T.C.

ERCİYES ÜNİVERSİTESİ

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ

MALZEME BİLİMİ ve MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

MALZEME ÜRETİM ve KARAKTERİZASYON

LABORATUARI-II

DENEY FÖYLERİ

2019-2020 Bahar Yarıyılı

(1-5 No’lu Deneyler)

KAYSERİ-2020

2

İçindekiler Deney No _1 ............................................................................................................................................3

KİMYASAL TEHLİKELER VE LABORATUVAR GÜVENLİĞİ ...................................................3

Deney No _2 ..........................................................................................................................................21

ZETA POTANSİYELİ ANALİZİ ......................................................................................................22

Deney No _3 ..........................................................................................................................................27

DALDIRMALI KAPLAMA SPIN KAPLAMA ve ELİPSOMETRE İLE İNCE FİLM ÜRETİMİ ve

KARAKTERİZASYONU ..................................................................................................................28

Deney No _4 ..........................................................................................................................................37

RAMAN SPEKTROSKOPİSİ VE NUMUNE KARAKTERİZASYONU .......................................38

Deney No _5 ..........................................................................................................................................47

METAL KALIBA DÖKÜM ve KARAKTERİZASYON .................................................................48

DENEY GRUPLARI VE TARİHLERİ

Deney No Deney No

_1

Deney No

_2

Deney No

_3

Deney No

_4

Deney No

_5

TARİH 21.02.2020 28.02.2020 6.03.2020 13.03.2020 20.03.2020

GRUPLAR TÜM

GRUPLAR

1. Grup 2. Grup 3. Grup 4. Grup

2. Grup 3. Grup 4. Grup 1. Grup

3. Grup 4. Grup 1. Grup 2. Grup

4. Grup 1. Grup 2. Grup 3. Grup

3

DENEY NO: 1

KİMYASAL TEHLİKELER VE LABORATUVAR GÜVENLİĞİ

ARŞ. GÖR. DR. SAMİ PEKDEMİR

➢ LABORATUVAR MALZEMELERİ

➢ LABORATUVARDA UYULMASI GEREKEN KURALLAR

➢ KİMYASAL TEHLİKELER VE BU TEHLİKELERE KARŞI ALINMASI GEREKEN

ÖNLEMLER

➢ UYARI İŞARETLERİ TANITIMI TEHLİKE SINIFLARI VE SEMBOLLERİ

➢ KİMYASALLAR ÜZERİNDEKİ ETİKETLER VE ANLAMLARI

➢ GÜVENLİK BİLGİ FORMU

4

LABORATUVAR MALZEMELERİ:

5

6

LABORATUVAR ÇALIŞMA VE GÜVENLİK KURALLARI

7

1. Laboratuara geç gelinmemelidir. Gelmeden önce yapılacak deneyle ilgili bilgi alınmalı ve

deneyin amacı ile yapılışı mutlaka öğrenilmelidir.

2. Tüm öğrenciler laboratuar çalışmaları sırasında mutlaka önlük ve eldiven giymekzorundadır.

4. Laboratuarda sandalet ve ayak parmaklarını açıkta bırakan ayakkabılarla çalışılmasına

izin verilmez.

5. Laboratuarda araştırma görevlisi yada sorumlu olmadan çalışılmaz.

6. Saçları omuz seviyesinden uzun olan öğrenciler saçlarını arkada toplamalıdırlar.

7. İzin verilmeyen deneyler yapılamaz.

8. Laboratuarda yemek yemek ve bir şeyler içmek kesinlikle yasaktır.

9. Herkes yangın söndürücüleri ve ilk yardım dolaplarının yerlerini bilmelidir.

10. Acil durum çıkışlarının yerlerinin bilinmesi gerekmektedir.

11. Tüm yaralanmalar (kesik, yanık vb.) hemen araştırma görevlisine bildirilmelidir.

12. Laboratuar periyodu bitiminde cam eşyalar temiz ve kuru bırakılmalıdır. Masaların

üzerini temizlenip gaz ve suyun kapalı olduğundan emin olunmalıdır.

13. Şişeden madde almadan önce etiket iki (2) kez okunmalıdır.

14. Reaktif şişeleri yerinden alınmaz. Sıvı madde alınması gerekiyorsa temiz test tüpü

veya beher, katı madde alınması gerekiyorsa tartım kağıdı kullanılır.

15. Gereken miktar kadar reaktif alınmalıdır. Fazla miktarlar daha verimli reaksiyon

vermez. Tam tersine kontrol altına alınamayan tepkimeler verebilir.

16. Şişe kapakları ortaya bırakılmaz. Araştırma görevlisinin göstereceği yere

bırakılmalıdır.

17. Fazla alınmış reaktifler kesinlikle şişesine geri dökülmemelidir.

18. Reaktif şişelerine kesinlikle pipet sokulmamalıdır. Bunun yerine madde önce behere

alınır ve oradan kullanılır.

19. Suda çözünen kimyasallar yada organik atıklar, uygun atık bidonuna dökülmelidir.

20. Kırık camlar cam kutusunda toplanır.

21. Kibrit, turnusol kağıdı ve benzeri atıklar lavaboya atılmaz.

22. Yanıcı sıvılar (organik çözücüler) asla açık alev yanında kullanılmamalıdır

23. Test tüpleri ısıtılırken ağzı herhangi bir kişiye dönük olmamalıdır. Bazı

kimyasallarkaynamaya başladığında şiddetlice fışkırabilir.

24. Sıcak malzemeler el ile tutulmaz. Sıcak malzemelerle çalışırken asla plastik eldiven

8

kullanılmamalıdır. Cam malzeme yadakroze ısıtıldıktan sonra soğumaya bırakılır

yada tahta maşa ile tutulur.

25. Cam malzemelere tıpa takmadan önce mutlaka su veya vazelin ile kayganlaştırılması

gereklidir. Eli korumak için bez kullanılmalı ve cam eşya, takılan yerine yakın bir

yerden kavranılmalıdır.

26. Çözelti hazırlanırken kimyasal maddelerin Güvenlik Bilgi Formları’na bakarak

belirtilen güvenlik önlemleri alınmalıdır. Çözeltiler ihtiyaca uygun miktarlarda

hazırlanmalıdır.

27. Hazırlanan çözeltiler, hazırlanış tarihi, örnek sahibi, çözelti/örnek özellikleri bilgilerini

içerecek şekilde mutlaka etiketlenmelidir.

28. Eğer asit seyreltmek gerekiyorsa, asit suyun üzerine yavaşça dökülür, su asidin

üzerine kesinlikle dökülmez.

29. Cilde herhangi bir kimyasal döküldüğünde hemen bol su ile uzun süre yıkanmalıdır.

Hemen araştırma görevlisine haber verilmelidir.

30. Kimyasalların tadına kesinlikle bakılmaz.

31. Gaz dumanını kesinlikle solunmamalıdır. Eğer gazın kokusunu tanımlamak

gerekiyorsa gazın bulunduğu bölge üzerine el hafifçe yelpaze yapılarak az miktar

gazın burna gelmesi sağlanır.

32. Eğer göze kimyasal kaçarsa en az 15 dakika boyunca göz banyosunda bol su ile

yıkanmalıdır. Hemen araştırma görevlisine haber verilmelidir.

33. Herhangi bir alevlenme anında hemen ısı kaynağı kapatılır ve ilgili kişilere haber

verilir. Eğer alev kontrol dışına çıkmış ise laboratuar hemen terk edilir ve yangın

düğmesine basılır.

34. Giysiler alev almış ise yangın battaniyesi yada duş kullanılmalıdır. Eğer battaniye

yada duş yoksa, kişiyi yanmakta olan kısım temas edecek şekilde yerde yuvarlamalı ve

yangın söndürücü kullanılmalıdır.

35. Cıva buharı görülemez fakat zehirleyicidir. Termometre kırıldığında sıvı cıva yayılır.

Böyle bir durumda hemen araştırma görevlisine haber verilir.

36. Basit yanıklarda yanık bölge 5-10 dakika su altında tutulmalıdır.

37. Tüm uyarı işaretleri öğrenilmelidir.

38. Laboratuarda lens kullanmayınız. Kimyasal buharlar lens içinde hapsolabilir ve göze

zarar verebilir.

9

LABORATUVAR KAZALARI VE İLKYARDIM

Laboratuvar çalışmalarında insan sağlığına zararlı kimyasal maddelerle çalışılır. Çalışan

kişinin sağlığı açısından bu maddelerin tanınması ile bu maddelerle temas halinde oluşabilecek

zararlı etkilerin önceden bilinmesi ve olası kazaların önlenmesi mümkündür. Kaza anında neler

yapılacağı mutlaka laboratuvarlarda yazılı olarak bulundurulmalı, kazaya uğrayan kişi bir

sağlık kuruluşuna götürülmelidir. Burada bu kimyasalların bir listesi

verilmiştir.

Alkali ve Asitlerin Yutulması Halinde İlk Yardım

Asetik asit, hidroklorik asit, fosforik asit ve sülfürik asit yutulduğu kişi baygınsa ağızdan hiç

bir şey verilmemelidir. Eğer ayıksa ağız bol çeşme suyu ile çalkalanmalıdır. Eğer bu mümkün

değilse olabildiğince fazla su verilmeli, en yakın sağlık kuruluşuna nakli sağlanmalıdır.

Hidroklorik asit yutulmasında da kusmaya izin verilmemeli, bol su verilmelidir. Yaralı

yüzükoyun uzatılmalı, hareket ettirilmemelidir. Kromik asit ve dikromatların yutulmasında

acilen sodyum bikarbonat çözeltisi verilmeli, yara sıcak tutulmalı ve bir sağlık kuruluşuna haber

verilmelidir. Alkalilerin yutulması durumunda ise limon suyu veya sirke karıştırılmış bolca su

verilmeli hemen bir sağlık kuruluşuna gidilmelidir

10

Klorlu Bileşenlere Maruz Kalınması Durumunda İlk Yardım

Amonyum klorür, demir klorürün deri ile temasında iyice yıkanmalı, yutulmasında ise

kusturulmalı ve bol miktarda su verilmelidir. En yakın sağlık kuruluşunda sağlık yardımı

alınmalıdır. Antimon klorür, nikel klorür, kalay klorür, kadmiyum klorür'ün deri ile temasında

iyice yıkanmalı ve lanolin merhem sürülmelidir. Yutulması halinde ise bol su verilmeli ve

sağlık kuruluşuna başvurulmalıdır.

Nitratlara Maruz Kalınması Durumunda İlk Yardım

Potasyum nitrat, civa nitratın, gümüş nitrat deri ile temasında iyice yıkanmalı. Yutulması

durumunda hemen bolca suyla karıştırılmış sodyum bikarbonat verilmelidir. Gümüş nitratın

deri ile temasında tuzlu su ile yıkanmalı ve tahriş olan yerlere uygulanmalıdır. Yutulmasında

ise, bir bardak suya üç yemek kaşığı tuz ekleyip çözdükten sonra bu karışım verilip kusturulmalı

ve sağlık kuruluşuna başvurulmalıdır.

Sülfatlara Maruz Kalınması Durumunda İlk Yardım

Alüminyum, amonyum, kobalt, bakır, magnezyum, nikel, potasyum, sodyum, çinko, kadmiyum

sülfatın deri ile temasında iyice yıkanmalı, bunların yutulmasında ise bolca su verilmeli ve bir

sağlık kuruluşuna başvurulmalıdır

Elektrik Şokunda İlk Yardım

Kazazede elektrikle yüklü olduğundan yaklaşmadan önce ana kaynaktan akım kesilmeli veya

fiş prizden çıkarılmalıdır. Bu yapılamıyorsa lastik çizme ya da eldivenle ya da kuru bir önlük

üzerine basarak kazazedeye yaklaşılmalıdır.

Elektrik cereyanı ile temas kesildikten sonra temiz havada suni teneffüs yaptırılmalı ve en yakın

hastaneye götürülmelidir.

Yangın

Yangın laboratuarlarda en çok rastlanan kazaların başında gelir.

1. Organik maddelerin çoğunun çıplak alevden etkilenerek yanacağı unutulmamalı.

2. Her deney kendine özgü bir dikkat ve titizlik içinde yürütülmeli.

3. Aseton, dietileter, etil alkol ve benzen gibi yanıcı çözücülerle çalışılıyorsa yakın bölgede alev

bulundurulmamalı. Bu gibi çözücüleri ısıtırken, özellikle su banyosu veya elektrikli ısıtıcı

kullanılmalı. Bu çözücülerin uzaklaştırılması buharlaştırma ile değil damıtılarak yapılmalıdır.

11

Yangın çıktığında yapılması gerekenler şunlardır:

1. Gaz muslukları kapatılmalı ve çevredeki bütün yanıcı maddeler uzaklaştırılmalı.

2. Yangın söndürmek için hiçbir zaman su kullanılmamalı.

3. Yangın çıktığında kullanılması gereken ilk söndürücü karbondioksitli yangın söndürme

tüpleridir. Bu tüpler üstteki vananın gevşetilmesi ile çalışır. Karbondioksit çıkış borusunun ağaç

kısmı tutularak çıkan gaz yanan cisme gönderilir. Bu yangın söndürücüler her kullanımdan

sonra mutlaka doldurularak eski yerlerine konmalı.

4. Yangın yukarıdaki işlemlerle kontrol edilemiyorsa acilen itfaiyeye haber verilmeli.

Laboratuarlarda oluşabilecek yanıklara aşağıdaki müdahaleler yapılmalıdır:

1. Alev veya sıcak bir cisme dokunma ile olan yanıklar önce alkol ile yıkanıp daha sonra vazelin

veya yanık merhemi sürülerek üstü açık bırakılmalı.

2. Asitlerin teması ile olan yanıklar önce bol su ile daha sonra doymuş sodyum bikarbonat

çözeltisi ile ve tekrar su ile yıkanmalı. Yanığın vücutta olması halinde yanık yere bir yanık

merhemi veya bol vazelin sürülür ya da %1‟lik sodyum karbonat çözeltisine batırılmış bir sargı

bezi ile sarılır. Asit elbise üzerine dökülmüş ise önce %1‟lik sodyum karbonat çözeltisi sonra

bol su ile yıkanmalı.

3. Alkalilerin teması ile olan yanıklar yanan yer önce bol su ile daha sonra %1‟lik asetik asit

veya limon suyu ya da seyreltilmiş (%1‟lik) sitrik asit çözeltisi ile yıkanarak mevcut baz

nötrleştirilmeli. Baz zararsız duruma getirildikten yanan yer tekrar bol su ile yıkanmalı.

4. Bromun sebep olduğu yanıklar önce petrol eteri ile yıkanmalı, sonra gliserinli pamuk ile

yanan yer iyice silinmelidir. Brom yanıkları için diğer bir uygulama ise bromdan zarar görmüş

yerin önce bol su ve seyreltik amonyak çözeltisi veya %1‟lik sodyum tiyosülfat çözeltisi ile

sonra tekrar bol su ile yıkayarak merhem sürülmesi şeklinde yapılan bir uygulamadır.

5. Bu ilk yardımlardan sonra tıbbi müdahale yapılması gerektiği unutulmamalıdır.

Ağzı açık tüp veya balon içinde kimyasal bir tepkime sürerken üstten bakmamalı, tehlikeli

deneylerde mümkünse laboratuar gözlüğü kullanılmalıdır.

12

Göz yanıklarında ise tıbbi yardım şarttır. Bu yardım sağlanana kadar yapılacak ilk

yardımlar şunlardır:

1. Asitlerin ve bromun göze sıçraması durumunda göz kapağı açılarak göz bol su ile yıkanır ve

sonra %1‟lik sodyum bikarbonat çözeltisi ile göz banyosu yapılır.

2. Alkalilerin göze sıçraması halinde ise yine aynı şekilde su ile yıkandıktan sonra %1‟lik borik

asit çözeltisi ile göz banyosu yapılır.

3. Ağız yanıklarında, ağız bol su ile çalkalanıp yıkanmalı fakat yutulmamalıdır.

4. Eğer kimyasal madde yutulmuş ise, bol su içilerek seyreltilmesi sağlanmalı ve en kısa

zamanda tıbbi müdahale için hekime başvurulmalıdır.

Kesikler

Laboratuarda kesikler genellikle cam boru ve termometrelerin bir mantara takılması ya da

çıkarılması sırasında meydana gelir. Bu gibi işlemlerde çok dikkatli olunmalı ve cam boru ve

termometre, vazelin, gliserin veya sabunlu su ile yağlandıktan sonra yapılması gereken işlem

yapılmalıdır.

Kesilen yerde önce eğer varsa içinden cam parçaları çıkarılmalı sonra su veya hidrojen

peroksitli su ile yıkanarak sülfopiridin tozu veya bir antiseptik ile sarılmalıdır. Kesik hafif ise

kanın birkaç saniye akmasına müsaade edilir. Fazla kan kaybı görülen kesiklerde ise kanayan

yerin biraz yukarısı bir bez ile sarılarak kan durdurulmalı ve hemen hekime başvurulmalıdır.

Zehirlenmeler

Zehirlenmelerin olmaması için zehirli gazlarla veya bunların çıktığı tepkimelerle çalışırken

mutlaka çok iyi bir çeker ocak kullanılmalıdır. Buna rağmen zehirlenme olmuşsa tıbbi yardım

zorunludur ve bu yardım sağlanıncaya kadar kazaya uğrayan kişi açık havaya çıkarılarak bol

oksijen alması sağlanır. Solunumun durması halinde suni solunum yapılır.

Ağız ve mideye asit, baz ve ağır metal tuz çözeltileri alınmış ise, bu gibi durumlarda bol süt, su

ve yumurta akı içirilir ve kepek lapası verilir. Özellikle asit yutulmuşsa magnezyum oksit veya

tebeşir tozu ile hazırlanmış bulamaç içirilir. Baz alınması durumunda ise %1‟lik asetik asit veya

limon suyu ya da %1‟lik sitrik asit çözeltisi içirilir. Kusturucu olarak %5‟lik sodyum klorür

çözeltisi veya bir çorba kaşığı çinko sülfatın bir bardak sudaki çözeltisi kullanılır. Zehirli

kimyasal maddelerden bazıları; kurşun bileşikleri, arsenik trioksit, siyanür asidi ve tuzları,

fosfor ve cıva bileşikleri, arsenikli ve fosforlu bileşikler, karbonmonoksit, hidrojen sülfür,

benzen ve bazı türevleri.

13

TEHLİKE İKAZ VE İŞARETLERİ VE RİSK GÖSTERİMLERİ

F: Şiddetli alev alıcı (Flammable) Risk Faktörü: R11

Özelliği:Parlama noktası 21 °C’nin altında olan,hava ile

temas ettiklerinde kendiliğinden ısınan ve hava oksijeni

ile reaksiyona girerek alevlenebilen veya ateş kaynağı ile

kısa süre temas ettiğinde tutuşup yanmaya devam eden

madde ve karışımlarıdırlar.

Önlem: Çıplak ateşten, kıvılcımdan ve ısı kaynağından

uzak tutulmalıdır.

Örnek: Aseton, benzen, etilalkol, methanol, toluen

F+ : Çok şiddetli alev alıcı (Extremelyflammable) Risk

Faktörü: R12

Özelliği: Alevlenme noktası O °C’nin altında, kaynama

noktası maksimum 35 °C olan sıvılardır. Normal basınç ve

oda sıcaklığında havada yanıcı olan gaz ve gaz

karışımlarıdırÖnlem: Çıplak ateşten, kıvılcımdan ve ısı

kaynağından uzak tutulmalıdır.

Örnek: Dimetileter, dietileter, etilamin,pentan,propan.

O: Oksitleyici (Oxidizing) --- Risk Faktörü: R7-R9

Özelliği: Organik peroksitler, herhangi bir yanıcı madde ile

temas etmeseler bile patlayıcı özelliğ olan yükseltgen

maddelerdir. Diğer yükseltgenler ise, kendileri yanıcı

olmasalar bile, oksijen varlığında alev alabilirler.

Önlem: Yanıcı maddelerden uzak tutulmalıdır.

Örnek:Medikal oksijen (sıvı- gaz ), azot peroksit (narkoz

gazı)

14

E: Patlayıcı (Explosive) ------- Risk Faktörü: R1,R3

Özelliği: Isı, ışık gibi termik enerji ile veya vurma, sürtme,

çarpma gibi mekanik enerji ile molekül yapıları bozulup çok

miktarda ısı, gaz ve yüksek basınç oluşturarak ekzotermik

tepkime veren madde ve karışımlarıdır.

Önlem:Ateşten uzak tutulmalıdır.

Örnek:Etil nitrat, etilnitrit, pikrik asit,trinitrobenzen,

trinitrotoluen, trinitrogliserin.

E

T: Toksik (Toxic), T+: Çok Toksik (VeryToxic)

Risk Faktörü: (R23-R25) (R26-R28)

Özelliği: Solunduğunda, yutulduğunda ve deriye temas ettiği

durumlarda sağlığa zarar verebilir, hatta öldürücü olabilir.

Önlem: İnsan vücuduyla temas engellenmeli, aksi halde tıbbi

yardıma başvurulmalıdır.

Örnek Toksik: Amonyak, diaminobenzen,fenol, klor,

Çok Toksik: Azot dioksit,brom,dimetilsülfat,fosgen,

hidrojenflorür,Hidrojen sülfür, potasyum siyanür.

T-T+

Xn: Zararlı Madde ---------- Risk Faktörü: R34-R35

Özelliği: Solunduğunda, yutulduğunda ve deriye temas ettiği

durumlarda sağlığa zarar verebilir.

Önlem: İnsan vücuduyla temas engellenmeli, aksi halde tıbbi

yardıma başvurulmalıdır.

Örnek:Toluen, diklormetan, kloroform,okzalik asit, glikol,

siklohekzanol, benzaldehid, benzil alkol,aminofenol,

mangandioksit, iyot, potasyumflorür.

.

Xi: Tahriş Edici Madde -------- Risk Faktörü: R36-R38

Özelliği: Aşındırıcı olmamasına rağmen deriyle ani, uzun

süreli veya tekrarlı teması iltihaplara yol açabilir.

Önlem: İnsan vücuduyla temas engellenmelidir.

Örnek: Zayıf organik asitler, asit anhidritler, bazlar, alkoller,

aminler, asit ve baz çözeltileri.

.

15

C: Aşındırıcı (Corrosive) -------- Risk Faktörü: R34-R35

Özelliği:Deri ile temas ettiğinde derinin aşınmasına ve tahrip

olmasına neden olan; göz, akciğer, mide gibi organik dokulara

zarar veren; metalleri ve bazı yapı malzemelerini aşındıran

maddelerdir.

Önlem: Gözleri, deriyi ve kıyafetleri korumak için özel

önlemler alınmalıdır. Buharları solunmamalı, aksi halde tıbbi

yardıma başvurulmalıdır.

Örnek: Amonyak çözeltisi,hidroflorik asit, asetik asit

.

N: Çevre İçin Tehlikeli (Dangerous for Environment)

Özelliği: Çevreye yayıldığında insan, hayvan, bitki, su, toprak

ve hava gibi çevre elemanlarından birine veya birkaçına veya

tümüne birden kısa süreli ya da uzun süreli tehlikeli olan ve

zarar veren maddelerdir

Önlem: Risk göz önüne alınarak bu tür maddelerin toprakla

veya çevreyle teması engellenmelidir.

Örnek: Arsenik(III) oksit, brom, civa(II) nitrat, gümüş nitrat,

iyot, kadmiyum nitrat, kurşun (II) asetat

Radyoaktif Maddeler (Gösterim harfi yoktur)

Özelliği: Atom çekirdeklerinin kararsızlığı nedeniyle

dahakararlı hale geçmek için kendiliğinden bozunarak α, β-

, γ,

β+

gibi çeşitli ışınlar yayan maddelerdir.

Örnek: Radon, radyum, polonyum, plutonyum, uranyum,

toryum.

16

17

ETİKETLER

18

19

GÜVENLİK BİLGİ FORMU (MaterialSafety Data Sheet, MSDS)

Laboratuarda kullanılan kimyasal maddelerle ilgili bilgiye çabuk erişim sağlamak amacı ile

Güvenlik Bilgi Formları kullanılır. Her kullanıcıya açık olan Güvenlik Bilgi Formları (MSDS:

MaterialSafety Data Sheet) laboratuar sorumlusundan veya internetten temin edilebilir.

Üretici firmalar ürünleri için bu formları üretmek ve dağıtmakla yükümlüdür. Tüm kimyasal

madde kataloglarında madde ile ilgili güvenlik bilgi formu bulunmaktadır. Herhangi bir

kimyasal madde ile çalışmaya başlamadan önce MSDS mutlaka gözden geçirilmeli ve uygun

koruyucular kullanılmalıdır.

Güvenlik Bilgi Formları her kimyasal madde için aşağıda verilen bilgileri içerir.

• Kimyasal Madde veya karışımın adı ve içeriği

• Zararlı Madde içeriği

• Fiziksel ve kimyasal özellikleri

• Yangın ve patlama bilgileri

• Sağlığa zararlılık bilgileri

• İlkyardım bilgileri

• Depolama bilgileri

• Reaktivite ve stabilite bilgileri

• Dökülme veya sızma olması ile ilgili bilgileri

• Ekolojik ve toksikolojik özellikler

• Özel tedbirleri

• Özel korunma bilgileri

• Taşıma bilgileri

• Uzaklaştırma bilgileri

• Yönetmelikler ile ilgili bilgiler

• Diğer bilgiler

Güvenlik Bilgi Formu Risk Faktörleri Gösterim Örnekleri:

20

21

DENEY NO: 2

ZETA POTANSİYELİ ANALİZİ

ARŞ. GÖR. DR. LEMİYE ATABEK SAVAŞ

22

Zeta potansiyeli analizi çözelti içerisindeki kolloidal parçacıkların yüzey yükünü belirlemek

için kullanılan bir tekniktir. Kolloidlerin kararlılığı sahip oldukları yüzeysel elektriksel yüke

bağlıdır. Tanecik yüküne bağlı olarak taneciğin yakın çevresi tanecik ile zıt yüklü iyonları

içeren tabaka ile çevrilir. Bu tabakaya stern tabakası denir. Parçacıkların yüzeyinden

uzaklaştıkça elektriksel çekim azaldığından zıt yüklü iyonların arasına, aynı yüklü iyonlarda

karışabilir ve tanecikten belli bir mesafe sonra elektriksel potansiyel sıfırlanır. Bu mesafe

izoelektrik nokta olarak adlandırılır. Stern tabakasının bitişinden izoelektrik noktaya kadar olan

mesafeye de dağınık tabaka veya difüze tabaka denir. Taneciğin yüzeyine yakın olan ve

tanecikle birlikte hareket eden bir sınır düzlemi vardır bu düzleme de kayma düzlemi denir.

Kayma düzlemi yüzeyindeki elektriksel potansiyel ile izoelektrik nokta arasındaki potansiyel

farkına da zeta potansiyeli denir.

Şekil 1. Kolloidal parçacıkların etrafındaki elektriksel çift tabaka.

Kolloid çevresindeki çift tabakanın kalınlığı elektriksel çekim kuvvetleri ve difüzyona bağlı

olarak değişir. Zıt yüklü iyonların derişimi taneciğe yakın yerlerde yüksektir, tanecikten uzakla

ştıkça çekim kuvvetinin azalmasında dolayı zıt yüklü iyonların derişimi azalır, aynı yüklü

iyonlara da rastlanır. Yüksek iyonik güce sahip sularda taneciğin etrafındaki elektriksel çift

tabaka net olarak sıkıştırılabilir. Böylece tanecik daha küçük bir hacim işgal eder. Aynı yüke

sahip benzer kolloidal tanecikler birbirine yaklaştığında, elektriksel çift tabakaları etkileşim

haline geçer. Sahip oldukları benzer yükler yaklaştıkça itme kuvvetinin etkisinde kalır. Bununla

birlikte tanecikler, moleküller arası çekim kuvveti olan Van der waals kuvvetleri ile de birbirini

23

çekmeye başlar. Bütün moleküller ve kolloidler yükleri ve bileşimleri dikkate alınmaksızın bir

çekim kuvvetine sahiptir. Bu çekim kuvvetinin büyüklüğü; taneciğin yoğunluğunun ve

bileşiminin bir fonksiyonudur. Sulu fazın bileşiminden bağımsızdır. Van der waals kuvvetleri

tanecik yüzeyinden uzaklaştıkça azalır.

Şekil 2’de; iki partikül arasındaki mesafenin bunların arasında etkili olan net kuvvete etkisi

gösterilmiştir. Kolloidler su içinde Brownian hareketle hareket ederler. Aynı yüklü iki kolloid

bir arada olduklarında birbirlerini itmek isterler. Çekme kuvveti ise Van der Waals kuvvetleri

ile Brownian hareketlerinden doğan kinetik enerjiden dolayı ortaya çıkar.

Şekil 2. Bağ kuvvetleri ve enerjileri.

Tanecikler birbirine yaklaştığında artan itme kuvvetine karşılık, enerji engelini aşacak kadar

yeterince yakınlaştığında van der waals kuvvetleri etkin duruma geçer. Böylece partiküller bir

arada kalabilirler. Kolloidleri kararsızlaştırmak ve bir araya getirmek için var olan enerji

engelini aşabilecek kinetik enerjinin sağlanması veya enerji bariyerinin düşürülmesi gerekir.

Enerji engelini yenemeyen kolloidler birleşemezler. Bu nedenle çeşitli yöntemlerle engeli

azaltmak uygun olabilir. Kolloidlerin enerji engelini aşarak yumaklaştırılması için dört temel

mekanizma vardır.

Bunlar;

1-Kaynama,

2-Dondurma,

24

3-Elektrolitlerin ilavesi ve

4-Ters yüklü kolloid ilavesi ile elektrik yükünün nötralize edilmesi ile çökeltme.

Kolloidal taneler üzerindeki elektrik yükünün varlığı elektroosmosis ve elektroforesiz

olaylarıyla gösterilmektedir. Elektroforesis, uygulanan bir elektrik alanının etkisiyle, yüklü

kolloidal tanelerin hareketidir. Tane yükü, sıvı fazdaki yük ile dengelendiği için kolloidal

karışımların net bir elektrik yükü olmadığı kabul edilmektedir.

Sıvı çözelti içerisinde bulunan katı parçacıkların veya mineralin ölçülebilen yüzey potansiyeli

olan zeta potansiyelinin birimi milivolt (mV) veya volttur. Zeta potansiyel değeri pozitif ve

negatif değerli (bu yüzeyin elektriksel yükünü gösterir) veya sıfır olabilir. Zeta potansiyel

değeri çözeltinin pH’sına, ortamdaki iyonlara (elektrolitlere) ve çözeltinin cinsine, iyon

konsantrasyonuna bağlıdır. Yüzeye iyonların adsorplanması zeta potansiyeli ile doğrudan

ilgilidir. Bu nedenle zeta potansiyel verileri adsopsiyon mekanizmalarını anlamamıza ve

açıklamamıza yardımcı olmaktadır.

Zeta Potansiyeli Ölçüm Yöntemleri

Zeta potansiyelini ölçmede kullanılan dört temel yöntem vardır.

Bunlar;

i. Elektroforesiz yöntemi,

ii. Elektroozmosiz yöntemi,

iii. Akım potansiyeli yöntemi,

iv. Sedimantasyon (çökeltme) potansiyeli yöntemleridir.

Parçacık Boyutu Dağılımı Ölçme Deneyi: Örnek üzerine kırmızı ve mavi lazer ışığı gönderilir.

Örnekten yansıyan ve kırılan lazer ışığı dedektörler ile incelenir. Saçılan ışığın açısı ve şiddeti

örneğin parçacık boyut dağılımını belirler (Şekil 3). Parçacık içerisinden geçen lazer ışığının

saçılma açısı parçacık boyutuna bağlıdır. Parçacık boyutu düştükçe saçılma açısı logaritmik

olarak artar. Büyük parçacıkların saçılma açıları düşük, saçılan lazer ışığının şiddeti yükselir.

Küçük parçacıklarda ise saçılma açısı yüksek, saçılan lazer ışığının şiddeti düşüktür.

25

Şekil 3. a) Lazer saçınım boyut analiz cihazının çalışma teorisi,

b) Değişik boyutlardaki parçacıklardan farklı açılarda saçılan

ışık enerjisi

Zeta Potansiyel Ölçme Deneyi: Zeta potansiyel ölçümü Doppler prensibi kullanılarak elektrik

alanı uygulanan parçacıkların hızının ölçümü esasına dayanır (Henry Formulü) (Şekil 4). Zeta

potansiyel parçacığın içinde bulunduğu sıvının pH değeri ile değişir. Değişimin sıfır eksenini

kestiği pH değeri izoelektrik nokta olarak adlandırılır (Bkz. Şekil 6).

Şekil 4. Bir parçacıktaki zeta potesiyeli belirlemek için belirli bir elektrik alan uygulanır ve parçacığın hızı (v)

Doppler prensibi uygulanarak bulunur. f1: referans lazer ışınının frekası, f2: hareket eden parçacıktan saçılan

lazer ışınının frekansı.

26

Zetasizer ve Mastersizer cihazlarında kullanılan örnek küvetleri Şekil 5’te gösterilmiştir.

Şekil 5. a) Zeta potansiyel ölçüm küveti b) Parçacık boyutu ölçüm küveti

Kolloidlerin zeta potansiyeli, sistemin pH’sını izoelektrik noktaya ayarlayarak azaltılabilir.

İzoelektirik noktada birincil yük sıfırdır ve zeta potansiyelini oluşturmak üzere çift tabaka

mevcut değildir. Zeta potansiyelini azaltmanın bir yolu da kolloidlerle zıt yüklü iyon veya

kolloidlerin eklenmesidir. Böylece kayma düzlemindeki yük (zeta potansiyeli) düşer. Bu zıt

yüklü iyonların çoğalması nedeni ile yumaklaşma olur. İyonlarla yumaklaşma da eklenen

iyonun değerliği önemlidir.

Şekil 6. Zeta potensiyelin pH ile değişim grafiği.

Hidrofilik kolloidler için zeta potansiyelini azaltmaya ilave olarak, taneciği çevreleyen bağlı

suyunda uzaklaştırılması gerekir. Bu amaçla yoğun tuz ilave edilir. Bu tuzların en önemlileri

SO42- , Cl-, NO3

- , I- anyonlarını içerenlerdir. Suya çok duyarlı olan bu anyonlar kolloidlerdeki

bağlı suyu alırlar.

27

DENEY NO: 3

DALDIRMALI KAPLAMA SPIN KAPLAMA ve ELİPSOMETRE İLE

İNCE FİLM ÜRETİMİ ve KARAKTERİZASYONU

ARŞ. GÖR. DR. NURİ BURAK KİREMİTLER

28

Döndürme ile kaplama yöntemi (Spin coating)

Sert bir tabaka veya az eğimli taban üzerine ince film üretmek için kullanılan bir işlemdir. Bu

işlem için kullanılan taban daha küçük bir boyuta indirilir. Döndürme işlemi ile film kaplama

4 safhaya ayrılabilir. Bu safhalar: kaplama, döndürme, döndürmeyi sonlandırma ve

buharlaştırma safhalarından oluşur.

Kaplama safhasında, yüzey üzerine bir miktar sıvı dökülür. İkinci safha olan döndürmede ise,

sıvı merkezcil kuvvet nedeni ile radyal bir şekilde taşıyıcı yüzeyin dışına doğru akar. Döndürme

sonunda, fazla olan sıvı taşıyıcı yüzeyinden taşarak yüzeyi terk eder. Film kalınlığının azalması

ile yüzeyden taşan sıvının miktarı azalır. Bu olayın nedeni filmin incelmesi ile akışkanlığa karşı

olan direncin büyümesi olarak açıklanabilir. Aynı zamanda uçucu olmayan madde

konsantrasyonundaki artış, akışkanlığa karşı direncin artmasına sebep olur. Buharlaşma safhası

filmlerin incelmesindeki son ve en önemli safhadır.

Şekil 2. Döndürme Kaplama Tekniğinin Şematik Gösterimi

Biriktirme aşamasında, dönecek yüzeye sabitenmiş olan taşıyıcı üzerine sol damlatılır.

Başlangıçta durmakta olan taşıyıcı döndürülür. Taşıyıcı, mümkün olan en kısa sürede istenilen

dönme hızına ulaşmalıdır. Çünkü dönme hızının sabit olması, film kalınlığının düzgün olmasını

etkileyecektir. Dönme sırasına, taşıyıcı üzerine damlatılmış sol merkezkaç kuvvetinin etkisi ile

taşıyıcının tüm yüzeyine yayılır. Eğer sol fazla miktarda damlatılmışsa, fazlalık sol taşıyıcı

üzerinden savrulur. Dönme esnasında, filmin kalınlığı azalır. Dönme sonunda, filmin kalınlığı

taşıyıcının her yüzeyinde aynı olur. Döndürme kaplama metodunun avantajı, durdurma

aşamasında sıvı filmin kalınlığının düzgün olması ve sonuna kadar bu eğilimde kalmasıdır. Bu

29

dışa doğru olan merkezcil kuvvet ile, içe doğru olan viskozitenin neden olduğu sürtünme

kuvvetinin birbirini dengelemesinden olmaktadır. Ardından buharlaşma aşaması gelir.

Çözeltinin dağıtılmasında dinamik ve statik olarak iki yaygın yöntem vardır. Statik dağıtım,

çözelti damlasını altlığın merkezine veya merkezine yakın bölgeye damlatılmasıdır. Altlığın

boyutlarına ve çözelti viskozitesine bağlı olarak gerekli çözelti miktarı 1-10 mikron arasında

değişir. Yüksek viskozitelerde veya büyük altlıklarda yüksek dönme hızlarında altlığın yüzeyini

tamamen kaplaması için daha fazla çözelti damlatılması gerekir. Dinamik dağıtım ise altlık

düşük hızlarda dönerken çözeltinin damlatılmasıdır. Bu proseste yaklaşık 500 dev/dak dönüş

hızları kullanılır. Bu hızlar sıvının tüm altlık boyunca dağılmasını ve daha az çözelti

kullanılmasını sağlar. Altlık veya çözelti zayıf ıslatma özelliğine sahip olduğunda bir avantaj

sağlar ve filmde boşluk oluşmasını engeller. Sonra yapılacak işlem istenilen kalınlıkla film

üretmek için yüksek hızda çözeltiyi altlık üzerine dağıtmaktır. Bu adım için yine çözeltinin

niteliklerine bağlı olarak tipik dönme hızı 1500–6000 dev/dak arasındadır. Bu adım on saniye

ile birkaç dakika arasında sürebilir. Döndürme hız kombinasyonu ve zaman bu adımda film

kalınlığını tanımlamak için seçilecek niteliklerdir. Genel olarak, yüksek dönme hızı ve uzun

döndürme daha ince film oluşmasını sağlar. Başka bir adım olan yüksek hızda kurutma işlemi

sonra uygulanır ve bu adımda fazla bir incelme olmaz. Bu kalın filmler için avantajlı olabilir.

Uzun kurutma süresi, kullanmadan önce filmin fiziksel istikrarını artırmak için gereklidir.

Kurutma adımında sorun olmasa bile kullanma esnasında döndürme kabından çıkarırken

maddeyi bir tarafa dökme gibi sorunlar olabilir.

Döndürme kaplama metodunun avantajları;

• Taşıyıcının boyutu ne olursa olsun, kaplama için diğer metodlara göre daha az sıvı

kullanılır.

• Hızlı bir metod olup, zamandan tasarruf sağlar.

• Çok-katlı uygulamalar için idealdir.

• Ticari donanımlarının bütün türleri mevcuttur.

Döndürme kaplama metodunun dezavantajları;

• Yalnızca dairesel taşıyıcılar için uygun bir metoddur.

• Temiz tutulması ve büyük taşıyıcıların homojen kaplanması zordur.

• Yalnızca Newtoniyen sıvılar için uygundur.

30

Uygulamaları

• Entegre devrelerde

• Optik aynalarda

• Manyetik disklerde veri depolamak için

• Güneş pillerinde

• Dedektörlerde

• Sensörlerde

• Nano boyuttaki cihazlarda (kuantum noktalar, karbon nanotüpler)

• DVD ve CD Rom yapımında

• Mikro devre yapımında silikon devre yapısını foto direnç ile kaplamada

• Mikrodevrelerde polimer gibi yalıtkan tabaka kaplamada

• Düzlem ekran kaplamalarda

• Gaz sensörlerinde

• LED imalatında

• Yarı metal dielektrik uygulamalarda

• Organik LED diyotlarda

Daldırma ile kaplama yöntemi (Dip coating)

Bu metot genelde saydam tabakalar üretmek için kullanılır. Daldırarak kaplama metodu,

hazırlanan çözelti içine kullanılan altlık malzemesinin belirli bir hızla daldırılıp ve yine aynı

hızla geri çekilmesi esasına dayanır. Daldırma ile kaplama metodu beş aşamada gerçekleşir. Bu

safhalar: daldırma, yukarı çekme, kaplama, süzülme ve buharlaşma şeklindedir. Bu işlem

sonucunda film oluşturulur.

Daldırma aşamasında taban sabit bir hızla solün içine daldırılır, yukarı çekme aşamasında ise,

daldırıldığı hızla beklenmeden yukarı çekilir. Üçüncü safha olan kaplamada ise, taşıyıcının sol

ile temasa giren kısımları kaplanmış olur. Bu aşamada yer çekimi kuvveti, sol ile taban

arasındaki taşıyıcı kuvveti ile yüzey gerilim kuvvetleri etkilidir. Daldırma sonunda, fazla olan

sol damlacıkları taban kenarlarından süzülerek yüzeyi terk ederken süzülme işlemi ile yüzeyi

terk edemeyen sol damlacıkları buharlaşarak uçar. Tüm bu aşamaların ardından taban üzerinde

kalan sol tavlama işlemi sonucunda film haline dönüşmektedir.

31

Daldırarak kaplamanın bir avantajı, her şekilde ve boyutta tabanların kaplanmasının mümkün

olmasıdır. Bu işlem ile düzgün ve kontrol edilebilen bir kalınlık elde edilebilir. Bunun sonucu

olarak da film kalınlığı, yüzey boyunca homojen bir özellik göstermesidir.

Filmin kalınlığı aşağı ve yukarı hareket eden tabakaları ayıran ana akıntının şiddetine bağlıdır.

Film oluşumu yönlerinden başlıca kuvvetler şöyle sıralanabilir; yukarı hareket eden taşıyıcının

sıvı ile oluşturduğu sürtünme kuvveti, yerçekimi kuvveti, taşıyıcıya tutunmaya çalışan solun

yüzey gerilimi, kaplama alanına ulaşan solün eylemsizlik momenti ve ayırıcı ya da birleştirici

basınç. Kaplama kalınlığı aşağıdaki denklemle verilmiştir.

Bu denklemde;

t: kaplama kalınlığı η: sıvının viskozitesi v: alt tabakanın hızı g: yerçekimi kuvveti

c: oran sabiti ρ: yoğunluk

Şekil 3. Daldırma ile kaplama yönteminin şematik gösterimi

Avantajları

• Ön ve arka yüzün aynı anda kaplanmasına imkan tanır.

• Neredeyse her türden materyalin kaplanmasını sağlar.

• Madde boşa harcanmaz.

Dezavantajları

32

• Tüm parçalar sıvı altında kalabilir olmalıdır. Aksi halde maskeleme gerekebilir.

ELİPSOMETRE İLE KALINLIK ÖLÇÜMÜ

Elipsometre Nedir

Dairesel kutuplanmış ışığın elde edilmesiyle başlayan teknolojik gelişmeler, ışık kırılması ile

ilgili 19, yy’da Fresnel tarafından geliştirilen formüllerle ilerleyerek elipsometrenin hayata

geçirilmesinde rol almıştır. Bu gelişmelerin sonucu olarak, 1960lı yıllarda, yüzey

fizikokimyasının özelliklerinin bilinmesiyle silikon teknolojisinin gelişmesi sağlanmış, daha

küçük elektronik sistemlerin oluşturulması için yol açılmıştır.

Elipsometre, ışığın bir malzemeden geçmesi veya yansıması sırasında kutuplanmasında oluşan

değişikliği ölçer. Kutuplanmadaki değişim genlik oranı Ψ ve faz değişimi Δ ile ifade edilir.

Eklde edilen veriler her bir malzemenin optik özelliklerine ve ölçülen filmin kalınlığına

bağlıdır. Bu syede elipsometre film kalınlığı tayininde ve malzemelerin optik sabitlerinin

belirlenmesinde kullanılabilmektedir. Ayrıca elipsometre malzemelerin bileşiminin,

kristalleşme seviyesinin, düzgünsüzlüğünün ve katkılama oranının belirlenmesinde de

kullanılabilir.

Işık ve Kutupluluk

Işık uzayda yol alan bir elektromanyetik dalga olarak tanımlanabilir. Yani uzayda salınan

manyeti ve elektrik alanların birleşimi olarak düşünülebilir. Ancak elipsometre için sadece

elektrik alanının salınımının incelenmesi yeterlidir. Bir elektromanyetik dalganın elektrik

alannı yönü daima ilerleme yönüne dik yöndedir. Bu sayede z yönünde ilerleyen bir

elektromanyetik dalga x ve y bileşenleri cinsinden tanımlanabilir.

Elektrik alanınn x ve y bileşenleri ve fazı tamamane rastgele olan ışığa kutuplanmış ışık denir.

Kutplanmış ışığı doğrusal, dairesel ve eliptik kutuplanmış ışık olarak üç ana grupta

inceleyebiliriz. Elektrik alanının x ve y bileşenleri aynı fazda olan ışık doğrusal kutuplanmış

ışıktır kutuplanmamış ışık doğrusal kutuplayıcı yardımıyla, belirli bir doğrultuda kuruplanmış

ışığın soğrulmasıyla doğrusal kutuplanmış ışığa dönüştürülür:

33

Kutuplanma Çeşitleri

Doğrusal Kutuplanmış Işık

➢ Eğer elektrik alanı ve elektrik alanı bileşeni manyetik alan x ve y yönünde aynı

büyüklükte ve fazlar birbirine simetrikse bu tür ışık doğrusal kutuplanmış ışıktır.

Dairesel Kutuplanmış Işık

➢ Eğer elektrik alan ve elektrik alanı bileşeni manyetik alan x ve y yönünde aynı

büyüklükte ve aralarında 90 derece faz farkı varsa bu tür ışık dairesel kutuplanmış

ışıktır.

Eliptik Kutuplanmış Işık

34

➢ Elektrik alanının x ve y bileşenlerinin ve faz farkının büyüklüğü rastgele bir değere

sahip olan ışık eliptik kutuplanmış ışıktır.

Işığın Maddeyle Etkileşimi

35

Kutuplanmanın Analizi

Elipsometre Nasıl Çalışır

Işık kaynağından gelen kutuplanmamış ışıki kutuplayıcı yardımıyla doğrusal kutuplanmış ışık

demetine dönüştürülür. Oluşan ışık demetinin elektrik alanı iki düzlemdeki s ve p vektör

bileşenlerine ayrılabilir. P düzlemi gelen geçen ışın demetlerini içerir, s düzlemi ise bu düzleme

diktir. Doğrusal kutuplanmış ışık kompansatör ile dairesel kutuplu ışığa çevrilir. Örnek

36

yüzeyinden yansıyan ışık demetinin elektrik alanı aynı şekilde p-düzlemi ile s-düzlemi

bileşenlerine ayrılır. Yansıyan ışık tipik olarak eliptik kutuplanmıştır. Bu nedenle ölçüm

düzeneğimizin adı elipsometredir. Kutuplanmış yansıyan ışık kutupluluk durumu için analiz

edilir. Kutuplandaki ölçülen değişim malzemenin özelliklerini ortaya çıkarmakta kullanılır.

Deney Aşaması

Elipsometre deneyimiz laboratuvarımızda bulunan Gaertner LSE elipsometresi ile

yapılacaktır.

➢ Öncelikle cihazın kendisi ve elemanları tanıtılacak ve anlatılacak anlatılacak, ölçüm

almak için tabla ayarları gösterilecektir

➢ Daha sonra referans silisyum waferından referans kalınlık ölçümü alınacaktır

➢ Daha sonra silisyum wafer üzerinde daha önceden oluşmuş polimer monolayer bir

katmanın kalınlık miktarı ölçülecektir.

37

DENEY NO: 4

RAMAN SPEKTROSKOPİSİ VE NUMUNE

KARAKTERİZASYONU

ARŞ. GÖR. DR. SAMİ PEKDEMİR

38

Deney adı: Raman spektroskopisi ve Numune karakterizasyonu

Deney Amacı: Raman spektroskopisi hakkındaki Temel kavramların öğrenilmesi

ve belli numuneler üzerimde karakterizasyon uygulaması yapılması

Genel Bilgiler

1928’de Hintli fizikçi C.V. Raman, belirli moleküllerce saçılan ışının ufak bir

kesrinin görünür alandaki dalga boyunun, gelen ışığın dalga boyundan farklı

olduğunu ve buna ilaveten dalga boylarındaki kaymaların, saçılmadan sorumlu

moleküllerin kimyasal yapısına bağlı olduğunu buldu.

Bu buluşundan ve olguyu sistematik incelemesinden dolayı 1931 Nobel Fizik

Ödülü’nü aldı.

Raman Spektroskopisi: Molekül ile etkileşerek elastik olmayan bir saçılmaya

uğrayan ışığın enerjisinde oluşan fazlalık veya azlık, ışıkla etkileşen molekülün

titreşim enerji düzeyleri arasındaki fark kadardır. Saçılan ışığın λ’da oluşan farka

Raman kayması denir.

Çalışma İlkesi: Bir numunenin Görünür bölge(400-700nm) veya yakın-IR

(kızılötesi) monokromatik ışından oluşan güçlü bir lazer kaynağıyla

ışınlanmasıyla saçılan ışının belirli bir açıdan ölçümüne dayanır. Moleküllerin

şiddetli bir monokromatik ışın demeti ile etkileşmesi sırasında ışık absorpsiyonu

olayı gerçekleşmiyorsa ışık saçılması olayı meydana gelir. Işık saçılması sırasında

saçılan ışığın büyük bir kısmının enerjisi madde ile etkileşen ışığın enerjisine eşit

olur ve bu tür elastik saçılma olayına Rayleigh saçılması denir. Elastik saçılma

olayının yanı sıra saçılan ışığın çok az bir kısmı elastik olmayan saçılma olayı ise

Raman saçılması adını alır.

Işın madde etkileşimi sonucu molekülün enerji düzeyi artarsa saçılan ışımalar

stokes hatları olarak adlandırılır. Şiddetli monokromatik ışın ile etkileşen

moleküller ışığı absorplamıyorlarsa ışık saçılmasına (yön değiştirme) neden

olurlar. Işık saçılmasına neden olan parçacık çapları ışımanın dalgaboyuna (λ) eşit

veya daha büyük ise buna Tyndall Saçılması denir. Görünür bölge ışıması ile

kolloidal veya bulanık çözeltilerdeki saçılma bu türdendir. Saçılmaya neden olan

parçacık çapları ışımanın dalgaboyundan (λ) küçük ise buna Rayleigh Saçılması

39

denir. Örneğin; çözünmüş molekül veya çok atomlu iyonlardan ışımanın

saçılması. Bu türde λsaçılma=λkullanılan’dır.

Raman saçılması: Rayleigh saçılmasında;

λsaçılma ≠ λkullanılan ise buna denir. dalgaboyunları (λ) arasındaki bu fark

moleküllerin titreşim enerji düzeyleri arasındaki farka eşittir. Dalga boylarındaki

değişme Raman kayması olarak adlandırılır. Etkileşmeden sonra molekülün

titreşim enerjisi artıyorsa (uyarılıyorsa) bu tür saçılan ışımalara STOKES hatları

denir. Tersi oluşuyorsa Raman kaymalarına, ANTİ STOKES hatları

denir.

Şekilde Raman saçılması olayının ortaya çıkışının molekülün titreşim enerji

düzeyleri ile ilişkisi görülmektedir. hυo enerjili ve molekülün absorplamadığı bir

40

foton molekül ile etkileştiğinde saçılmadan önce çok az sayıda foton enerjilerinin

bir kısmını moleküllere aktarır veya moleküllerden çok az sayıda fotona bir miktar

enerji aktarılır. Bu enerji aktarımı olayı sonucu moleküller fotonla etkileştikten

sonra farklı titreşim enerji düzeylerinde bulunurlar.

Gönderilen fotonun enerjisinin bir kısmı moleküle aktarılıyorsa Stokes,

molekülden bir miktar enerji fotona aktarılıyorsa Anti-Stokes hatları oluşur.

Bir molekülün Raman saçılması yapması için etkileşme sırasında geçici bir dipol

momentin oluşması (polarlanma) gerekir. IR (kızılötesi) inaktif olan maddeler

Raman aktif olabilirler. Bu iki yöntem kullanılarak molekül yapısı daha iyi

aydınlatılabilir.

Moleküllerin infrared fotonunu absorplayabilmesi, yani molekülün bu fotonla

rezonansa girebilmesi için molekül titreşirken dipol momentinde periyodik ve

fotonun frekansına eşit frekanslı bir değişmenin olması gereklidir.

Bir molekülün bir fotonla Raman türü saçılma etkileşmesine girebilmesi için

molekülün titreşimi sırasında etkileştiği fotonun elektrik alanı tarafından

periyodik ve fotonun frekansına eşit frekanslı olarak polarlanabilmesi yani

periyodik ve geçici bir dipol momentinin oluşması gereklidir. Raman hatlarının

şiddeti, titreşen molekülün fotonla etkileşirken oluşan polarlanabilme değişim

hızının karesi ile orantılıdır. Yandaki şekilde doğrusal CO2 molekülünün simetrik

ve asimetrik gerilme titreşimleri sırasında molekülün dipol momentinde (µ) ve

polarlanabilmesinde (α) oluşan değişmeler görülmektedir.

Normal Raman piklerinin şiddeti:

41

Normal bir Raman pikinin şiddeti veya gücü, molekülün polarizlenebilirliğine,

kaynağın şiddetine, aktif grubun derişimine ve bir dizi diğer faktöre karmaşık

şekilde bağlıdır.

Raman çizgilerinin şiddetleri genelde aktif türlerin derişimleri ile doğru

orantılıdır.

Molekül ile etkileşen fotonun enerjisi, molekülün absorplayacağı foton

enerjisinden daha az olduğu durumda oluşan Raman hatlarının şiddetleri çok

azdır. Eğer molekülün saçacağı ışığın enerjisi molekülün absorplayacağı fotonun

enerji değerine çok yakın ise, saçılan ışığın şiddetinde büyük bir artış olur. Bunun

temel nedeni, saçılan ışığın şiddetinin saçılan ışığın frekansının dördüncü kuvveti

ile orantılı olarak artmasıdır. Bu yönteme rezonans Raman spektroskopisi (RRS)

denir.

Normal Raman spektroskopisi ile ancak saf sıvı ve katılar ile çok derişik (0,10 M)

çözeltilerden sinyal alınabilirken, rezonans Raman spektroskopisi ile 10-6 M gibi

çok seyreltik çözeltilerle bile Raman kaymaları ölçülebilir. Yöntemde

gerçekleştiren bu duyarlık artışına ek olarak, bu tür bir uygulamada yöntemin

seçimliliği de artar, çünkü rezonans Raman spektrumunda sadece ışığı

absorplayan kromofor grubun rol aldığı titreşimlere ait bantların şiddeti artar.

Böylece, çok karmaşık bir yapıya sahip moleküllerin sadece kromoforlarla ilgili

kaymaları gözlenir ve bunların Raman spektrumları daha basit bir biçimde elde

edilir. Rezonans Raman spektroskopisi, floresans özelliği olan moleküller için

uygun bir yöntem değildir. Floresans ışıması, Raman saçılmasına göre çok

daha şiddetli olduğundan Raman hatları ile örtüşür ve ölçümü güçleştirir.

Floresans özelliğine sahip moleküllere Raman spektroskopisinin uygulanabilmesi

için Stokes hatları yerine anti-Stokes hatlarının ölçülmesi gerekir, çünkü bir

moleküle ait anti-Stokes hattı o molekülün floresans bandından daha büyük

frekanslardadır ve bunlar birbirleri ile örtüşmez.

Anti-Stokes hatları normal yoldan ölçüldüğü zaman, çok zayıf hatlar oldukları

için genellikle kullanılmazlar. Öte yandan, coherent (uyumlu) anti-Stokes Raman

spektroskopisi (CARS) adı verilen bir yöntemle anti-Stokes hatlarının şiddetleri

arttırılabilir. Bu yöntemde örneğe şiddetli iki lazer ışıması birden gönderilir.

Bunlardan birisinin yaydığı ışının frekansı sabit olup ikincisinin frekansı

değiştirilebilmektedir

42

Raman spektroskopisinde kullanılan alet floresans spektroskopisinde kullanılana

çok benzer. Bunların aralarındaki en önemli fark ışık kaynağıdır. Raman

spektroskopisinde ışık kaynağı olarak genellikle lazerler kullanılmaktadır.

Raman spektrofotometre 3 ana bileşenden oluşur. Bir (ışın) lazer kaynağı, bir

numune aydınlatma sistemi ve uygun bir spektrometre. Raman saçılma sinyali

Rayleigh saçılma sinyalinden zayıf olduğundan spektrometrenin iyi olması

gerekir.

43

Işık Kaynakları olarak lazer kullanılır.

Lazer (L.A.S.E.R.), zorlanmış emisyon ile ışık çoğaltılması anlamına gelen "Light

Amplification by Stimulated Emission of Radiation" sözcüklerinin baş

harflerinden türetilmiş bir kısaltmadır. UyarıImış enerji düzeyinde bulunan bir

atom veya molekül kendiliğinden bir ışık emisyonu yapabileceği gibi, uyarılma

enerjisine eşit enerjili bir fotonla etkileşerek de ışık emisyonuna zorlanabilir.

Şekilde, uyarılmış molekülün yapabileceği bu iki tür emisyon olayı

görülmektedir.

Kendiliğinden emisyon Zorlanmış emisyon

Üç molekül uyarılmış altı molekül temel haldedir. Gelen 3 foton absorplanınca 3

uyarılmış molekül oluşurken, 2 molekül de iki foton yayarak temel hale döner.

Yani emisyon absorpsiyondan küçük olur. İkincisinde ise emisyon

absorpsiyondan büyük olur.

44

Zorlanmış emisyon olayında yayılan ışığın şiddeti (I), sistemi emisyona zorlayan

ışık şiddetine göre (Io) daha fazladır (I > Io). Ayrıca zorlanmış emisyon sonucu

yayılan fotonlar, sistemi emisyona zorlayan fotonlarla aynı fazda ve aynı yöndedir

(koherent ışıma). Lazer ışıması, uyarılmış duruma getirilen sistemin

kendiliğinden yaydığı ışınları kullanarak emisyona zorlanması ile ortaya çıkar.

Lazerde ışığın yükseltilmesi için , uyarılmış emisyon ile oluşan foton sayısının,

absorpsiyon sonucu tüketilen foton sayısından büyük olması gerekir. Bu şart

uyarılmış durumda bulunan tanecik sayısının, düşük enerjili seviyede

bulunanlardan daha büyük sayıda olması halinde sağlanacaktır.

Katıhal lazerler

• yakut kristali ( esas olarak Al2O3 ten oluşmuştur, %0,05 oranında Cr(III)

içerir)

• Nd:YAG lazeri kullanılır( Itriyum ve Alüminyum lal taşı (garnet) ana

kristalinde Neodiyum iyonları içerir.)

Gaz lazerler

45

• He/Ne, Ar+ veya Kr+ iyon lazerler, CO2 veya N2 ortamlı lazerler, eksimer

lazerler (He, F ile Ar veya Xe gazlarından birinin karışımı ile elde edilir.)

• Boyar madde lazerler

• Yarı iletken Diyod lazerler

Numune ışınlama sistemi

•Numunenin hazırlanması oldukça kolaydır. Cam malzeme kullanılabilir. Lazer

kaynağı numunenin küçük bir alanına kolayca odaklanabilir.

•Sıvı ve katı numuneler az miktarda bile kolayca analiz edilir. Sulu çözeltiler de

Raman spektroskopisiyle analiz edilebilir.

• Monokromatör olarak optik ağ kullanılır.

•Dedektör olarak, Fotoçoğaltıcı tüp veya CCD(Yük-eşleşmiş dedektör) dedektör

kullanılır.

Uygulamalar:

Raman spektrumundan organik ve inorganik maddelerin bağları hakkında kalitatif

ve kantitatif bilgilerin yanı sıra madde veya malzeme yapısını meydana getiren

ilgili fonksiyonel gruplar hakkında da bilgi edinilebilmektedir. Raman

Spektroskopisi, numune hazırlamaya gerek olmayan numunenin sadece küçük bir

kısmının ölçüm için yeterli olduğu ve numuneye zarara vermeyen bir yöntemdir.

46

Nitel analiz yapılır. Değerlendirmeler IR’e benzerdir.

Raman spektroskopisi yöntemi ile katı sıvı ve gaz örnekler incelenebilir. Katı ve

sıvı örnekler bir kapiler cam veya kuvartz tüpte tutularak spektrumu çekilir. Lazer

ışıması ile temasta olan örnek bozunmuyorsa oluşan yerel sıcaklık artışlarını

önlemek için örneğin döndürülmesi veya bir pompadan gönderilen bir sıvı ile

soğutulması gerekebilir.

Moleküllerin yapısında bulunan -C=C-: -C C-, -N=N-. -S-S-, -C-O-C- türü

titreşimler ile halkalı bileşiklerde gözlenen halka daralması-halka genişlemesi

titreşimi oldukça şiddetli Raman hatlarının gözlenmesine yol açar. Böylece

infrared spektrumunda şiddeti az olan bu bantlar Raman yöntemi ile rahatça

ölçülebilir.

İnfrared spektroskopisinde kullanılan CS2, CCI4, CHCl3 gibi organik çözücüler

Raman spektroskopisinde de kullanılabilir. Ancak bu çözücülerin kendi Raman

kaymaları değerlerinin bilinmesi gereklidir. İnfrared spektroskopisinde çözücü

olarak kullanılamayan su, Raman spektroskopisinde sık kullanılır. Su

moleküllerinin neden olduğu Raman hatları oldukça zayıftır. Suyun bu yöntemde

kullanılabilen bir çözücü olması, birçok biyokimyasal ve farmasotik maddenin

nitel analizinde infrared yönteminin aksine büyük bir kolaylık sağlar.

47

DENEY NO: 5

METAL KALIBA DÖKÜM ve KARAKTERİZASYON

ARŞ. GÖR. NUSRET ÇELİK

48

1. Deneyin Adı: Metal Kalıba Döküm ve Karakterizasyon

2. Amacı: Döküm yolu ile şekillendirilmenin öğrenilmesi.

3. Teorik Bilgi: Döküm işleminde, katı bir malzeme uygun bir sıcaklığa ısıtılarak ergitilir

ve istenen kimyasal bilesimi elde etmek için çeşitli işlemlere tabi tutulur. Genellikle metal olan

ergimiş bu malzeme daha sonra bir boşluğa dökülür. Dökülen metal bu boşluğun seklini alarak

katılaşır. Bu boşluk imal edilmek istenen parçanın sekline ve kaba ölçüsüne sahip bir boşluk

olabilir. Kalıp denilen bu boşluğu, ergitilebilen herhangi bir metalle doldurup içinde

katılaşmasını sağlayarak basit veya karmaşık şekiller imal edilebilir. Böylece arzu edilen

çalışma şartlarına uygun, en iyi özellik ve görünümle her türlü parçalar elde edilebilir. Döküm

işlemiyle parçaların iç ve dış şekillerini aynı anda elde etmek mümkündür. Diğer imalat

yöntemleriyle yapılması çok zor ve pahalı olan çok büyük ve karmaşık parçalar uygun döküm

teknikleri kullanılarak ekonomik şekilde üretilebilir.

Metal malzemeler arasında en çok dökümü yapılanlar; demir, çelik, alüminyum, pirinç, bronz,

magnezyum ve bazı çinko alaşımlarıdır. Döküm parametrelerinin uygun bir şekilde kontrolü ile

tamamen üniform özellikte parçalar elde edilebilir. Yukarıda sayılan malzemelerden demir,

düşük büzülmesi, iyi akıcılığı, mukavemeti, rijitliği ve kolay kontrolü nedeniyle döküm için en

uygun malzemedir.

Şekil 1. Metal kalıba döküm.

Dövme gibi diğer şekillendirme işlemleri ile mukayese edildiğinde, dökümün en büyük

dezavantajı düşük süneklik ve mukavemetinin yanında dökülen malzemede boşluklar bulunma

ihtimalidir. Dökümle imal edilen parçalar çok çeşitlilik arz eder. Bir fermuar dişi gibi boyutları

birkaç milimetre ve birkaç gram ağırlıktaki parçalardan 10 metre veya daha fazla boyutlu ve

300 ton ağırlığa kadar çok büyük gemi pervanesi gibi parçalar rahatlıkla dökülebilir. Karmaşık

49

şekilli, içi bos veya boşluklu kesite sahip parçalar, düzensiz egri yüzeye sahip parçalar (ince sac

metalden yapılanlar hariç), çok büyük ve islenmesi zor olan metalden yapılacak parçaların belli

avantajlar ve belli kolaylıklarla dökülmesi işlemin önemli avantajlarındandır. Bu belli

avantajlar nedeniyle döküm, imalat yöntemlerinin en önemlilerinden biridir. Dökümün

Amerika Birleşik Devletlerinde 4500 şirket bazında en büyük altıncı endüstri olduğu

bilinmektedir.

Bugün mevcut döküm yöntemlerinin biri veya birkaçı vasıtasıyla hemen hemen her şeyi

dökmek mümkündür. Makina gövde ve iskeletleri, yapı ve makina elemanları, motor blokları,

krank milleri, pistonlar ve diğer bazı otomotiv elemanları, boru ve vanalar, demiryolu

elemanları, heykel ve süs eşyası gibi cisimler dökümle üretilebilen parçalara tipik örnekler

teşkil ederler.

Dökümde Göz Önünde Bulundurulması Gereken Faktörler

Döküm yönteminin başarısı ve kaliteli parça üretmek için belli temel konuların iyi anlaşılması

ve kontrolü gereklidir. Bunların en önemlisi metallerin katılaşma mekanizmasıdır. Diğer

önemli asamalar ise kalıp hazırlama, ergitme ve dökme, temizleme ve kalite kontrolüdür. Diğer

imalat proseslerinde olduğu gibi dizayncı, döküm yöntemini iyi anlar ve dizayn edeceği parçaya

en uygun yöntemi seçerse en iyi neticeyi elde ederek ekonomi sağlayabilir. Bütün döküm

yöntemlerinde altı temel faktör mevcuttur. Bunlar aşağıdaki gibi sıralanabilir:

1 -Metal katılaşırken büzülmesine müsaade edecek, arzu edilen sekil ve boyuta sahip bir kalıp

boşluğu yapılmalıdır. Bitirilmiş parçada bulunması gereken her hangi bir detay kalıpta mevcut

olmalıdır. Yani kalıp iyi şekillendirilebilme özelliğine ve ergimiş metalden önemli derecede

etkilenmeyecek şekilde refrakter özelliğe sahip olmalıdır. Ya her bir döküm için yeni bir kalıp

hazırlanır veya “sürekli kalıp” olarak isimlendirilen ve çok sayıda döküm için kullanılmaya

dayanıklı olan bir malzemeden kalıp yapılır. Hassas ve ekonomik parçalar üretebilmek için

metal veya grafitten yapılan sürekli kalıplarla tek kullanımlı kalıpları yapmak için önemli gayret

sarf etmek gerekmektedir.

2 -Dökülecek metali ergitmek için sadece uygun sıcaklık değil aynı zamanda kaliteli ve düşük

maliyetli ergitme sağlayacak uygun bir vasıta mevcut olmalıdır.

3 -Ergimiş metal, kalıptaki sıcak metalin reaksiyonu ile meydana gelen veya dökümden önce

kalıpta bulunan bütün hava veya gazları dışarı atacak ve kalıbı tamamen dolduracak şekilde

kalıba gönderilmelidir. Kaliteli bir döktüm hava boşlukları gibi hatalardan uzak ve tok

olmalıdır.

50

4 -Metal katılaştıktan sonra soğuma ile meydana gelen büzülmeye kalıbın aşırı şekilde karsı

koymaması için düzenlemeler yapılmalıdır. Aksi takdirde parçada çatlamalar meydana

gelebilir. Ayrıca parçanın dizaynı sırasında katılaşma şartları ve kendini çekme (büzülme),

çatlak, iç boşluk veya süreksizlik oluşma şartları dikkate alınmalıdır.

5 -Döküm parça kalıptan kolayca çıkarılabilmelidir. Her dökümden sonra bozulan kum

kalıplarda bu konuda ciddi bir zorluk yoktur. Fakat sürekli kalıpların kullanıldığı belli

proseslerde kalıptan çıkarma önemli problemlerdendir.

6 -Boşluğa, sıcak metali dökme nedeniyle parça kalıptan çıkarıldıktan sonra yüzeye yapışmış

veya metal tarafından kalıptan koparılmış gereksiz malzemeleri temizlemek için yüzey

temizleme işlemine ihtiyaç duyulabilir. Döküm endüstrisindeki gelişmelerin çoğu ekonomi ve

bu altı konu üzerinde yoğunlaşmaktadır.

Metallerin Katılaşması

Sıvı metal bir kalıba boşaltıldığı ve soğumasına müsaade edildiğinde karmaşık birçok olaylar

meydana gelir. Katılaşmayı etkileyen önemli faktörler; metalin çeşidi (saf veya alaşımlı

olması),termal özellikleri (özgül ısı ve ısıl iletkenliği), sıvı metalin yüzey alanı ve hacmi

arasındaki geometrik ilişki, kalıbın şekli ve malzemesi olarak sıralanabilir.

1. Saf Metaller: Saf metaller net bir şekilde ergime veya katılaşma sıcaklıklarına sahip

olduklarından katılaşma sabit bir sıcaklıkta meydana gelir (Şekil 2). Sıvı metalin sıcaklığı

katılaşma noktasına düştüğü zaman gizli ısısı nedeniyle sabit kalır. Bu çevrimin sonunda

katılaşma tamamlanır ve katılaşan metal soğumaya başlar.

Şekil 2. Saf metallerin soğuma eğrisi.

51

Kalıp - sıvı metal arayüzeyindeki tipik bir sıcaklık dağılımı Şekil 3’de gösterilmiştir. Isı, sıvı

metalden çevreye kalıp duvarını kat ederek geçer. Çevre-kalıp ve kalıp-metal arayüzeylerindeki

sıcaklık bir başka ara tabaka ve temas süreksizliği nedeniyle düşer.

Eğrinin şekli kalıp malzemesinin termal özelliklerine bağlıdır. Saf bir dökme metalin tane

yapısı Şekil 4 (a)’da görülmektedir. Kalıp duvarlarında soğuma nedeniyle ince ve eş eksenli

tanelerden bir film meydana gelir. Soğuma devam ettiği için sütun şeklinde taneler oluşur

(dentritler). Bu taneler kalıp cidarından başlayarak kütle merkezine doğru yönlenmiş

olduklarından kolon şeklindedirler. Böylece gelişen tercihli yönlenmeleri ile farklı

doğrultularda yönelmiş taneler birbirini bloke ederler (Şek.5). Meydana gelen tanelerin

büyüklük ve dağılımı, yön ve ısı geçiş hızına bağlıdır. Isı geçişinin tane büyüklüğü üzerinde

kuvvetli bir etkiye sahip olduğu ve ısı geçişinin azalması ile katılaşan malzemenin tane

boyutunun büyüdüğü deneylerle tespit edilmiştir.

Şekil 3. Dökülen metallerin Katılaşması sırasında kalıp cidarı

ve sıvı metal ara yüzeyinde sıcaklık dağılımı.

52

Şekil 4 - Kalıba dökülmüş metallerin değişik içyapı şekilleri (şematik)

a)Saf metaller, b) Katı çözelti alaşımlar (katı çözelti,bir veya daha fazla kimyasal element

ihtiva eden tek bir homojen kristal fazıdır), c) Katılaşan kütlede sıcaklık farklılıkların olması nedeniyle

veya tanelerin homojenizasyonunu sağlamak için bir katalizör kullanarak elde edilen yapı

Şekil 5. Soğuk kalıp yüzeyinde tercihli yapının gelişmesi.

2. Alaşımlar: Saf metallerin aksine alaşımlar bir sıcaklık aralığında katılaşır (Şekil 6).

Sıcaklık, likidüs (ergime) hattının altına düştüğü zaman katılaşma başlar ve solidüs (katılaşma)

hattına ulaştığında tamamlanır. Bu sıcaklık aralığında alaşımlar mantarlaşma veya pasta

durumundadır. Alaşımın bileşimi ve durumu Şekil 7’da Bakır-Nikel alaşımı için verilen bir faz

diyagramı ile gösterilmiştir. Burada bir katı çözelti olarak katılaşmış alaşım (Cu), ana metal

(Ni) içinde tamamen çözünmüş ve her tane aynı bileşime sahiptir.

53

Şekil 6. Bir alaşımın kalıp cidarında (soğuk yüzeyde ) katılaşması ve katılaşan metalde

soğuma eğrisi.

Şekil 3 (b) eş eksenli taneli bir bölge ile tipik bir katı çözeltili alaşımının döküm yapısını

göstermektedir. Bir katalizör ilavesi ile bu bölge baştanbaşa genişletilebilir (Şekil 3 c). Bu

uyarma (katalizör etkisi) kalıp duvarından merkeze doğru gelişen alışılagelmiş tane oluşumu

yerine tanelerin düzensiz çekirdeklenmesine sebep olur.

Şekil 7. Çok yavaş soğutma ile elde edilen Nikel - Bakır alaşım sistemi için faz diyagramı. Katı çözelti bakır ve

nikel ihtiva eden tek bir homojen kristal fazdır. Dikkat edilirse saf nikel ve saf bakırdan her biri bir

katılaşma sıcaklığına sahiptir.

54

Düzensiz çekirdeklenme oluşturmanın başka bir metodu da kalıp içindeki sıcaklık farkını

elimine etmek veya azaltmaktır. Şekil 8(a)’da görüldüğü gibi dentritler üç boyutlu dal ve kollar

şeklinde oluştuğundan birbirini kilitlerler.

Şekil 8. (a) Dökme demirin katılaşma modeli. Parçalar 178 mm’lik karedir. Dikkat edilirse dentritlerin 11’ inci

dakikada birbirine ulaştıkları görülür. Fakat döküm hala tamamen mantar şeklindedir. Bu parçanın

tamamen katılaşması için iki saat gereklidir.

(b) Karbonlu çeliklerin kum ve metal kalıplarda katılaşması.

Alaşım çok yavaş soğutulduğu zaman her bir dentrit üniform bir şekilde gelişirken, hızlı

soğutma ile merkezdekilerden farklı yüzey bileşimine sahip fitilli dentritler oluşur (Şekil 7).

55

Elde edilebilen dentritik yapıların değişimi Şekil 8 (b)’de gösterilmiştir. Burada zaman,

soğutma hızı ve alaşım cinsinin etkisi gözlenebilir. Kum kalıba dökülmüş ve farklı karbon ihtiva

eden çeliklerden en düşük karbonlu çelik markalı bir yüzey oluşumu ile katılaşırken (kısa

katılaşma süresi) yüksek karbonlu olanı katılaşma sırasında geniş mantarlaşma bölgeleri

gösterir (uzun katılaşma süresi).

Katılaşma Zamanı

Bir yumurtanın haşlanması katılaşmanın zamanla gelişimi hakkında güzel bir örnek teşkil eder.

Sıcak veya kaynayan bir su içine bırakılan çiğ bir yumurta belli bir zaman sonra (mesela 1

dakika) alınır ve kırılarak bakılırsa, yumurtanın ortasındaki sarı kısmın henüz sıvı olduğu ancak

beyaz kısmın kısmen katılaştığı görülebilir. (rafadan diye isimlendirilir). Eğer yumurtayı iki

dakika sonra alsaydık sıvı kısmının bir öncekine göre daha azaldığını ve katılaşan beyaz

tabakanın arttığını görürdük. Yumurtanın tamamen pişmesi yani katılaşması için belli bir

süreye ihtiyaç olduğu (mesela 3-4 dakika) bilinen bir gerçektir. Bu zamanın belirlenmesinde en

etken faktör suyun sıcaklığı ve yumurtanın hacmidir. Eğer ılık bir suda (30-40oC) gibi

yumurtanın tamamen pişmesi beklenirse, kaynayan sudakine göre daha uzun zamanın gerekli

olduğu anlaşılır. Buda gösterir ki su ne kadar sıcaksa yumurta o kadar erken pişer. Metallerin

katılaşması da yukarıdaki olaya benzerdir. Ancak burada sıvı bir metali katılaştırmak için

yumurtadaki gibi ısıtmak değil, soğutmak gerekir. Belli bir hacim ve şekildeki sıvı metalin

tamamen katılaşması için yine belli bir süreye ihtiyaç vardır. Yumurtanın pişmesindeki gibi

katılaşma cidarlardan başlar ve merkeze doğru ilerler. Tamamen katılaşma için gerekli süre ise,

metalin içinde bulunduğu hacmin yüzey alanı ile direk ilgilidir. Bu alan ne kadar büyük ise,

katılaşma süresi de o oranda azalır. Aynen yumurtanın pişmesindeki gibi ortamın sıcaklığı da

metalin katılaşmasına etki eden önemli faktörlerden biridir.

Katılaşmanın ilk safhasında kalıp cidarlarında ince bir kabuk veya tabaka oluşur. Bu tabakanın

kalınlığı zamanla sıvı metalin merkezine doğru artar. Düz kalıp cidarlarında, katı tabakanın

kalınlığındaki bu artış zamanın kareköküyle orantılıdır. Hacim arttıkça soğuma hızı düşer.

Tamamen katılaşma için geçen süre genel bir formülle şöyle ifade edilebilir.

Katılaşma zamanı = C ( Hacim / Yüzey alanı ) 2 ( 1 )

56

Burada C, kalıp malzemesi ve sıcaklığa bağlı bir sabittir. Bu sabit Chvorinov sabiti olarak bilinir

ve değişik geometriler için iyi netice verdiği tespit edilmiştir (N. Chvorinov’a atfen, 1938). Bu

temel eşitliğin açıklanması ile bir küpün aynı hacimli bir küreden daha hızlı katılaştığı

görülebilir. Kalıp geometrisi ve zamanın katılaşmaya etkisi Şekil 9’da gösterilmiştir. Burada

mevcut sıvı metal katılaşmış bölgeden uzaktadır. Dikkat edilirse katılaşmış tabaka dış bölgelere

göre (B ile gösterilmiştir) iç kısımlarda daha incedir (A). Bunun sebebi iç kısımlarda soğuma

hızının dış kısımlara nazaran daha yavaş olmasıdır.

Şekil 9. Çelik dökümde katılaşmış tabaka. Arta kalan ergimiş metal belirtilen sürelerde boşaltılır. A’daki

katılaşmış tabaka dış köşedekinden (B) daha incedir. İçi boş süs ve dekoratif parçalar da benzer

prosesle dökülür (boşaltma döküm ) ve yukarıdaki şekilde gösterilen katılaşma modeline sahiptir.

Örnek problem 1

Aynı hacimli fakat farklı geometrik şekle sahip üç ayrı parça göz önüne alalım. Bunlar küp,

küre ve yüksekliği çapına eşit bir silindir olsun. Hangi parça en hızlı ve hangisi en yavaş

katılaşır?

Çözüm:

(1) nolu eşitliğe göre hacimler eşit olduğundan;

Katılaşma zamanı = 1 / (yüzey alanı) 2 = 1 / S 2

Hacim birim kabul edilerek yüzey alanları aşağıdaki şekilde hesaplanır.

Küre: V = (4/3) π r3, buradan r = ((3/4) π)1 / 3

A= 4 πr2=4 π ( 3/4 π)2 / 3 =4.84

57

Küp: V=a3, buradan a=1

A= 6 a = 6

Silindir: V= π r2 h = 2 πr 3, buradan r= ( 1 / 2π) 1 / 3

A=2 π r2 + 2 π r h = 6 π r2=5.54

Böylece katılaşma zamanı, t:

t küre = 0.043 C

t küp = 0.028 C

t Silindir= 0.033 C olur.

Buradan küp şekilli parçanın en hızlı, kürenin ise en yavaş katılaştığı anlaşılır.

Katılaşmayı yönlendirme

Dökülen parçanın hatasız elde edilmesine yardımcı olmak üzere, katılaşma sırasında bazı

kısımların birbirine göre katılaşma önceliği iyi belirlenmelidir. Bu ise yönlü katılaşma ile

sağlanır. Yönlü katılaşmayı Şekil 10 üzerinde açıklayalım.

Şekil 10. Yönlü katılaşmada öncelik bölgeleri

Şekilde görüldüğü gibi, parçanın boşluksuz katılaşması için besleyici tarafından beslenmesi,

yani geçiş kısmında besleme için bir sıvı hattı daima bulunması gerekir. Buna göre ilk olarak

parçanın tamamen katılaşması ve sonrasında sırası ile geçiş kısmı ile besleyicinin katılaşması

gerekmektedir. Her bir kısmın katılaşma zamanlarını dizersek

Zb > Zg >Zp sırası sağlanmalıdır.

Bu dizilimin gerçekleşip gerçekleşmeyeceğini anlamak üzere katılaşma modülü

hesaplanmalıdır. Mesela, Şekil 11’da görülen örneklerden yola çıkarak katılaşma modülü

58

350

350 Plaka Küre

Ø135

V= 1.3 dm3

S= 5.75 dm2

Z= 15 dak.

V= 1.3 dm3

S= 26 dm2

Z= 0.6 dak.

µ= V/s şeklinde hesaplanır.

Burada V: hacim, s: ısı kaçan yüzey alanı ve µ: katılaşma modülüdür. Aynı hacim ve ağırlığa

sahip bu iki parçadan hangisinin önce soğuyacağı tamamen yüzey alanları ile ilgilidir ve en

büyük ısı kaçan yüzey alanına sahip olan plakanın daha önce soğuyacağı kolayca bulunabilir.

Şekil 11. Aynı hacim ve ağırlığa sahip küre ve plaka şeklindeki parçaların katılaşma modüllerinin

karşılaştırılması.

Buradan da anlaşılacağı üzere ısı kaçan yüzey alanı bakımından daha geniş yüzeye sahip

bulunan plaka aynı hacim ve ağırlıklı küreye göre çok daha hızlı soğuyacaktır.

Şekil 12. Alt ve üst yüzeyden başlayarak katılaşan cidar kalınlığı.

Yukarıdaki plakanın alt ve üst yüzeyinden aynı miktarda soğuduğu varsayılırsa, zamanın bir

fonksiyonu olarak katılaşan cidar kalınlığı (x) her iki yüzeyden başlayarak artacak ve belli bir

süre sonra plaka kalınlığı, yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi e’ye eşit olacaktır (Şekil 12). Bu

halde plaka tamamen katılaşmış durumdadır. O halde plakalar için katılaşma modülü e / 2

şeklinde yani plaka kalınlığının yarısı alınır.

Katılaşma kalınlığı (x)’i zamanın bir fonksiyonu şeklinde yazarsak, plakalar için katılaşma

kalınlığı:

x= k (Z)1/2 şeklinde olur.

59

Burada k, kalıp ve dökülen malzeme cinsiyle sıcaklığa bağlı bir sabittir. Bu katsayı kuma

dökülen çelik malzemeler için 0.686 alınır.

Yukarıdaki bağıntıdan Z = (x/k)2 (1/k)2.(e/2)2 şeklinde yazılır. 1/k = c ve e/2 = Mp denirse

Z=c.(e/2)2 ve plakanın tamamen katılaşması için geçen zaman:

Z=c.Mp şeklinde yazılır.

Besleyici ve parça arasındaki geçiş bölgesi gibi iki tarafı dökülen çevrilmiş yani soğumanın

parça ve besleyici sınırlı olduğu ara yüzeyler için katılaşma modülü değişik şekilde hesaplanır.

Şekil 13. Ara bölgenin katılaşma modülü hesabı.

Şekil 13’de görülen ara bölgenin katılaşma modülü hesaplanırsa

V = a.b .1

S = 2(a+b) x 1

M = elde edilir. Buradan da görüldüğü gibi ara yüzeyde katılaşma modülü

M= şeklindedir.

a

b

1 cm

60

Şekil 14. Geçiş kısmının katılaşma modülü hesabı

Şekil 14’deki plaka için geçiş kısmının (taralı kesit) modülü hesaplayalım. Ancak bilinmesi

gereken başka bir hususu burada öncelikle söylemek gerekir.

Parça, geçiş ve besleyici modülleri arasında da Mp < Mg < Mb şeklinde bir katılaşma önceliği

vardır. Buna göre pratikte Mp:Mg:Mb ; 1:1.1:1.2 şeklinde alınır.

Bu hatırlatmadan sonra yukarıdaki plakanın katılaşma modülü:

Mp=5/2=2.5 cm’dir. Pratik değerlere göre Mg ise 2.5x1.1 = 2.75 cm olmalıdır. Mg’nin 2.75 cm

olabilmesi için şekildeki kesit kenar uzunluklarının çok çok büyümesi gerekeceği Mg = kesit

alanı/kesit çevresi bağıntısı kullanıldığında görülür.

Bu ise geçiş kısmının temas yüzeyinin oldukça kalın olmasını gerektirir. Oysa besleyicinin

parçadan kesilmesi gerekir ve bu durum büyük işçilik ve malzeme israfına sebep olur. Maliyet

artacağından bu gibi durumlarda geçiş kısmının kesitini küçük tutabilmek için geçiş kısmı, ısı

iletimi düşük malzemeden, Şekil 15’te görüldüğü gibi ayırma maçaları kullanılarak izole edilir

ve parçadan daha geç soğuması sağlanır. Böylece kesme kolaylığı da sağlanmış olacaktır.

x

Besleyici

Parça

50

61

Şekil 15. Ayırma maçası

Bazen bu çözüm yeterli olmayabilir. Böyle durumlarda ayırma maçası kullanma yanında,

parçanın herhangi bir yolla erken soğuması teşvik edilmelidir (Örnek: İç ve dış soğutucular

kullanarak).

Döküm Prosesleri

Mühendislikte ve özellikle makina yapımında kullanılan malzemelerin döküm prosesiyle

şekillendirilmesi için çeşitli yöntemler kullanılır. Yöntem seçimi parçanın kaliteli ve en

ekonomik şekilde imalini sağlayacak şekilde yapılmalıdır. Burada parçanın şekli ve boyutu

önemli bir faktördür. Dizayn sırasında döküm yöntemi bilinmeli ve o yöntemin özellikleri

mutlaka dikkate alınmalıdır. Dökümde önemli bir husus parçanın son şekil ve ölçüsünde veya

ona yakın şekilde imal edilebilmesidir. Çok değişik şekilli parçalar birçok farklı metal veya

alaşımdan dökülebilir.

Döküm yöntemini çeşitli kriterlere göre sınıflandırmak mümkün olmakla birlikte şu ana

başlıklar altında toplamak uygun olacaktır.

A - Metalin kalıba gönderiliş tarzına göre

1 - Sıvı metalin yer çekimi etkisiyle döküldüğü yöntemler

2- Basınçlı döküm yöntemleri

B - Döküm kalıbının durumuna göre

1 - Bozulan kalıplara döküm

2 - Sabit kalıplara döküm

C - Sürekli döküm yöntemi

D - Özel döküm yöntemleri

62

Bozulabilen kalıplar çeşitli bağlayıcılarla birlikte kum gibi malzemelerden yapılır. Parça, kalıp

bozularak çıkarılır. Yaş kum kalıplar, kabuk kalıp, silikatla (cam suyu) bağlanmış ve karbon

dioksitle sertleştirilmiş kalıplar, alçı ve seramik kalıplar bu kalıplar arasında sayılabilir.

Ayrıca kalıplama için model kullanılıp kullanılmamasına göre de sınıflama yapmak

mümkündür. Fakat burada yaygın döküm yöntemleri yukarıda sayılan grupların birkaçına

birden dahil olabildikleri için uygulamada anıldıkları şekilde sıralanacaklardır.

1- Sürekli döküm

2- Kum kalıba döküm

3- Kabuk kalıba döküm

4- Sürekli kalıba döküm

5- Metal kalıba döküm

6- Savurma döküm

7- Alçı kalıba döküm

8- Hassas (Investment) döküm

9- Özel döküm yöntemleri

Burada sayılan döküm yöntemlerinden kuma döküm, dökülen parça tonajı bakımından en

büyük orana sahiptir. Fakat son yıllarda sürekli kalıp, kabuk kalıp ve hassas döküm

yöntemlerinin kullanımı hızla artmaktadır.

4. Deneyin Yapılışı: Deneyde (%88.01-%11.99) bilesime sahip Al-Si alaşımı kullanılacak

olup metal kalıba döküm işlemi gerçekleştirilecektir.

Al-Si denge diyagramına (Sekil 16) göre bu alasım ötektik bilesime sahiptir ve ergime sıcaklığı

yaklaşık 620 °C civarındadır. Ergitilecek alasım pota içerisine yerleştirilir ve fırında bu

sıcaklığa ısıtılarak ergitilir. Alüminyum alaşımlarında gaz gidermede kullanılan çeşitli

yöntemler mevcuttur. Dökümhane uygulamalarında en çok kullanılan yöntem hekzakloretan

(C2Cl6) tabletlerinin kullanımıdır. Bu tabletler ergimiş alüminyum içerisinde çözünerek AlCl3

gazını oluşturur. AlCl3 gaz taneciklerinin ergimiş alüminyum içerisinde yükselirken

alüminyum içerisindeki hidrojen gazını toplar ve bunları metal yüzeyinde serbest hale geçirir.

63

Şekil 16. Al-Si denge diyagramı

Döküm İşlemi: Dökülmek istenen parçanın bir plaka üzerine yerleştirilmiş modeli alt ve üst

derece arasına yerleştirilerek derecelerin arasında vidalar sıkılır ve modelin sabitlenmesi

sağlanır. Besleyici, yolluk ve çıkıcılar model üzerine yerleştirildikten sonra üst derece kum ile

doldurularak sıkıştırılır. Dereceler ters çevrilerek alt derecede benzer şekilde kum ile

doldurularak sıkıştırılır. Daha sonra besleyiciler kum kalıp içerisinden çıkarılır, derecelerin

vidaları sökülerek model plakasından ayrılır ve dökümün yapılacağı kalıp boşluğu elde edilmiş

olur. Döküm işlemine geçmeden önce kalıp boşluğu içerisine kömür tozu serpilir. Bu kömür

tozu döküm sırasında yanarak kum ve ergimiş metal arasında bir film tabakası oluşturur. Bu

tabaka kalıp kumunun metal üzerine yapışmasını önleyecektir. Bu işlemlerden sonra dereceler

tekrar kapatılarak kalıp döküme hazır hale getirilir. Diğer taraftan pota içerisinde ergitilen

alasım fırından çıkarılarak üzerine bir miktar gaz giderici konulur ve sıvı metal bir grafit çubuk

ile karıştırılır. Oluşan cüruf bir kasık ile metal yüzeyinden toplanarak döküm işlemine geçilir.

Deneyin sonunda hatasız bir döküm elde etmek için su noktalara dikkat edilmelidir:

a) Alt ve üst dereceler iyice sıkılarak döküm sırasında mala yüzeyinden metal sızmasına izin

verilmemelidir,

b) Döküm işlemi bir kerede ve kesintisiz olarak tamamlanmalıdır. Aksi halde önce dökülen

kısım daha önce katılaşacağından döküm parçada katmer denilen hataya sebep olacaktır.

64

c) Potaya gaz giderici ilavesi yapıldıktan sonra iyi bir karıştırma sağlanmalıdır. Ergimiş metal

içerisindeki gaz tamamıyla giderilmediği takdirde dökümde gözenekler ve boşluklar

oluşacaktır.

Döküm işlemi tamamlandıktan sonra kalıp soğumaya bırakılır. Kalıbın soğuması

tamamlandıktan sonra döküm parça kalıptan çıkarılarak yolluk ve besleyici uzantıları kesilir.

Yüzeye gereken hassasiyet taslama ile