The effect of dead clay contents on mechanical properties of foundry molding sands
Ölü bentonit içeriğinin döküm kalıp kumlarının mekanik özelliklerine etkisi
- Tez No: 725926
- Danışmanlar: DOÇ. DR. NECİP ÜNLÜ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 106
Özet
Kum kalıba döküm, Türkiye de dökümhanelerde en kolay ve en yaygın kullanılan döküm uygulamalarından biridir. Bunun nedeni ise tüm dünyada döküm malzemesi, doğal kaynaklardan kendiliğinden elde edildiğinden ve özellikle üklemizde yaygın olarak kolaylıkla bulunduğundan tercih edilmektedir. Dökümhanelerde ve ilgili operasyon/işletmelerde döküme olan talep zamanla giderek artmaktadır. Kum döküm işleminde, temel kuma (çoğu durumda silis kumu içeren), kalıp agregasını elde etmek için bentonite bağlayıcılar, su ve diğer katkı maddeleri ile sabit bir oranda karıştırılarak homojen bir karışım elde edilir. İnşaat sektöründe ve yapıların kimyasallarında kullanılmakta olan bu silis kumunun dökümhane üretimlerinde önemli bir rol oynamakla birlikte (dökümde sıvı metalin katılaşıncaya kadar ki sürecinde boşluğu bozmadan uzun süre aynı koşulda saklama) sağladığı avantajlar da bulunmaktadır. Bunlar sırasıyla; kalıbın işlenebilirliğini ve kalıbın ağırlığından deformasyona karşı direnci tasdik etmek için yaş mukavemet sağlamakta, gazların kalıptan kaçmasını sağlamak ve kalıpta iç basıncın büyümesini önlemek için gaz geçirgenliği, boyutsal doğruluk elde etmek ve kum genleşmesiyle ilgili kusurları önlemek için termal kararlılık en önemli özelliklerimden bir kaçıdır. Bunların yanı sıra, bir kalıbın, kumu eritmeden veya camlaştırmadan ısıya dayanmak için kalıp parçacıklarının refrakterliğini gösteren diğer dikkate değer özellik ısıl dayanım parametresidir. Ayrıca çökebilirlik, kalıp kumunun bir diğer önemli özelliğini gösteren faktördür ve iyi bir çökebilirliğe sahip bir kalıp kumu, kolay bir silkeleme işlemi gösterir ve dökümde sıcak yırtılma hatalarını önler. Kum tanelerinin boyutu ve şekli, bağlayıcı türü ve su içeriği, sıkıştırma seviyesi, metal erime noktası ve kumun termal genleşme özelliklerini içeren yaş kumun mekanik özelliklerini etkileyen diğer birçok değişken faktör bulunmaktadır. Çoğu dökümhane şirketlerinin yaşadığı ve böyle bir durumda genellikle“ölü bentonit”olarak bilinen istenmeyen bir olgu vardır. Bu ölü bentonit içeriğinin kalıp agregasındaki etkisi ve bunun yaş basma mukavemet gibi mekanik özelliklere olan olumsuz etkisinden dolayı istenmemektedir. Sıradan kalıp kumlarının basınç dayanımı ve shatter indeksi bilgileri ve özelliklerinin bulunması bu tez çalışmanın temel amacını oluşturmaktadır. Farklı metaller ve alaşımlar, farklı atomik bağlanma enerjilerinin bir sonucu olarak çok farklı erime sıcaklıklarına sahiptir. Sonuç olarak bu durum bir metalin bir parçayı şekillendirmek için bir kalıba girdiği sıcaklık olan dökme sıcaklığını, kalıp kumunda bağlayıcı içeriğinin yanmasına yol açar. Bu belirtilen bağlayıcılar, kalıbın mukavemetinden (metalin basıncı ile bozulup bozulmadığını göstermesi) sorumludur. Ölü bentonit adı verilen yanmış bağlayıcı, kumun yüzeyinde ölü bir kaplama oluşturarak dökümü sonraki kalıplama işlemleri için işe yaramaz hale getirir. 800 ºC'ye kadar ısıtılan hemen hemen tüm bentonitler, bağlanma gücüne sahip olmayacak ve yapılarının bozulması nedeniyle plastisitelerini (kullanılan kumun kabla birlikte aynı şekli alabilmesi için kullanılması gereken malzemeyi ifade eder) kaybedecek ve bentonit pulları arasındaki elektrokimyasal bağ artık mevcut olmayacaktır. Bu bağın kopması sonucunda da bentonit kristal yapısını kaybeder ve bununla birlikte kordiyerit, mullit ve kristobalit gibi istenmeyen fazlar oluşarak kabuk, rattail ve hava deliği gibi çeşitli döküm kusurlarına neden olan oluşur. Genelde bentonit 100-400 ºC'de suyu hızla emerek özelliğini kaybeder ve aktif bentonit ölü bentonite dönüşür. Bu ölü bentonit kalıplama için uygun değildir ve kalıp kumunda yüzey kusurlarını önlemek için çıkarılmalı veya düşük tutulmalıdır. Aktif bentonit ve diğer ince taneli malzemeleri aynı anda çıkarmadan ölü bentonit çıkarmanın bir yolu yoktur. Bundan dolayı ölü bentoniti çıkarmak yerine biraz kum ile aktif bentonit eklenmesinin toplam ölü bentonit içeriğini azaltacağından bu şekilde devam edilmesi uygun olabilir. Tüm bu gözlemler ışığında, istatistiksel deneylerin faktöriyel tasarımları yoluyla ölü bentonitin yaş kumun özellikleri üzerindeki göreceli etkisinin araştırılması oldukça haklı görünmektedir. Bu tez çalışmasında, yaş kum karışımındaki optimum ölü bentonit miktarını belirlemek için firmalardan deney için gerekli malzeme tedariği konusunda destek alınmıştır. Kum Madencilik San. Tic. Ltd. Şti.' den silis kumu ve Esan Eczacıbaşı Endüstriyel Hammaddeler San. ve Tic. A.Ş' den özel sodyum bentonit temin edilmiştir. Bu sayede bu iki ürün karışımından oluşan çeşitli ölü bentonit içerikli farklı yaş kum karışımları incelenmiştir. Bununla birlikte bu çalışmada uygun bir yaş kum döküm özelliği elde etmek için kabul edilebilir ölü bentonite içeriğinin ne olması gerektiği de incelenmiştir. Tüm bu incelemeler ışığında, tüm aktif bentonitin ölü bentonite dönüşmesini sağlamak için bir miktar aktif bentonit (sodyum bentonit) 800 ºC'de elektrikli fırında yaklaşık 3 saat pişirilmiştir. Bu çalışmalara ilave olarak, gerçekçi koşulları değerlendirmek için, çeşitli ölü bentonit içerikli yeniden kullanılan kalıp kumu karışımları hazırlanmış ve bu kalıplata küçük boyutlu desen uygulanmıştır. Yapılan bu tüm çalışmalar ile kalıp kalitesi tespit edilmiştir. Kalıp kalitesi hem döküm için hemde firmalar açısından çok önemlidir. Tespit edilen kalıp kalitesi sayesinde ölü bentonit içeriği etkisini bizlere göstermekte ve fiziksel-kimyasal, mikro ve çeşitli ölü bentonit içeriği ile farklı yaş kum karışımları mekanik özelliklerinin incelenmesi ile elde edilen veriler doğrulaması yaparak sonuçlar elde edilmiştir. Bu amaçla tez çalışma sırasında X Işını Kırınım Yöntemi (XRD), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Termogravimetrik Analiz-Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (TGA-DSC) gibi birçok analiz gerçekleştirilmiştir. Bu analizler ışığında ölü bentonitin dökümdeki optimum oranı belirlenmeye çalışılmış ve böylece sırası ile Aktif sodyum bentonit ve ölü bentonit durumu için X Işını Kırınım Yöntemi analizi yapılmıştır. Sodyum bentonit termal davranışı Termogravimetrik Analiz-Diferansiyel Taramalı Kalorimetri analizi ile tespit edilmiştir. Silis kumu parçacıklarının çevrelediği ölü bentonit parçacıkları için Taramalı Elektron Mikroskobu analizi yapılmıştır. Bunların yanı sıra ölü bentonitin yaş basma mukavemeti (GCS) ve yaş kesme mukavemeti (GSS) de incelenmiştir. Analizler sonucunda ise ölü bentonit içerikleri, kum taneciklerinin yapışma özelliklerini azaltır ve kalıp kumu mukavemetinde azalmaya neden olduğu tespit edilmiştir. Yaş kum kalıplama karışımlarında ölü bentonit içeriğinin artmasının yaş basma mukavemeti ve yaş kesme mukavemeti değerlerinin kademeli olarak düşmesine neden olduğu görülmüş ve yaş kumun özellikle ölü bentonite içeriği toplam bentonit içeriğinin (karışımda toplam bentonit içeriği %7 olup diğer kısmı kumdur) %2'nin üzerine çıktığı durumlarda ise dramatik bir şekilde mukavemetini kaybettiği gözlemlenmiştir. Ayrıca laboratuvarda gerçekleştirilen deneyler de göstermektedir ki ölü bentonit içeriğinin %2'nin üzerine çıkarılmasıyla yaş kum mukavemetinin hızla azaldığını göstermektedir. Ayrıca bu tez çalışmasında shatter indeks, kalıplanabilirlik indeksi ve gaz geçirgenlik indeks parametrelerine de bakılmıştır. Daha öncesinde de belirtilen en önemli kalıp özelliklerinden olan shatter indeks ve kalıplanabilirlik indeksi incelendiğinde yaş kum karışımlarında ölü bentonit içeriği toplam bentonit miktarının %2'sinin üzerine çıktığında, shatter kalıplanabilirlik indeksi ile aynı reaksiyonu göstermiştir. Yaş kum karışımlarına ölü bentonit içeriği eklendiğinde hem shatter indeksi hem de kalıplanabilirlik indeksi önemli ölçüde azaldığı görülmüş ve bu da kalıbın yüzeyinde bir takım kusurların oluşmasına neden olmuştur. Ayrıca ölü bentonit içeriğinin eklenmesinin gaz geçirgenlik üzerinde de farklı bir etkisi olduğu bu çalışma sırasında görülmüştür. Ölü bentonit parçacıklarının bağlayıcı özelliği olmadığıdan dolayı yaş kum parçacıkları ölü bentonit arttıkça bağlayıcı özelliklerini kaybettiği görülmüştür. Sonuç olarak, gaz geçirgenlik değeri ölü bentonit içeriği ile paralel bir ilişki göstermiştir. Ölü bentonit içeriğinin artması gaz geçirgenliğinde yıkıcı bir artışa neden olmuştur. Bu incelemenin sonunda, yapılan bir çok kalıplama denemesi gözlemleri ışığında kalıp kumunun desenini çıkardıktan sonra, numune kalıplarının yüzeyinde bazı çatlaklar olduğunu göstermektedir ve ölü bentonit içeriğinin (%2) kalıp kumu üzerindeki olumsuz etkisini açıkça belirlemektedir. Bu çalışma sayesinde en iyi kalıp kalitesi için gerekli değerler belirlenebilmektedir. Ayrıca ölü bentonitin döküm üzerinde etkisi açıkça ortaya çıkarılmaktadır. Bu çalışmanın sonucunda elde edilen veriler hem literatür inceleme taramasında çok önemli bir yere sahip olmakla birlikte hem de dökümhaneler ve kalıp ürecileri için oldukça önemli bir yere sahiptir.
Özet (Çeviri)
Sand mold casting is one of the easiest and most common casting processes in foundries especially in Turkey. Since the mold is obtained from natural sources and is widely available all around the world, their demand is increasing gradually. In the sand-casting process, the base sand which in the most cases included silica sand is mixed with clay as a binder agent, water, and other additives in a fixed proportion to achieve an integrated mold. There are some vital characteristics of molding sand that play an important role in satisfactory foundry productions. This great importance certifies mold strength and durability to deformity of the weight of the pattern. The gas permeability is other importance to determines an ability of mold that it allows gases to escape to prevent internal pressure growth in the mold. In addition, thermal resistance is other remarkable property of a mold that indicates the refractoriness of mold particles to withstand heat without melting or vitrifying of sand. Besides, collapsibility is other notable factor of molding sand and a mold sand with good collapsibility demonstrates an easy shakeout process and prevent hot tearing defects. There are many other variables factors that influence on mechanical properties of molding sand, which include the size and shape of sand's grains, the binder type and water content, level of compaction, the metal melting point, and thermal expansion characteristics of sand. Apart from the contents mentioned about effective factors that influence on quality of molding sand, there is an unwanted phenomenon that almost all foundry companies have been experienced which in such a state they are commonly known as "dead clay. As a result, the effect of dead clay content in the molding aggregate and its effect on mechanical properties such as green compression strength and shatter index of ordinary molding sands is the main objective of this study. Metals and alloys have different melting point because their atomic binding energies are different from each other. As a result, a high temperature needs to destroy these atomic binding and this elevate temperature leads to burning the binder contents in the molding sand. Since, these binders are responsible for the strength of mold by burndown binder which is called dead clay forms a dead coating on the surface of sand particles and make it useless for further molding operations. Almost all clays heated to or over 800 ºC will have no bonding power and lose their plasticity due to the breakdown of their structure and the electrochemical bonding between the clay flakes no longer exists. Further, clay loses its crystal structure, and unwanted phase transformations such as cordierite, mullite, and cristobalite form what causes various types of casting defects such as scabs, rattails, and blowholes. In general, bentonite loses its property at 100-400 ºC by absorbing water rapidly and active clay converted to dead clay. This dead clay is not suitable for molding purposes and must be removed or kept low in order to prevent surface defects in mold sand. There is no way of removing the dead clay without removing at the same time the active clay and other fine-grained materials. However, this is obvious that adding some fresh sand and active clay could decrease the dead clay contents in total. In view of these observations, the study of the relative effect of the dead clay on the properties of green sand through the factorial design of statistical experiments seems to be quite justified. In this study, the different green sand mixtures with various dead clay contents consisting of especial sodium bentonite from Esan Eczacıbaşı Company Ltd, and silica sand from Kum Madencilik Company Ltd., have been investigated to determine an optimum amount of dead clay in the green sand mixture, what is acceptable content to achieve a suitable green sand molding property. Some amount of active clay (sodium bentonite) was fired at 800 ºC in an electric oven for about 3 hours to ensure the conversion of all active clay to dead clay. Further, to evaluate the realistic conditions, the reused molding sand mixtures with various dead clay contents have been prepared and applied for a small size pattern, then, the quality of molding has been determined. In addition, the verification of the findings which indicate the effects of dead clay content has been achieved by the investigation of physic-chemical, microstructural, and mechanical properties of the different green sand mixtures with various dead clay contents. For this aim, many analyses, such as the XRD, SEM, and TGA-DSC have been performed. The XRD analysis has been performed for the active sodium bentonite and its dead clay condition. The thermal behavior of the sodium bentonite has been determined by the TGA-DSC analysis. The SEM analysis has been performed for the dead clay particles surrounded by the silica sand particles. Therefore, the dead clay contents reduce the adhesion properties of sand particles and cause to decrease in the mold sand strength. It has been observed that increasing the dead clay content in green sand molding mixtures resulted in decreasing the green compression strength (GCS) and green shear strength (GSS) values gradually and the green sand loses its strength dramatically and dropped especially when the dead clay content increased over 2% of total clay content in green sand mixture with the total 7% bentonite. The experiments show that with increasing the dead clay content above 2%, the green sand strength decreases rapidly. The shatter index showed the same reaction as the moldability index when the dead clay content increased over 2% of the total amount of bentonite in the green sand mixtures. Both the shatter index and moldability index decreased substantially when dead clay content is added to green sand mixtures and it will be caused to create some defect in the surface of the mold. In addition, adding dead clay content had a different effect on the gas permeability index. Since dead clay particles have no binding ability therefore green sand particles lose their binding property as dead clay increases. As a result, permeability value showed a parallel relation with dead clay content such that increasing the dead clay content caused an increase destructively in the gas permeability. At the end of this investigation, the molding trial observations show after removing the pattern of the molding sand there were some cracks in the surface of the sample molds, and it determines clearly, the negative effect of the dead clay content on the molding sand which represents unsatisfactory casting productions. Thanks to this study, the required values for the best molding quality can be determined. In addition, the effect of dead bentonite on casting is clearly revealed. The data obtained as a result of this study has a very important place among the literature review, as well as a very important place for the foundries and the molding manufacturers.
Benzer Tezler
- Sıkıştırılmış zeminlerde donma-çözülme olayının deneysel incelenmesi
Experimental i̇nvestigation of freeze and thaw on compacted soils
ADEM IŞIK
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. RECEP İYİSAN
- Potasyum humat ilaveli laboratuvar ortamında hazırlanan akışkanlaştırıcı kimyasal katkılar ile üretilen harçların mekanik ve durabilite özelliklerinin incelenmesi
Investigation of mechanical and durability properties of mortars produced with chemical admixtures added potassium humate prepared in laboratory conditions
ENGİN SÜRÜCÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
İnşaat MühendisliğiKırklareli Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ KADİR KILINÇ
- Hafif ve yarı hafif betonlarda çelik lif kullanımının etkisi
The Effect of the use of steel fibre in the lightweight and semi-light weight concrete
MEHMET ALİ YILDIRIM
- Aventürin sırlı özgün seramik form ve yüzeyler
Original ceramic forms and surfaces with aventurine glaze
SAFİYE BAŞAR
Sanatta Yeterlik
Türkçe
2003
Güzel SanatlarHacettepe ÜniversitesiSeramik Ana Sanat Dalı
DOÇ. DR. CANDAN TERWİEL
- Datça yarımadasında Kabakum kumulunda toprakların ve kumulun özellikleri üzerinde incelemeler
Başlık çevirisi yok
YUSUF ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
1991
Ormancılık ve Orman Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiOrman Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. M. DOĞAN KANTARCI