)

Kalıp tasarımı sırasında bozulabilir,

Nemli kalıpta oluşan buhar kusurlara neden olabilir, Boyut hassasiyeti ve yüzey özellikleri iyi değildir, Optimum dayanım için nem miktarının çok iyi kontrol edilmesi gerekir.

3

Kuru kum kalıp; bağlayıcı olarak kil yerine organik bağlayıcı kullanılarak ve 200°C-300°C (473K 593K) arasındaki bir sıcaklıktaki bir fırında pişirilerek hazırlanır. Fırında pişirme işlemi, kalıp dayanımını artırır ve kalıp yüzeyini sertleştirir. Döküm parçasının boyut kontrolü, kuru kum kalıplarda yaş kum kalıplardan daha hassas yapılabilir. Ancak, kuru kum kalıba döküm daha pahalıdır ve kurutma işleminden dolayı üretim hızı daha düşüktür. Kullanım alanı, genellikle orta büyüklükte ve büyük parçaların dökümünde, düşük veya orta üretim hızları ile sınırlıdır.

Kuru kum kalıplama yönteminin avantaj ve dezavantajları:

Dayanımı ve metal erozyonuna karşı dayanıklılığı yaş kum kalıplardan yüksektir.

Taşınırken bozulma tehlikesi daha azdır.

Nem miktarı azaldığı için gaz oranı da azalır.

Ortaya çıkan buhar nedeniyle oluşan döküm kusurları söz konusu değildir, Gaz geçirgenliği daha iyidir.

En önemli sakıncası ise kurutma işleminin kalıp hazırlama safhasını uzatması ve maliyeti artırmasıdır.

Yüzeyi kurutulmuş kum kalıpta; kuru kum kalıbın avantajları yaş kum kalıbın yüzeyinde 10-

25 mm kalınlığında bir tabakanın kurutulması ile elde edilebilir. Bu kurutma işlemi bir torç

(üfleç), bir ısıtıcı lamba veya başka bir yöntem ile yapılabilir. Kalıp yüzeyi mukavemetinin

artırılması için kum karışımına özel bağlayıcı ilave edilmelidir.

3

Döküme Hazır Kum Kalıp Kum Dökümde İşlem Sırası

Kum Dökümde İşlem Sırası

KABUK KALIBA DÖKÜM

Termoset reçineden oluşan bir bağlayıcı ile birleştirilmiş ince bir kum kabuktan yapılan kalıba döküm yöntemi kabuk kalıplama yöntemi olarak tanımlanır.

(1) Bir levhalı model veya üst ve alt derece modeli ısıtılarak, termoset reçineli kum içeren bir kutu üzerine yerleştirilir. ( 2) Kum ve reçine sıcak model üzerine düşerek kısmen sertleşmiş, dayanıklı bir kabuk oluşturabilmesi için kutu ters çevrilir. (3) Gevşek, sertleşmemiş tanelerin düşerek uzaklaşması için kutu eski haline getirilir.

(4) kum kabuk, sertleştirme tamamlanana kadar fırın içinde birkaç dakika ısıtılır. (5) kabuk kalıp modelden ayrılır. (6) Kabuk kalıbın iki yarısı birleştirilir, bir kutu içinde kum veya metal bilyelerle desteklenir ve döküm gerçekleştirilir (7) Yolluklu bitmiş ürün döküm çıkarılır.

• Kabuk kalıplamanın üstünlükleri:

– Pürüzsüz kalıp boşluğunun yüzeyi, erimiş metalin daha kolay akmasını ve dolayısıyla daha iyi yüzey kalitesi sağlar.

– Yüksek boyutsal doğruluk – genellikle talaş kaldırma gerektirmez.

– Kalıbın dağılabilirliği, dökümdeki çatlakları en aza indirir.

– Seri üretim için mekanize edilebilir.

• Dezavantajları:

– Daha pahalı metal model

– Az sayıda döküm için uygun değil

3

VAKUM KALIPLAMA

Kimyasal bağ yerine vakum basıncıyla bir arada tutulan kum kalıp kullanır.

• “Vakum” terimi, döküm işleminin kendisinden çok kalıp yapımı anlamına gelmektedir.

• 1970’lerde Japonya’da geliştirilmiştir

(1) Model yerleştirildikten sonra üzerine bir plastik film konur; (2) kum doldurulur; (3) en üste ikinci plastik film yerleştirilir; (4) iki plastik arasına vakum uygulanır; (5) alt ve üst kalıp yarıları aynı şekilde hazırlandıktan sonra birleştirilerek kalıp oluşturulur.

• Vakum kalıplamanın üstünlükleri:

– Bağlayıcı olmadığından, kum kolayca geri kazanılır.

– Kum, bağlayıcı kullanılan duruma göre mekanik yeniden şartlandırma gerektirmez.

– Kuma su karıştırılmadığından, nemle ilgili hatalar oluşmaz.

• Zayıflıkları:

– Yavaş proses

– Mekanizasyona kolayca uyarlanamaz.

3

KÖPÜK POLİSTİREN YÖNTEMİ

Erimiş metal kalıba döküldüğünde buharlaşan bir polistiren köpük model çevresine sıkıştırılmış bir kum kalıp kullanır.

• Diğer isimleri: kayıp-köpük yöntemi, kayıp model yöntemi, buharlaşan köpük yöntemi ve dolu kalıba döküm yöntemi

• Polistiren köpük model, düşey ve yatay yolluklar, besleyiciler ve (gerekirse) iç maçalardan oluşur.

• Kalıbın alt ve üst derece

kesitlerinin açılması gerekmez.

(1) Polistiren model, refrakter bileşenle kaplanır. (2) köpük model bir kalıp kutusuna yerleştirilir ve modelin çevresine kum sıkıştırılır. 3) erimiş metal, modelin döküm ağzı ve düşey yolluğu oluşturan kısmına dökülür. Metal kalıba girdikçe, ilerleyen sıvının önündeki polistiren köpük buharlaşır, böylece kalıp boşluğu dolar.

• Genleşen polistiren yönteminin üstünlükleri:

– Modelin kalıptan çıkarılması gerekmez.

– Geleneksel yaş kum kalıptaki gibi iki yarı kalıp gerekmediğinden, kalıp yapımı basitleşir ve hızlanır.

• Zayıflıkları:

– Her döküm için yeni bir model gerekir

– Yöntemin ekonomikliği, büyük oranda model yapım maliyetine bağlıdır

HASSAS DÖKÜM

Bu kalıplama yönteminin prensibi, mum ve benzeri modeller kullanılarak hazırlanan kalıpların ısıtılması ve eriyen model malzemesinin kalıptan dışarı akıtılarak kalıp boşluğunun oluşturulmasıdır. Üretilecek parça sayısı kadar modelin gerekli olduğu hassas dökümde mum, plastik, donmuş civa v.b. modeller kullanılır. Bu usulde önce dökülecek parçanın mumdan bir modeli yapılır. Bu model üzerine yolluk ve çıkıcılar yerleştirilir. Daha sonra bu model sıvı haldeki seramik malzeme içerisine daldırılır ve seramik malzemenin kalıp etrafında bir kabuk teşkil edecek şekilde katılaşması sağlanır.

(1) mum modeller oluşturulur. (2) birkaç model, bir model ağacı oluşturmak üzere birbirine tutturulur.

3) model ağacı, ince bir refrakter malzeme tabakasıyla kaplanır, (4) rijitleştirmek için yeterli miktarda refrakter malzeme ile kaplanarak dolu kalıp oluşturulur.

(

7) kalıp kırılarak bitmiş döküm çıkarılır ve parçalar yolluktan ayrılır.

3

HASSAS DÖKÜM

• Hassas dökümün üstünlükleri:

– Yüksek derecede karmaşıklığa ve doğruluğa sahip parçalar dökülebilir – Dar boyutsal kontrol ve yüksek yüzey kalitesi

– Mum genellikle tekrar kullanım için geri kazanılabilir

– Normal olarak ilave talaş kaldırma gerekmez – bu yöntem bir net şekil yöntemidir

• Zayıflıkları

– Çok sayıda işlem adımları gerekir.

– Nisbeten pahalı yöntemdir.

3

ALÇI KALIBA VE SERAMİK KALIBA DÖKÜM

Altın, gümüş, alüminyum, magnezyum, bakır gibi demir dışı metallerin dökülmesinde kullanılır.

Alçı kalıplar, iki veya daha çok parçalı yapılır ve kum kalıplar gibi bir bölüm yüzeyi içeririler. Kalıp malzemesi, 100 ölçü alçı ile 160 ölçü suyun krem kıvamına ulaşıncaya kadar karıştırılmasıyla hazırlanır.

Sulu harcın model üzerine dökülmesini izleyen birkaç dakika içerisinde gerçekleşen ilk sertleşmeden sonra model kalıptan çıkarılır ve kalıp 200C sıcaklıkta kurutulur.

• Boyut hassasiyeti çok iyi.

• Yüzeyler düzgün.

• Çok detaylı parçalar dökülebilir.

• Fakat kum kalıba göre pahalıdır. Nem ve nemden kaçınmak için yapılan fırınlama süresinin aşılması durumunda kalıp dayanımı düşer. Diğer bir sorun ise söz konusu kalıpların yüksek sıcaklıklara dayanıksız olmasıdır.

Alçının dayanımı düşük olduğundan, bu yöntemle genellikle 10 kg’dan daha düşük olan parçalar üretilir.