AlSi9Cu3(Fe) alaşımının yüksek basınçlı döküm yönteminde konformal soğutma maça kullanılmasıyla katılaşma hızındaki değişimin döküm yapısına etkisinin incelenmesi
Investigation of high cooling rate effects on the casting structure by using conformal cooling insert in high pressure casting AlSi9Cu3(Fe) alloy
Yazar: CAN KARAKOÇ
Danışman: DOÇ. DR. DERYA DIŞPINAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Alüminyum alaşımları = Aluminum alloys ; Alüminyum-silisyum alaşımlar = Aluminum-silicon alloys ; Basınçlı döküm = Pressure die casting ; Basınçlı döküm yöntemi = Pressure die casting method ; Brinell sertliği = Brinell hardness ; Jetli soğutma sistemleri = Ejector refrigeration systems ; Metal döküm = Metal casting ; Sonlu zamanlı termodinamik = Finite time thermodynamic ; Toz metalurjisi = Powder metallurgy ; Yüzey sertliği = Surface hardness

Özet:
Yüksek basınçlı alüminyum enjeksiyon dökümde, birim süre başına kaliteli parça üretimini arttırmak her daim en büyük hedeflerden birisi olmuştur. Çevrim süresinde birkaç saniyelik azalma dahi büyük üretim adetlerini ve yüksek maliyetli ekipmanların kullanım verimliliğini önemli ölçüde arttırmaktadır. Dolayısıyla kalıp soğutma teknolojileri yoğun çalışmalar yapılan bir konudur. 
Döküm kalıbında üretim esnasında, parçanın geometrisinden kaynaklı olarak sıcaklık dağılımı değişmektedir. Kalıp yüzey sıcaklığını kalıp içi soğutmalar kullanarak dengelemek, kalıp yağlama adımını kısaltacaktır. Kalıp yüzeyinden kısa zamanda yüksek miktarda enerjinin dışarıya atılması, yüzeye yakın soğutma kanalları geçirilmesiyle mümkündür. Yüzeyi takip ederek geçen ve konformal olarak adlandırılan kanallar kullanılması, kalıp soğutmayı ve dolayısıyla katılaşma hızını en yüksek seviyeye çıkarmak için gerekli konsepti içermektedir. Lokal kalıp içi soğutmalar katılaşma sırasında bölgeden ısı transfer ederek katılaşma süresini kısaltır ve böylece sıcak noktaları kontrol ederek metalin çekilme oranını azaltır. 
Bu çalışmada seri üretim motor karter kalıbınının termal analizi yapıldı ve metal-kalıp ısı transfer yükünün yüksek olduğu ve üretimi sınırladığı noktalar tespit edildi. Bölgedeki ısı transferini yani soğutma hızını arttırmak adına konformal soğutmalı geçme parça tasarımı yapıldı ve toz yataklı lazer yazıcıda üretildi. 
Konformal geçme parçayla elde edilecek soğutmanın sıcaklığa, yüzdece sıvı miktarına, katılaşma sürelerine ve besleme süresine etkisi simülasyonda gözlemlendi. Geçme parça bölgesindeki yüzdece sıvı miktarını azalttığı ve dolayısıyla bölgenin erken ve yönlü katılaşmasını sağladığı görüldü. Soğutmayla birlikte bir sonraki çevrim için uygun 180-200°C sıcaklık değerlerine indirilebildiği tespit edildi. Konformal soğutma, parçanın en kalın ve 21.202 mm3 hacme sahip bölgesinde bulunan 250 mm3'lük çekintinin hacmini 150 mm3'e indirmiştir. 
Döküm mikroyapısı soğutma hızıyla kıyaslandı, döküm kesitindeki kusurların hacimsel azalması bilgisayarlı tomografi taraması yardımıyla tespit edildi. Döküm kusurlarının simülasyondaki verilere benzer şekilde; soğutmasız üretim numunesinde bulunan yaklaşık çekintinin 150 mm3'e azaldığı gözlemlendi. Çekinti oranının azalması parçalardaki kaçak basıncını etkilemiştir ve 90 Pa'dan 50 Pa altına gerilemiştir. 
Sertliklerin kesit noktalarına bağlı olarak değiştiği ve konformal soğutmanın belirli bölgelerde 10 HB sertlik artışı sağladığı görüldü. Mikroyapısı konformal soğutmadan en çok etkilenen kesitte, soğutma hızı 19,3 °C/s'den 26,25 °C/s yükseldi ve ikincil dendirt kolları arası mesafe de 4 µm azalalarak 8,7 µm ölçüldü. Çekinti hacminin 150 mm3 olduğu bölgede konformal soğutma, bölgenin soğutma hızını değiştirmedi ve  ikincil dendrit boyu 18 µm ile sabit kaldı. 
Soğutma kanallarının yolluk giriş kesitinin erken katılaşmasına sebep olduğu ve parçanın kalitesini etkilediği tespit edildi. Yüksek basınç adımının 3. faz beslemesinin erken kesilmesinden dolayı parçanın üst kısmında et kalınlığı yüksek bölgelerde besleme kaynaklı döküm boşlukları tespit edildi. Konformal soğutmalı simülasyonda soğutmasız simülasyona göre katılaşma sonunda yüzdece sıvı miktarı artan yan maçanın oluşturduğu arc bölgesinde işletilen 100 parçanın 25'inde 0,4-0,8 mm çaplarında döküm boşluğu gözlemlendi. 
Geçme parçaya dahil olmayan yüksek basınç bölgesinin yan duvarı yüksek sıcaklıkta kalarak yapışma ve parça kalma problemlerinin oluşmaması için sabit soğutmaya ihtiyaç duymuştur bu da çevrim süresi kazancını kötü yönde etkilemiştir

Abstract:
Increasing the production of quality parts per unit time in high pressure die casting has always been one of the key goals. Even a few seconds reduction in cycle time significantly increases the efficiency of costly equipments. Therefore, die cooling technologies are a subject of intensive studies. Cooling on solidification also helps to 
decrease solidification time and casting defects comes with less feeding. 
The temperature distribution depends on the geometry of the part. Stabilizing the die surface temperature using in mold cooling will ensure homogeneous distribution of temperature and it will shorten the die lubrication step. It is possible to discharge a high amount of energy from the mold surface in a short time, by passing cooling channels close to the surface. The use of so-called conformal channels that follow the surface maximize die cooling and thus the solidification rate. 
In this study, the thermal analysis of the mass production engine crankcase die was performed and the regions where the metal-die heat transfer load is high and limit the production speed were determined by thermal fotographs and wall thickness analysis. In order to increase the heat transfer and maximize the cooling rate in the region, 
conformal cooled inserts were designed and produced in a direct metal laser sintering 3D print machine. 
The effects of the cooling achieved with the conformal insert on the temperature, fraction liquid, solidification times and feeding time were observed in the simulation. It was observed that it reduced the fraction liquid in the insert region and thus provided early and directional solidification of the region. Conformal cooling was able to reduce the temperature to values of 180-200 °C which is adequate for the next cycle. Also conformal cooling reduced the volume of the 250 mm3 shrinkage in the thickest part of the part with a volume of 21,202 mm3 to 150 mm3. 
The casting micro nad macro structure was compared with the cooling rate of conformal cooling and conventional productions. the volumetric reduction of the defects in the casting section was detected with the help of computed tomography scanning. Similar to the simulation data of casting defects; It was observed that the 
approximate shrinkage in the convential production sample decreased by 150 mm3 by conformal cooling. The decrease in the shrinkage rate affected the leakage pressure of the parts and 90 Pa leakage value came under avarage of 40 Pa. 
It was observed that the hardnesses changed depending on the cross-section points. Cross section point 1 was 3,5 mm inside from the surface and fraction liquid was zero in both conformal and conventional simulations and cooling didn't effect the hardness values. Cross section point 2 was 20 mm inside of the surface and next to conformal 
channels. Hardness values increased 10 HB. In the section 2 where the microstructure was most affected by conformal cooling, the cooling rate increased from 19,3 °C/s to 26,25 °C/s, and the distance between the secondary dendritic arms decreased by 4 µm to 8,7 µm. In the region where the shrinkage volume was 150 mm3, conformal cooling did not change the cooling rate of the region and the secondary dendrite length remained constant at 18 µm. 
Due to the early interruption of the 3rd phase feeding, feed-induced casting porosities were detected in the upper region of the part with high wall thickness. In the simulation, the arc region that formed by the side core, percentage of liquid increased with conformal cooling compared to the simulation without cooling. 0,4-0,8 mm porosities was observed in 25 of the 100 parts after machining at the same region. The side wall of the high pressure region, which is not included in the insert piece, remained at high temperature and required extra step of spreying to avoid sticking and piece retention problems, which adversely affected the cycle time.