DÖKÜM NEDİR?
Erimiş metalin, elde edilecek parçanın şekline sahip bir kalıp boşluğuna, yerçekimi veya basınç uygulanarak doldurulup katılaşacağı yönteme döküm denir.
Döküm terimi yöntemle üretilen parçalar için de kullanılmaktadır.
Şekil dökümü-ingot dökümü..
Dökümdeki adımlar görece olarak basittir:
1. Metalin ergitilmesi
2. Kalıba dökülmesi
3. Katılaşmaya bırakılması
4. Kalıbın açılıp/bozulup parçanın alınması
DÖKÜMÜN ÜSTÜNLÜKLERİ
Hem iç (içi boş) hem de dış şekiller oluşturulabilir.
Bazı döküm yöntemleri seri üretime uygundur.
Hemen hemen tüm metallerin dökümü mümkündür. (dökme demir)
DÖKÜMÜN ZAYIF ÖZELLİKLERİ
Farklı döküm yöntemlerinin farklı zayıflıkları vardır:
DÖKÜMLE ÜRETİLEBİLEN PARÇALAR
Büyük parçalar;
Otomotiv araçları için motor blokları, silindir kafaları, piston, jant vs. ağaç yakma fırınları, makina gövdeleri, vagon tekerlekleri, borular, büyük heykeller, pompa gövdeleri, radyatör.
Küçük parçalar;
Diş kaplamaları, mücevher, küçük heykeller, kızartma tavaları, vana, vs.
Demir esaslı ve demir dışı tüm metal türleri dökülebilir.
Döküm genellikle dökümhane’de yapılır.
Döküm işini yapan işçiler dökümcü olarak adlandırılır.
Dökümhane; Kalıpların ve maçaların yapılması, erimiş metalin eldesi ve taşınması, döküm işleminin yapılması ve kalıpların bozulması, bitmiş dökümlerin temizlenmesi için donatılan fabrika. Dökümhaneler yaptıkları işin niteliğine göre sınıflandırılır: Şipariş, dahili, dökme demir, çelik, hassas döküm vs.
DÖKÜM PROSESLERİ
Döküm, metal veya alaşımların ergitilerek önceden hazırlanmış bir kalıp boşluğuna doldurulması ile parça imalatını kapsamaktadır. Bir adımda basit veya karmaşık şekilli parçalar ergitilebilen herhangi bir malzemeden üretilebilir. Nihai ürün dizayn mühendisinin istediği şekillerin tamamına sahiptir. Bunlara ilaveten kalıntı gerilmeler minimum düzeyde tutularak, özel uygulama alanları için yöne bağlı özellikler yönlendirilmiş katılaşma ile geliştirilebilir veya kalıp dizaynı, döküm parametrelerinin optimizasyonu ve çekirdekleyici ilavesiyle katılaşma kontrol altında tutularak eş 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 değişebilmektedir. Dahası döküm iç boşlukları olan veya eğri yüzeylere sahip karmaşık şekilli veya çok büyük kısımlardan müteşekkil parçaların imalatı için oldukça uygundur. Bu belirgin avantajlarından dolayı döküm, imal usulleri içerisinde büyük bir öneme sahiptir. Talaşlı işlenebilirliliği güç olan veya deformasyon kabiliyeti düşük olan bazı malzemeler ancak döküm yoluyla şekillendirilebilirler.
Titreşim söndürme ve işlenebilene kabiliyeti gibi bazı mühendislik özellikleri döküm malzemelerde daha yüksektir. Döküm, seri imalata uygun olup, çok sayıda parça kısa zamanda ve diğer yöntemlere nazaran en düşük maliyetle üretilebilir.
Günümüzde, mevcut döküm yöntemlerinin biri veya birden fazlası ile her türlü geometrik şekle sahip parçaların imali mümkündür. Ancak tüm üretim yöntemlerinde olduğu gibi, yüksek kalite ve düşük maliyete, imalat mühendisinin değişik dizayn obsiyonlannı anlaması, değerlendirmesi, en uygun şekillendirme yönteminin seçimi ve bu yöntemin verimli şekilde kullanımı suretiyle ulaşılabilir. Değişik döküm metotları arasındaki ana farklılıklar kalıp malzemesi (kum, metal veya diğer bir malzeme) ve sıvı metalin kalıba giriş şekline dayanır (yerçekimi, vakum, düşük veya yüksek basınç). Bütün yöntemlerde ergitme ve katılaşmanın, inklüzyon, gaz ve çekilme boşluğu gibi potansiyel hataların oluşumunu önleyecek ve özellikleri maksimize edecek şekilde gerçekleştirilmesi sağlanmalıdır.
Bu sebeple döküm yöntemlerinin daha iyi anlaşılabilmesi ve aralarındaki farklılıkların kavranabilmesi için katılaşma prosesi olarak bilinen ve dökümcülüğün esasını teşkil eden sıvı-katı dönüşümünün bu aşamada incelenmesi uygun olacaktır.
KATILAŞMA PROSESİ
Genel anlamda ergitme işlemini takiben kalıp boşluğuna sevk edilen, ergiyik metalin sıvıdan katıya dönüşmesi olayı katılaşma olarak tanımlanırken spesifik olarak atomların sıvı faz içinde uzak mesafeden kısa mesafeye veya kısa düzenden uzun düzene geçişleri olarak tanımlanır. Ürün özelliklerini kontrol eden yapısal karakteristiklerin çoğu bu aşamada meydana gelir. Aynı zamanda gaz ve çekilme porozitesi, segregasyon ve benzeri hatalar bu esnada vuku bulurlar. Bunların azaltılması veya tamamen ortadan kaldırılması katılaşma prosesinin kontrolü ile mümkündür.
Metallerin ve alaşımların tamamı ve çoğu yarı iletkenler, kompozitler, seramikler ve polimerler proses (fabrikasyon) hattının bir kademesinde sıvı haldedirler (Ham veya yarı mamul malzemeler bitirilmiş uç ürünlere dönüştürülürken genellikle proseslerin başlangıç kademesinde veya herhangi bir noktasında sıvı haldedirler). Sıvı daha sonra sıcaklığın sıvı-katı dönüşüm noktasının altına inmesiyle birlikte katılaşır. Katılaşan malzeme bu şekilde (döküm halinde) kullanılabileceği gibi daha sonraki bölümlerde izah edilecek olan termo-mekaniksel işlemlere de uğratılabilirler. Katılaşma sürecinde oluşan 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 davranışı döküm yapıları tarafından belirlenir.
Katılaşma 1) Çekirdeklenme ve 2) Büyüme olmak üzere iki kademede meydana gelmektedir.
ÇEKİRDEKLENME
Çekirdeklenme sıvı içerisinde çevresinden belirgin sınırlarla ayrılmış yaklaşık olarak 200 atomdan oluşan ve atom salkımı olarak nitelendirilen kararlı bir katının teşekkülü olayıdır . Daha sonra oluşan çekirdek tüm sıvı katı hale dönüşünceye kadar büyür. Burada bir itici kuvvetin etkisi altında kararlı veya yarı kararlı bir denge halindendiğerine geçiş söz konusudur. Sistemin serbest enerjisinde bir azalma olarak ortaya çıkan itici kuvvet, dönüşümün meydana gelebileceğini gösterir. Bu kuvvet gerekli fakat yeterli değildir. Dönüşümün olup olmayacağı kinetik faktörler tarafından belirlenir.
Katı kristal yapının serbest enerjisi sıvının enerjisinden daha düşük olduğu için sıcaklık dönüşüm noktasının altına indiği zaman sıvı katılaşır. Sıcaklık düştükçe 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 oluşabilmesi için katı ve sıvıyı birbirinden ayıran bir ara yüzeyin meydana getirilmesi gerekir . Yüzey serbest enerjisi bu arayüzeyle ilgilidir; yüzey alanındaki artışla birlikte bu enerji de artar. Sıvının sıcaklığı katılaşma noktasına ulaştığı anda sıvıdaki atomlar toplanarak salkım oluştururlar ve katıya benzer küçük bir bölge meydana getirirler. Bu küçük katı partikül embriyo (nüve veya çekirdekçik) olarak adlandırılır ve çapı belirli bir kritik değere ulaştığı anda çekirdek adını alır.
TERMODİNAMİK İRDELEME
Bir mikro yapının gelişimi esnasında heterojen, bir denge söz konusudur; birden fazla fazın bir arada denge halinde oluşu. Bir fazın serbest enerjisi G aşağıdaki eşitlik 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 dönüşümdeki serbest enerji değişimi aşağıdaki eşitlikle ifade edilir.
İki faz arasında denge halinde AG=0 olur. Bu koşul denge ergime ve kaynama noktasında gerçekleşmektedir Diğer sıcaklıklarda denge veya
kararlı faz, minimum serbest enerjiye sahip olan fazdır; Fazların serbest enerjileri arasındaki farklılık (AĞ) dönüşüm için itici kuvveti oluşturun Sıvı-katı dönüşümü için hacim serbest enerjisindeki değişim (AGv):
Burada gl ve Gs sırasıyla sıvının ve katının serbest enerjileridir. 1.1 eşitiliğinden hareketle, şayet entalpi ve entropi değişiminin sıcaklığa bağımlılığının çok az oldu kabulünü yaparsak; Burada Lm ergime gizli ısısıdır. Dengesel ergime noktasında AG=0 olacağından, ergime entropisi aşağıdaki şekilde gösterilebilir.
Bu eşitlikteki AT değeri dengesel ergime noktası ile dönüşüm sıcaklığı arasındaki farkı ifade eder ve alt soğuma veya aşın soğuma olarak bilinir.
Çekirdeklenme olayı homojen ve heterojen çekirdeklenme şeklinde iki farklı şekilde gerçekleşir.
Homojen Çekirdeklemme;
Çekirdeklenmenin en basit şeklidir. Homojen çekirdeklenme sıvı ergiyikte metal atomlarının kendi kendilerine bir araya gelmeleri ile oluşur. Önce saf bir metalin katılaşmasını ele alalım: Sıvı metal denge katılaşma sıcaklığının altında yeterli bir derece soğutulursa, çok sayıda homojen çekirdekçik atomların yavaş hareketleri ile teşekkül eder. Homojen çekirdeklenme bazı metaller için genellikle yüzlerce dereceye varabilen alt soğutmaları gerektirir ve alt soğuma miktarı yaklaşık olarak 0.2Tm (Tm : ergime sıcaklığı) değerine eşdeğerdir. Bir embriyonun kararlı bir çekirdek ve takiben bir kristal (tane) şeklinde büyüyebilmesi için
kritik bir boyuta ulaşması gerekmektedir. Embriyolar (nüve) sıvıda sürekli olarak oluşur ve tekrar çözünürler. Ancak kritik çapa ulaşabilenler büyüyerek nihai tane şeklini alırlar.
Homojen Çekirdeklenme Enerjisi;
Saf bir metalin homojen çekirdeklenmesinde, iki tip enerji değişimi söz konusudur; (1) sıvı-katı dönüşümünde salıverilen hacim veya kütle serbest enerjisi (açığa çıkan enerji) ve (2) Katılaşan partikülün yüzeyini oluşturmak için gerekli olan yüzey serbest enerjisi (ortamdan alınan enerji).
Saf bir metal denge katılaşma noktasının altına soğutulduğu zaman, sıvı-katı transformasyonu için gerekli itici kuvvet sıvı ve katının hacımsal serbest enerjileri arasındaki farktır.Ancak embriyo ve çekirdeklerin yüzeyini oluşturmak için gerekli yüzey enerjisi çekirdeğin oluşumunu önleyici yönde etki eder. Bu partiküllerin yüzeylerini oluşturmak için gerekli enerji spesifik yüzey enerjisi (y) ile yüzey alanının çarpımına eşittir. Toplam enerji değişimi ise ortadaki eğri ile gösterilmiştir. Küresel formda olduğu kabul edilen embriyo ve çekirdek için toplam enerji değişimi:
Burada AGr toplam serbest enerji, r çekirdek yarıçapı, AGv hacim serbest enerjisi ve (y) spesifik yüzey serbest enerjisidir.
Serbest enerjideki toplam değişim embriyonun boyutuna bağımlıdır. Eğer embriyo çapı çok küçük ise, çaptaki artışla birlikte ( r
Çekirdek çapı kritik çapı aştığında, net serbest enerji (toplam) değerinde bir azalma meydana geleceği için büyüme hızla gerçekleşecektir. Çekirdek çapı kritik değerin altında kaldığı müddetçe, çekirdek tekrar ergîyecektir. Zira bu şekilde meydana gelen boyut küçülmesi net serbest enerji değerinde bir azalma sağlamaktadır.
Bölgesel (çekirdeklerime) enerji değişimi veya çekirdeklenme işi. Çekirdeğin birkaç atomdan meydana geldiği göz önünde bulundurulursa, kritik çapın ne kadar küçük ve dolayısıyla aşın soğumanın da ne kadar büyük olması gerektiği kolayca anlaşılabilir. Walker yabancı çekirdekleri önleyici tedbirler alarak, birkaç yüz gram arı nikel ile yaptığı deneylerde sıvı nikeli, ergime sıcaklığının 296'C altına kadar aşırı soğutabilmiştir. Keza Blackman saf demiri ergime noktasının 238*C altına kadar sıvı halde tutmayı başarmıştır.
Heterojen Çekirdeklenme;
Heterojen çekirdeklenme, çekirdeklenme hadisesinin, kararlı bir çekirdek oluşumu için gerekli kritik serbest enerji değerini düşüren kalıp duvarı, çözünmeyen metaller arası bileşikler, inklüzyon (metal oksitler ve metal sülfürler) ve diğer katkı malzemeleri (yapay olarak dışarıdan 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 (yaklaşık olarak 0.02Tm). Bu yüzden pratikte çekirdeklenme homojen çekirdeklenme ile değil heterojen çekirdeklenme ile meydana gelmektedir.
Heterojen çekirdeklenmenin oluşabilmesi için, çekirdekleyici ajan (katı empürite veya kalıp iç yüzeyi) sıvı metal tarafından ıslatılabilmelidir. Heterojen çekirdeklenme, çekirdekleyici ajan (altlık) üzerinde oluşur, çünkü kararlı bir çekirdeği oluşturmak için
gerekli serbest enerji değişimi değeri homojen çekirdeklenme için gerekli olandan daha düşüktür. Heterojen çekirdeklenmede yüzey serbest enerjisi ve net serbest enerji değeri daha düşüktür. Buna paralel olarak kritik yarıçap değeri de azalmaktadır. Çekirdeklenme için daha küçük alt soğutmalar yeterli olmaktadır.
SIVI METALDE KRİSTALİN BÜYÜMESİ VE TANE YAPISININ OLUŞUMU
Katılaşmakta olan bir metalde kararlı bir çekirdek teşekkül ettikten sonra büyüme kademesi başlar. Her katılaşan kristalde atomlar düzenli bir şekilde dizilmişlerdir, ancak kristallerdeki x, y, z yönleri komşu kristale göre belirli oranda açı yaparlar. Katılaşma tamamlandığında taneler birbirleriyle temas ederek birkaç atom boyutu genişliğindeki tane sınırlarını meydana getirirler.
Çok sayıda taneden oluşan katılaşmış metal çok kristalli malzeme olarak adlandırılır. Katılaşmış metaldeki kristaller tane, bunların arasındaki geçiş 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 artışı ile çok ince bir tane yapısına ulaşılabilir. 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 katılaşma koşullarına göre (katı-sıvı ara yüzeyi Önündeki kompozisyonal ve ısıl gradyanlann etkileşimi) iki tip tane yapısı meydana gelir; 1) Eş eksenli taneler ve 2) Kolonsal bir yönde tercihli olarak büyümüş) taneler.
Tolga KARANFİL