DÖKÜMCÜYÜZ BİZ: ÇEKİRDEKLENME

ÇEKİRDEKLENME

Bir döküm parçasının sağlamlığı,sıvı metalin kalıba girişi ve kalıpta katılaşmanın şekline bağlıdır.
Bir dökümün elde edilebilmesi ilk başta basit bir işlem olarak görülmesine rağmen gerçekte birçok faktörün etkilenmesinden dolayı sıvı metalin akışı ve katılaşma karakteristikleri hakkında bilgiye ihtiyaç duyulur.

Metaller kimyasal yönden tamamen inertolmasalardı,hiç gaz absorbe etmeselerdi,soğuma sırasında çekilme boşluğu olmasaydı,kalıp faktörlerinden etkilenmeseydi ve son olarak farklı yoğunlukta olmasalardı,döküm yapmak basit bir işlem haline gelirdi.

Bir döküm parçasının kalıpta katılaşmayı tamamladığı son bir iki dakika,döküm parçanın özelliklerinin belirlendiği bir zamandır.Çekilme boşluğu ,sıcak gevreklik gibi birçok döküm hatası bu zaman diliminde katılaşma kontrolü ile bu problemler giderilebilir.
Saf bir metalin katılaşmasını incelersek;
Katılaşma olayının üç şekilde meydana geldiğini görebiliriz.

Sabit bir sıcaklıkta (saf metal ve ötektik alaşımları)
Bir sıcaklık aralığında (katı eriyikler)
Bir sıcaklık aralığında başlayan ve sabit sıcaklıkta gerçekleşen katılaşmanın beraber mevcut olduğu durumda

Katılaşma çok ufak tane veya nüvelerin teşkili bir başka deyişle kristallerin çekirdeklenmesi ile gerçekleşir.Bu olaya çekirdeklenme adı verilir.(Şekil 1.1.) . Bu küçük kristaller ısı ve kristalografik şartlara bağlı olarak,katılaşma tamamlanıncaya kadar büyürler.Kristallerin boyut ve özellikleri,katılaşan metalin bileşimine ve soğuma hızına bağlıdır.

Sıvı metalin kalıba girer girmez dışarıya ısı verir.Bu ısı,aşırı ısınma ısısı olup katılaşmanın başlamasından önce dışarıya iletilir.Bu ısıdan başka,katılaşmanın tamamlanmasından önce,metalden kalıba transfer olan ergime gizli ısısı da açığa çıkar.Son olarak,katılaşma metal oda sıcaklığına gelinceye kadar kalıba,dolayısı ile atmosfere ısı iletir.

Katılaşmanın daha doğrusu soğumanın başlıca üç aşaması vardır ki bunlar;"sıvı,sıvı+katı,ve katı" aşamalarıdır.(şekil 1.2)

Dolayısı ile bir metal katılaşırken üç önemli olay meydana gelir.

Katı taneleri meydana gelir
Isının açığa çıkışı ve iletimi
Boyutsal değişimler

Bir metalin katılaşma mekanizmasını dahada karmaşıklaştıran başka değişkenlerde vardır.Bunlar kalıp malzemesi,kalıp kalınlığı ve geometrisi,metal kalınlığı ve ısı iletkenliği,katılaşma sıcaklığı aralığı gibi etkenler de mevcuttur.

ÇEKİRDEKLENME
Katılaşma,bir katı fazın sıvıdan çekirdeklenemsi ve büyümesi ile meydana gelir.Katılaşma sıcaklığının altında katı faz,sıvı fazdan daha düşük serbest enerjiye sahip olduğundan katı faz daha kararlıdır.Fakat sıvı ==> katı dönüşümünün başlaması için sıvıyı "aşırı soğutmak"gerekir.Bu safhaya çekirdeklenme denir.Bir başka deyişle;çekirdeklenme,sıvıdan bir grup atomun çok küçük kararlı bir katı taneciğini meydana getirecekşekilde bir araya gelmesidir.
Başlandıç katılaşma noktasının aynı metalin katı embryonlarının olması durumunda "Homojen",yabancı noktalar üzerinde katılaşmanın başlamasına "Heterojen" çekirdeklenme denir.

TERMODİNAMİK YAKLAŞIM

Bir fazın serbest enerjisi;

olarak verilir.Burada;H entalpi,T sıcaklık, ve S entropidir.Metalurjik sistemlerin çoğunda basınç sabit olarak kabul edilir.O zaman ;

olur.Böylece serbest enerji artan sıcaklık ile azalır.Farklı saf metal fazların serbest enerjileri şekil 2.1 de şematik olarak verilmiştir.

Sıvı ==> Katı dönüşümünde hacimsel serbest enerji değişimi ;

burada GL ve Gs sırası ile sıvı ve katının serbest enerjileridir.G=H-T*S eşitliğinden

elde edilir.Burada entalpi ve entropi sıcaklıkla çok yavaş değiştiğinden

olarak alınabilir.Burada Lm ergime gizli ısısıdır.Denge ergime noktasında deltaG=0 olduğundan

Ergime noktasındaki entropi ise,

Böylece hacimsel serbest enerji değişimi;

HOMOJEN ÇEKİRDEKLENME

Herhangibir dış yardım almadan sıvı metalin kendi çekirdeğini oluşturması durumudur.Klasik çekirdeklenme teorisine göre katı moleküllerinin yanyana gelmesiyle bir katı embryo oluşur.Çok küçük taneciklerin toplam serbest enerjisine,yüzey enerjisi katkısının oldukça büyük olması sebebiyle,bu şekilde çekirdeklenme oldukça büyük bir itici güç gerektirir.

Birim hacimdeki sıvının katılaşması ile katılaşma sıcaklığında daha alçak enerjiye sahip fazın oluşumundan dolayı sistemin serbest enerjisinde hacme bağlı olarak bir azalma ,buna karşılık çekirdeği çevreleyen yüzeyin oluşması dolayısı ile,serbest enerji artışı meydana gelir.Katı çekirdeklerinin küresel olduğunu kabul edersek;şekil 2.4 2den küresel çekirdeğin toplam serbest enerjisi

olur.Bu terimler şekilde de grafik olarak gösterilmektedir.Bu şekle göre çekirdeğin olabilmesi için deltaG* kadar bir enerjinin aşılması gerekir.Bu enerji engeline tekabül eden kritik çekirdek çapı r* dır.

r < r* olduğunda çekirdek embriyon şeklindedir ve kararsızdır.Bu nedenle çekirdeğin büyümesi yerine erimesi söz konusudur.
r > r* olduğunda çekirdek büyümesi devam eder.

delta G* çekirdeğin büyümesi için gerekli aktivasyon enerjisi olup,kritik çapı tekabül eden değerdir.

r* delta G nin maksimum olduğunda delta G* nin y ye göre türevinin sıfır olduğu andaki değeridir.Bu durumda kritik çekirdek çapı;