Genleşen tip inorganik bağlayıcılar (çimentolar)
Expansive type inorganic binders (cements)
Yazar: IŞIL KUTBAY
Danışman: PROF. DR. MUSATAFA ÇİĞDEM
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Günümüzde seramik şekillendirme/üretim proseslerinde iki tip bağlayıcı kullanılmaktadır. Bunlar organik ve inorganik bağlayıcılardır. Çimento ise refrakter, yapı ve yol dolgu malzemelerinde çok yaygın olarak kullanılan inorganik bir bağlayıcıdır. Bu malzemelerde zamanla oluşan kimyasal reaksiyonlar çeşitli hasarlara yol açabilmektedir. Bu hasarların başında gecikmiş etringit oluşumunun (GEO) neden olduğu çatlamalar yer almaktadır. Etringit çok yüksek oranda kimyasal su ihtiva eden yüksek dereceli bir kalsiyum sülfo alümina hidrat olup topo-kimyasal bir reaksiyonla iç boşluklarda teşekkül ederek büyük bir hacim artışına, yüksek gerilimlerin oluşmasına ve sonuçta yapıların parçalanmasına yol açmaktadır. Gecikmiş etringit oluşum mekanizmasının anlaşılmasını ve böylece hasarların önlenebilmesi için çok yoğun bilimsel araştırmalar yapılmıştır.Öte yandan dökümle parça üretiminde karşılaşılan en önemli güçlüklerden biri parçalarda istenilen boyutsal hassasiyetin sağlanamamasıdır. Bunun ana nedeni çoğu metal ve alaşımın katılaşma sürecinde büzülme sergilemesidir. Çoğu zaman modellere büzülme payları ilavesi yapılarak bu güçlük aşılabilmektedir. Ancak protez üretimi ve parçaların doğrudan model olarak kullanıldığı durumlarda büzülme paylarının boyutlara ilave edilmesi olanaksızdır. Bu tür uygulamalarda metal ve alaşımların katılaşma büzülmesi termal ve prizlenme genleşmesiyle karşılanmaktadır. Termal genleşme uzun yıllardan beri kullanılan bir yöntemdir ve özellikle kristobalit ve kuvars gibi dönüşüm ile genleşme gösteren minerallerin kalıp üretiminde kullanılması ile gerçekleştirilmektedir. Prizlenme genleşmesi ise son yıllarda üzerinde durulan bir konudur ve özellikle ağız içi protez parçaları ve dökümünde kullanılan kalıplarda bu konuda bir hayli ilerleme sağlanmıştır.Bu çalışmada prizlenme genleşmesi ile katılaşma büzülmesini karşılayarak istenilen boyutsal hassasiyette parça dökümünde kullanılmak üzere genleşen tip inorganik bağlayıcılı hassas döküm tozu üretimi amaçlanmıştır. Bu amaçla üç adımdan oluşan bir deneysel program izlenmiştir. İlk aşamada yüksek hacimli hidrat oluşumunda büyük rol oynayan trikalsiyum alüminat (C3A) üretimi gerçekleştirilmiştir. Kalsiyum karbonat (CaCO3) ve alüminyum oksit (Al2O3) 3:1 oranında karıştırılarak 1200-1300oC'de kalsinasyon ve yaklaşık 1350oC'de klinker işlemine tabi tutulmuştur. İkinci adımda üretilen trikalsiyum alüminat, alçı, kuvars ve çeşitli katkı malzemelerinin ilavesi ile harmanlanarak genleşen tip hassas kalıp tozu üretimi gerçekleştirilmiştir. Tezin son bölümünde ise farklı prizlenme genleşmesine sahip tozlardan hazırlanan dereceli hassas döküm kalıbına Etial-140 alüminyum alaşımı dökülerek, parçalardaki boyutsal değişiklikler belirlenmiştir. Sonuç olarak, istenen boyutlarda parça üretiminde kullanılmak üzere genleşen tip inorganik bağlayıcılı bir hassas döküm kalıbı tozu üretimi başarıyla gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Today, in ceramic forming processes two types of binders are used. These are organic and inorganic binders. Cement is an inorganic type binder and is used widely in ceramics, refractories, concrete productions and road filling operations. Several chemical reactions occuring in time in these materials could cause various damages. The most preminent among these is the delayed ettringite formation (DEF) which can result in huge volumetric expansion and thus cracking. Ettringite containing a very high percentage of chemical water is a calcium aluminate sulfo hydrate compound and forms by a topo-chemical reaction in internal voids perpendicular to void suface and cause a large increases in apparent volume and generates huge stresses which finally lead to cracking of these materials. In order to prevent defectes associated with the DEF, a great deal of reseach have been done on the mechanism of ettringite formation in recent years.On the other hand, in casting industry one of the most difficult task is the production of parts with sufficient dimensional accuracy. Most metals and their alloys exibit shrinkage during the course of solidification and further cooling period to room temperature. This phenomena results in a size reduction of parts produced by casting processes. Generally, shrinkage allowances are given to models, but in some cases such as dental and body implants the only way to meet the solidification shrinkage is the usage of the thermal and setting expansion techniques. Mechanism of thermal expansion  has long been used in the foundry industry by using minerals such as quartz and cristoballite which show inversion and volumetric expansion at elavated temperatures whereas usage of setting expansion is a rather new phenomenon and is nowadays widely practiced by dental and body implant producers and jewellerry industry.In the present work, an attempt has been made to produce a special type of cement bonded investment powder which expands significantly on setting to meet the thermal shrinkage of metals and alloys taking place in the course of solidification.Experiments were carried out in three stages; in the first step, tricalcium aluminate (C3A) was produced. This compound plays a great role in the formation of high volume hydrates during the setting process. CaCO3 and Al2O3 was mixed homogeneously (the weight ratio is 3:1) and then subjected to calcination (1200-1300oC) and to clinkering operation at high temparetures (1350oC) for five hours. In the second stage, an expansive type mixture was produced by mixing C3A, quartz and plaster of paris. Small amounts of various control additives, such as wetting agents, accelerators, inhibitors and antisettling agents were also used to impart various properties. In the final stage of investigation, a number of invesment casting molds were produced from various invesment powders with vastly different setting properties. An Al-Si type Etial-140 alloy was melted and then poured into these molds and dimensional changes were determined for each casting.In conclusion, it is believed that a new and expansive type cement bonded investment powder which can be used succesfully in producing cast parts with great dimensional accuracy was developed.