Kum Kalıba Döküm

Ergitme ocağında eritilen sıvı metalin bir modelin etrafına sıkıştırılarak form verilmiş kum kalıplar içine dökülmesi esasına göre uygulanan bu teknik genellikle lamel ve küresel grafitli dökme demir, çelik ve paslanmaz çelik döküm ile demir dışı metallerin (alüminyum, bronz, pirinç) dökümünde kullanılır.

Kum kalıba döküm tekniğinde üretilecek malzemenin cinsine ve miktarına bağlı olarak farklı kalıplama yöntemleri kullanılır. Bunlar :

Yaş Kum Kalıplar
Kuru Kum Kalıplar
Yüzeyi Kurutulmuş Kalıplar
Çukur Kalıplar
Kabuk Kalıplar
Co2 Yöntemiyle Hazırlanmış Kalıplar
Vakumlu Kalıplar şeklinde 7 gruba ayrılır.
A - Yaş Kum Kalıba Döküm :
Yaş kum kalıba döküm, dökümhanelerde en yaygın kullanılan döküm yöntemdir. Bu yöntemde erimiş metal yeniden kullanılabilir, sıkıştırılmış bir kum kalıba dökülür ve katılaşana kadar kalıp içinde tutulur. Katılaştıktan sonrada kalıp bozularak parça dışarı çıkarılır.

Yaş kum kalıba döküm yönteminde kalıp malzemesi; kum tanecikleri, kil, su ve diğer katkıların bir karışımıdır. Kum tanecikleri kalıp malzemesinin esasını, kil ile su ile birleşerek kumların bir arada tutulması için bir bağlayıcı vazifesi görür.

Kalıplama, küçük parçalar için tezgah üzerinde, iri parçalar için yerde kum havuzlarında yapılır. Elde edilen parçanın kalitesi belli ölçüde kalıpçı ustasının becerisi ile belirlenir. Saatte 60 kalıptan fazla üretmemiz gerektiğinde makinalı kalıplamaya geçmek zorunlu olur ve bu durumda işlemler mekanik olarak yapıldığından kalıpçıların deneyimli olmasına gerek yoktur.

Yaş kum kalıba döküm işleminin bazılarını yukarıda da belirtiğimiz genel karakteristiktiklerini şu şekilde kısaca özetleyebiliriz:

Genelde kalıp boşluğunu sıvı metalle doldurabilmek için yer çekimi kuvvetinden yaralanılır.
Kum bağlayıcı madde içerir.
Yeniden kullanılabilir bir model gerektirir. Ve modelin kalıptan çıkabilmesi için gereken eğimler daha önceden düşünülmelidir.
Genelde kaba ve pürüzlü bir yüzey elde edilir.
Dökümden sonra çıkıcı ve yollukların parçadan ayrılması gerekmektedir.
Yaş Kum Kalıba Döküm Yönteminin Üstünlükleri:

Kalıp malzemesi ucuzdur ve tazelenerek defalarca kullanılabildiğinden en ekonomik kalıplama yöntemidir.
Yöntem basittir, gerektiğinde mekanizasyon da uygulanabilir.
Değişik metallerin dökümü için elverişlidir.
Yaş Kum Kalıba Döküm Yönteminin Sınırları:

İnce, uzun, karmaşık biçimli ve iri parçaların dökümünde kalıp malzemesinin dayanımı yetersiz olur
Kalıp, taşıma sırasında bozulabilir.
Erimiş metal dökümü sırasında nemli kalıpta oluşan buhar kusurlara neden olabilir.
Boyut hassasiyeti ve yüzey kalitesi çok iyi değildir.
Kalıbın optimum dayanıma sahip olabilmesi için nem miktarının iyi kontrol edilmesi gereklidir.

B- Kuru Kum Kalıba Döküm :

Kuru kum kalıplar, yaş kum kalıplara benzer şekilde hazırlanır ve 15-350˚C arasındaki sıcaklıklarda kurutulurlar. Bağlayıcı görevi yapan kilin tüm suyunu kaybetmemesi için 400˚C sıcaklığın üzerine çıkılmamalıdır. Zira tüm suyun kaybolması kumların mukavemeti üzerinde yıkıcı bir etki yapar.
Kurutma öncesinde metalin döküleceği kalıp boşluğunun yüzeylerine uygun bir karışım sürülerek veya püskürtülerek bu bölgede daha yüksek sertlik ve refrakterlik elde edilebilir.

Kurutmada kaybedilen zaman başlıca dezavantajı teşkil eder. Kalıp boşluğu yüzeyinin 2-2,5 cm. Derinliğine kadar kurutulması ile hazırlanan “kabuğu kurutulmuş” kalıplar, kuru kum kalıp yönteminin bir başka türü olmaktadır.

Kuru kum kalıplarda serbest nem buharı olmadığından kalıp havalandırması problemi çok azalmaktadır. Daha düşük geçirgenlikli kumların kullanılabilmesi, bu yöntemle daha iyi döküm yüzeyi elde etmek imkanı sağlar. Yaş kum kalıp yöntemine nazaran, nem kontrolü daha az kritiktir. Ayrıca kalıbın dökümünden önce bir müddet beklemesi, yaş kum kalıplarda olduğu gibi kuruma ve yüzeyin gevrekleşmesi gibi sorunlara yol açmaz.

Kuru kum kalıplara döküm yönteminin başlıca üstünlükleri:

Dayanımı ve metal erezyonuna karşı dayanıklılığı vakumdan daha yüksektir.
Taşınırken bozulma tehlikesi daha azdır.
Yaş kum kalıplardaki gibi kalıplama sırasında nem miktarının kontrolü kritik değildir.
Döküm sırasında buhar oluşmayacağından, bu nedenle ortaya çıkan döküm kusurları söz konusu değildir.
Gaz geçirgenliği daha iyidir.
Kalıp havalandırması problemi çok azdır.
Daha düşük geçirgenlikli kumların kullanılabilmesi sayesinde daha az yüzey pürüzlülüğü sağlanabilir.
Yöntemin sakıncası ise kurutma işleminin kalıp hazırlama süresini uzatması ve maliyeti arttırmasıdır.

C- Yüzeyi kurutulmuş kalıplara döküm :

Bazı durumlarda yaş kum kalıpların sadece yüzeyleri (6...25 mm kalınlığında bir tabaka) kurutularak dökümde nemden kaynaklanan sorunlar azaltılabilir. Bu işlemde üfleç, sıcak hava veya elektrikli ısıtıcılardan yararlanılır.

Yüzey kalitesini arttırmak ve kalıp boşluğu yüzeylerindeki kumun kalkmasını önlemek için kalıp yüzeyi, refrakter bir malzeme püskürtülerek kaplanabilir. Püskürtülen bu sıvılar genellikle su, refrakter malzeme ise bentonit, tahıl veya melas gibi bir bağlayıcının karışımıdır. Kalıp yüzeyine fırça ile grafit tozu da sürülebilir. Bazen su yerine alkol veya diğer uçucu sıvılar kullanılır. Bu şekilde kalıp hazırlandıktan sonra yüzey tutuşturularak hem bu çözücüler giderilir, hem de açığa çıkan ısı ile yeterli bir kurutma sağlanır. Ancak döküm sırasında gaz oluşumuna engel olmak için bu çözücü sıvıların tam olarak yakılması çok önemlidir.
Yüzeyi kurutulmuş kalıplarda iç kısımlardaki nem, zamanla yüzeye ilerleyeceğinden, bu kalıpların yüzey kurutma işleminden hemen sonra kullanılmaları çok önemlidir.

Yüzey kurutmada, ısıtma esnasında buharlaşan nem, kum içinde her yönde yayınabileceğinden, kurutma kendi kendine havada değil fakat bir ısı kaynağı ile yapıldığında, sıcaklık artışına paralel olarak önemli oran*da bölgesel nem konsantrasyonu meydana gelebilir. Bunun nedeni, ısıtı*lan yüzeyden uzak, soğuk bölgedeki kondensasyon olayıdır.

Oda sıcaklığında nem yalnız kurutulan yüzeyden dışarı çıkar, oysa daha yüksek sıcaklıklarda nem'in hareketi her iki yönde olmakta ve kon*densasyon bölgeleri meydana gelmektedir. Bu bölgelerde nem oranının, orijinal değerinin % 60 üzerinde bir değere ulaşabildiği gösterilmiştir. Dolayısı ile bu tür kısmen kurutulmuş kalıplarda, vakit kaybetmeden dö*küme geçmek gereklidir.

Yüzey kurutma işlemi hamlaçlar, ısıtıcı lambalar veya elektrikli ısıtıcı elemanlarla yapılabilir. Havadan tekrar nem kapmak ki, bu yalnız havadan değil, kurutulmamış kısımlardan gelen nemi de içerir, kurutma işleminden sonraki ilk 24 saat içinde yaklaşık olarak % 0.5-0.8 oranlarında nem olacak şekilde meydana gelir. Nemdeki bu yükseliş mukavemet*te bir azalmaya neden olmakla beraber çok kısa süreli bir ısıtmayla gide*rilebilir.


D- Çukur kalıplara döküm :

Çukur kalıplar, derecelere sığmayacak kadar büyük dökümlerin gerçekleştirilmesi için kullanılır. 1 tondan 100 tona kadar olan dev dökme parçaları, dereceler içinde kalıplamak mümkün olmamaktadır. Bu şekildeki parçaların dökümünü gerçekleştirebilmek için kutu biçiminde, duvarları beton ile örülen, boyutları birkaç metreye kadar çıkabilen havuzlar içinde kalıplama yapılır. Kalıbın yapılması uzun zaman alır, parçanın şekline göre kalıbın yapılması günleri alabilir.
Kalıplama sırasında model bir çukura yerleştirilir ve kalıp kumu modelin altına ve çevresine dökülür, kum orada tamponlanıp sıkıştırılır. Daha sonra üst kalıp yerleştirilerek bölüm yüzeyinde metal sızmasını önlemek için yere bağlanır. Bölüm yüzeyi zemin seviyesinde veya üzerinde olabilir. Birçok dökümhanede sürekli olarak ürettikleri iri parçalar için hazır beton çukurlar vardır. Parçanın biçimi modelin kalıptan çıkmasını engelliyor ise, kalıplamada maçalardan yararlanılabilir. Kalıbın yapılması uzun zaman alır, parçanın şekline göre kalıbın yapılması günleri alabilir.

Büyük iç gerilmelerin ortaya çıkmasını önlemek için, bu tür büyük dökümler yavaş soğutulmalıdır. Dolayısıyla dökümden sonra kalıbın açılması için birkaç gün beklenmesi gerekebilir. Bu yöntemde de kalite, kalıpçıların becerisine bağlı olup, boyut hassasiyeti düşüktür. Çukur kalıba dökümde boyut toleransları 1-2 cm’ye çıkabilir.

E- Kabuk kalıplara döküm :

II. Dünya Savaşı sırasında Alman Johannes Cronning tarafından bulunan kabuk kalıba döküm yöntemi (shell moulding), Croning veya C-Yöntemi olarak da adlandırılmaktadır.

Bu yöntemde ısıtılmış model (yaklaşık 200°C)kum-reçine karışımının bulunduğu kutuya monte edilir. Daha sonra kutu ters çevrilerek ısıtılmış modelin kum-reçine karışımı ile temas etmesi sağlanır. Bu sayede model yüzeyine temas eden reçine ısınarak sertleşir ve model üzerinde sıcaklık ve tutma süresi ile kalınlığı ayarlanabilen bir kabuk oluşur. İstenilen kabuk kalınlığına ulaşıldığında (6-12mm) kabuk tekrar çevrilerek sertleşmemis ve bağlanmamış kumun geriye dökülmesi sağlanır. Tam setleşmayi sağlamak için kabuk bir fırında yaklaşık 350°C sıcaklıkta bir kaç dakika bekletilir. Bu işleme pişirme denir. Pişirme işlemi sonrasında iyice setleşmiş olan kabuk kalıp modelden çıkarılır. Pişirme işlemi sonrasında iyice setleşmiş olan kabuk kalıp modelden çıkarılır. Yapıştırılarak birleştirilen kalıplar bir dolgu malzemesi içerisine yerleştirilerek döküm yapılmaya başlanır.

Kabuk kalıpların diğer kum kalıplara üstünlükleri:

Hassas toleransların elde edilmesi mümkündür. Çelik dökümlerde 0,25 mm'lik, dökme demirlerde ise 0,35 mm'lik boyut hassasiyetlerine ulaşmak mümkündür.
Çok ince kum kullanıldığından yüzey kalitesi yüksektir.
Makinalarla üretildiğinden seri üretime uygundur ve deneyimli çalışana ihtiyaç duyulmaz.
Döküm daha düşük sıcaklıklarda yapılabilir ve yaş kum kalıplardan daha ince cidarlar elde edilebilir.
Kalıplar hafiftir ve depolanabilir.
Kabuk kalıba dökümün dezavantajları:

Metal malzemelerden üretilen modeller pahalıdır. Bu nedenle yöntem ancak seri üretim de ekonomik olabilir.
Kabuk kalıplama makinalarının maliyeti yüksektir.
Dökülebilen parça boyut ve ağırlıkları sınırlıdır.
Kuma bağlayıcı madde olarak reçine katıldığından kalıp malzemesi masrafı yüksektir.
F- CO2 yöntemiyle hazırlanan kalıplara döküm :

Yaş kum kalıplama ile kuru kum kalıplama arasında sınıflandırılabilecek modern bir yöntem de (CO2 - sodyum silikat yöntemi) CO2 ile kalıp*ların sertleştirilmesidir. Kalıp ve maçaların karbondioksit gazı yardımıyla sertleştirildiği CO2-yöntemi, ilk önce 1950 yıllarında uygulanmaya başlanmış ve bunu izleyen yıllarda giderek geliştirilerek kullanımı yaygınlaşmıştır. Bu yöntemde kalıplar, kurutulmuş kalıbınkine eşit bir mukavemete, ısıtmaya gerek kalmadan erişebilmektedir. Furan reçineleri gibi kendi kendine sertleşen organik bağlayıcılı kumlar da ka*lıplamada benzer şekilde kullanılabilir.

Kum +% 1.5 - 6 camsuyu (Na2O.SiO2) karışımı, model etrafına ko*nur ve içinden (15...60sn) CO2 gazı geçirilir. CO2 gazı, sodyum silikatı silikajele dönüştürür ve kum tanecikleri bağlanır. Bu işlemle kalıp sertleştirilir veya sertleştirilen kısımlar bir araya getirilerek kalıp teşkil edilir. Alt ve üst kalıpların bu şekilde sertleştirilip kalıbın kapatılmasından sonra dökümün 24 saat içinde yapılması gerekir. Bu yöntem için özel kalıplama ve maça üfleme makinaları geliştirilmiş olup, bu makinalarda kalıplama ve gaz verme işlemleri peşpeşe yapılabilmektedir.

CO2 yöntemi ile kalıplamada konvensiyonel kil bağlayıcılarının ye*rini sodyum silikat bağlayıcıları almaktadır. Cam suyu ve sodyum silika*tın meydana getirdiği alçak mukavemetli kalıplardan CO2 gazı geçirilerek 14 kg/cm2 'ye kadar yüksek bir kuru mukavemete erişilebilir. Bu yöntem pişirilmeden sertleşen kalıp ve bilhassa maça yapımında kullanılır. Yöntem, bilinen bütün döküm alaşımları için uygundur ve özellikle çelik, gri dökme demir ve bakır esaslı alaşımlarının dökümünde kullanılır.

CO2 yönteminin avantajları özetle aşağıda verilmektedir :


Sodyum silikat - kum karışımının mukavemeti nedeniyle, alt ve üst derecede kum içine destek koymak ihtiyacı kalmamaktadır.
Pahalı teçhizat gerekmez. Kum ile sodyum silikat karışımı kon*vensiyonel teçhizatlarla kolayca yapılabilir. CO2 kolay temin edile*bilir. Gaz gönderme cihazları ise pahalı değildirler.
Kalıp ve maça yapım tekniği, geleneksel kum kalıplamadaki gibi olduğundan bu teknik her dökümhanede kolaylıkla uygulanabilir.
Yöntem hem az sayıda parça için, hem de seri üretimde kullanılabilir.
Karmaşık biçimlerin kalıptan çıkarılması yaş ve kuru kum kalıplardan daha kolaydır.
Üretilen parçaların boyut hassasiyeti ve yüzey kalitesi yaş ve kuru kum kalıplardan daha iyidir.
Kalıp kurutma işlemine gerek kalmadan, dayanımı yüksek kalıplar elde edilir. Fırınlar için yatırım yapılması gerekmez, yer ve zamandan tasarruf edildiğinden kuru kum kalıplamadan daha ekonomiktir.
Yöntemde rahatsız edici gaz ve kokular çıkmaz.
Maça üretiminde CO2 - gazı geçirilmeden önce maçaların içi boşaltılarak kabuk kalıplanıp yöntemindekine benzer şekilde maça üretimi yapılabilir.
Yöntemin dezavantajları ise şöyle sıralanabilir :

Konvensiyonel yönteme nazaran daha pahalı bir yöntemdir.
Hazırlanmış (sertleştirilmiş) kalıplar normal atmosfer basıncın*da depolandıklarında, 24 saatte veya daha uzun bir sürede bozul*maktadırlar.
Hazırlanan kum karışımının ve sertleştirilen kalıpların bekletilebilecekleri süreler çok kısadır.
Kalıp ve maçaların dökümünden sonra dağılabilme özellikleri çok kötüdür.
G- Vakumlu kalıplara döküm :

Bu yöntem 1970li yıllarda Japonya’da geliştirilmiştir. Kalıp malzemesi olarak bağlayıcı içermeyen ince taneli kuru kum kullanılır. Sızdırmazlık, model yüzeyinin ince, plastik bir filmin ısıtılarak kaplanmasıyla sağlanır. Bu filmin uygulanmasından sonra eklenen kum hafif bir titreşim uygulandıktan sonra vakumun etkisiyle sıkıştırılarak derece oluşturulmuş olur. Derecenin üst yüzeyi de filmle kaplandıktan sonra vakum uygulanmaktayken derece kaldırılır. Bu yöntemle hazırlanan iki derece vakum hala uygulanmaktayken birleştirilir ve döküm işlemi uygulanır. Katılaşma süreci sonunda vakum kaldırılınca kum, bağlayıcı içermediğinden kolayca dağılır. Bu yöntemin çeşitli avantajları vardır, bunlar;

Kalıbın kolay dağılması sayesinde karmaşık tasarımların bile sorunsuzca ve bozulmadan kalıptan çıkarılabilmesi
Homojen derece içi sertliği sayesinde boyut hassasiyetinin yüksek olması
Döküm yüzeyinin çok düzgün olması
Kalıp boşluğunun plastik filmle kaplı olması sayesinde kalıp içinde erimiş malzemenin akıcılığının yüksek olması
Kalıp hazırlama ve bozmada mekanik işlemlerin olmaması sayesinde gürültüsüz, konforlu bir kalıp hazırlama-bozma süreci olması
Döküm gazlarının vakum sistemiyle kum taneleri arasından geçerek emilmesi ve çalışma ortamına bu gazların yayılmaması
Herhangi bir tip model kullanılabilmesi
Bağlayıcı masrafı olmaması
Az sayıdaki üretimlerde (prototip gibi) yüksek ekonomi
Yukarıda anlatılan kum ile hazırlanan derecenin yanı sıra, aynı avantajlara sahip, silikon kalıplama denilen bir vakumlu kalıplama yöntemi daha vardır. Silikon Kalıplama (RTV Vacuum Casting) teknolojisi sayesinde, eldeki numuneden veya üretilen bir prototipten aynı gün içerisinde hazırlanabilen silikon kalıplara vakumlu ortamda poliüretan malzemeler dökülebilmektedir. Pek çok çeşidi olan poliüretan malzemeler sayesinde, imalat sanayiinde kullanılan pek çok plastik malzemeyi simüle edip mekanik özelliklerini sağlayabilmektedir. Ayrıca şeffaf ve değişik renklerde parçalar üretmek de mümkündür.

Her yöntemde olduğu gibi bu yöntemin de bazı dezavantajları vardır. Bunlar;

Ana model 15-20 defa kullanılabilir, bu sayıdan sonra yeni ana model üretimi gerektiğinden ve yeni ana model üretiminin de uzun sürmesi nedeniyle efektif ve ekonomik imalat yapabilmek için 20 ve katları adette imalat yapılmalıdır.
Vakum, ekstra bir kuvvete sebep olduğundan ince kesitler kırılabilir veya deforme olabilir. Vakumlu kalıplama yöntemi hızlı prototip üretmede, hassas yüzey kalitesine sahip elemanlarda, karmaşık tasarımlı, çok büyük boyutlu olmayan (maksimum 65-70cm civarında boyutlar) parçalarda kullanılır.