1-DÖKÜM PROSESLERĐ
1.1-GĐRĐS
Döküm, metal veya alasımların ergitilerek önceden hazırlanmıs bir kalıp bosluğuna
doldurulması ile parça imalatını kapsamaktadır. Bir adımda basit veya karmasık sekilli
parçalar ergitilebilen herhangi bir malzemeden üretilebilir. Nihai ürün dizayn mühendisinin
istediği sekillerin tamamına sahiptir. Bunlara ilaveten kalıntı gerilmeler minimum düzeyde
tutularak, özel uygulama alanları için yöne bağlı özellikler yönlendirilmis katılasma ile
gelistirilebilir veya kalıp dizaynı, döküm parametrelerinin optimizasyonu ve çekirdekleyici
ilavesiyle katılasma kontrol altında tutularak es eksenli tane yapısına sahip ve özellikleri her
yönde aynı izotropik bir malzeme elde edilebilir .
Döküm yoluyla üretilen parçaların boyutları birkaç mm'den birkaç metreye ve ağırlıkları
da birkaç gramdan birkaç tona kadar değisebilmektedir. Dahası döküm iç boslukları olan veya
eğri yüzeylere sahip karmasık sekilli veya çok büyük kısımlardan mütesekkil parçaların
imalatı için oldukça uygundur. Bu belirgin avantajlarından dolayı döküm, imal usulleri
içerisinde büyük bir öneme sahiptir. Talaslı islenebilirliliği güç olan veya deformasyon
kabiliyeti düsük olan bazı malzemeler ancak döküm yoluyla sekillendirilebilirler. Titresim
söndürme ve islenebilene kabiliyeti gibi bazı mühendislik özellikleri döküm malzemelerde
daha yüksektir. Döküm, seri imalata uygun olup, çok sayıda parça kısa zamanda ve diğer
yöntemlere nazaran en düsük maliyetle üretilebilir.
Günümüzde, mevcut döküm yöntemlerinin biri veya birden fazlası ile her türlü
geometrik sekle sahip parçaların imali mümkündür. Ancak tüm üretim yöntemlerinde olduğu
gibi, yüksek kalite ve düsük maliyete, imalat mühendisinin değisik dizayn obsiyonlannı
anlaması, değerlendirmesi, en uygun sekillendirme yönteminin seçimi ve bu yöntemin verimli
sekilde kullanımı suretiyle ulasılabilir. Değisik döküm metotları arasındaki ana farklılıklar
kalıp malzemesi (kum, metal veya diğer bir malzeme) ve sıvı metalin kalıba giris sekline
dayanır (yerçekimi, vakum, düsük veya yüksek basınç). Bütün yöntemlerde ergitme ve
katılasmanın, inklüzyon, gaz ve çekilme bosluğu gibi potansiyel hataların olusumunu
önleyecek ve özellikleri maksimize edecek sekilde gerçeklestirilmesi sağlanmalıdır.
Bu sebeple döküm yöntemlerinin daha iyi anlasılabilmesi ve aralarındaki farklılıkların
kavranabilmesi için katılasma prosesi olarak bilinen ve dökümcülüğün esasını teskil eden sıvıkatı
dönüsümünün bu asamada incelenmesi uygun olacaktır.
1.2-KATILASMA PROSESĐ
Genel anlamda ergitme islemini takiben kalıp bosluğuna sevk edilen, ergiyik metalin
sıvıdan katıya dönüsmesi olayı katılasma olarak tanımlanırken spesifik olarak atomların sıvı
faz içinde uzak mesafeden kısa mesafeye veya kısa düzenden uzun düzene geçisleri olarak
tanımlanır. Ürün özelliklerini kontrol eden yapısal karakteristiklerin çoğu bu asamada
meydana gelir. Aynı zamanda gaz ve çekilme porozitesi, segregasyon ve benzeri hatalar bu
esnada vuku bulurlar. Bunların azaltılması veya tamamen ortadan kaldırılması katılasma
prosesinin kontrolü ile mümkündür.
Metallerin ve alasımların tamamı ve çoğu yarı iletkenler, kompozitler, seramikler ve
polimerler proses (fabrikasyon) hattının bir kademesinde sıvı haldedirler (Ham veya yarı
mamul malzemeler bitirilmis uç ürünlere dönüstürülürken genellikle proseslerin baslangıç
kademesinde veya herhangi bir noktasında sıvı haldedirler). Sıvı daha sonra sıcaklığın sıvıkatı
dönüsüm noktasının altına inmesiyle birlikte katılasır. Katılasan malzeme bu sekilde
(döküm halinde) kullanılabileceği gibi daha sonraki bölümlerde izah edilecek olan termomekaniksel
islemlere de uğratılabilirler. Katılasma sürecinde olusan yapılar ingot dökümlerin
mekanik, fiziksel ve kimyasal özelliklerini tayin ettiğinden, istenen özelliklere sahip parça
üretimi için malzeme üzerinde yapılması gereken ileriki proseslerin rotasını da etkiler.
Bunlara ilaveten döküm sonrası termo-mekaniksel prosesler esnasında malzemelerin davranısı
döküm yapıları tarafından belirlenir.
Katılasma 1) Çeklrdeklenme ve ü) Büyüme olmak üzere iki kademede meydana
gelmektedir.
1.2.1-Çekirdeklenme
Çekirdeklenme sıvı içerisinde çevresinden belirgin sınırlarla ayrılmıs yaklasık olarak
200 atomdan olusan ve atom salkımı olarak nitelendirilen kararlı bir katının tesekkülü
olayıdır . Daha sonra olusan çekirdek tüm sıvı katı hale dönüsünceye kadar büyür. Burada bir
itici kuvvetin etkisi altında kararlı veya yarı kararlı bir denge halinden
diğerine geçis söz konusudur. Sistemin serbest enerjisinde bir azalma olarak ortaya
çıkan itici kuvvet, dönüsümün meydana gelebileceğini gösterir. Bu kuvvet gerekli fakat
yeterli değildir. Dönüsümün olup olmayacağı kinetik faktörler tarafından belirlenir.
Katı kristal yapının serbest enerjisi sıvının enerjisinden daha düsük olduğu için sıcaklık
dönüsüm noktasının altına indiği zaman sıvı katılasır. Sıcaklık düstükçe sıvı ile katı arasındaki
serbest enerji farkı
daha da büyür ve katı faz daha kararlı hale gelir. Bu enerji farkına hacim serbest enerjisi
adı verilir (AGv)
Ancak, katının olusabilmesi için katı ve sıvıyı birbirinden ayıran bir ara yüzeyin
meydana getirilmesi gerekir . Yüzey serbest enerjisi bu arayüzeyle ilgilidir; yüzey alanındaki
artısla birlikte bu enerji de artar. Sıvının sıcaklığı katılasma noktasına ulastığı anda sıvıdaki
atomlar toplanarak salkım olustururlar ve katıya benzer küçük bir bölge meydana getirirler.
Bu küçük katı partikül embriyo (nüve veya çekirdekçik) olarak adlandırılır ve çapı belirli bir
kritik değere ulastığı anda çekirdek adını alır.
Termodinamik irdeleme
Bir mikro yapının gelisimi esnasında heterojen, bir denge söz konusudur; birden fazla
fazın bir arada denge halinde olusu. Bir fazın serbest enerjisi G asağıdaki esitlik gereğince;
Burada H entalpi, T mutlak sıcaklık ve 5 entropiyi ifade eder. Çoğu metalurjik sistemde
basıncın sabit olduğu varsayımıyla bu ifade
Bu nedenle serbest enerji sıcaklıkla birlikte azalmaktadır. Sabit bir sıcaklıkta bir fazdan
diğer bir faza dönüsümdeki serbest enerji değisimi asağıdaki esitlikle ifade edilir.
Đki faz arasında denge halinde AG=0 olur. Bu kosul denge ergime ve kaynama
noktasında gerçeklesmektedir Diğer sıcaklıklarda denge veya
kararlı faz, minimum serbest enerjiye sahip olan fazdır; Fazların serbest enerjileri
arasındaki farklılık (AĞ) dönüsüm için itici kuvveti olusturun Sıvı-katı dönüsümü için hacim
serbest enerjisindeki değisim (AGv):
Burada GL ve Gs sırasıyla sıvının ve katının serbest enerjileridir. 1.1 esitiliğinden
hareketle
Sayet entalpi ve entropi değisiminin sıcaklığa bağımlılığının çok az oldu kabulünü
yaparsak
Burada Lm ergime gizli ısısıdır. Dengesel ergime noktasında AG=0 olacağından,
ergime entropisi asağıdaki sekilde gösterilebilir.
Bu esitlikteki AT değeri dengesel ergime noktası ile dönüsüm sıcaklığı arasındaki farkı
ifade eder ve alt soğuma veya asın soğuma olarak bilinir. Çekirdeklenme olayı homojen ve
heterojen çekirdeklenme seklinde iki farklı sekilde gerçeklesir.
Homojen Çekirdeklenme
Çekirdeklenmenin en basit seklidir. Homojen çekirdeklenme sıvı ergiyikte metal
atomlarının kendi kendilerine bir araya gelmeleri ile olusur. Önce saf bir metalin katılasmasını
ele alalım: Sıvı metal denge katılasma sıcaklığının altında yeterli bir derece soğutulursa, çok
sayıda homojen çekirdekçik atomların yavas hareketleri ile tesekkül eder. Homojen
çekirdeklenme bazı metaller için genellikle yüzlerce dereceye varabilen alt soğutmaları
gerektirir ve alt soğuma miktarı yaklasık olarak 0.2Tm (Tm : ergime sıcaklığı) değerine
esdeğerdir. Bir embriyonun kararlı bir çekirdek ve takiben bir kristal (tane) seklinde
büyüyebilmesi için
kritik bir boyuta ulasması gerekmektedir. Embriyolar (nüve) sıvıda sürekli olarak olusur
ve tekrar çözünürler. Ancak kritik çapa ulasabilenler büyüyerek nihai tane seklini alırlar.
Homojen Çekirdeklenme Enerjisi
Saf bir metalin homojen çekirdeklenmesinde, iki tip enerji değisimi söz konusudur; (1)
sıvı-katı dönüsümünde salıverilen hacim veya kütle serbest enerjisi (açığa çıkan enerji) ve (2)
Katılasan partikülün yüzeyini olusturmak için gerekli olan yüzey serbest enerjisi (ortamdan
alınan enerji).
Saf bir metal denge katılasma noktasının altına soğutulduğu zaman, sıvı-katı
transformasyonu için gerekli itici kuvvet sıvı ve katının hacımsal serbest enerjileri arasındaki
farktır.Ancak embriyo ve çekirdeklerin yüzeyini olusturmak için gerekli yüzey enerjisi
çekirdeğin olusumunu önleyici yönde etki eder. Bu partiküllerin yüzeylerini olusturmak için
gerekli enerji spesifik yüzey enerjisi (y) ile yüzey alanının (__) çarpımına esittir. Yüzey
enerjisinin çekirdek yarıçapı ile değisimi Sekil 1.4' ün üst yarısında sergilenmistir. Toplam
enerji değisimi ise ortadaki eğri ile gösterilmistir. Küresel formda olduğu kabul edilen
embriyo ve çekirdek için toplam enerji değisimi:
Burada AGr toplam serbest enerji, r çekirdek yarıçapı, AGv hacim serbest enerjisi ve (y)
spesifik yüzey serbest enerjisidir.
Serbest enerjideki toplam değisim embriyonun boyutuna bağımlıdır. Eğer embriyo çapı
çok küçük ise, çaptaki artısla birlikte ( r < r* iken) serbest enerji yükselmekte ve neticede
embriyo yeniden ergimeyerek sıvı hale dönüsmektedir. r> r* halinde ise çap artısıyla birlikte
serbest enerji düsmekte ve olusan katı kararlı hale gelmektedir.
Çekirdek çapı kritik çapı astığında, net serbest enerji (toplam) değerinde bir azalma
meydana geleceği için büyüme hızla gerçeklesecektir. Çekirdek çapı kritik değerin altında
kaldığı müddetçe, çekirdek tekrar ergîyecektir. Zira bu sekilde meydana gelen boyut
küçülmesi net serbest enerji değerinde bir azalma sağlamaktadır.
Bölgesel (çekirdeklerime) enerji değisimi veya çekirdeklerime isi AG* ise 1.3 nolu
esitlikte r*'nin değerini yerine koyarak bulunabilir;
Çekirdeğin birkaç atomdan meydana geldiği göz önünde bulundurulursa, kritik çapın ne
kadar küçük ve dolayısıyla asın soğumanın da ne kadar büyük olması gerektiği kolayca
anlasılabilir. Walker yabancı çekirdekleri önleyici tedbirler alarak, birkaç yüz gram arı nikel
ile yaptığı deneylerde sıvı nikeli, ergime sıcaklığının 296'C altına kadar asırı soğutabilmistir.
Keza Blackman saf demiri ergime noktasının 238*C altına kadar sıvı halde tutmayı
basarmıstır.
Heterojen Çekirdeklenme
Heterojen çekirdeklenme, çekirdeklenme hadisesinin, kararlı bir çekirdek olusumu için
gerekli kritik serbest enerji değerini düsüren kalıp duvarı, çözünmeyen metaller arası
bilesikler, inklüzyon (metal oksitler ve metal sülfürler) ve diğer katkı malzemeleri (yapay
olarak dısarıdan ilave edilen çekirdekleyciler) yardımıyla meydana gelmesi olayıdır.
Endüstriyel döküm proseslerinde yüksek oranlarda alt soğuma meydana gelmez ve genellikle
alt soğuma 0.1 ila 10'C arasındadır (yaklasık olarak 0.02Tm). Bu yüzden pratikteçekirdeklenme homojen çekirdeklenme ile değil heterojen çekirdeklenme ile meydana
gelmektedir.
Heterojen çekirdeklenmenin olusabilmesi için, çekirdekleyici ajan (katı empürite veya
kalıp iç yüzeyi) sıvı metal tarafından ıslatılabilmelidir.Heterojen çekirdeklenme,
çekirdekleyici ajan (altlık) üzerinde olusur, çünkü kararlı bir çekirdeği olusturmak için
gerekli serbest enerji değisimi değeri homojen çekirdeklenme için gerekli olandan daha
düsüktür. Heterojen çekirdeklenmede yüzey serbest enerjisi ve net serbest enerji değeri daha
düsüktür. Buna paralel olarak kritik yarıçap değeri de azalmaktadır. Çekirdeklenme için daha
küçük alt soğutmalar yeterli olmaktadır.
1.2.2-Sıvı Metalde Kristalin Büyümesi ve Tane Yapısının Olusumu
Katılasmakta olan bir metalde kararlı bir çekirdek tesekkül ettikten sonra büyüme
kademesi baslar. Her katılasan kristalde atomlar düzenli bir sekilde dizilmislerdir, ancak
kristallerdeki x, y, z yönleri komsu kristale göre belirli oranda açı yaparlar. Katılasma
tamamlandığında taneler birbirleriyle temas ederek birkaç atom boyutu genisliğindeki tane
sınırlarını meydana getirirler.Çok sayıda taneden olusan katılasmıs metal çok kristalli
malzeme olarak adlandırılır . Katılasmıs metaldeki kristaller tane, bunların arasındaki geçis
bölgesi ise tane sının olarak nitelendirilmektedir .
Muhtemel çekirdeklenme yerleri veya çekirdek sayısı katı metaldeki tane yapısını
belirler. Eğer çok az sayıda çekirdeklenme olursa, nihai döküm yapısı az sayıdaki büyük
tanelerden meydana gelir. Çekirdeklenme yeri ve sayısı artısı ile çok ince bir tane yapısına
ulasılabilir. Hemen hemen bütün mühendislik malzemelerinde, yüksek mukavemet ve
özelliklerde homojenlik sağladığından ince taneli yapılar istenir.
Bir metal, tane inceltici veya çekirdekleyici ilave etmeden bir kalıba döküldüğü zaman,
döküm ve katılasma kosullarına göre (katı-sıvı
ara yüzeyi Önündeki kompozisyonal ve ısıl gradyanlann etkilesimi) iki tip tane yapısı
meydana gelir; 1) Es eksenli taneler ve 2) Kolonsal bir yönde tercihli olarak büyümüs) taneler.
Sıvı metaldeki çekirdeklenme ve büyüme sartlan kristallerin tüm yönlerde büyümelerine
fırsat vermesi halinde es eksenli taneler meydana gelir. Es eksenli çil taneleri Sekil 1.7 ve
1.8'de gösterildiği gibi genellikle soğuk kalıp duvarına bitisik olarak bulunurlar. Katılasma
baslangıcında kalıp duvarı civarında olusan çok yüksek derecelerdeki altsoyuma, asın
derecede hızlı çekirdeklenmeye yol açarak es eksenli tane yapısının tesekkülü için uygun
kosullan olusturur. Dökümlerin yüzeylerinde bu sekilde olusan es eksenli ve ince tanelerden
olusmus bölge çil bölgesi olarak adlandırılır. Kolonsal taneler uzun, ince ve kabadır. Bu
taneler sıvı içerisinde sıcaklık gradyanının yüksek (dik) ve katılasma (soğuma) hızının düsük
olması halinde meydana gelirler. Kolonsal taneler, yüksek sıcaklık gradyanının varlığı
nedeniyle kalıp duvarına dik ve ısı transferi yönüne paralel olarak büyürler. Geleneksel bir
metotla dökülen bir dökümde, yüzeyden merkeze doğru çil bölgesi, kolonsal bölge ve es
eksenli bölge bulunur. Kolonsal büyümenin sonuna doğru, merkezde sıvı halde bulunan
metalin sıcaklığında bir düsme görülür, dik sıcaklık gradyanlan kaybolur ve alasım elementi
zenginlesmesi olduğundan yapısal asırı soğuma veya çökelme neticesinde bağımsız
çekirdeklenme meydana gelir ve bu çekirdekler çil bölgesindeki tanelere göre daha büyük
boyutlu es eksenli taneleri meydana getirirler.
Eğer sıvı metal havuzundaki çekirdeklerime ve katılasma ısıl ve kompozisyonal
değisimlerin etkilerine bırakılmayıp çekirdekleyici ilavesi gibi dıs müdahalelere maruz kalırsa
kolonsal taneler meydana gelmez ve dökümün tamamı es eksenli tanelerden olusur. Bunun
tam tersini de gerçeklestirmek mümkündür; kalıp dizaynı ve katılasma kosullan kontrol
edilerek yönlendirilmis katılasma neticesinde tamamen kolonsal tanelerden ibaret bir döküm
elde edilebilir. Yönlendirilmis katılasma olarak adlandırılan bu yöntemle bazen dökümparçanın tek bir taneden meydana gelmesi sağlanabilir (tek kristal üretimi). Bu yöntem türbin
kanatlarının üretiminde yaygınca kullanılmaktadır. Kolonsal ve es eksenli, taneler Sekil 1.8'de
gösterilmistir.
Katı çekirdek tesekkül ettikten sonra, büyüme atomların katı-sıvı ara yüzeyine ilaveleri
ile gerçeklesir. Saf metallerde, katılasma esnasında çekirdeğin büyümesi (katı-sıvı ara
yüzeyinin ilerleme sekli) katı-sıvı ara yüzeyinden ısının transfer edilis sekline bağımlıdır. Đki
tip ısı, sıvı metalden uzaklastırılmalıdır. Sıvının özgül(spesifik) ısısı ve ergime gizli ısısı.
Spesifik ısı malzemenin birim ağırlığının sıcaklığını 1'C yükseltmek için gerekli ısıdır.
Spesifik ısı, sıvı katılasma sıcaklığına soğuyana kadar ya radyasyonla çevreye ya da
kondüksiyonla kalıp duvarından ilk olarak uzaklastırılır. Düzensiz sıvı yapısının daha düzenli
ve kararlı kristal yapısına dönüsümü esnasında ortaya çıkan enerjiyi simgeleyen ergime gizli
ısısı, katı-sıvı ara yüzeyinden katılasma tamamlanmadan önce uzaklastırılmalıdır. Ergime
gizli ısısının sistemden alınıs sekli büyüme mekanizmasını ve sonuç tane yapısını belirleyici
en önemli etkenlerden biridir. Simdi sıvı ile katıyı birbirinden ayıran arayüzeyin katılasma
esnasında alabileceği muhtemel formları ele alarak bunların neticesinde ortaya çıkacak tane
sekillerini inceleyelim.
a) Düzlemsel Cephede Büyüme
Homojen bir sıvının denge kosullan altında düsük bir hızla soğuduğunu varsayalım.
Sıvının sıcaklığı katılasma sıcaklığından daha yüksek ve katının sıcaklığı katılasma
sıcaklığına esdeğer veya hemen altındadır. Katılasmanın devam edebilmesi için ergime gizli
ısısı katı-sıvı ara yüzeyinden katılasmıs kısma iletilir ve buradan da çevreye salıverilir. Katısıvı
ara yüzeyinde tesekkül edecek herhangi bir çıkıntının etrafı sıcaklığı ergime noktasının
çok üzerinde olan bir sıvı tarafından sarılmıstır (Sekil 1.9). Bu nedenle ya çıkıntının büyümesi
çıkıntının sıvı içindeki en uç noktası ile ara yüzeyin kalan kısmı aynı hizaya gelene kadar
durur, ya da çıkıntı hemen ergiyerek katı-sıvı ara yüzeyi eski düzlemsel seklini alır. Bu tip
büyüme mekanizması düzlemsel cephede büyüme olarak bilinir; katı-sıvı ara yüzeyi bir çizgi
seklindedir ve sonuç döküm yapılan kolonsal tanelidir.
b) Dendiritik Büyüme
Çekirdeklenmenin zayıf olduğu hallerde, sıvının sıcaklığı katı tesekkül etmeden,
katılasma noktasının altındaki bir sıcaklığına yükselir. Bu sekilde sıcaklık yükselmesine ısıl
dalgalanma denir ve Sekil 1.11'de gösterilmistir. Soğuma eğrisinin sekli dökülen malzemenin
çesidine (malzemenin katılasma karakteristiğine), çekirdeklenme tipine, kalıptan ısı transfer
hızı ve sekline bağlıdır. Deneysel olarak kaydedilen soğuma eğrilerinin analizi ile katılasma
prosesi ve döküm hakkında çok değerli bilgiler elde edilebilir. Yüksek katılasma hızları ince
yapılı ve mekanik özellikleri yüksek dökümlerin üretimini sağlamaktadır.
1.2.4-Katılasma Zamanı
Katılasmanın gerçeklestirilebilmesi için iletilmesi gereken ısı miktarı; süper ısı miktarı,
kalıptaki sıvının miktarı veya döküm parçanın hacmi ile doğru orantılıdır. Bir döküm
parçadaki ısının çevreye yayınım kabiliyeti ise parçanın yüzey alanı ve kalıbın ısı iletim
karakteristiği ile doğrudan iliskilidir. Bu bulgular Chvorinov kuralı ile ifade edilir;
Burada ts katılasma zamanı, V dökümün hacmi, A döküm parçanın yüzey alam, n 1.5 ila
2 arasında değere sahip bir sabitedir ve B ise dökülen malzemenin özelliğine (yoğunluk, ısı
kapasitesi, ergime gizli ısısı), kalıp malzemesine (yoğunluk, ısıl iletkenlik ve ısı kapasitesi),
kalıp kalınlığına ve süper ısı miktarına bağımlı bir kalıp sabitesidir.
B değeri belirli bir kalıp malzemesi, metal ve belirli döküm kosullan altında
numune dökümü ile tayin edilebilir. Bu değer daha sonra aynı kosullar altında üretilen diğer
dökümlerin katılasma zamanının tespiti için kullanılabilir. Chvorinov kaidesi dökümde
besleyici dizaynında ve besleyicilerin yerlesim noktalarının belirlenmesi amacıyla
kullanılmaktadır. Katılasma büzülmesinin besleyici içersindeki sıvı metal ile etkin bir sekilde
karsılanabilmesi Chvorinov kaidesinin uygulanması halinde mümkündür.
Farklı soğuma hızları ve katılasma zamanlan döküm yapısının ve özelliklerin değisimine
neden olmaktadır. Örneğin kokil kalıba dökülen parçalar kum kalıba dökülenlere oranla daha
yüksek mukavemete sahiptir. Değisik kalıp kumları farklı katılasma veya soğuma hızı
sağlarlar. Örneğin yüksek rutubete sahip kum kalıplardaki ısı transfer hızı, düsük oranlı
rutubete sahip kum kalıplardan daha yüksektir.
Tolga KARANFİL