Katılaşma sırasında döküm-kalıp ara yüzeyinde ısı transfer katsayısının incelenmesi
Investigation of heat transfer coefficient at casting mold interface during solidification
Yazar: NEŞET AKAR
Danışman: DOÇ.DR. HACI MEHMET ŞAHİN ; DOÇ.DR. KADİR KOCATEPE
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metal Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Döküm yöntemlerinde metal/kalıp ara yüzeyindeki ısı transfer katsayısıdöküm parçada yapı ve mekanik özellikleri belirleyen katılaşma oranınıkontrol eden önemli bir faktördür. Metal/kalıp ara yüzeyindeki ısı transferkatsayısı zamana bağlıdır ve alaşım tipi, kalıp malzemesi ve yüzeypürüzlülüğü, kalıp ve döküm sıcaklıkları, katılaşma yönü, metalin çekmesi,kalıbın genleşmesi ve ara yüzeyde oluşan hava boşluğu gibi birçokparametrelerden etkilenir. Bu çalışmada ara yüzey ısı transfer katsayısınınkalıp yüzey pürüzlülüğü ve zamana göre değişiminin araştırılması ve yüzeypürüzlülüğüne bağlı ara yüzey ısı transfer mekanizmaların belirlenmesiamaçlanmıştır.Beş değişik yüzey pürüzlülüğüne sahip saf bakır ve sıcak iş takım çeliği(H13) soğutuculardan ve bu soğutuculara karşı yerçekimine ters yöndekatılaşan ötektik Al-Si döküm alaşımından zamana bağlı sıcaklıklarölçülmüştür. Döküm-kalıp ara yüzey ısı transfer katsayısı üzerine kalıpyüzey pürüzlülüğünün etkisini belirlemek için ölçülen sıcaklıklarkullanılmıştır. Soğutucuların makro ve mikro yapılar üzerine etkileriniaraştırmak amacıyla soğutucuya temas eden yüzeyler ve bu yüzeylere dikkesitlerde makroskobik ve mikroskobik incelemeler yapılmıştır. Dökümyüzeyinde deformasyon oluşumu soğutucu ve döküm parça yüzeyprofillerinden belirlenmiştir.24, 60, 280, 400 ve 2400 grit zımpara pürüzlüklerinde döküm-soğutucu arayüzey ısı transfer katsayısı ve kalıp yüzey pürüzlülüğü arasında ilişki tespitedilmiştir.Bu çalışmada aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir:1- 60, 280 ve 400 grit zımpara pürüzlülüklerinde ısı transfer katsayısı gritzımpara numarasının atmasıyla artmıştır.2- Isı transfer katsayısı 24 grit zımpara pürüzlülüğüne sahip saf bakır veH13 çelik soğutucuların her ikisinde de sıvı metalin soğutucuyüzeyindeki zımpara oyuklarının içine girmesinden dolayı 60, 280 ve400 grit zımpara pürüzlülüklerinden daha yüksek bulunmuştur.3- 2400 grit zımpara pürüzlülüğünde bakır soğutucu en düşük ısı transferkatsayısı üretirken H13 çelik soğutucu en yüksek ısı transfer katsayısısağlamış ve her iki döküm yüzeylerinde çok yoğun gaz boşluklarıoluştuğu gözlenmiştir.4- Bakır ve H13 çelik soğutuculara yapılan dökümlerde katılaşmayüzeylerde temasın olduğu pre-dentritik noktalardan başlamıştır.5- Dentritler H13 çelik soğutucu üzerine yapılan dökümlerde dökümyüzeyinde, bakır soğutucu üzerine yapılan dökümlerde ise arayüzeyden yaklaşık olarak 200 Âµm mesafede yönlenmiştir.6- H13 çelik soğutucuya temas eden döküm yüzeyinde birincil silisyumoluşmuştur.7- Soğutuculara temas eden ötektik bileşimindeki Al-Si döküm parçayüzeylerinde içbükey ve dışbükey deformasyon meydana gelmemiştir.

Abstract:
In the casting processes, the heat transfer coefficient at the metal/moldinterface is an important factor for the solidification rate which controlsmicro structure and mechanical properties in the casting. The heat transfercoefficient at the metal/mold interface is time dependent and affected byseveral parameters such as the alloy type, the mold material and surfaceroughness, the mold and pouring temperatures, casting configuration,shrinkage of the metal, expansion of the mold and formation of air gap atthe interface. The purpose of this investigation is to study variations in themetal-mold interface heat transfer coefficient with respect to the moldsurface roughness and time, and to clarify the interfacial heat transfermechanisms.Time-temperature relationships were measured with the copper and hotworking steel (H13) chills having five various surface roughness values inupwards solidifying castings of eutectic Al-Si alloy against the chills. Toevaluate the effect of surface roughness on metal-mold interface heattransfer coefficients measured temperatures were used. In order to clarifythe effect of chills on macro and microstructures, the casting surfacecontacted to the chill and vertical section of the casting were examined.The formation of casting surface deformation was determined from theprofiles of casting and the chill surfaces.The relationship between metal-mold heat transfer coefficient and moldsurface roughness was identified in terms of 24, 60, 280, 400 and 2400grid emery papers.It is concluded that:1- The heat transfer coefficient for 60, 280 and 400 grid emery papersincreased with increasing grid number.2- The heat transfer coefficient for both copper and H13 steel moldshaving 24 grid emery paper was obtained higher than 60, 280 and 400grid emery papers because of the penetration of the liquid metal intothe cavities resulted from 24 grid emery paper.3- 2400 grid emery paper produced the lowest heat transfer coefficientfor copper chill while the highest heat transfer coefficient for H13steel chill, and the formation of relatively high density gas cavitieson both casting surfaces were observed.4- Solidification in castings against copper and H13 steel chills started atpre-dendritic points contacted to the chill surface.5- Dendrites on the castings against H13 steel chill were directional fromthe casting surface although the castings against copper chill this wasmeasured as approximately 200 Âµm from a distance of the interface.6- Primary silicon crystals were formed of the surface on the castingscontacted to H13 steel chill.7- Concave or convex deformation on the surfaces of eutectic Al-Sicastings contacted the chill was observed to be non-existent.