1. Amaç
Dökümhane endüstrisinde, özellikle yeşil kum (yaş kum) kalıplama teknolojisi kullanılarak üretilen Küresel Grafitli Dökme Demir (Sfero), Lamel Grafitli Dökme Demir (Pik) ve Yüksek Alaşımlı Dökme Demir parçaların kalitesi, metalurjik temizlik kadar hidrodinamik kararlılığa da bağlıdır. Bu rapor, yolluk sistemi tasarımında kritik bir parametre olan kesit oranlarının (Gating Ratios) yanlış seçilmesinin, döküm parça içerisinde porozite (gaz boşluğu), çekinti (shrinkage) ve inklüzyon (dross/kum) oluşumuna olan etkilerini incelemektedir.
Hazırlanan bu çalışma, teorik akışkanlar mekaniği prensiplerini sahadaki pratik döküm problemleriyle birleştirmektedir. Raporun temel tezi şudur: Yolluk sistemi sadece metali kalıba taşıyan bir kanal değil, aynı zamanda metalin basıncını, hızını, sıcaklığını ve temizliğini kontrol eden bir “proses ayarcısı” dır. Yanlış kesit oranı; metalin türbülansına, kalıp gazlarının emilmesine , kalıp duvarının hareket etmesine ve cüruf oluşumuna neden olarak, nihai üründe reddedilme (scrap) oranlarını artıran birincil faktördür. Sfero dökümün magnezyum silikat cürufu hassasiyeti, Pik dökümün grafit yapısı ve Alaşımlı demirlerin viskozite karakteristikleri ayrı ayrı ele alınarak analiz edilecektir.
2. Döküm Metalurjisi ve Akışkanlar Dinamiği: Porozitenin Fiziksel Kökenleri
Yolluk sisteminde yapılan tasarım hatalarının poroziteye nasıl dönüştüğünü anlamak için, erimiş metalin kalıp içerisindeki davranışını yöneten temel fiziksel yasaları ve metalurjik reaksiyonları incelemek gerekir. Dökümcüler arasında “hava yaptı” veya “gaz aldı” olarak basitleştirilen olaylar, aslında karmaşık akışkanlar dinamiği ve termodinamik süreçlerin bir sonucudur.
2.1. Reynolds Sayısı ve Kritik Hız Kavramı
Erimiş metal, yolluk sistemi boyunca hareket ederken belirli bir hız profiline sahiptir. Bu hız, yolluk kesit alanları ile ters orantılıdır. Akışın karakteri (laminer veya türbülanslı), Reynolds Sayısı (Re) ile belirlenir:
Burada p metalin yoğunluğu, v akış hızı, D kanal çapı ve u viskozitedir. Döküm sistemlerinde Re < 2000 değeri laminer akışı, Re > 2000 (ve özellikle 20.000 üzeri) değerleri ise türbülanslı akışı ifade eder.
Ancak dökümcülükte Reynolds sayısından daha kritik olan parametre Kritik Hız (Critical Velocity) kavramıdır. Özellikle Sfero ve Alüminyum gibi oksitlenmeye hassas metallerde, metalin akış hızı 0.5 m/s (bazı kaynaklarda 0.35-0.50 m/s) değerini aştığında, metalin yüzey gerilimi atalet kuvvetlerini yenemez ve yüzey yırtılır. Yanlış kesit oranları (örneğin aşırı daraltılmış memeler), metalin hızını bu kritik değerin çok üzerine çıkararak “yüzey türbülansı” yaratır. Yırtılan yüzeyden içeri giren oksijen, metal ile reaksiyona girerek oksit filmleri oluşturur. Bu filmler katlanarak metalin içine karışır ve katılaşma sırasında gaz kabarcıklarının tutunabileceği yüzeyler oluşturarak poroziteye neden olur.
2.2. Bernoulli Prensibi ve Hava Emişi
Yolluk sisteminde kesit oranlarının yanlış belirlenmesi, sistemin bazı bölgelerinde basıncın atmosfer basıncının altına düşmesine neden olabilir. Bernoulli denklemi, akışkanın toplam enerjisinin korunduğunu ifade eder:
Eğer düşey yolluktan (sprue) yatay yolluğa (runner) geçişte kesit aniden büyütülürse (yanlış 1:4:4 oranı gibi) veya düşey yolluk konik (tapered) değilse, akış hızı artarken statik basınç (P) düşer. Yeşil kum kalıplar, doğası gereği gaz geçirgenliği (permeabilite) yüksek yapılardır. Yolluk içerisindeki basınç atmosfer basıncının altına düştüğünde, kalıp kumunun gözeneklerindeki hava ve gazlar, Venturi etkisiyle metal akışının içine emilir. Bu olay Aspirasyon (Air Aspiration) olarak adlandırılır. Emilen hava, metal içinde çözünür veya baloncuklar halinde sürüklenir, sonuçta döküm parça içinde “blowhole” tipi poroziteler meydana gelir.
2.3. Vena Contracta Etkisi
Keskin köşeli geçişlerde veya ani kesit değişimlerinde, akışkan duvarlardan ayrılır ve akış kesiti geometrik kesitten daha dar bir hal alır. “Vena Contracta” olarak bilinen bu daralma bölgesinde hız maksimuma çıkar, basınç ise minimuma iner. Yolluk sistemindeki memelerin (ingate) parça ile birleştiği noktalarda yanlış kesit oranı ve geometri seçimi, bu etkiyi şiddetlendirerek parça içine gaz ve kum girmesine neden olur.
3. Sfero Döküm (Küresel Grafitli Dökme Demir) İçin Yolluk Sistemi Dinamikleri
Sfero döküm üretimi, magnezyum (Mg) işlemi içermesi nedeniyle, Pik döküme göre çok daha hassas bir yolluk tasarımı gerektirir. Magnezyum, oksijene karşı son derece reaktiftir ve bu durum “Dross” (Cüruf) oluşumuna yol açar.
3.1. Magnezyum Silikat Cürufu (Dross) ve Porozite İlişkisi
Sfero dökümde, türbülanslı akış sırasında atmosferik oksijenle temas eden magnezyum ve silisyum aşağıdaki reaksiyonu gerçekleştirir:
2Mg(s) + O2(g) + SiO2(s) -> 2MgO . SiO2
Bu reaksiyon sonucu oluşan magnezyum silikat cürufu (dross), metalden daha düşük yoğunluğa sahiptir ancak film şeklindeki yapısı nedeniyle metal içinde asılı kalabilir. Bu cüruf filmleri , döküm parça içerisinde “dross inklüzyonları” oluşturur. Daha da önemlisi, bu cüruf oluşumu gaz porozitesi ile doğrudan ilişkilidir. Dross oluşumu sırasında metalin içindeki çözünmüş gazların dengesi bozulur ve cüruf filmleri gaz kabarcıklarını hapseder. Yanlış yolluk oranı (örneğin, sistemi tam doldurmayan 1:4:4 basınçsız sistem), metalin havayla temas süresini ve yüzey alanını artırarak dross oluşumunu maksimize eder. Bu durum, dökümcüler tarafından genellikle parçanın üst yüzeylerinde (cope side) görülen “kara leke” ve altındaki gaz boşlukları olarak tanımlanır.
3.2. Sfero Döküm İçin İdeal Kesit Oranları: Neden “Basınçlı” Olmalı?
Sfero dökümde temel hedef, yolluk sistemini mümkün olan en kısa sürede metal ile doldurmak ve havayla teması kesmektir. Bu nedenle, Pik dökümde kullanılan geniş ve basınçsız sistemler (1:4:4) Sfero için hatalıdır.
- Hatalı Yaklaşım (Basınçsız 1:4:4): Düşey yolluktan sonra kesitler sürekli genişler. Metal, yatay yolluğun tabanından bir dere gibi akar, tavanla temas etmez. Üstteki boşlukta hava bulunur ve metal sürekli oksitlenir. Sonuç: Yüksek dross, gaz emişi ve porozite.
- Doğru Yaklaşım (Doğal Basınçlı / Kontrollü): Sfero için önerilen oranlar genellikle 1.15 : 1.1 : 1.0 veya 1.25 : 1.13 : 1.0 şeklindedir. Bu oranlar, sürtünme kayıplarını telafi edecek kadar hafif bir daralma sağlar. Böylece sistem dökümün başından itibaren tam dolu (full running) çalışır, hava ile temas kesilir, ancak memelerdeki hız türbülans yaratacak kadar (basınçlı sistemdeki gibi) yüksek olmaz.
- Filtre Kullanımı: Sfero dökümde seramik köpük filtre kullanımı, yanlış oranların yarattığı türbülansı sönümlemek (laminer akışa geçiş) ve dross’u tutmak için hayati önem taşır.
4. Pik Döküm (Lamel Grafitli Dökme Demir) ve Yolluk Tasarımı
Pik döküm, Sferoya göre daha yüksek akışkanlığa, daha yüksek termal iletkenliğe ve titreşim sönümleme kapasitesine sahiptir. Ancak bu özellikler, yolluk tasarımında dikkatsizliğe yol açmamalıdır.
4.1. Pik Dökümde Yüksek Hız ve Kum Erozyonu
Pik dökümde dross problemi Sfero kadar kritik değildir (Mg içermediği için). Bu nedenle dökümcüler genellikle kalıbı hızlı doldurmak ve “soğuk birleşme” (cold shut) hatasından kaçınmak için yüksek hızlı basınçlı sistemler kullanma eğilimindedir.
Ancak, yanlış seçilmiş aşırı basınçlı bir oran (örneğin 1 : 0.75 : 0.5), memelerden metalin 2 m/s ve üzeri hızlarla çıkmasına neden olabilir. Bu yüksek hızlı jet, karşılaştığı yeşil kum kalıbı veya maçayı aşındırır.
- Sonuç: Kum erozyonu (Sand Erosion). Kopan kum tanecikleri, metalin içine sürüklenir (Sand Inclusion). Bu kum tanecikleri, döküm içinde katılaşmayı lokal olarak bozar ve gazların kaçışını engelleyerek “kumlu porozite” dediğimiz hatayı oluşturur. Ayrıca, erozyon sonucu bozulan kalıp geometrisi, boyutsal hatalara yol açar.
4.2. Pik Döküm İçin Yolluk Oranları
Pik dökümde, sferonun aksine, Basınçsız (Non-pressurized) sistemler daha güvenle kullanılabilir. Önerilen oranlar genellikle 1 : 2 : 2 veya 1 : 4 : 4 (düşük türbülanslı dolum için) veya hafif basınçlı 1 : 1.3 : 1.1 sistemleridir.
- Strateji: Boğum (choke), düşey yolluğun tabanına yakın olmalı, metalin hızı burada düşürülmeli ve yatay yolluk ile memelerde sakin bir akış sağlanmalıdır. Bu, kum erozyonunu ve inklüzyonları minimize eder.
5. Alaşımlı Dökme Demirler (Alloyed Cast Irons)
Yüksek Kromlu (Ni-Hard, High-Cr White Iron) veya Ni-Resist gibi alaşımlı dökme demirler, yolluk tasarımında en zorlu grubu oluşturur.
5.1. Viskozite ve Oksit Filmleri
Alaşımlı demirler, içerdikleri krom, nikel, molibden gibi elementler nedeniyle Sfero ve Pik döküme göre farklı viskozite ve katılaşma aralıklarına sahiptir. Özellikle Yüksek Kromlu dökme demirlerde, eriyik yüzeyinde hızla Krom Oksit (Cr2O3) filmleri oluşur. Bu filmler çok kararlıdır ve bir kez oluştuktan sonra erimez.
- Yanlış Oran Etkisi: Eğer yolluk sistemi türbülanslı (yanlış kesit oranlı) ise, bu oksit filmleri parçalanır ve dökümün içine karışır. Katılaşma sırasında bu filmler, metalin sürekliliğini bozar ve çatlak (hot tear) başlangıç noktaları oluşturur. Ayrıca, bu filmler gaz çıkışını engelleyerek poroziteye neden olur.
5.2. Alaşımlı Demirlerde Yolluk Stratejisi
Bu malzemeler için Alttan Döküm (Bottom Gating) neredeyse zorunludur. Kesit oranları, metalin kalıp içinde bir “fıskiye” gibi değil, yükselen bir sıvı seviyesi gibi (sakin ve düzgün) dolmasını sağlamalıdır.
- Önerilen Oran: Genellikle 1 : 2 : 2 veya 1 : 2.5 : 2.5 gibi genişleyen, basınçsız ve yavaşlatıcı oranlar tercih edilir. Memelerin toplam kesit alanı, düşey yolluktan büyük olmalı ki metal kalıba girerken hızı düşsün.
6. Yeşil Kum (Yaş Kum) Kalıp Özellikleri ve Kalıp Duvarı Hareketi
Yolluk sisteminin hidrolik hesabı kadar, bu basıncın kalıp malzemesi üzerindeki etkisi de kritiktir. Yeşil kum kalıplar, reçineli kumlar kadar rijit (sert) değildir. Bu durum, “Kalıp Duvarı Hareketi” (Mold Wall Movement) denen fenomeni doğurur.
6.1. Basınç ve Genleşme İlişkisi
Yanlış kesit oranı seçimi (özellikle aşırı basınçlı sistemler), kalıp boşluğundaki metal statik ve dinamik basıncını artırır. Eğer yeşil kum kalıbın sıkıştırma derecesi (kompaktibilite) veya bağlayıcı (kil) oranı yetersizse, bu basınç altında kalıp duvarları dışarı doğru esner.
- Sfero Dökümde Çekinti (Shrinkage): Sfero döküm, katılaşma sırasında grafit oluşumu nedeniyle “lapa” (mushy) bölgede genleşme eğilimindedir. Eğer kalıp duvarı da metalin basıncıyla dışarı doğru hareket ederse (genleşirse), döküm parçasının hacmi artar. Besleyici (riser) hesabı, orijinal parça hacmine göre yapıldığı için, bu ekstra hacmi beslemeye yetmez.
- Sonuç: Besleyicinin yetersiz kalması sonucu parçanın ısıl merkezlerinde ikincil çekinti porozitesi oluşur. Bu hata, genellikle yolluk hatası olarak değil, besleyici hatası olarak yorumlanır, ancak kök neden yolluk sisteminin kalıba uyguladığı aşırı basınçtır.
6.2. Kum Özelliklerinin Poroziteye Etkisi
Yeşil kumun nem oranı, geçirgenliği ve tane yapısı da yolluk tasarımıyla etkileşime girer.
- Nem ve Buhar: Yeşil kumdaki su (%2-4), sıcak metalle temas ettiğinde buharlaşır. Eğer yolluk sistemi yanlış tasarlanmışsa ve metal kalıba çok yavaş giriyorsa (düşük debi), tavan yüzeyindeki kumdan yayılan ısı ışıması (radyasyon) ile “kum genleşmesi” (scab/rat-tail) hataları oluşur. Ayrıca, oluşan buharın kalıp dışına atılamaması (yetersiz ventilasyon veya geçirgenlik), metal içine gaz porozitesi (pinhole) olarak geri döner.
- Tane Yapısı: Yuvarlak taneli kumlar daha iyi geçirgenlik sağlarken, köşeli taneler daha yüksek mukavemet sağlar ancak geçirgenliği düşürür. Yolluk tasarımında bu özellikler dikkate alınarak, gazın kaçışına izin verecek ancak metalin kuma sızmasını (penetrasyon) engelleyecek bir basınç dengesi kurulmalıdır.
7. Yolluk Sistemi Tasarımı: Hesaplama ve Uygulama Adımları
Bir mühendis olarak, yolluk sistemini tasarlarken “göz kararı” değil, matematiksel verilerle hareket etmeliyiz. Aşağıdaki adımlar, doğru kesit oranlarını belirlemek için standart bir prosedür sunar.
7.1. Adım 1: Döküm Süresinin (t) Belirlenmesi
Döküm süresi, metalin sıcaklığını kaybetmeden kalıbı doldurması ile kalıbın erozyona uğraması arasındaki dengeyi belirler.
Pik döküm için ampirik formül (W: Döküm ağırlığı kg, t: saniye):
Burada K katsayısı, et kalınlığına göre değişir (İnce parçalar için K =1.8 – 2.2, kalın parçalar için daha düşük).
Sfero döküm için formül benzerdir ancak Mg solması (fading) riski nedeniyle döküm süresi genellikle daha kısa tutulur.
7.2. Adım 2: Ortalama Debi (Q) Hesabı
7.3. Adım 3: Etkin Döküm Yüksekliği (H) ve Boğum (Choke) Alanı
Etkin döküm yüksekliği ($H$), döküm havşasındaki metal seviyesinden, döküm parçasının ağırlık merkezine veya en üst noktasına olan mesafeye göre (yolluk tipine bağlı olarak) hesaplanır.
Boğum Alanı (Ac):
Burada c, sürtünme katsayısıdır (genellikle 0.6 – 0.8 arasında alınır).
7.4. Adım 4: Kesit Oranlarının Seçimi ve Tablo
Aşağıdaki tablo, malzeme tipine göre sahadaki en iyi pratikleri ve kaçınılması gereken oranları özetlemektedir:
| Malzeme Tipi | Önerilen Yolluk Oranı ASprue:ARunner:AGate | Sistem Tipi | Neden? / Açıklama |
| Sfero (Ductile) | 1.15 : 1.1 : 1.0 (veya 4:8:3 filtreli) | Doğal Basınçlı | Sistem sürekli dolu kalmalı (hava teması yok), ancak hız aşırı yüksek olmamalı. Dross oluşumunu engeller. |
| Pik (Gray) | 1.0 : 1.3 : 1.1 veya 1 : 4 : 4 | Yarı-Basınçlı / Basınçsız | Akışkanlık yüksek. Hızlı dolum ve düşük erozyon dengesi. Basınçsız sistem kum erozyonunu azaltır. |
| Alaşımlı (High-Cr) | 1.0 : 2.0 : 2.0 (Alttan Döküm) | Basınçsız | Yüksek viskozite ve film oluşumu riski. Çok sakin ve alttan dolum gerektirir. |
| Alüminyum | 1 : 4 : 4 | Basınçsız | Türbülansa aşırı duyarlı. Hız kesinlikle düşürülmeli. |
8. Hata Analizi ve Teşhis: Sahadan İpuçları
Bir döküm mühendisi, döküm parçasındaki hataya bakarak yolluk sistemindeki yanlışlığı teşhis edebilir.
- Gaz Boşlukları (Blowholes):
- Görünüm: Pürüzsüz, yuvarlak, parlak iç yüzeyli boşluklar.
- Yolluk Hatası: Aspirasyon (Hava emişi). Düşey yolluk konik değil veya yatay yolluk oranı çok geniş (1:4:4 Sfero için), sistem hava emiyor.
- Cüruf ve Pislik (Slag/Dross Inclusions):
- Görünüm: Düzensiz, içinde siyah/gri malzeme olan boşluklar, genellikle üst yüzeyde.
- Yolluk Hatası: Türbülans. Boğum (choke) yok veya yanlış yerde. Metal fışkırıyor, Mg-silikat cürufu oluşuyor. Sfero için filtre kullanılmamış veya yanlış yerleştirilmiş.
- Kum İnklüzyonları (Sand Inclusions):
- Görünüm: Parça yüzeyinde veya hemen altında, kum tanecikleri içeren boşluklar.
- Yolluk Hatası: Aşırı hız (Erozyon). Basınçlı sistemde memeler çok dar, çıkış hızı > 2 m/s. Kum kalıp aşınıyor.
- Mikro-Çekinti (Micro-shrinkage):
- Görünüm: İşleme sonrası çıkan süngerimsi yapı.
- Yolluk Hatası: Kalıp duvarı hareketi veya erken donma. Yolluk sistemi kalıba aşırı basınç uyguladı (kalıp şişti) veya memeler çok ince olduğu için beslemeden önce dondu.
9. İleri Düzey Çözüm Önerileri ve Teknolojik Yaklaşımlar
Geleneksel hesaplamaların ötesinde, modern dökümhanelerde kaliteyi artırmak için aşağıdaki teknikler uygulanmalıdır:
- Filtre Teknolojisi: Sfero ve alaşımlı dökümlerde Zirkonyum veya Silisyum Karbür seramik köpük filtreler kullanılmalıdır. Filtreler, sadece pisliği tutmaz, aynı zamanda akışı düzeltir (laminer hale getirir) ve basınç düşüşünü kontrol eder. Filtre kullanıldığında yolluk oranları, filtrenin direnci dikkate alınarak revize edilmelidir.
- Spin Trap (Girdap Kapanı): Yatay yolluğun sonuna eklenen girdap kapanları, metalin ilk giren kirli kısmını ve cürufu hapseder. Ayrıca akış hızını sönümleyerek memelere daha temiz ve sakin metal gitmesini sağlar.
- Simülasyon Yazılımları: MAGMA, ProCAST , Novacast gibi simülasyon araçları, yolluk tasarımının “sanal denemesini” yapmayı sağlar. Bu yazılımlar, hava emiş bölgelerini, hız profillerini ve dross oluşum riskini döküm yapılmadan önce gösterir. Özellikle karmaşık parçalarda simülasyon kullanımı, deneme-yanılma maliyetlerini ortadan kaldırır.
10. Sonuç ve Mühendislik Tavsiyeleri
Yeşil kum kalıpta üretilen Sfero, Pik ve Alaşımlı dökme demir parçalarda karşılaşılan porozite sorunlarının kökeni, büyük oranda yolluk sisteminin yanlış tasarlanmasına, özellikle de kesit oranlarının metalin karakteristiğine uygun seçilmemesine dayanmaktadır.
Özetle:
- Sfero İçin: Asla kontrolsüz genişleyen (1:4:4) sistemler kullanmayın. Sistemi dolu tutan, hafif daralan (1.15:1.1:1) veya filtre ile boğulmuş sistemleri tercih edin. Dross ve hava emişi en büyük düşmanınızdır.
- Pik İçin: Erozyondan kaçınmak için memelerdeki hızı kontrol altında tutun. Basınçsız veya yarı-basınçlı sistemler (1:2:2) uygundur ancak dolum süresini (soğuk birleşme riski) iyi hesaplayın.
- Alaşımlı Demirler İçin: Alttan döküm ve sakin dolum (1:2:2) esastır. Oksit filmlerini parçalamayın.
- Yeşil Kum: Kalıbınızın sertliğini ve mukavemetini, yolluk sisteminizin yarattığı basınca göre ayarlayın. Kalıp duvarı hareketi, gizli porozite kaynağıdır.
Dökümhane mühendisliği, detayların bilimidir. Doğru hesaplanmış, metalurjik kurallara uygun ve simülasyonla doğrulanmış bir yolluk sistemi, döküm kalitesinin ve verimliliğin en büyük teminatıdır. Porozitesiz bir gelecek için, akışın fiziğine saygı duymak zorundayız.