SABİT KALIBA, VAKUMLU KALIBA VE

DÜŞÜK BASINÇLI KALIBA DÖKÜM

HazırlayanlarHüseyin ZENGİN

Muhammet Emre TURAN

Mayıs 2015

SABİT KALIBA, VAKUMLU KALIBA VE DÜŞÜK BASINÇLI KALIBA DÖKÜM

GirişSabit kalıba dökümde iki veya daha çok parçadan oluşan metal bir kalıp tekrarlı olarak

aynı şekildeki parçaların üretiminde kullanılır. Sıvı metal kalıp içine yerçekiminin etkisi

ile girdiğinden bu döküm metoduna "gravity (yerçekimi) döküm de denir. Ancak

yerçekimi etkisinin dışında düşük basınçlı ve vakumlu kalıba döküm yöntemleri de vardır.

Basit ve kolayca çıkarılabilir kalıplar genellikle metalden yapılır fakat daha karmaşık

yapılar kum veya alçıdan yapılmaktadır. Kum veya alçı kullanıldığında, bu yöntem "yarı-

sabit kalıba döküm" adını alır.

Sabit kalıba döküm, özellikle eşit duvar kalınlığındaki yüksek hacimli parçaların dökümü

için çok uygundur ancak oyuklu ve zor maçalama gerektiren parçalar için pek uygun

değildir. Bu döküm yöntemi ayrıca karmaşık yapılı parçaların dökümünde de kullanılır

fakat üretilecek olan parçaların sayısı, kalıp maliyetini karşılayacak çoklukta olmalıdır

çünkü bu kalıpların maliyeti oldukça yüksektir. Kum kalıba kıyasla sabit kalıba döküm,

daha düzenli, tek biçimli (uniform), daha yakın boyutsal toleranslı, daha iyi mekanik

özellikli ve mükemmel yüzey pürüzlüğüne sahip dökümlerin yapılmasını sağlar. Şekil-1

de sabit kalıba döküm yöntemiyle üretilmiş alüminyum parçalar görülmektedir.

Şekil-1: Sabit kalıba döküm yöntemiyle üretilmiş alüminyum parçalar

Sabit kalıba döküm aşağıda listelenen limitlere sahiptir:

Bütün alaşımlar sabit kalıba döküm için uygun değildir.

Yüksek kalıp maliyetleri yüzünden düşük ürün sayısına sahip üretimler için uygun

değildir.

Bazı şekiller, ayırma çizgilerinin yeri, iç oyukları ve döküm sonrası çıkarma

işlemlerinde zorluklar çıkardığı için sabit kalıba döküm yöntemine uygun değildir.

Kalıplar eriyik metal tarafından aşındırıldığı için kaplama işlemi gerekir.

Sabit Kalıp ile Dökülebilen MetallerSabit kalıba döküm yöntemi ile dökülebilen metaller; alüminyum, magnezyum, çinko ve

bakır alaşımları ve ötektoid üstü gri dökme demirlerdir. Dökümün büyüklüğü malzeme

türüne göre, parça konfigürasyonuna göre ve dökülecek parça sayısına göre değişir.

Dökülen metallerin türüne göre, dökülebilecekleri sayılar ve miktarlar Tablo-1 de

gösterilmiştir.

Alüminyum Alaşımları:

Yüksek üretim koşullarında, genellikle 70 kg ağırlığa kadar olan alüminyum dökümler

sabit kalıba döküm ile yapılabilir. Ancak daha büyük dökümler de yapılmıştır. Örneğin,

traşlanmış ağırlığı 354 kg olan bir alüminyum motor bloğu dört-kısımlı ve dikey ayırma

çizgisine sahip bir sabit kalıp içine dökülebilmiştir.

Magnezyum Alaşımları:

Büyük ve kompleks magnezyum parçalarının üretimi için sabit ve yarı-sabit kalıba döküm

yöntemi kullanılabilmektedir. Örneğin, 8 kg lık bir acil durum güç kaynağı gövdesi,

AZ91C magnezyum alaşımının yarı-sabit bir kalıba dökülmesi ile üretilmiştir. Diğer bir

uygulamada ise, 24 kg lık bir piston başı dökümü için AZ92A magnezyum alaşımı iki-

kısımlı bir sabit kalıba dökülmüştür.

Bakır Alaşımları:

9 kg dan ağır döküm parçaları için sabit kalıba döküm yöntemi şimdiye kadar pek

kullanılmamıştır.

Gri Dökme Demir:

13.6 kg dan ağır döküm parçalarında, sabit kalıba döküm yöntemi ile üretimi çok nadirdir

Tablo-1: Döküm malzemelerine göre dökülebilecek parça sayısı ve ağırlığı

Döküm Malzemesi Dökülebilecek Parça Sayısı Dökülebilecek Parça Ağırlığı

Alüminyum ve Alaşımı 100.000 13kg (çok parça sayısı için)

500kg (az parça sayısı için)

Bakır ve Alaşımı 5.000-20.000 10kg

Magnezyum ve Alaşım 20.000-100.000 25kg

Çinko ve Alaşımı 100.000 -

Kır Dökme Demir 5.000-20.000 12kg

Sabit Kalıba Döküm AygıtlarıManuel olarak kontrol edilen kalıplar Şekil 2a' da görüldüğü gibi kitap-tipi, menteşeli

kalıp düzenine sahiptir. Kalıp döndürmesine ihtiyaç duymadan kalıptan çıkarma işlemi

yapılan yüksek kirişli veya yüksek duvarlı dökümler için Şekil 2b' de görülen manuel

kalıplama kullanılabilir. Her iki türdeki aygıt için kalıp parçaları manuel olarak, kalıp

kelepçeleri çıkarıldıktan sonra ayırılabilir.

Yarı Otomatik Aygıtlar:

Yüksek hacimli üretimler için, manuel aygıtların yerini iki yollu havalı veya hidrolik

mekanizmalar almıştır. Bu üniteler her döngü için açılıp kapanma zamanları için

programlanabilir. Bu yüzden, bu operasyon, metali dökmek ve dökülmüş parçayı

çıkarmak dışında, otomatiktir denilebilir.

Şekil-3' de gösterilen aygıt otomatik kalıp, maça ve iç ayarlamaları yapan bileşenlerden

oluşmuştur. Tek manuel operasyon metali dökmek ve ayarlayıcıları yerleştirmektir. Daha

basit dökümler için bu aygıt tamamen otomatikleştirilebilir.

Şekil-2: (a) Sığ boşluklu dökümler için basit kitap-tipi kalıp, (b) Derin çukurlu, düz

ayrılan kalıp

Şekil-3: Otomatik sabit kalıba döküm aygıtı

Yatay Ayrılan ve Döndürülen Döküm Aygıtları:

Döküm aygıtlarındaki kalıp ayrılma düzeneği Şekil-2 ve Şekil-3' dekiler gibi dikey olarak

yapılır. Bu kalıp açma ve döküm parçasını çıkarma işlemleri için en çok tercih edilen

düzenek şeklidir Ancak bir çok döküm, en iyi yatay düzlemden ayrılan şekilde dökülür.

Bazı yatay ayrılma sistemi gerektiren dökümlerde, döndürme mekanizması (tilting) içeren

aygıtlar kullanılır. Bu yüzden, sıvı metal yatay düzlemde iken dökülür ve kalıp pozisyonu

dökümün çıkarılmasına izin verecek şekildeki konuma yani, dikey konuma getirilerek

parça çıkarılır.

Bazı dökümler kısmi olarak yatay düzlemde dökülür ve sonra metal dökme işlemi

tamamlanırken yavaşca döndürülür. Örneğin, bir fotokopi makinası çerçevesi üretiminde,

dikey düzlem ayrılmasına sahip bir kalıp düzeneğinde döküm, sıvı metalin uzun bir yol

düşmesini gerektirir ve böyle bir durum sıvı metalde kalıp içerindeyken sıçramalara ve

ciddi türbülanslara yol açar. Bunun sonucunda döküm parçası kabul edilemez bir hale

gelir. Bu uzun sıvı metal düşüşünü yok etmek için, kalıp, sıvı metalin içeride yatay

düzlem boyunca sıçaramadan akmasını ve gidere bütün kalıbı doldurmasını sağlayacak

şekilde bir dönme aygıtına yerleştirilir. Yatay düzlemde sıvı metal dökümüne başlanır ve

kalıp yavaşca 900 döndürülür. Dikey düzlem ayrılmasına sahip olan döküm bu halde

soğumaya bırakılır.

Döner Tablalar (Turntables):

Küçük veya hafif dökümler manuel olarak dökülebilir ve çıkarılabilir ama döküm

sıcaklığı ve döküm ağırlığı arttıkça manuel olarak kontrol etme zorlaşır. Bu durumlarda

döküm sistemi otomatikleştirilmelidir ve genellikle döküm makinesinin bir döner tablaya

monte edilmesi ile yapılır.

Sıkça kullanılan dönertabla sistemi Şekil-4' de şematik olarak gösterildiği gibi 12 döküm

aygıtına sahiptir ve bir turu 2 ile 7 dakika arasında tamamlar. Bu döküm prosesinde, sıvı

metalin dökümü, kalıp kaplama, maça ayarı, katılaşma ve dökümü çıkarma işlemleri

döküm aygıtının her bir çalışma bölgesini geçtiği zaman tamamlanmış olur. Bu tip döküm

düzeneklerinde maksimum döküm hızı elde edilmiş olur.

Şekil-4: 12 makineli otomatik sabit kalıba döküm sisteminin şematik gösterimi

Sabit Kalıba Döküm YöntemleriSabit kalıba döküm yöntemleri; metal (kokil) kalıba döküm, düşük basınçlı kalıba döküm,

vakumlu kalıba döküm, savurmalı döküm ve sürekli döküm olarak sınıflandırılır. Ancak

bu anlatımda diğer basınçlı döküm yöntemleri, savurmalı ve sürekli döküm

yöntemlerinden bahsedilmeyecektir.

Metal (Kokil) Kalıba Döküm:

Metal kalıba döküm erimiş metali çelikten yapılmış bir kalıba dökerek boşluğu doldurma

şeklinde yapılan bir işlemdir. Genellikle çok sayıda parça için kullanılır. Pahalı bir

yöntemdir. Kalıp tekrar tekrar kullanılabilir. Kalıp malzemesi özel çeliklerden ve dökme

demirlerden yapılır. Çıkan ürünün kalitesi kum kalıba döküm ürününden daha iyidir.

Metal kalıba döküm, Şekil-2 ve Şekil-3 de gösterilen otomatik veya yarı-otomatik tipte ve

karmaşık yapıya sahip kalıplara yapılabilir. Temel olarak basit bir metal kalıba döküm

yöntemi Şekil-5 de şematik olarak gösterilmektedir.

Şekil-5: Metal kalıba döküm yönteminin şematik gösterimi

Bu yöntemdeki işlem basamakları aşağıda sıralanmıştır.

Metal kalıp yüzeyleri ısıtılır ve yüzeylere yüzey ayırıcı madde uygulanır.

Kalıp parçaları, gerekli maçalar ve ayarlamalar yapıldıktan sonra birleştirilir ve

ayrılmaması için önlemler alınır.

Döküm yapılacak metal ergitilir, potaya alınır ve üzerindeki cüruflar temizlenir.

Sıvı metal, metal kalıba dökülür ve soğuma tamamlandıktan sonra son ürün alınır.

Katılaşma sırasındaki soğuma, kum kalıplardan daha hızlı olduğu için, iç yapı daha ince

tanelidir. Boyut hassasiyeti ±0,25 mm olup, parça yüzeyleri temizleme işlemi

gerektirmeyecek kadar yüksek kalitelidir. Metal kalıplarda kullanılan maçalar metal, kum

veya alçıdan yapılabilir. Kalıp üretiminde kalıp boşluğu ve diğer kanallar talaşlı imalat

yöntemiyle açılır. Kalıp malzemesi geçirgen olmadığından hava kanalları açılması

zorunludur. Kokil kalıp tasarımı büyük deneyim ister. Kalıp cidar kalınlıkları genellikle

18-50 mm arasında seçilir. Metal kalıpların cidar kalınlığının belirlenmesinde ısı-girdi ve

çıktılarının dikkate alınması gerekir. Çünkü bu yöntemin başarısı, kalıbın sürekli çalışma

sırasındaki sıcaklığına bağlıdır ve gerektiğinde kalıp soğutulabilir. Ayrıca döküm

başlangıcında metalin kalıba sorunsuz dolması için bir çok kez kalıp ön ısıtılır.

Kalıcı kalıpların malzemesi metal dışında refrakter özelliği daha iyi olan malzemeler de

olabilir. Bu sayede daha yüksek döküm sıcaklıkları kullanılabilir. Buna örnek grafit

kalıplardır. Bu kalıplar aluminyum, magnezyum gibi alaşımlardan az sayıda parça için

tercih edilirler. Ancak çok çabuk aşındıklarından sadece özel uygulamalarda kullanılırlar.

Döküm sıcaklığı arttıkça kalıp ömrü azalır.

Döküm sonrasında mümkünse parça tam soğuma beklenmeden hemen çıkarılır ve böylece

parçanın oda sıcaklığına kadar serbestçe büzülmesi sağlanır.

Metal kaloba dökm yönteminin üstünlükleri şöyledir:

İnce taneli iç yapı sayesinde mekanik özellikleri daha iyidir.

Hassas boyut toleransları sağlanabilir.

Parçanın yüzey kalitesi iyi olup, temizleme masrafları düşüktür.

Seri üretim için ekonomiktir

Yöntemin sınırlı oldukları noktalar şunlardır:

Metal kalıp yatırım gerektirdiğinden ancak seri üretimde ekonomiktir.

Bu yöntemle her malzeme dökülemez.

Parça çıkarılırken kalıptan çıkarma güçlüğü olabilecek parçalar için kalıbın

bozulduğu kum kalıp daha uygundur.

Sadece küçük parçaların üretimi için uygundur.

Düşük Basınçlı Kalıba Döküm:

Dar kalıp boşlukları içeren sabit kalıplara metalin yerçekimi yardımıyla dolması güçtür.

Bu durumda alçak basınçlı döküm yönteminden yararlanılır. Bu döküm yönteminde Şekil-

6 da görüldüğü gibi kalıp, sıkıca kapatılmış hava geçirmeyen ve sıvı metal içeren bir

haznenin üstündeki döküm aygıtına yerleştirilir. Kalıptan, sıvı metal bulunan haznenin

içine doldurucu görevi gören bir boru iner. Hazne içine verilen hava basıncı sıvı metale

kuvvet uygular ve kalıpla bağlantıda olan borudan doğru kalıbın içine dolar. Boru içindeki

metal besleyici görevi görür ve bu durum bu dökümü çekici kılan bir avantajdır.

Şekil-6: Düşük basınçlı döküm yönteminin iki farklı şematik gösterimi

Düşük basınçlı döküm otomasyona çok uygundur ve genellikle geleneksel sabit kalıba

döküm metodlarından (gravite döküm) daha düşük kalıp sıcaklıklarında ve daha kısa süre

içinde gerçekleşir. Hızlı soğuma dökümü yapılan metalde daha küçük tane yapısı ve daha

düşük dentritler arası mesafe sağlayarak mekanik özellikleri de geliştirir. Bu yöntemin

diğer avantajı ise hazneden kalıba dolan sıvı metalin atmosfere açık sıvı metale göre daha

temiz olmasıdır. Bu sayede gaz gözenekleri ve oksitlenme en aza indirilirken, mekanik

özellikler iyileşir.

Vakumlu Kalıba Döküm:

Bu döküm yöntemi, yukarıda bahsedilen düşük basınçlı döküm yöntemine çok benzerdir.

Tek farkı, vakumun kalıp ile bağlantılı olan bir boşluktan uygulanması ile sıvı metalin

itilmesi yerine çekilmesidir. Şekil-7 de gösterildiği gibi kalıp içi pompa yardımıyla ile

vakumlanıyor.

Şekil-7: Vakumlu kalıba döküm yöntemi şematik gösterimi

Bu yöntem ile mükemmel mekanik özelliklerde ve düşük kalıp sıcaklıklarında

yapıldığından yüksek üretim hızlarında dökümler yapılabiliyor. Düşük basınçlı dökümde

olduğu gibi, kalıp ile sıvı metal haznesi arasındaki doldurucu boşluk besleyici görevi

görmektedir ve metal akışı çok iyi sağlanabilmektedir. Bu proses de aynı şekilde

otomasyona çok uygun olup, yüksek miktarda ve yüksek kalitede dökümlerin üretimini

uygun maliyetlerde yapabilmektedir. Ancak bu yöntemde, küçük ve basit parçaların

dökümü için daha çok uygundur çünkü karmaşık yapılı kalıpların dizaynını yaparken

vakumun bütün kalıp içerisinde etkin kılmak için ustalık gerekir.

Kalıp DizaynıSeri üretimde kullanılabilecek bir basit sabit kalıp için, Şekil 2(a) daki menteşeli sabit

kalıp mekanizması örnek gösterilebilir. Burada iki kalıp parçası birbirine pimler ile

hizalanarak sabitlenir. Her bir kalıp parçasındaki boşluklar dökümü yapılan parçanın

şeklini belirler. Döküm işlemi, kalıp boşluğu, hava çıkışına izin vermesi için delinir.

Operasyon sırasında kalıp parçaları sıkıca kapatılır ve yolluk sistemi ve kalıp boşluğu sıvı

metal ile doldurulur. Katılaşmadan sonra kalıp açılır, maçalar çıkarılır ve döküm parçası

manuel olarak çıkarılır.

Şekil 2(a) daki kalıp dikey ayrılmaya sahip tek düzlemli bir kalıptır. Bu tip kalıplar aynı

zamanda yatay ayrılmaya da sahip olabilir ve birden fazla düzleme sahip olabilir. Şekil-8

alt yolluk sistemine sahip 4 boşluklu sabit kalıbını şematik olarak göstermektedir.

Şekil-8: Alt yolluklu 4 kalıp boşluklu sabit kalıp

Şekil-9 da yukarıda şematik olarak gösterilen 4 boşluklu kalıbın pratikte uygulanmış bir

örneğini göstermektedir. Kompresör gövdesi parçalarının daha seri olarak üretilmesi için

bu 4 boşluklu kalıp tasarlanmıştır. Son çıkan ürün üzerinde gidici, besleyici ve yolluk

sistemleri daha net görülebilmektedir.

Şekil-9: Kompresör gövdesi parçaların 4 kalıp boşluklu sabit kalıp ile üretimi

Oyuklu ve zor maçalama (undercut) gerektiren parçaların kalıplarının dizaynı da zordur

ve zorluk arttıkça maliyet de artmaktadır. Bu kalıpların dizaynında harcanabilir maçaların

kullanımı metal maçaların kullanımından daha kolaydır. Ancak bazı kalıplama

sistemlerinde çelik maçalar kullanılabilmektedir.

Döküm parçası içinde ince alanlarla çevrilmiş izole olmuş ağır kısımlardan kaçınılmalıdır.

İnce derin kaburgalardan da kaçınılmalıdır çünkü bunlar yetersiz dökümlere ve döküm

sıçramalarına neden olur. Yalnızca basit sabit kalıp döküm parçaları herhangi bir mekanik

yardımı olmadan kalıptan çıkarılabilir. Çoğu döküm parçalar iyi bir şekilde dağıtılmış

çıkarıcı pinler yardımıyla veya kalıbın bir yarısının hidrolik veya mekanik bir sistemle

ayrılmasından sonra diğer parçadaki maçaların çıkarılmasından sonra çıkarılırlar.

Kalıp başına yapılabilecek döküm sayısı, kalıp dizaynında çok önemli bir husustur. Temel

hedef kalıp başına düşük maliyette kabul edilebilir seviyede dayanıklı olabilen optimum

sayıda kalıp boşluklarına sahip olmaktır. Çok küçük ve çok ince dökümler haricinde, kalıp

başına dökülecek metalin ağırlığı arttıkça, makineni döngü zamanı artar fakat bu artış

direkt olarak orantılı değildir. Maximum kalıp boşluğu sayısına sahip bir kalıp daha az

olan bir kalıptan tek bir dökümde daha fazla parça üretecektir. Boşluk sayısına

bakmaksızın, katılaşma süreleri aynıdır. Hatalı ürün sayısı kalıp boşluk sayısı arttıkça

artabilir ama bu durum çok sayıda yapılan dökümün sağladığı faydalardan daha önemli

değildir.

Kalıcı kalıp dizaynında, parça istenen yönlenmede ayarlanır ve kalıp bunun etrafını

metalin akışına, metal sızmasını önleyici sarmalara ve maçalar ve pimlerin

yerleştirilmesine yeteri kadar yer verecek şekilde sarar. Kalıbın arka kısmının hatlarını

belirlemek de önemlidir böylece gerekli ölçülendirmeler verilerek eşit sıcaklık dağılımı ve

ısı yayınımı sağlanabilir. Sıcaklık stabillitesi de ince duvarlı dökümler için kalıp

dizaynında göz önünde bulundurulması gereken bir noktadır. İnce duvarlı dökümler

sıcaklık değişimine duyarlıdır ve yanlış metal akışına sebep olabilirler.

Kalıplar kapatıldıktan sonra gaz çıkışına rahatlıkla izin verebilecek delikler de göz önünde

bulundurulması gereken bir noktadır, dizayn sırasında delik büyüklüğü ve hangi

noktalarda olması gerektiği bilinmelidir.

Yolluk SistemleriSabit kalıba dökümde yolluklama üstte, yandan veya alttan yapılabilir. Tek veya çoklu

yolluklamalarda kullanılabilir.

Üst Yolluklama:

Bu düzenekte gidici ve besleyici genellikle aynıdır. İnce kesitler yolluktan en uzak kısıma

yerleştirilir böylece yönlü katılaşma yolluğa doğru olur. Döktükten sonra yolluk besleyici

görevi görür. Besleyicideki metal en son katılaşır böylece dökümü devamlı sıvı metalle

besleyebilir. Şekil 10 (a) da üst yolluk sistemli bir kalıp dizaynı görülmektedir. Üst yolluk

sistemi daha hızlı döküm hızlarını, daha az metal akışkanlık gereksinimini ve istenen

sıcaklık gradyantını sağlar. Bunlar istenen özellikler olsa da, döküm sırasında sıçramalara

ve kalıp erozyonuna sebep olabilirler. Ayrıca metal oksidasyonu bu sistemlerde daha sık

olur.

a) b) c)

Şekil-10: a) üst, b) alt ve c) yan yolluk sistemleri

Yan Yolluklama:

Özellikle alüminyum dökümlerinde sıkca kullanılır. Bu yolluk sisteminde besleyici Şekil-

10 (c) de görüldüğü gibi dökümün en üst kısmında bulunmaktadır. Giriş kısmı döküm

boyunun yaklaşık %90 ı kadar uzunlukta, döküm parçasının yan tarafında bulunur böylece

giriş kısmındaki ve besleyicideki metal kalıp içindeki metalden daha sıcak kalır. İnce

kısımlar giriş ve besleyiciden daha uzağa yerleştirilir. Katılaşma yönü kalıp boşluğundan

girişe ve besleyiciye doğru olur böylece çekme gözenekleri minimize edilir.

Sabit kalıpların yolluk sistemleri kum kalıplardakinden daha esnektir . Yolluk sistemleri

metalin kalıbı yeteri hızda doldurmasını sağlayarak türbülansı minimum seviyeye

getirmelidir. Alüminyum ve magnezyum için türbülansı yok etmek çok önemlidir çünkü

türbülans aşırı miktarda oksit oluşumuna yol açar. Genellikle aluminyum ve magnezyum

dökümleri dikey konumda yada dikey konumdan yatay konuma geçerek dökümler yapılır.

Bu metod ile içerideki hava çıkartılarak oksitlenme de önlenebilir.

Alt Yolluklama:

Alt yolluk sistemi doğru dizayn edilmezse, döküm sırasında en son kalan sıvı metal (en

sıcak metal) dökümün en alt kısmında olacaktır. Bu durum gravite beslemesini ve

kademeli katılaşmayı önleyecek ve döküm parçasında çekme gözeneklerine sebep

olacaktır. Bu durum, kalın dökümler için çok iyi dizayn edilmiş alt yolluklu sistemlerde

dahi sıkça görülebilmektedir. Sabit kalıba dökümlerde alt yolluklu sistemler genellikle

ince parçaların dökümünde kullanılır.

Düşük basınçlı dökümler ve vakumlu dökümler, alt yolluk sistemlerin en sık kullanıldığı

döküm metodlarıdır. Bunun sebebi ise bu döküm yöntemlerinde metal bir basınç ile kalıp

içine çekilmektedir. Basınç farkı sıvı metalin kalıp içine katılaşma sırasında da

beslenmesini sağlamaktadır.

Yolluk sistemleri genellikle aşırı oksit oluşumunu önleyici dizaynları gerektirir ve cam

fiber, metaller ve sermaiklerin yolluk sistemlerinde kullanılması ve Şekil-11 de görülen

yolluk altındaki tuzaklar ile cüruf karışması ve oksit oluşumu azaltılabilir.

Şekil-11: Cüruf tutucu ve ayırıcılı yolluk sistemleri

MaçalarSabit kalıplarda kullanılan maçalar gri dökme demir, çelik, kum veya alçıdan yapılabilir.

Metal maçalar haraket ettiriebilir veya sabit olabilir. Sabit maçalar kalıp ayrılma

düzlemine dik olmalıdır böylece döküm parçasının çıkmasına izin verebilmektedir. Ayrıca

dizayn sırasında çıkarma sırasında mümkün olduğu kadar az sorun çıkarabilecek şekilde

yapılmalıdır. Kalıp ayrılma düzlemine dikey olmayan metal maçalar hareket ettirilebilir

olmalıdır böylece kalıp açılmadan çıkarılabilirler.

Kum veya alçı maçalar sabit kalıpta kullanıldığında, işlemin adı yarı sabit kalıplama

olarak geçer. Kum veya alçı maçalar harcanabilirdir ve daha karmaşık yapılı maçalar

yapılarak metal kalıbın içine yerleştirilebilir.

Şekil 12 de iki farklı geçiş yolunun sabit kalıptaki maçalama işlemini limitli hale getirdiği

gösterilmektedir. Şekil 12(a) daki sistem metal maçalar kullanılarak kolaylıkla üretilebilir.

Fakat Şekil 12(b) deki eğimli kısımlı parça kum veya alçı maçalar kullanılmasını

gerektirmektedir.

Şekil-12: İki farklı maçalama metodu gerektiren boşluk türleri a) metal maçalar

kullanıldığında b) kum veya alçı maçalar kullanıldığında

Kalıp ve Maça Malzemelerinin Seçimi

Kalıcı kalıplar ve maçaların seçimi için seçilecek malzemeleri etkileyen 4 temel factor

vardır.

- Dökümü yapılacak metalin döküm sıcaklığı

- Dökümün boyutu

- Birim kalıp başına yapılacak döküm sayısı

- Kalıp malzemesinin fiyatı

Bu değişkenler baz alınarak aşağıdaki tablolarda bazı tavsiyelerde bulunulmuştur.

Tablo 2: Tavsiye edilen kalıp malzemeleri

Döküm Alaşımı

Döküm Sayısı

1000 10000 100000

Küçük Dökümler için ( maksimum boyut 25 mm ya da 1 inç)

Çinko Gri dökme demir,

1020 çeliği

Gri dökme demir,

1020 çeliği

Gri dökme demir,

1020 çeliği

Aluminyum,

Magnezyum

Gri dökme demir,

1020 çeliği

Gri dökme demir,

1020 çeliği

AISI H14 eklemeli

gri dökme demir,

1020 çeliği

Bakır Gri dökme demir Gri dökme demir Alaşımlı dökme

demir

Orta Ölçekli ve büyük dökümler için ( maksimum boyut 915 mm. )

Çinko Gri dökme demir;

AISI H11

Gri dökme demir;

AISI H11

Gri dökme demir;

AISI H11

Aluminyum,

Magnezyum

Gri dökme demir Gri dökme demir Gri dökme demir;

AISI H11 ya da H14

Bakır Alaşımlı dökme demir

Alaşımlı dökme demir

Alaşımlı dökme demir

Tablo 3: Maçalar için tavsiye edilen malzemeler (< 76 mm çapında)

Döküm alaşımı Tavsiye edilen maça malzemeleri

Çinko Kum, Alçı, Gri dökme demir, 1020 çeliği

Aluminyum, Magnezyum 1010 ya da 1020 çeliği, kum, alçı, çelik,

H11 kalıp çeliği, karbon

Bakır Kum, 1020 çeliği, gri dökme demir, alçı,

grafit

Tablo 4: Maçalar için tavsiye edilen malzemeler ( > 76 mm çapında)

Döküm alaşımı Belirtilen döküm sayısına gore malzeme

1000 10000 100000

Çinko Gri dökme demir,

1020 çeliği

Gri dökme demir,

1020 çeliği

Gri dökme demir,

1020 çeliği

Aluminyum, Magnezyum Gri dökme demir,

kum, alçı, 1020

çeliği takviye

edilmiş gri

dökme demir

Gri dökme demir,

kum, alçı, 1020

çeliği takviye

edilmiş gri

dökme demir

Gri dökme demir,

1020 çeliği

takviye edilmiş

gri dökme demir,

kalıp çeliği

Bakır Kum Kum -

Tablo 2’ de belirtildiği gibi gri dökme demir en yaygın kullanılan kalıp malzemesidir.

Aluminyum ve grafit kalıplar küçük ölçekte aluminyum ve magnezyum dökümleri için

bazene kullanılan kalıplardır. Grafit kalıplar ise bazen bakır alaşımlarının dökümünde

kullanılır. Aluminyum ve magnezyum döküm alaşımlarında, kalıp başına 100000 ya da

daha fazla döküm eldesi yaygın değildir. Ayrıca bakır alaşımları daha fazla döküm

sıcaklığı gerektirdiğinden kalıp ömürleri daha kısadır.

Kalıp ilaveleri: Kalıplara aynı malzemelerden ya da farklı malzemelerden kısmen ya da

tamamen ilavelerin yapılması kalıp ömrünün daha uzun olmasını sağlamaktadır. Ayrıca

işlenebilirliği de kolaylaştırmak amaçlı yapılmaktadır. İlaveler aynı zamanda tahliyede,

havalandırmada, boşlukların ya da kalıpların sıcaklık kısımlarında ve soğutucu ince

uçlarında kullanılır.

Tablo 3 ve 4’te boyutlarına göre ve performansları baz alınarak tercih edilebilecek maça

malzemeleri verilmiştir. Bu malzemeler;

- Kum (Yağ ile bağlanmış ya da reçine ile, kabuk, karbon dioksit silikat)

- Alçı

- Grafit ve karbon

Kalıp ÖmrüKalıp ömrü 100 ile 250000 arasında farklılık gösterebilen döküm kapasitesine sahip

kalıpların dayanım süresi olarak adlandırılır. Örneğin aluminyum piston için kalıplar

tamirinden once 250000 döküm yapabilmektedir. 250000’den fazla dökümlerde

kullanılması için ciddi tamir ve bakım gerektirir. Gerekli bakımlar ve tamirat yapıldıktan

sonra bu kalıplar 3.5 milyon döküme kadar kullanılabilir. Ayrıca piston kalıplar, kolay

dizaynı ve tasarımı ile birlikte, silindirik ısı kalıpları gibi iç maçalar ve dış ilave

malzemeler gerektiren kalıplardan daha uzun ömürlü ve dayanıklıdır. Kalıplar genellikle

dökme demirlerden yapılır. Dökme demirler erimiş aluminyumun tepkisine normal

çeliklere göre daha dirençlidir. Ancak dökme demirden yapılan kalıpları onarmak çeliğe

göre daha maliyetli ve daha zordur. Çeliğin kaynaklanabilirliği ve tamiratı bakımı daha

kolaydır. O yüzden yüksek üretim işlemi gerektiren dökümlerde çelik kalıplar yaygın

olarak kullanılır.

Kalıbın ömrünü etkileyen değişkenler;

- Döküm Sıcaklığı

- Dökümün Ağırlığı

Döküm Ağırlığı arttıkça kalıbın ömrü azalır

- Dökümün Şekli

Kalıbın farklı bölgelerinde sıcaklıklar farklıdır. Farklı bölgeler arasındaki sıcaklık

farkı arttıkça kalıp ömrü azalır.

- Soğuma Metodları

Suda soğutma havada soğutmadan daha etkilidir. Fakat suda soğutma işlemi

yapıldığında kalıp ömründe azalma olur

- Isı döngüsü

Kalıbın sıcaklığının uniform sıcaklıklarda korunması kalıp ömrünü maksimum

seviyede yüksek tutar.

- Kalıbın ön ısıtılması

Elektrikli ısıtıcılar ile çalışma sıcaklığında yapılır. Kalıp ömrünü arttırır. Dökümde

meydana gelecek termal şoklar kalıp kırılmasında en temel faktördür.

- Kalıbın kaplanması

Metalin kalıp yüzeyiyle temasını engeller. Böylece kalıp ömrünü arttırır.

- Kalıp malzemesi

Tablo 2’de önerilen malzemeler tercih edilebilir.

- Depolama

- Temizlik

- Yolluk

- Kalıp işlem metodu

- Dökümün son kullanımı

Kalıp Dizaynının Etkisi:

Yukardaki faktörlere ek olarak kullanılan kalıpların dizaynı kalıp ömrünü etkileyen

önemli parametrelerden biridir. Kalıp duvarının kalınlığı ısıtma ve soğutma esnasında

aşırı gerilmelerin oluşumuna neden olabilmekte ve bu da kalıpların erken hasara

uğramasına neden olmaktadır. Dökümde meydana gelen büzülmelerden dolayı, genellikle

kalıbın dışı iç kısma göre daha az tasarım(draft) gerektirir. 5° draft arzu edilir fakat bunun

2° si dışarısı için and 3° si ise iç kalıp yüzeyi için kullanılır. Düşük draft açıları döküm

sayısını azaltır. Draft açısının aluminyum alaşımlı dökümde kullanılan kalıplarda ve

maçalardaki etkisi Şekil 13’te gösterilmiştir.

Şekil 13. Draft açısının etkisi

Kalıp KaplamalarıKalıp kaplama işlemi kalıpların ve maçaların yüzeyine uygulanan işlemlerdir. Ergimiş

metal ile kalıp yüzeyi arasında bariyer oluşturarak döküm işleminin daha sağlıklı olması

sağlanır.

Kalıp kaplamaların amaçları;

- Ergimiş metalin erken donmasını önlemek

- Dökümün katılaşmasının hızını ve yönünü kontrol etmek

- Kalıp malzemelerindeki termal şoku minimize etmek

- Ergimiş metalin kalıba yapışmasını önlemek

- Kalıp boşluğu içinde sıkışan havayı boşaltmak

Kalıp kaplamalar iki türlüdür. Bunlar izolasyon ve yağlamadır. Bazı kaplamalar bu iki

fonksiyonu da içerir. İyi izolasyonlu kaplamalar yeterli bir suyun içerisinde bir parça

sodium silikat ve iki parça colloidal kaolinden yapılabilir. Yağlayıcı kaplamalar ise uygun

bir bariyer olarak genellikle grafitleri içerir.

15 çeşit kalıp kaplama malzemesi, Tablo 5’te listelenmiştir.

Tablo 5: Kalıcı kalıplar için kaplamaların kompoziyonları

Kaplama

Numarası

Kompoziyonu (%Ağırlık)

Sodyum

Silikat

Yalıtkanlar Yağlayıcılar BA

Toz

kireç

Ateş

Kili

Metal

Oksit

Toprak Sabun

taşı

Talk Mika Gra

fit

1 2 … 4 … … … … … 1 …

2 8 … 4 … … … … … … …

3 .. 7 … … … … … … … 7

4(a) 12 9 … … … … … … … …

5 5 11 … 2 … … 5 … … …

6 9 … 4 … … 14 … … … …

7 11 … … 17 … … … … … …

8 … … 4 … … 23 … 5 … …

9 7 … 1 … … 23 … 2 … …

10 23 … … … … … 20 … … …

11 30 … … … 5 … 10 … … …

12 18 … … … 41 … … … … …

13 8 … … 60 … … … … … …

14 7 … … … … … 62 … … …

15 20 53 … … … … … … … …

BA : Borik Asit

(a) : Aşınma direnci için %2 Silisyum karbür içerir.

Kalıp ömrünü uzatmak için yapılacak olan kaplama paslanmaz olmalı, kalıba iyi

yapışmalı ve çıkarması kolay olmalıdır. Erimiş metalin, kalıp yüzeyiyle temas etmesini

önlemelidir.

Kalıp SıcaklığıEğer kalıp sıcaklığı çok yüksek ise, aşırı parlama görülür ve bu da nihai dökümü ve

üretilecek olan malzemenin mekanik özelliklerini olumsuz etkileyebilir. Eğer kalıp

sıcaklığı çok düşük ise, döküm süreksizliği ve yetersiz döküm görülür dolayısıyla yeterli

besleme olmaz. Bu durum malzemelerde çekmeye büzülmelere ve sıcak yırtılmalara

neden olur.

Kalıp sıcaklığıyla ilgili değişkenler;

- Döküm sıcaklığı

Yüksek döküm sıcaklığı kalıp sıcaklığınında yüksek olması anlamına gelmektedir.

- Döngü sıklığı

Daha hızlı çalışma döngüsü kalıbın daha sıcak olmasına olanak sağlar

- Döküm Ağırlığı

Erimiş metalin ağırlığı arttıkça kalıp sıcaklığıda artmaktadır.

- Döküm şekli

İzole edilmiş ağır ve karmaşık parçalar, maçalı cepler ve keskin köşeler, sadece

kalıp sıcaklığını arttırmaz aynı zamanda istenmeyen termal gradyenlere neden

olur.

- Döküm duvarı kalınlığı

Döküm duvarı kalınlığı arttıkça kalıp sıcaklığıda yükselir.

- Kalıp duvar kalınlığı

Kalıp duvar kalınlığının artması kalıp sıcaklığının azalmasına neden olmaktadır.

- Kalıp kaplamalarının kalınlığı

Kalıp kaplamalarının kalınlığı arttıkça kalıp sıcaklığı azalmaktadır.

Döküm işlemi, kalıp kaplama, soğutucu ve soğutucu olmayan parçalar kalıp sıcaklığında

önemli etkiye sahiptir. Kaplama kalınlığını optimum seviyede muhafaza etmek oldukça

zordur. Üretim esnasında ise kalıp kaplama kalınlığı ölçülememektedir. Ancak kaplama

kalınlığı kontrolü için en yaygın yöntemlerden biri periyodik muayene yöntemidir. Belirli

süreçlerde gerekli kontrollerin yapılmasıyla mümkün olabilir. Düzensiz kaplama kalınlığı,

boyutsal doğruluk kaybını ve uygunsuz yüzey kalitesini yansıtmaktadır.

Kalıbın ön ısıtılması : Bir çok döküm işleminde, üretim işleminden once kalıplar uygun

bir sıcaklığa kadar ısıtılır. Bu işlemin temel amacı üretimde meydana gelebilecek hata

paylarını azaltmaktır.

Kalıplar doğrudan aleve maruz kalarak ısıtılabilir. Ancak bu yöntem, şiddetli ve ısı

dağılımının uniform olmamasından dolayı kalıpların zarar görmesine neden olabilir. Bu

dezavantaja rağmen yine de alevle ısıtma yöntemi kullanılabiktedir. Özelleştirilmiş

ısıtıcılar kalıplar için yapılır. Kalıp yüzeyinin ön ısıtmaya tabii tutulması, termal

gradyenlerin çok küçük boyutlarda kalmasını sağlamaktadır. Fakat büyük kalıplar için bu

işlem ne yazık ki pratik bir yöntem değildir.

Kalıp sıcaklığının kontrolü:

Kurulu bir proseste, kalıp sıcaklığının kontrolü, yardımcı soğutucu veya ısıtıcılarla ve

kaplama kalınlığının kontrolüyle mümkün olmaktadır. Yardımcı soğutucular için

genellikle hava ya da suda soğutma işlemleri kullanılır. Su daha etkili bir yöntemdir fakat

su akış hızını sürekli ayarlayıp kontrol altında tutmak gerekir.

Eğer su ya da diğer sıvılar kullanıldığında, kesinlikle dökümü yapılan metalle temas

etmemelidir. Aksi takdirde bir alevlenme ve patlama görülebilir. Metal sıcaklığı

yükseldikçe buhar patlamasının şiddetide artar. Kontrolü sağlanmış kalınlığın kalıp

kaplaması ince ve ağır kesitler arasındaki katılaşma hızını eşitleyebilmektedir. Soğutucu

ve soğutucu olmayan parçalar katılaşma hızını ayarlamak için kullanılır. Böylelikle

donma olayı ince kesitten orta kesite ordan kalın kesite ve en son besleme yerine kadar

hızlı ve kontrollü bir şekilde ilerler. Soğutucular kalıptaki katılaşmayı hızlandırır.

Soğutucu hava jetlerinin kalıba zıt yönde yönlenmesiyle işlem gerçekleştrilir. (Şekil 14)

Soğutucular termal iletkenliği arttırmak için belirli alanlarda kalıp kaplamalarının bir

kısmını ya da tamamını çıkarmak için de kullanılabilir. Ayrıca soğutucular üretim hızını

arttırmada metalin dayanımını geliştirmede ve mekanik özellikleri iyileştirmede

kullanılabilir.

Isıtıcılar ise belirli bölgelerde soğumayı yavaşlatır. Kalıcı kalıbın ısı kaybını azaltır.

Şekil 14. Çeşitli kalınlıklardaki döküm kesitlerinde soğuma hızını eşitlemek için

kullanılan soğtucu ve alevle ıstılmış ısıtıcılar

Döküm SıcaklığıKalıcı kalıba dökümde, dökümü yapılacak metalin döküm işlemi nispeten düşük sıcaklık

aralığında yapılır. Bu aralık, dökümü yapılacak metalin komposizyonuna, döküm

duvarının kalınlığına, döküm boyutuna ve ağırlığına, kalıbın kaplamasına ve kalıbın

soğuma hızına bağlıdır.

Düşük Döküm Sıcaklıkları: Eğer döküm sıcaklığı optimum seviyeden daha düşük ise,

kalıp boşluğu doldurulamaz, bağlayıcılar bağlanamaz. Dökümün son parçasından önce

gateler ve yükselticiler katılaşacak, ince kesitler daha önceden katılaşmış olacaktır. Düşük

döküm sıcaklıkları, döküm hatalarıyla, porozitelerle, düşük döküm detaylarıyla ve döküm

süreksizliğiyle sonuçlanacaktır. Bu döküm süreksizliklerini önlemek içinde döküm

sıcaklığını bir miktar arttırmak gerekecektir.

Yüksek Döküm Sıcaklıkları: Yüksek döküm sıcaklıkların dökümde çekmelere ve kalıp

çarpılmalarına, yamulmalarına sebep olmaktadır. Bu çarpılmalar, boyutsal doğruluğun

kaybına yol açmaktadır. Yüksek döküm sıcaklıkları aynı zamanda katılaşma zamanını

azaltır ve her zaman kalıp ömrünü olumsuz yönde etkileyerek kalıp ömrünün azaltır.

Metallere özgü döküm sıcaklıkları: Aluminyum alaşımları için genellikle döküm sıcaklık

aralıkları 675’den 790 °C (1250 to 1450 °F) ‘ye kadardır. İnce duvarlı dökümler daha

yüksek sıcaklıklarda (845 °C ) dökülebilir. Döküm sıcaklığı da döküm esnasında ±8 °C

(±15 °F) sıcaklık aralığında korunmalıdır. Eğer döküm sıcaklığı korunamazsa, soğutma

düzeneği maksimum sıcaklığa göre ayarlanmak zorundadır. İç kalıp soğuması, kalıp

duvarlarına gömülü olan manyetik dalgalarla çalıştırılan termocouple lar vasıtasıyla

kontrol edilir.

Magnezyum alaşımları için normal döküm sıcaklık aralığı 705 ile 790 °C (1300 to 1450

°F) aralığındadır. İnce duvarlı dökümler 790 °C’ye yakın sıcaklıklarda kalın duvarlı

dökümler ise 705 °C’ye yakın sıcaklıklarda dökülür. Döküm sıcaklığı da döküm esnasında

±8 °C (±15 °F) sıcaklık aralığında kontrol altında tutulmalıdır.

Bakır alaşımları alaşıma bağlı olarak 980 ile 1230 °C (1800 ile 2250 °F) aralığında

dökülür. Döküm sıcaklığı da döküm esnasında ±15 °C (±25 °F) sıcaklık aralığında kontrol

altında tutulmalıdır.

Gri dökme demirlerin akışkanlığı oldukça iyidir. 1275 ile 1355 °C (2325 ile 2475 °F)

döküm sıcaklıklarında dökülmesi gerekir. Fakat bu biraz zordur. Aşırı döküm sıcaklıkları

alevlenmelere, kalıpta sızıntılara ve hasarlara yol açabilmektedir.

Boyutsal DoğrulukKalıcı kalıba dökümde boyutsal doğruluk, kısa vadeli ve uzun vadeli değişkenlerden

etkilenir.

Kısa vadeli değişkenler;

- Kalıp elemanlarının bozulmasıyla ya da kalıp yüzeyindeki yabancı malzemelerin

neden olduğu kalıp kapanma değişkenleri,

- Kalıp kaplamalarının kalınlığının değişkenliği,

- Kalıptaki sıcaklık dağılımın değişkenliği,

- Döküm kaldırma, temizleme sıcaklığının değişkenliği.

Uzun vadeli değişkenler;

- Gerilme gevşemesinden, ilerlemesinden ve sürünmeden kaynaklı aşamalı ve

ilerlemeli kalıp bozuklukları

- Temizlik kaynaklı, kalıp yüzeylerinin aşamalı aşınmaları

Boyutsal değişkenler soğuma ve ısıtma hızlarını kontrol altında tutarak minimize

edilebilir.

Kalıp dizaynı: Hem kalıp kalınlığı hem de destekleyici nervürlerin dizaynı, çalışma

sıcaklıklarında kalıp çarpılmalarının derecesini etkiler.

İnce kalıpların arkasındaki destekleyici nervürler kalıp yüzeyini konkav bir hale getirecek

şekilde yamultur. Bu dizayn hatası döküm boyutlarını 1.6 mm (1/16 in.) ye kadar

değiştirebilir.

Aşınma hızı: Bir çok kalıp ve maça bileşenlerinin boyutları nispeten uniform oranda

değişir. Bu yüzden yeniden üretimde ve çalışmalarda boyutların tahmini mümkündür.

Dökümün tolerans değerlerinde korunması için, aşınma direnci baz alınarak kalıp

malzeme bileşenlerinin seçilmesi gereklidir.

Yüzey PürüzlülüğüKalıcı kalıpta dökümde yüzey pürüzlülüğü aşağıdaki parametrelere bağlıdır.

- Kalıp boşluklarının yüzeyi

Dökümün yüzey pürüzlülüğü, kalıp boşluğunun yüzey pürüzlülüğünden daha iyi

olmayacaktır. Isı kontrolleri ve diğer hatalar döküm yüzeyinde yeniden

üretilemeyecektir.

- Kalıp kaplaması

Aşırı kalın kaplamalar ve düzensiz kaplamalar döküm pürüzlülüğünü olumsuz

etkileyecektir.

- Kalıp dizaynı

Döküm yüzeylerinin çatlamasını ve hasar görmesini önlemek için yeterli bir draft

yani taslak sağlanmak zorundadır.

- Kapı tasarımı ve boyutu

Bu faktörler, erimiş metalin akışının hızını ve düzgünlüğünü etkilediği için döküm

yüzeyinin pürüzlülüğünde de önemli bir etkiye sahiptir.

- Havalandırma

Kalıp boşluklarındaki sıkışmış havanın tahliye edilmesi, tamamen dolum işleminin

ve düzgün bir yüzeyin sağlanması için önemlidir

- Kalıp sıcaklığı

- Döküm tasarımı

Yüzey pürüzlülüğü, geniş düz alanlarda, kesitin ciddi değişimlerinden,

karmaşıklıktan olumsuz yönde etkilenir.

Kaynaklar[1] West, C. E., and T. E. Grubach. "Permanent mold casting." ASM

Handbook. 15 (1988): 275-285.

[2] Kim, Chung-Whee. "Permanent Mold Casting." Modeling for Casting and

Solidification Processing (2001): 373.

[3] Kalpakjian, Serope, Steven R. Schmid, and Chi-Wah Kok. Manufacturing

processes for engineering materials. Pearson-Prentice Hall, 2008.

[4] Çavuşoğlu, Ergin N. Döküm teknolojisi. İTÜ, 1992.

[5] Aran, Ahmet. Metal döküm teknolojisi. İTÜ, 1989.

[6] Totten, George E., Kiyoshi Funatani, and Lin Xie, eds. Handbook of

metallurgical process design. CRC press, 2006.