Alüminyum döküm alaşımlarının katılaşması sırasında yarı-katı bölge sıvı geçirgenliğinin modellenmesi
Modelling of mushy zone permeability during solidification of aluminium casting alloys
Yazar: MURAT ÇOLAK
Danışman: DOÇ. DR. RAMAZAN KAYIKCI
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metal Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Teknik Eğitim = Technical Education
Dizin: Alüminyum = Aluminum ; Alüminyum alaşımları = Aluminum alloys ; Benzetim = Simulation ; Döküm yöntemleri = Casting methods ; Dökümler = Castings ; Katılaşma = Solidification ; Modelleme = Modelling

Özet:
Bilgisayar teknolojilerindeki hızlı gelişmeler döküm proseslerinin modellenebilmesi ile yolluk ve besleyici tasarımı ve buna bağlı olarak döküm parçada oluşabilecek mikro ve makro çekinti boşluğu risklerinin kolayca tahmin edilebilmesini sağlamıştır. Bununla birlikte, döküm modellemesi ile tutarlı sonuçlar alınabilmesi birçok parametrenin ve sınır şartlarının doğru girilmesine bağlıdır. Bu parametrelerin en önemlilerinden biri katı-sıvı bölgesinde besleme sıvısının akıcılığına karşı büyüyen katı dendritlerin oluşturduğu direncin tanımlanmasıdır. Katı-sıvı aralığı, besleme sıvısı geçişine tıkandığı anda besleme durmaktadır. Bu nokta kritik katı oranı (KKO) olarak tanımlanmaktadır. Kritik katı oranı değeri; alaşımın katılaşma aralığına, soğuma hızına, sıvı metal temizliğine ve statik sıvı metal basıncı gibi birçok faktörlere bağlı olarak değişkenlik göstermektedir. Bu sebeple bir çok simülasyon – döküm uygulamasında yetersiz kritik katı oranı bilgisi yüzünden tutarlı olmayan sonuçların alınması oldukça yaygındır.
Bu çalışmanın hedefi, ticari alüminyum döküm alaşımlarının katılaşması sırasında farklı döküm yöntemleri ve farklı alaşım şartlarına bağlı olarak KKO değerlerinin incelenmesidir. Deneylerde Etial 110, Etial 140, Etial 160, Etial 171, Etial 177 ve Etial 220 döküm alaşımları kullanılmıştır. Dökümler, kuma döküm, kokil döküm ve alçak basınçlı kokil döküm yöntemleri ile gerçekleştirilmiştir. Tane inceltme ve ötektik silisyumun modifikasyonu ile alaşım kondisyonu değiştirilmiştir. Kokil kalıba döküm ve alçak basınçlı kokil döküm deneylerinde sırası ile kalıp ön ısıtma sıcaklıkları ve uygulanan doldurma basıncı değiştirilmiştir. Çalışma kapsamındaki deneyler Taguchi istatistiksel deney tasarım yöntemi ile belirlenmiştir ve sonuçlar bu yöntemle incelenmiştir. KKO değerleri gerçek dökümler üzerinden ölçülen verilerle bilgisayar modellemelerinden elde edilen veriler karşılaştırılarak tespit edilmiştir. Döküm simülasyon programı için FlowCast ve katılaştırma modellemesi için SolidCast yazılımları kullanılmıştır. Döküm iç kesitlerinin incelenmesinde metalografi ve optik mikroskop yöntemleri kullanılmıştır. Döküm kesitlerinde yetersiz besleme sonucu oluşan çekinti boşluklarının boyutları ve hacimleri Arşimet yoğunluk düzeneği ile ölçülmüş, radyografi film çekimleri ve kesit yüzey incelemeleri yapılarak sonuçların doğruluğu kontrol edilmiştir. Deneysel ve modelleme çalışmalarının değerlendirilmesiyle alüminyum alaşımlarının dökümlerinde döküm şartları ve model geometrisine bağlı olarak KKO değerleri nicel olarak tanımlanmış ve model kriter belirlenmiştir.
Sonuçlar, döküm ve alaşım şartlarına bağlı olarak KKO değerinin %30 ile %60 arasında değişebileceğini göstermiştir. Tane inceltme, ötektik sislisyumun modifikasyonu ve soğuma hızının KKO değerini önemli ölçüde artırdığı görülmüştür. En düşük KKO değeri kuma dökülmüş işlemsiz alaşım ile elde edilirken en yüksek KKO değeri tane inceltme ve modifikasyon uygulanmış alçak basınçlı kokil döküm ile elde edilmiştir.

Abstract:
Rapid developments in computer technologies have enabled modelling of casting processes through design of runners and feeders which also provide that macro and micro shrinkage risks can easily be estimated. However, achievement of reliable results from casting simulations requires many parameters and boundary conditions be entered correctly. One of the most important parameters of these is the definition of the resistance by the growing dendrites to the flowing feeding liquid in the mushy zone. Feeding ends when the liquid metal flow is immobilized by the dendrite blockage. This point is referred as "critical fraction of solid" (CFS). The value of the critical fraction of solid point might differ depending on many factors such as, the solidification interval of the alloy, cooling rate, liquid metal cleanness and static pressure of the liquid metal. Thus, it is common to have unrealistic results due to inadequate knowledge of CFS point, in many foundry and casting simulation practices.
This study is aimed at investigation CFS point during solidification of commercial aluminium casting alloys with different castings and alloy conditions. During experiments, Etial 110, Etial 140, Etial 160, Etial 171, Etial 177 ve Etial 220 casting alloys were used. Sand casting, permanent mould (PM) casting and low pressure permanent mould casting methods were employed. Alloy conditions were changed by grain refining and modification of eutectic silicon. Mould initial temperature and filling pressure were also changed during PM and low pressure PM castings respectively. Experiments conducted in accordance with test plan set Taguchi statistical experimental design methods and the results were analyzed by this method. CFS values, the data obtained on actual measured data with computer modeling on the castings solid critical value by comparing experimental conditions were determined. FLOWCast and SOLIDCast mould filling and casting modelling software were employed during modelling respectively. Metallography, optical microscope, image analysis, Archimedes density measurement and x-ray radiography techniques have been used. Experimental modeling and casting conditions in the casting of aluminum alloys by evaluating operation and CFS values depending on the model geometry is defined quantitatively.
Results showed that, depending on the casting and alloying conditions, the crital fraction of solid point varried between 30 % to 60 % of solid. Grain refining, modification of eutectic silicon and the increasing cooling rate were seen to increase the CFS point significantly.  The lowest CFS was obtained with sand casting and non-grain refined condition, whereas the highest CFS point was obtained with low pressure PM Casting in grain refined and modified alloy conditions.