katılaşma sırasında oluşan hacim azalmaları

İmal Usulleri
DÖKÜM
Katılaşma
Döküm yoluyla üretimde metal malzemelerin kullanım
özellikleri, katılaşma aşamasında oluşan iç yap ile belirlenir.
Dolaysıyla malzeme özelliklerinin kontrol edilebilmesi için
katılaşma olayının iyi bilinmesi gerekir. Katılaşma olayı
ergimiş sıvı malzemenin katı hale geçişi olarak tanımlanır.
Sıvı/katı geçişi birincil kristalleşme (katılaşma) ve bu sırada
oluşan katılaşma iç yapısı (döküm iç yapısı) birincil içyapı
olarak adlandırılır. Isıl ve termomekanik işlemler sonrasında
ortaya çıkan yapı ikincil yapı olarak adlandırılır.
Gaz
Gaz
Yoğuşma
Gizli Buharlaşma Isısı
Potansiyel Enerji
Sıvı
Sıvı
Kristalleşme
Gizli Ergime Isısı
Katı
Katı
Sıcaklık
Atomlar Arası Mesafe
Katılaşma olayı:
Sıvı halde saf bir metal veya alaşım soğutulmaya bırakılsın.
Serbest enerji =G ise,
sıvının serbest enerjisi=G1 ve katının serbest enerjisi=G2
olsun
Kristal
Serbest
Enerji (G)
ΔG
Sıvı
Aşırı
Soğuma
Sıcaklık T>T0 için
G2> G1sıvı faz hakim
T=T0 sıcaklığında ilk katılaşma
ΔG= sıvı ve katı faz arasındaki serbest
enerji farkı
ΔG=G2-G1< 0 ise katılaşma kendiliğinden
oluşur.
ΔG=G2-G1> 0 ise katı faz oluşmaz.
ΔG=0 ise katılaşma sonsuz zamanda
tamamlanır.
T0-T1 aşırı soğumayı göstermektedir.
T1
T0
Sıcaklık
Katılaşma iki safhadan oluşur:
1. Çekirdeklenme
2. Çekirdeklerin büyümesi ve tanelerin oluşumu
Çekirdekler; çok küçük katı parçacıklar olup, karalılıkları, yani
tekrar erimeden büyümeye devam etmeleri, ancak yeterli bir
büyüklüğe sahip olmalarına bağlıdır. Bu durum serbest enerji
yardımıyla açıklanabilir. Herhangi bir olayın kendiliğinden
devam edebilmesi için, bu olayla ilgili serbest enerjinin
azalması gerekir.
Faz dönüşümünün sebebi, sistemin serbest enerjisini azaltma
eğiliminden kaynaklanmaktadır.
Katılaşmada Serbest enerji iki bileşenden meydana gelir:
1. Hacimsel Serbest Enerji Değişimi (Fv)
Sistemin serbest enerjisini azaltan terimdir. Yani dönüşümün
gerçekleşmesine katkıda bulunur.
2. Arayüzey enerjisi ()
Sistemin serbest enerjisini artıran terimdir.
=Katı çekirdeğin
oluşumunda birim hacim
için dışarıya verilen, yani
sistemden salınan
enerjidir, o halde değeri
negatiftir.
=Katı-sıvı birim
arayüzeyinin oluşturulması
için harcanması gereken
enerjidir, o halde değeri
pozitiftir.
Homojen Çekirdeklenme
Oluşan çekirdekler tekrar erimeden, kristallerin tekrar büyüyebilmesi
için en az rkr yarıçapına sahip olması, veya diğer bir deyişle söz
konusu yarıçapa ulaşabilmesi için gerekli aktivasyon enerjisinin
dışardan sağlanmış olması zorunludur.
İçinde çekirdek görevi yapabilecek parçacıklar (nitrür, oksit, v.b katı
bileşikler) bulunmayan ideal ve homojen bir eriyikte kararlı
çekirdeklenmeye ilişkin aktivasyon enerjisi, eriyiğin kendi enerji
içeriğinden karşılanmalıdır. Bu durum homojen çekirdek (öz
çekirdeklenme)oluşumunu ifade etmektedir ve bunun için bir ısıl
aşırı soğuma gereklidir. Yani eriyik katılaşmaya Te erime sıcaklığında
değil, daha düşük bir
T=Te-ΔT sıcaklığında başlar.
Burada; ΔHf metalin gizli ergime ısısı, Tm ise denge katılaşma sıcaklığı ve
sıvının sıcaklığı T olduğunda ΔT=Tm-T ise alt soğumadır.
Bir yaklaşım olarak, homojen çekirdeklenme T= 0.2 Tm (K)
olduğunda meydana gelir.
Heterojen Çekirdeklenme
Alışılmamış laboratuar deneyleri dışında, sıvı metal için homojen
çekirdeklenme asla olmaz. Uygulamadaki sıvı metallerin içinde hemen her
zaman kristalleşmenin başlayabileceği yeterli yabancı “yüzeyler”
bulunduğundan, çekirdeklenme öz çekirdeklenme (homojen) ile değil
heterojen çekirdeklenme yoluyla gerçekleşir. Çekirdek olarak görev
yapabilecek bu “yüzeylere” bazı örnekler aşağıda verilmiştir.
*Kalıp duvarları,
*Erime sıcaklığı yüksek olan ve eriyik içinde katı halde bulunan bileşikler
(karbürler, nitrürler, oksitler)
*Aynı veya yabancı türden çekirdeklerin katılaşmadan hemen önce eriyiğe
katılması (Aşılama)
Heterojen çekirdeklenme, homojen çekirdeklenmeye nazaran
daha kolay meydana gelir. Çünkü oluşturulması gereken
arayüzey daha küçüktür.
Büyüme;
Çekirdek oluşumundan sonra bu çekirdeklere diğer atomların
düzenli olarak eklenmesi ile katılaşma olayı devam eder. Kübik
kristale sahip olan metallerde büyüme bazı tercihli yönlerde çok
hızlı, diğer yönlerde ise daha yavaş olur. Bu şekilde büyüyerek
ortaya çıkan kristallerin hacimsel düzeni dendrit olarak adlandırılır.
Büyüme
Yapılan araştırmalar, kristalleşme biçimlerinin büyük oranda
soğuma koşullarına bağlı olduğunu ortaya koymuştur. Eriyik, ısının
her taraftan uzaklaştırılması ile soğursa eş eksenli, düzgün olmayan
ısı iletiminde ise uzun çubuksu taneler meydana gelir (Şekil A).
Çekirdeklenme ve dendritik büyüme ile kristalleşme cephelerinin
birbiriyle birleşmesi sonucu iç yapının ortaya çıkışı Şekil B de
gösterilmiştir.
Şekil A
Şekil B
Döküm Parçaların İç yapısı
Döküm parçaların iç yapısıda, katılaşmadaki soğuma koşulları ile
belirlenir. Burada üç ayrı bölge söz konusu olabilir. Kalıp
cidarlarında ani soğuma (chill) etkisi ile küçük ve eş eksenli
tanelerden oluşan bir kabuk, bunu izleyen bölgede sıcaklık
gradyenin etkisi ile uzun çubuksu taneler, ortada ise soğuma her
taraftan olduğundan, tekrar eş eksenli taneler görülür.
Saf Metallerde Katılaşma
Sıcaklık T (°C)
Saf metallerde katılaşma sabit sıcaklıkta olur.
Katılaşma
Başlangıcı
Katılaşma
Bitişi
Aşırı soğuma
Katılaşma Durak
Noktası
Zaman t (sn)
Alaşımlarda katılaşma
En az iki atomun birlikte bulunduğu alaşımların
katılaşması saf metallerden daha farklı olup,
katılaşma olayı belli bir sıcaklık aralığında (sıvı+katı
bölgesi) gerçekleşir. Alaşımların kendilerine özgü
katılaşmalarında sıvı/katı ara yüzeyinde bileşim
farklılıkları ortaya çıkar.
Yapısal Aşırı Soğuma
Alaşımların kendilerine özgü katılaşmalarında sıvı/katı ara yüzeyinde bileşim
farklılıkları ortaya çıkar.
Bir önceki slaytta görüldüğü gibi;
İlk katılaşan element A’dır. Çünkü A elementinin ergime-katılaşma
sıcaklığı B’ ye göre yüksektir. Dolayısı ile A katılaşırken B henüz
katılaşma noktasına gelmediğinden alaşım (eriyik) sürekli olarak B
ile zenginleşir. Bu yüzden arta kalan eriyiğin likidus sıcaklığı B’nin
yani ergime sıcaklığı düşük olan elementin artışı ile sürekli olarak
azalır. Bunun neticesinde alaşımın gerçek sıcaklığı, faz
diyagramındaki likidüs sıcaklığından daha düşük olur. Bu duruma
yapısal aşırı soğuma denir.
Mikrosegregasyon
Mikrosegregasyon
Mikrosegregasyon
KATILAŞMA SIRASINDA OLUŞAN HACİM AZALMALARI
Katılaşma ve soğuma sırasında bazı özel durumların dışında metallerde daima hacim azalmaları
söz konusudur. Bu hacim azalmaları üç safhada oluşurlar;
• Sıvının Kendini Çekmesi: Döküm sıcaklığından itibaren katılaşmanın başlayacağı sıcaklığa
kadar soğuma sırasındaki hacim azalmasıdır.
• Katılaşma Çekmesi: Sıvı/katı dönüşümü sırasında atomların yeniden düzenlenmesi ile
ortaya çıkan hacim azalmasıdır.
• Katının Büzülmesi: Katılaşmış parçanın oda sıcaklığına kadar soğuması sırasındaki hacim
azalmasıdır.
Sıvının kendini çekmesi ve katılaşma çekmesi nedeniyle döküm boşlukları, gözenekler,
sıcak yırtılmalar ve iç gerilmeler ortaya çıkabilir. Katının büzülmesi ise boyut değişimlerine,
çarpılmalara, çatlaklara ve iç gerilmelere neden olabilir.
Alaşımlarda ise sıvı/katı dönüşümü TLi ile Tso arasındaki sıcaklık aralığında
gerçekleştiğinden, katılaşma cephesinde sıvı ve katı fazların birlikte görüldüğü bir
katılaşma aralığı (Δx) söz konusudur. Kristal büyümesi dentritik ise katılaşan dentrit
kolları arasında küçük sıvı metal havuzcukları hapsolacak ve daha sonra bu
bölgelerde
katılaşma
sırasında
mikrogözenekler
ortaya
çıkacaktır.
Mikrogözeneklerin miktarı, katılaşma cephesinin genişlemesiyle artar. Sıvı ile katının
birlikte bulunduğu bu bölgenin dar olması için, Katılaşma aralığı dar olmalıdır.
Kalıp İçinde Katılaşma
Akıcılık
A nın
ergime
noktası
Sıvı
çözelti
Likidüs
B nin
ergime
noktası
Sıvı+KatıA
Sıvı+KatıB
T
Ö
Solidü
s
A
Ötektik nokta
Katı A+Katı B
%B
B
Döküm Yöntemleri
Kum Kalıba Döküm