Transcript 1. Hafta Ders Sunumu

KATILAŞMA PROSESİ
1
• Birçok malzeme üretimlerinin bir aşamasında sıvıdır.
• Sıvı, katılaşma sıcaklığının altına soğutulduğunda
katılaşır.
• Metal malzemelerin özellikleri büyük ölçüde
katılaşma sırasında oluşan iç yapı ile belirlenir.
• Malzeme katılaşmış durumda iken veya ısıl işlem ve
mekanik işlemler uygulanmış halde kullanılabilir.
• Özellikle döküm malzemelerinin özelliklerinin kontrol
edilebilmesi için katılaşma olayının (kristalleşme) iyi
bilinmesi gereklidir.
2
• Bir cisim denge halinde bulunan bir fiziksel kütle
olarak tanımlanır. Bu kütle içinde homojen
dağılmış atomlar bulundukları konumu sürekli
korurlar. Ancak çevre koşulları değişirse mevcut
enerji dengesi bozulur, atomlar bulundukları
konumdan daha düşük enerji gerektiren başka
bir konuma geçmeye zorlanır.
• Atomsal hareket sonucu iç yapı değişir ve yeni bir
denge yapısı elde edilir. Diğer bir deyimle bir faz
başka bir faza dönüşür.
3
Katılaşma Prosesi Neden Önemli ?
• Sıvı metalin katılaşması birincil katılaşma ve oluşan
yapı da birincil içyapı olarak adlandırılır. Döküm
parçalarında birincil içyapı parça ömrü boyunca hiç
değişmeyeceğinden katılaşma olayı kontrol
edilmelidir.
• Haddeleme, dövme gibi p.ş.v. yöntemleri
sonrasında içyapı, ısıl ve termomekanik işlemleri ile
yeniden oluşturulabilir buna ikincil içyapı denilir.
Döküm parçalarında bu mümkün olmadığından,
uygun birincil yapı elde edilmesi çok önemlidir.
4
• Cisimlerde iç yapı oluşumunda en önemli ana etken
enerjidir. Fiziksel doğanın temel özelliklerinden
birisi enerjisi azalan bir cisimde kararlılığın
artmasıdır.
• Sistemler daima sahip oldukları enerjiyi azaltan
konumlara doğru yönelerek daha kararlı hale gelme
eğilimi gösterirler.
5
Saf Metallerde Katılaşma
• Sıvı içindeki atomlar düzensiz halde olup, sürekli
olarak hareket ederler. Soğuma sırasında ısının
uzaklaştırılması ile eriyiğin enerjisi giderek azalır.
• Sıvının sıcaklığı katılaşma noktasına ulaştığı anda
sıvıdaki atomlar toplanarak katıya benzer küçük
bir bölge meydana getirirler. Bu bölgenin çapı
belli bir kritik değere ulaştığı anda (büyüyerek)
çekirdek adını alır. Diğerleri ise çözünür yok olur.
• Katının büyümesi, atomların sıvıdan oluşan
çekirdeklere geçmeleri ile olur ve büyüme sıvı
bitene kadar devam ederek taneler oluşur.
6
• Katılaşma olayı (içyapıdaki tanelerin ortaya çıkması)
iki safhaya ayrılır:
• Çekirdeklenme
Homojen çekirdeklenme
Heterojen çekirdeklenme
• Kristal büyümesi
7
Saf metallerde katılaşma sabit sıcaklıkta olur.
Saf metalin
soğuma eğrisi
8
Çekirdeklenme
• Katının oluşabilmesi için, katı ile sıvıyı birbirinden
ayıran bir arayüzey oluşmalıdır. Sıvının sıcaklığı
katılaşma noktasına ulaştığı anda sıvıdaki atomlar
toplanarak katıya benzer küçük bir bölge meydana
getirirler.
• Bu küçük partikül embriyo (çekirdekcik) olarak
adlandırılır ve çapı belli bir değere ulaştığı anda
çekirdek adını alır.
9
• Çekirdekler çok küçük katı parçacıklar olup, tekrar
erimeden büyümeye devam etmeleri ancak yeterli
bir büyüklüğe sahip olmalarına bağlıdır. Bu durum
serbest enerji ile açıklanabilir.
• Katı durum, sıvıya göre daha az enerjili olduğundan
eriyikte katı parçacıkların oluşması sırasında
kristalleşme ısısı açığa çıkar.
10
• Öte yandan yeni oluşan sıvı/katı arayüzeyleri için
enerjiye ihtiyaç vardır. Dolayısıyla çekirdeklenme
sırasında serbest enerji bir yandan kristalleşme
nedeniyle azalırken, diğer yandan da oluşan yeni
yüzeyler yüzünden artma eğilimindedir.
• Çekirdekler çok küçük iken kristalleşme sırasında
açığa çıkan enerji, bu yüzeylerin oluşması için
yeterli değildir.
11
• Çekirdek yarıçapı kritik bir r0 değerine ulaştığında + ve –
enerji değişimleri birbirine eşit olur ve embriyo, r0
değerinden büyükse toplam enerji azalır. Oluşan katı
kararlıdır ve çekirdeklenme oluşmuştur. Artık çekirdek
olarak adlandırılan katı parçasının büyümesi başlar.
Sistemin toplam serbest
enerjisinin, çekirdek
yarıçapı ile ilişkisi
12
• Çekirdeklenme, ancak yeterli sayıdaki atom
kendiliğinden katı üretmek için kümeleştiğinde ve
bu katının çapı kritik çaptan büyük olduğunda
oluşur.
• Bu durumda, kritik yarıçap, toplam serbest enerji
değişim eğrisi üzerinde maksimum noktaya karşılık
gelir.
13
Çekirdeklenme Hızı
• Çekirdeklenme hızını etkileyen en önemli faktör
sıcaklıktır.
• Sıcaklık düştükçe sıvı fazın katılaşma isteği artarçekirdek sayısı artar, fakat çekirdeklerin büyüme hızı
düşük olur.
14
Homojen Çekirdeklenme
• Bu teori 1925’de Volmer-Weber tarafından ileri
sürülmüştür. Çekirdeklenmenin en basit şeklidir.
Homojen çekirdek oluşumu sıvının aşırı soğuması ile
mümkündür.
• Homojen çekirdek oluşumu ve bunu takip eden
katılaşmada iki faz (katı/sıvı) yer alır.
• Katılaşmada ısı açığa çıkar ve bu ısı
uzaklaştırılmalıdır. Buradan katılaşma hızının, ısının
uzaklaştırılması hızı ile orantılı olduğu şeklinde
önemli bir gerçek ortaya çıkmaktadır.
15
Sıvı metal içinde homojen çekirdeklenme,
laboratuvar deneyleri dışında olmaz.
• Bir çekirdekciğin kararlı bir çekirdek ve kristal (tane)
şeklinde büyüyebilmesi için kritik bir boyuta
ulaşması gerekmektedir. Yani sıvı içinde tekrar
erimeden büyümeye devam etmeleri buna bağlıdır.
16
• İçinde çekirdek görevi yapabilecek parçacıklar
(karbür, nitrür, oksit ve diğer katkı bileşikler gibi)
bulunmayan ideal ve homojen bir eriyikte kararlı
çekirdeklenmeye ilişkin aktivasyon enerjisi,
eriyiğin kendi içeriğinden karşılanmalıdır.
• Bu nedenle homojen çekirdek oluşumu için bir ΔT
ısıl aşırı soğuması gereklidir. Yani eriyik
katılaşmaya Te erime sıcaklığında değil, daha
düşük bir T= Te- ΔT sıcaklığında başlar.
• Sıvının sıcaklığı denge katılaşma sıcaklığının daha
da altına soğutulduğunda, kritik yarıçaptan daha
büyük bir embriyo oluşturacaktır.
17
• Büyük alt soğuma, embriyonun kritik boyutunu
geçmesini sağlayacak kadar büyük olduğunda
homojen çekirdeklenme olur.
18
• Artan aşırı soğuma (ΔT) ile, birim zamanda oluşan
çekirdek sayısı (K) yükselir. Sıcaklığın çok düşmesi
halinde atomların hareketi güçleştiği için K
değerinde düşme görülür.
19
• Birincil içyapının tane büyüklüğü, birim zamanda
oluşan çekirdek sayısı (K) ve kristallerin büyüme
hızına (W) bağlıdır. K ne kadar büyük ise, birincil
taneler o kadar ince taneli bir yapı oluşur.
• Kristal büyüme hızının çok büyük olması halinde ise
ilk oluşan çekirdekler büyüyerek tüm iç yapıyı
kaplayacağından yeni çekirdek oluşumuna zaman
kalmaz ve içyapı daha kaba taneli olur.
20
• 19.slayttaki Şekil’de gösterilmiş olan W2 büyüme
hızına sahip malzemenin içyapısı, W 1’e göre daha
küçük tanelidir.
21
a noktası çekirdek oluşumunu yani kristalleşme
başlangıcını gösterir. Açığa çıkan kristalleşme ısısı
nedeniyle sıcaklık, erime sıcaklığına kadar artar. Daha
sonra Te sıcaklığı sabit kalarak katılaşma devam eder
ve b noktasında sona erer.
22
Heterojen Çekirdeklenme
• Çekirdeklenme olayının, çözünmeyen metallerarası
bileşikler, inklüzyon (metal oksitler ve metal
sülfürler) yardımıyla meydana gelmesi olayıdır.
Çekirdek olarak görev yapacak yüzeyler:
• Eriyiğin içinde bulunduğu kabın duvarları(dökümde
kalıp yüzeyleri)
• Erime sıcaklığı yüksek olan ve eriyik içinde katı halde
bulunan bileşikler (karbürler, nitrürler, oksitler)
23
• Döküm sırasında eriyiğe katkılar yapılarak çekirdek
oluşumu sağlanabilir.
• Bütün mühendislik metalleri ve alaşımlar, katılaşma
sırasında heterojen çekirdeklenir.
• Heterojen çekirdeklenmenin olusması için
çekirdekleyici maddenin (katkı) sıvı metalle
ıslanması gerekmektedir.
• Aynı zamanda sıvı, çekirdekleyicinin üzerinde
kolayca katılaşmalıdır.
24
• Heterojen çekirdeklenme olayında, katılaşan sıvı
tarafından ıslatılan çekirdekleyici maddenin
(safsızlık) katı metalle çekirdekleyici madde arasında
dar bir θ açısı yaptığı görülmektedir.
• Heterojen çekirdeklenmede kritik faktör temas
(veya ıslatma ) açısıdır.
25
• Heterojen çekirdeklemenin çekirdekleyici madde
üzerinde meydana gelmesinin nedeni, bu durumda
kararlı bir çekirdek oluşturmak için gerekli yüzey
enerjisinin, çekirdeğin saf sıvı içerisinde kendi kendine
oluşmasından (homojen çekirdeklenme) daha düşük
olmasıdır.
• Heterojen çekirdeklenmede yüzey enerjisi daha düşük
olduğundan, kararlı bir çekirdek oluşturmak için gerekli
toplam serbest enerji değişimi ve çekirdeğin kritik
yarıçapı daha küçük olacaktır.
• Dolayısıyla, heterojen çekirdeklenmede kararlı bir
çekirdek oluşturmak için çok daha küçük alt soğumalara
ihtiyaç vardır.
26
Kristal Büyümesi ve Tane Yapısı Oluşumu
• Çekirdek oluştuktan sonra diğer atomların düzenli
olarak eklenmesi ile katılaşma olayı devam eder.
Ancak kristaldeki x,y,z yönleri komşu kristale göre
belirli oranda açı yaparlar. Katılaşma bittiğinde,
taneler birbiriyle temas ederek birkaç atom
boyutu genişliğinde tane sınırlarını oluştururlar.
27
• Kübik kristal yapıya sahip olan metallerde büyüme,
bazı tercihli yönlerde (küp yüzeyine dik
doğrultularda) çok hızlı, diğer yönlerde ise daha
yavaş olur ve bu şekilde büyüyerek ortaya çıkan
kristallerin hacimsel düzeni DENDRİT olarak
adlandırılır.
28
Dendrit Oluşum Süreci
Soğuma çok hızlı ve alaşım elementlerinin birbirlerinde
ergime miktarı sıcaklıkla beraber hızla düşüyorsa dendritik
yapı ortaya çıkar.
29
• Katılaşma sırasında, çekirdeklenme ve dendritik
büyüme ile kristalleşme cephelerinin birbiriyle
birleşmesi sonucu içyapının ortaya çıkışı Şekil’de
görülmektedir.
a)Çekirdeklenme
b,c) Dendritik büyüme
d) Taneler ve tane sınırları
30
• Kristalleşme biçimleri soğuma koşullarına bağlıdır.
Eriyik ısının her taraftan uzaklaştırılması ile düzgün
soğursa eşeksenli yani toparlak taneler, düzgün
olmayan (yönlenmiş) ısı iletiminde ise uzun
(çubuksu) taneler meydana gelir.
İngotta katılaşma
31
Alaşımlarda Katılaşma
• En az iki tür atomun birlikte bulunduğu alaşımların
katılaşması saf metallerden daha farklı olup, katılaşma
olayı belli bir sıcaklık aralığında (sıvı+katı bölgesi)
gerçekleşir.
32
• Alaşımlar en az iki tür atomdan oluştukları için, bu
malzemelerin kendilerine özgü katılaşmalarında
sıvı/katı ara yüzeyinde bileşim farklılığı ortaya çıkar.
Metal eriyiklerde aşırı soğuma grafiği
33
• Eriyik T0 sıcaklığına soğutulduğunda,katılaşan ilk katı
çözelti kristallerinin B atom yüzdesi (c1), alaşımın
yani eriyiğin ortalama değerinden(c0) çok daha
düşüktür. Yani ilk kristalleşen katıda B atomları
yüzdesi düşük olmaktadır. Bu ilk kristalleşmeden
arta kalan B atomları eriyiğe geçeceklerinden,
katılaşmanın devam edeceği ara yüzey civarındaki
eriyik, B atomu bakımından zenginleşir.
• Alaşımın ortalama bileşimine göre daha fazla B
atomu içeren (c>c0) bu eriyik tabakasının liküdüs
sıcaklığı (TLİ) ise artan B yüzdesiyle azalır (TLİ< T0 ).
34
• TLİ ve T0 eğrilerinin kesiştiği noktadan sıvı/katı
arayüzeyine kadar (ΔX) kalınlığındaki bölgede
alaşımın gerçek sıcaklığının, katılaşmanın
başlayacağı liküdüs sıcaklığından daha düşük olduğu
yani aşırı soğumanın ortaya çıktığı görülmektedir.
• Katılaşmadaki derişiklik farklarından meydana gelen
bu olaya yapısal aşırı soğuma,bu bölgeye de aşırı
soğumuş sıvı bölgesi denilir.
• Bir eriyiğin soğuma hızı, yani içindeki sıcaklık
gradyeni, yapısal aşırı soğuma bölgesinin
büyüklüğünü belirler ve farklı koşullarda birbirinden
çok farklı özelliklerde içyapılar ortaya çıkar.
35
Aşırı Soğumaya bağlı Katılaşma
Cephesi ve İçyapı Değişimi
(a)
a) Isı iletimi, aşırı soğuma bölgesi yaratmayacak
şekilde olursa düzlemsel katılaşma oluşur.
Düzlemsel katılaşma endüstriyel alanda özellikle yarı
iletken veya oksit tek kristallerin üretimini sağlar.
36
(b)
• Burada eriyik geniş bir ΔX bölgesinde aşırı
soğuduğundan, tercihli yönde büyüyerek bu bölge
içine uzamış her kristal ısının çekildiği doğrultuda
daha hızlı olarak büyümesine devam eder. Sonuç
olarak, dendritik yapı oluşur.
37
Saf Metal ile Alaşımın Katılaşması Farkı
• Saf elementlerde katılaşmanın aşırı soğumadan
sonra sabit bir sıcaklıkta gerçekleştiği
belirtilmişti. Halbuki alaşımlarda katılaşma bir
sıcaklık aralığında (T1-T2) meydana gelir.
a) Saf metal, b) Alaşım
38
Döküm veya İngot (Kütük) Yapısı
 Ergitilmiş metalin kalıba dökülür ve katılaşmaya bırakılır.
Kalıpta, son şekle sahip döküm parçası üretilir.
 Katılaşma sırasında döküm makro yapısının oluşması:
•
•
•
•
Çekirdeklenme başlar,
Çil bölgesi oluşur,
Tercihli büyüme ile sütunsal oluşum,
İlave çekirdeklenme, eşeksenli bölge oluşturur.
39
a) Çekirdeklenmenin Başlaması
40
b) Çil Bölgesi Oluşumu
• Döküm yüzeyinde dar bir band halinde rastgele
yönlenmiş tanelerin oluşturduğu bölgedir.
• ‰
Kalıp duvarları heterojen çekirdeklenmenin
oluşabileceği pek çok yüzey sağlar.
• ‰
Taneler çekirdeklenmeye başlar ve kalıp duvarı
boyunca büyür.
41
c) Tercihli Büyüme İle Sütunsal Oluşum
• Belli kristallografik yönde
yönlendirilmiş uzun taneleri içerir.
• ‰
Dökümün ısısı kalıp tarafından
uzaklaştırıldığında, çil bölgesindeki
taneler ısı akışına ters yönde veya
dökümün en soğuk bölgesinden en
sıcak bölgesine doğru büyür.
• Taneler kalıp duvarına dik yönde
büyürler.
42
d) Eşeksenli Bölgelerin Oluşumu
• Düşük döküm sıcaklığı, alaşım
elementleri veya tane inceltme ile
aşılayıcı malzemelerin neden
olduğu rastgele yönlendirilmiş
taneleri içerir.
• ‰
Sütunsal tanelerin büyümesini
durdururlar.
43
• Döküm parçalarının içyapısı da, katılaşmadaki
soğuma koşullarına bağlı olarak üç ayrı bölge
gözlenebilir. Kalıp cidarlarında ani soğuma etkisi ile
küçük ve eşeksenli tanelerden oluşan bir kabuk,
bunu izleyen bölgede sıcaklık gradyeninin etkisiyle
uzun çubuksu taneler, orta kısımda ise soğuma her
taraftan olduğundan, tekrar eş eksenli taneler
görülür.
a
b
c
44
• Büyük parçaların dökümünde iri tanelerin
oluşumunu engellemek için sıvı metale bazı yabancı
elementler ilave edilir. Neticede yabancı elementler
aşırı soğuma miktarını artırarak tanelerin ufalması
gerçekleşir.
45
Döküm Parçalarda Katılaşmanın
Etkisi
• Döküm parçalarının tasarımında katılaşma
özelliklerinin dikkate alınması gereklidir.
• Bir dirseğin dökümünde, birincil içyapının
mekanik özellikleri nasıl etkilediğine bir
bakalım…
46
Şekil a)’da kristalleşme cephelerinin karşılaşılan
yüzeylerinde katışkıların toplanması bu bölgenin
özellikle eğme ve darbeli zorlamaya karşı çok zayıf
kalmasına neden olur.
b)’de, sözkonusu olay engellenemediği gibi, kalın kesitte
eriyiğin geç katılaşmasından ötürü Lunker ortaya çıkar.
c) ise kesit kalınlaşmasını ve kristalleşme cephelerinin
karşılaşmasını önleyen en uygun çözümdür.
47
• Katılaşmada en sorunlu bölgelerden
birisi de köşelerdir.
• Birleşme noktasındaki
kesit, genellikle birleşen
kesitlerden büyük
olduğundan, bu
bölgelerin iç kısımları en
son katılaşır ve çekme
boşlukları oluşabilir.
Dolayısıyla bu bölgelerde ya kesit inceltilmeli, ya da
soğutma plakaları yardımıyla katılaşmanın köşeden başlaması
sağlanmalıdır.
48
Katılaşma Hataları
• Dökümü yapılan metalin cinsi, kullanılan kalıplama
tekniği, araç-gereçler ve el becerileri gibi faktörler
neticesinde döküm parçalarında hatalara
rastlanmaktadır.
• Katılaşma sırasında,çok sayıda potansiyel hatalar
meydana gelmekle beraber bunlardan özellikle
değinilmesi gerekenler şunlardır:
49
Çekme
• Hemen hemen bütün malzemeler, katı durumda
iken sıvı durumdan daha yoğundur.
• Katılaşma sırasında malzeme en fazla % 7 kadar
çeker.
• Çekme hatasının başlıca nedeni, dökümde istenen
ısı merkezlerine doğru, yani yolluklar ve çıkıntılara
doğru yönlü katılaşma sağlayamamaktır.
50
Dentritler Arası Çekme
• Dentritler arası çekme yoğun dentritik büyüme
olduğunda oluşur.
• Yüksek soğuma hızları, dentritik çekme
problemlerini azaltabilir. Böylece, dentritler kısa
olabilir ve bu yapı katının iç yüzeyindeki sıvının,
katılaşması için, dentrit şebekesine doğru
akmasını sağlayabilir.
51
Gaz Gözenekliliği
• Metaller sıvı durumda iken büyük miktarda gaz
eritirler. Örneğin; Al, H' i eritir. Buna karşın, Al
katılaştığında katı metal içinde sadece H' in küçük
bir kısmı kalır. Fazla H, küçük boşluklar oluşturur.
• Gözeneklilik, üniform olarak dökümün her tarafına
dağılabilir. Dentrit kolları arasına hapis olabilir.
• Dökümdeki gaz gözenekliliği; sıcaklık düşürülerek
sıvı ve gazın birbirleriyle birleşip katı oluşturması
için malzemeler katarak veya gaz kısmi basıncının
düşük tutulması sağlanarak azaltılabilir.
52
Mikro Segregasyon
• Alaşımların katılaşması sırasında bileşim
farklılıklarının ortaya çıkışının bir sonucu olarak,
katılaşan taneler içinde çekirdekten dışarı doğru
derişikliğin değişmesidir. Bu olaya mikrosegrasyon,
ortaya çıkan içyapıya da tabakalı katı çözelti denir.
• Katılaşma aralığı olan her alaşımın döküm
yapısında görülebilen mikrosegrasyon, istenmeyen
özellik değişimlerine sebep olur.
• Olumsuzlukların etkilerini gidermek için
malzemeye solidüs sıcaklığının hemen altında bir
homojenleştirme tavı uygulanabilir.
53
Hidrojen Gözenekliliği
• Alüminyum alaşım ingotlarında hidrojen gözeneği
oluşumu, açılı dentritler arası çukurlar veya oldukça
küçük küresel parçaların (gözeneklerin) ortaya
çıkması ile kendini belli eder.
• Küçük küresel gözenekler, katı metalde çok az
miktarda arta kalan hidrojenden ileri gelir. Bu küçük
gözeneklerdeki gazın basıncı çok yüksektir. Yüksek
sıcaklıklarda yapılacak ısıl işlemlerle makroskobik
dentritler arası gözenekler yuvarlatılabilir ve küçük
yuvarlak gözenekler, gözle görülür hale getirilebilir.
54
Yüzey Hataları
• İstenmeyen alaşım elementleri ve birleşen sert yapı
bileşenleri içeren yüzey tabakası, çoğu kez
doğrudan, hızlı soğutulmuş yarı sürekli alüminyum
alaşım ingotlarının dökümünde ortaya çıkar.
• Alüminyum alaşım ingotlarının yüzeyini
segregasyondan kurtarmak için, soyma ya da
kabuğu kaldırma denilen işlem yapılır.
55
Merkez Çatlaması
• Merkezde çatlama çoğu kez döküm hızının artması
ile yüzey durumunun iyileştirilmesi girişimleri
sonucu oluşur.
• Merkezi besleyecek sıvı metalin bulunmaması
nedeni ile bu tip çatlaklar artar, bu kusura daha çok
az katkılı alaşımlarda rastlanılmaktadır.
• Merkezde çatlamaya neden olan başlangıç döküm
hızının, kontrollü ikincil soğutma işlemleri
sayesinde giderilebileceği bilinmektedir.
56
KAYNAKLAR
•
•
•
•
•
•
Malzeme Bilgisi, Şefik GÜLEÇ, Ahmet Aran
Malzeme Bilgisi ve Muayenesi, Temel SAVAŞKAN
Metal Döküm Teknolojisi, Ahmet ARAN
Metallere Plastik Şekil Verme, Levon ÇAPAN
Malzeme Bilimi, Kaşif ONARAN
İmal Usulleri, Mustafa ÇİĞDEM
57