ŞİLE SİLİS KUMU VE ANKARA-BOLU BÖLGESİ

ŞİLE SİLİS KUMU VE ANKARA-BOLU BÖLGESİ BENTONİT KARIŞIMLARININ
YAŞ KUM KALIP ÖZELLİKLERİ
Dilan BAHÇIVANCI*, Kaan AKDEMİR*, Selman FINDIKLI*, Eren UYANUSTA*,
Serdar KADIOĞLU*, Ahmet TURAN*,**, Necip ÜNLÜ*,
Bünyamin ERTEK***, Onuralp YÜCEL*, Ercan AÇMA*, Mehmet Niyazi ERUSLU*,****
*İstanbul Teknik Üniversitesi, Kimya-Metalurji Fakültesi, Metalurji ve Malzeme
Mühendisliği Bölümü, 34469, Maslak, İstanbul, Türkiye
**Yalova Üniversitesi, Yalova Meslek Yüksek Okulu, 77100, Yalova, Türkiye
***Karakaya Bentonit A.Ş, Eskişehir Yolu 9. Km No:266, B Blok, No.53,
Tepe Prime, Ankara, Türkiye
****Yalova Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya ve Süreç Mühendisliği Bölümü,
77100, Yalova, Türkiye
ÖZET
Yaş kum kalıba dökümde kalite, yaş/kuru basma mukavemeti, gaz geçirgenliği,
kalıplanabilirlik indeksi ve shatter indeksi gibi kalıp özelliklerine bağlı olmaktadır. AFS tane
incelik no. 41,09 olan Şile silis kumu, Ankara-Bolu bölgesi bentoniti (%3-12 aralığında) ve su
(%2-9 aralığında) ilaveleri ile hazırlanan karışımların, yaş kum kalıp özellikleri incelenmiştir.
%3, 6, 9, 12 Ankara-Bolu (Ca) bentoniti içerikli kalıp kum karışımlarında yaş basma
mukavemetleri %3 nem içeriğinde maksimuma ulaşmış ve daha yüksek nem içeriklerinde ise
düşme gözlenmiştir. Hazırlanan kalıp kum karışımlarında bentonit içeriğinin %3’ten %12’ye
yükselmesiyle gaz geçirgenliği doğrusal olarak düşüş göstermiştir. Ankara-Bolu (Ca)
bentonitleri ile hazırlanan kalıp kum karışımlarında artan bentonit ve nem içeriğinde
kalıplanabilirlik indeksi ve shatter indeksi doğrusal olarak artış göstermiştir.
Anahtar kelimeler; yaş/kuru basma mukavemeti, gaz geçirgenliği, kalıplanabilirlik indeksi,
Ankara-Bolu bölgesi bentoniti
ABSTRACT
Quality in green-sand mold casting applications depend on some main mold-properties such
as green/dry compressive strength, gas permeability, moldability index and shatter index.
Green-sand mold properties of the prepared sand mixtures consisted of Ankara-Bolu region
bentonite (3-12 %), SiO2 Şile sand with the AFS number 41,09 and water (2-9 %). Green
compression strength of moulding sand mixtures having Ankara-Bolu (Ca) bentonite addition
in the range of 3 to 12% reached the maximum at the 3 % moisture content, then, decreased
with the increasing of moisture content. When the bentonite content increased from 3% to
12% in the studied moulding sand mixtures, the gas permeability exhibited a linear decrease.
The moldability index and shatter index of studied moulding sand mixtures having AnkaraBolu (Ca) bentonite presented a linear increase.
Keywords; green/dry compressive strength, gas permeability, moldability index, Ankara-Bolu
region bentonite
1.GİRİŞ
Yaş kum kalıplama karışımına yapılan her bir ilave malzeme, kum sistemini, dolayısıyla da
oluşturulan kum karışım reçetelerini kompleks hale getirmektedir. Dökümhaneler için yapılan
en iyi tavsiye, kum karışım reçetelerinin mümkün olduğunca basitleştirilmesi ve
tekrarlanabilir özellikte olmasıdır [1]. Yaş kum kalıp reçetesinin oluşturulması, kek yapımına
benzemekte, doğru miktar ve zamanda ilave edilmek zorunda olan temel bileşenlerden (KumBentonit-Su) oluşmaktadır. Temel bileşenlerin miktarları, kontrol altında tutulmalı ve arzu
edilen sonuçların temini için, nihai ürün standart testlerden geçirilerek değerlendirilmelidir.
Bentonitler, döküm sanayiinde, kalıp kumunun hazırlanmasında bağlayıcı olarak önemli bir
yere sahiptir. Türkiye’deki bentonit yataklarından çıkarılan bentonitlerin dökümcülükte
kullanımı sektör açısından önemli bir yer oluşturur. Ankara-Bolu (Ca bentonit) bölgesine ait
bentonitlerin döküm endüstrisi açısından teknolojik değerlerinin ve optimum kullanım
şartlarının belirlenmesi amacı kapsamında %3-12 bentonit ve %2-9 su ilaveleri ile hazırlanan
karışımların, yaş basma mukavemeti, kuru basma mukavemeti, gaz geçirgenliği,
kalıplanabilirlik indeksi ve shatter indeksi özellikleri incelenmiştir.
2. DENEYSEL ÇALIŞMA
Bu çalışmada bütün deneylerde Siltaş A.Ş.’ye ait, elek analiz sonucu Şekil 1’de verilen AFS
tane incelik numarası 41.09 olan kum kullanılmıştır. XRF analiz sonucu Çizelge 1’de verilen
Ankara-Bolu bölgesi bentoniti, temin edildiği şekliyle herhangi bir aktivasyon işlemi
yapılmaksızın bağlayıcı olarak kullanılmıştır. %3-12 aralığında bentonit içerecek şekilde
hazırlanan döküm kalıp kum karışımları, laboratuvar tipi karıştırıcıda %2-9 aralığında su
ilavesi yapılarak hazırlanmıştır. Karışımlar, kapasitesi 4.5 kg olan laboratuvar tipi bir
karıştırıcıda TSE 5360 standardında [2] belirtildiği şekli ile hazırlanmıştır. Karıştırma işlemi
iki kademede yapılmış olup, ilk kademede kum ve bentonit numunesi miksere boşaltılıp bir
dakika kuru karıştırılmış, bentonitin kum içerisinde homojen dağılımı sağlanmıştır. İkinci
kademede, homojen hale gelen kum karışımı belirli oranlarda su ilavesi yapılarak 9 dakika
karıştırma işlemi uygulanmıştır.Hazırlanan karışımlardan AFS standardına göre [3] 50 mm
çap ve 50 mm yüksekliğinde kum test numuneleri hazırlanmıştır. Yaş basma ve yaş kesme
mukavemetleri George Fisher marka AFS standart mukavemet test cihazı ile ölçülmüştür. Gaz
geçirgenlik ölçümleri, George Fischer gaz geçirgenlik cihazında gerçekleştirilmiştir.
Kalıplanabilirlik ve shatter indeksleri ölçümünde George Fischer kalıplanabilirlik cihazı ve
shatter indeksi tayini cihazı kullanılmıştır.
Şekil 1. Hazırlanan kalıp kum karışımlarında kullanılan kumun elek analizi sonucu.
Çizelge 1. Ankara-Bolu bölgesi bentonitinin XRF analiz sonuçları.
Bentonit
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O
Ankara-Bolu
51,40 17,00 10,50 4,23 2,46 0,54 1,85
3.BULGULAR
Ankara-Bolu (Ca bentonit) bölgesine ait bentonitleri hazırlanan kalıp kum karışımlarının
döküm endüstrisi açısından teknolojik değerlerinin ve optimum kullanım şartlarının
belirlenmesi amaçlanmış, %3-12 bentonit ve %2-9 su ilaveleri ile hazırlanan karışımların, yaş
basma mukavemeti, kuru basma mukavemeti, gaz geçirgenliği, kalıplanabilirlik indeksi ve
shatter indeksi özellikleri incelenmiştir.
3.1. Yaş Basma ve Kuru Basma Mukavemeti
Ankara-Bolu (Ca) bentonitleriyle hazırlanmış olan döküm kalıp kumu karışımlarının yaş
basma mukavemeti ve kuru basma mukavemeti özelliklerine ait sonuçlar Şekil 2 ve Şekil 3’de
verilmiştir. Yaş basma mukavemeti, kalıbın hazırlanması esnasında ve sıvı metalin döküldüğü
anda kalıbın şeklini koruması için gerekli olan mukavemettir [4]. Şekil 2’den görüldüğü gibi,
%3, 6, 9, 12 Ca-bentoniti içerikli kalıp kum karışımlarında yaş basma mukavemetleri %3 nem
içeriğinde maksimuma ulaşmakta (temper noktası su içeriği) ve daha yüksek nem
içeriklerinde ise düşme gözlenmektedir. %3 bentonit ve %3 nem içeriğinde yaş basma
mukavemeti 4,91±0,06 psi olup, nem içeriğinin üç katı artması durumda (% 9) yaş basma
mukavemet değeri 2,86±0,02 psi değerine düşüş göstermiştir. Nem içeriğindeki artış ile yaş
basma mukavemetindeki azalma, kum kalıp içerisinde nem içeriğinin aşırı varlığını ifade
etmektedir. Ca-bentoniti ile hazırlanan kalıp kum karışımlarında sabit nem içeriklerinde
bentonit miktarının artması durumunda da yaş basma mukavemet değerlerinde artış
gözlenmiştir. % 3 nem ve %3 bentonit içeren kalıp kum karışımlarında yaş basma
mukavemeti 4,91±0,06 psi’dan bentonit içeriğinin dört kat artması durumunda % 12 bentonit
içeriğinde yaş basma mukavemeti 14,35±0,30 psi olarak yaklaşık üç kat artış göstermiştir.
Amerikan Dökümcüler Birliğince (American Foundrymen’s Association) farklı döküm
alaşımları için elde edilmiş olan kum test verileri [5] göz önüne alındığında 100 kg üzeri çelik
parçalar için AFS tane boyutu 38-62 aralığındaki kalıp kum karışımlarında, % 4-10 kil içeriği
ve % 2-4 nem içeriğinin 6,5-7,5 psi yaş basma mukavemet aralığı ile tatmin edici sonuçlar
verdiği rapor edilmiştir. Çalışma kapsamında incelenen AFS tane boyutu 41,09 olan kum
sisteminde %3 nem ve %6 kil içeriğinde, Ankara-Bolu (Ca) bentonitli karışımda yaş basma
mukavemeti değerinin 6,53±0,12 psi olduğu tespit edilmiştir. Ankara-Bolu (Ca) bentonitli
karşımın Amerikan Dökümcüler Birliğince tanımlanmış olan yaş basma mukavemet aralığı
içerisinde olduğu da görülmüştür.
Şekil 2. Ankara-Bolu (Ca) bentoniti ile hazırlanan döküm kalıp kumunun yaş basma
mukavemeti-(%) nem değişimi.
Şekil 3.’de Ankara-Bolu (Ca) bentoniti ile hazırlanan kalıp kum karışımlarında kuru basma
mukavemeti ile (%) nem değişimi bentonit içeriğine bağlı olarak verilmiştir. Artan nem ve
bentonit içeriğiyle kuru basma mukavemeti Ankara-Bolu (Ca) bentoniti ile hazırlanan
karışımlarda doğrusal olarak artış göstermiştir. %6 bentonit ve %3 nem içeren kalıp kum
karışımının kuru basma mukavemeti 17,75±0,43 psi değeri, nem içeriğinin üç katı artarak %9
olması durumunda 29,5±0,80 psi olarak yaklaşık 1,7 kat artış göstermiştir. Benzer şekilde %9
bentonit ve %3 nem içeren kalıp kum karışımında kuru basma mukavemeti 20,5±0,41 psi olup
nem içeriğinin üç katı artması durumunda 2,5 kat artış ile 51,25±1,08 psi değerine ulaşmıştır.
Nem içeriğindeki artış ile kuru basma mukavemetindeki benzer artış, Aweda ve
arkadaşlarınca [6], Sunday ve arkadaşları [7] ve Ayoola ve arkadaşlarınca [8] rapor edilmiştir.
Nem içeriğinin artışa paralel olarak kuru basma mukavemetindeki artış, kalıp kum
karışımlarının daha yüksek oranda nem absorblayabileceğini göstermiştir.
Şekil 3. Ankara-Bolu (Ca) bentoniti ile hazırlanan döküm kalıp kumunun kuru basma
mukavemeti-(%) nem değişimi.
3.2. Gaz Geçirgenliği
Hazırlanmış olan kalıp kum karışımlarına ait gaz geçirgenliği değişimleri, nem içeriğine bağlı
olarak Şekil 4’de verilmiştir. Gaz geçirgenliği kalıp kum karışımının hava, gaz veya buharın
geçişine imkan verme özelliğidir [4]. Karışımlarda bentonit içeriğinin %3’ten %12’ye
yükselmesiyle gaz geçirgenliği doğrusal olarak düşüş göstermiştir. %3 Ca-bentoniti ve %2
nem içeren kum karışımında gaz geçirgenliği 215 cm3/dk olup bentonit içeriğinin üç katı
artması durumunda 3,5 kat azalarak 60 cm3/dk değerine düşme göstermiştir. %3, 6, 9 ve 12
Ca-bentonit içerikli kum karışımların %3 nem içermeleri durumunda yaklaşık 200-300
cm3/dk aralığındaki gaz geçirgenlik değerleri, %9 nem içeriğinde 120-220 cm3/dk aralığına
düşmüştür. Yapılan gaz geçirgenlik testleri, kum tanelerinin kil partiküllerince tamamen
kaplanmış olmaları durumunda, geçirgenlik değerlerinde bir maksimum değere ulaşıldığını
göstermektedir. %3 nem içeriğinden itibaren yaş kumdaki absorbsiyon yüzdesinin artışı ile
kum taneleri üzerindeki kaplı hidrate kil filmleri kalınlaşmaktadır. Kum numunesinin
sıkıştırılması durumunda kum taneleri arasındaki mevcut boşluk hacmi azalmaktadır. Bu da
geçirgen kanalların hacmini azaltarak, yaş kum numunelerin test edilen geçirgenliğini
azaltmaktadır.
Şekil 4. Ankara-Bolu (Ca) bentoniti ile hazırlanan döküm kalıp kumunun gaz geçirgenliği(%) nem değişimi.
Amerikan Dökümcüler Birliğince (American Foundrymen’s Association) [5] 100 kg üzeri
çelik parçalar için AFS tane boyutu 38-62 aralığındaki kalıp kum karışımlarında, %4-10 kil
içeriği ve %2-4 nem içeriğinde kabul edilebilir gaz geçirgenlik aralığı 130-300 cm3/dk. olarak
verilmiştir. Hazırlanan kalıp kum karışımlarında %3 nem ve %6 kil içeriğinde, Ankara-Bolu
(Ca) bentonitli karışımda gaz geçirgenlik değeri 288 cm3/dk. olduğu tespit edilmiştir. AnkaraBolu (Ca) bentonitli karşımın Amerikan Dökümcüler Birliğince [5] tanımlanmış olan gaz
geçirgenlik aralığı içerisinde olduğu görülmüştür.
3.3. Shatter İndeksi
Shatter testi, yaş kum kalıpların sıyrılma yeteneğinin belirlenmesinde kullanılmaktadır. Pek
çok yaş kum karışımlarının shatter indeksi 40 ile 100 arasındadır [9]. Shatter indeksinin pratik
uygulamalrdaki istenen tatmin edici aralığı 70-80 olarak literatürde verilmiştir [10]. AnkaraBolu (Ca) bentonitleri ile hazırlanan kalıp kum karışımlarının artan nem içeriğine bağlı olarak
shatter indeksi değişimleri Şekil 5‘te verilmiştir. Artan bentonit ve nem içeriğinde
karışımlarda shatter indeksi doğrusal olarak artış göstermiştir. Ankara-Bolu (Ca) bentonitli
kalıp kum karışımlarında bentonit içeriğinin %3 ve nem içeriğinin %3 olması durumunda
shatter indeksi 31,56±1,53 değeri, bentonit içeriğinin dört kat (%12) arttığı durumda yaklaşık
2,5 kat artış göstererek 74,19±2,45 shatter indeks değerine ulaşmıştır. Nem içeriğinin üç katı
artması durumunda shatter indeksi de 1,5 kat artarak 43,86±0,06 değerine çıkmıştır. Nem
içeriği ile shatter indeksindeki artış, bentonitin su ile aktive edilmesine ve kalıbın
parçalanmasına karşı tokluk kazanımına neden olmaktadır [6].
3.4. Kalıplanabilirlik İndeksi
Yüksek hızlı kalıplama makinalarında kalıp kum karışımının performansını etkileyen
faktörler; kumun kalıplanabilirlik indeksi, kum ve modelin birbirlerinden ayrılması işlemi ve
kalıpta herhangi bir hasar olmaksızın dövülebilme yeteneğidir. Kum karışımının
kalıplanabilirlik indeksi, minimum boşluklu bir kalıp yüzeyi meydana getirme ve kolayca
dövülebilme yeteneğinin göstergesidir [11] ve kalıp kum karışımının kalıp haline dövülmesi
sırasında modelin şeklini almadaki davranışının belirleyen özelliktir. Artan nem ve bentonit
içeriğine bağlı olarak tespit edilmiş olan kalıplanabilirlik indeksi değişimleri Şekil 6’da
verilmiştir.
Şekil 5. Ankara-Bolu (Ca) bentoniti ile hazırlanan döküm kalıp kumunun shatter indeksi-(%)
nem değişimi
Hazırlanan karışımlarda artan bentonit içeriğiyle kalıplanabilirlik indeksi değerleri doğrusal
olarak artış göstermiştir. Nem içeriğinin artışına paralel olarak kalıplanabilirlik indeksi
değerlerinde düşüş gözlenmiştir. %6 ve %9 nem içerikli Ankara-Bolu (Ca) bentonitli
karışımların kalıplanabilirlik indeksi değerleri 20 ve altında kalmıştır. 60’ın altındaki
kalıplanabilirlik indeksi durumunda kum, kullanım zorlukları çıkartacak, ayırma yüzeyinde
aşırı boşluklar gözlenebilecek ve kalıp boşluğunun düşey duvarları yetersiz bir şekilde
kompaktlanacaktır [11]. Dolayısıyla %6 ve %9 nem içerikli kalıp kum karışımlarının,
boşluksuz ve sağlam bir kalıp yüzeyi oluşturan kum karışımı olmadığı görülmüştür. %3 nem
ve %9 bentonit içeren (Ankara-Bolu Ca-bentoniti) kalıp kum karışımında kalıplanabilirlik
indeksi 71 olarak belirlenmiştir. Literatürde [11] 78-90 kalıplanabilirlik indeksi aralığı;
boşluksuz ve sağlam bir kalıp yüzeyi oluşturan kum karışımı olarak tanımlanmıştır. Böylece
%3 nem ve %9 bentonit (Ankara-Bolu Ca-bentoniti) içeren karışımların kalıplanabilirlik
özelliğinin yeterli olmadığı ifade edilebilir.
Şekil 6. Ankara-Bolu (Ca) bentoniti ile hazırlanan döküm kalıp kumunun kalıplanabilirlik
indeksi-(%) nem değişimi.
4. SONUÇLAR
Ankara-Bolu bölgesine ait bentonitlerin döküm endüstrisi açısından teknolojik değerlerinin ve
optimum kullanım şartlarının belirlenmesi amacıyla %3-12 bentonit ve %2-9 su ilaveleri ile
hazırlanan karışımların, yaş basma mukavemeti, kuru basma mukavemeti, gaz geçirgenliği,
kalıplanabilirlik indeksi ve shatter indeksi özellikleri incelenmiştir. %3, 6, 9, 12 Ca-bentoniti
içerikli kalıp kum karışımlarında yaş basma mukavemetleri %3 nem içeriğinde maksimuma
ulaşmakta (temper noktası su içeriği) ve daha yüksek nem içeriklerinde ise düşme
gözlenmiştir. Sabit nem içeriklerinde bentonit miktarının artması durumunda, yaş basma
mukavemet değerlerinde artış gözlenmiştir. Artan nem ve bentonit içeriğiyle kuru basma
mukavemeti, hazırlanan karışımlarda doğrusal olarak artış göstermiştir. Bentonit içeriğinin
%3’ten %12’ye yükselmesiyle, gaz geçirgenliği doğrusal olarak düşüş göstermiştir. Artan
bentonit ve nem içeriğinde; kalıplanabilirlik indeksi ve shatter indeksi doğrusal olarak artış
göstermiştir. 100 kg üzeri çelik parçaların kum kalıba dökümü esnasında, hazırlanan kalıp
kum karışımları içerisinde optimum kalıp özelliklerini sadece kuru basma mukavemetinin
artırılması için mısır unu veya dekstrin ilavesinin gerekli olduğu, dolayısıyla ekonomik olarak
karşımıza çıkan kalıp kum karışımının %3 nem - %12 Ankara-Bolu (Ca) bentonitli karışım
olduğu tespit edilmiştir.
TEŞEKKÜR
Laboratuvar çalışmalarımızda kullanmış olduğumuz kalıp kumu ve bentonit temininde
desteklerini esirgemeyen KARAKAYA BENTONİT A.Ş.’ye ve malzemelerin İ.T.Ü.
Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Katılaşma Laboratuvarına nakliyesinde vermiş olduğu
destekten ötürü İTÜ REKTÖRLÜĞÜ’ne teşekkürü bir borç biliriz.
KAYNAKÇA
1) D. F. Hoyt., ‘If It's Black, Why Do They Call It Green Sand?’AFS Transactions, 100,
s.353, 1995.
2) TSE 5360, ‘Döküm Bentoniti’, ICS 73.080, 1996.
3) AFS Mold and Test Handbook, 2nd Edition, İ.T.Ü. Kütüphanesi, AFS Inc., des Plaines,
Illinois 60016-2277, 1989.
4) E. N. Çavuşoğlu, Döküm Teknolojisi, İTÜ Matbaası, İstanbul, 1981.
5) Foseco, The Foseco Foundryman’s Handbook, 9th Edition, s.70, 1986.
6) J. O. Aweda, Y. A. Jimoh., ‘Assessment of Properties of Natural Moulding Sands in Illorin
and Ilesha, Nigeria’, USEP:Journal of Research Information in Civil Engineering, 6, s.68,
2009.
7) M. S. Abolarin., S. A. Lawal., A. A. Salawu., ‘Effect of Moisture Content on the Molding
Properties of River Niger Sand Using Tudun-Wada Clay as a Binder’, AU J.T., Technical
Report, 13, s.170, 2010.
8) W. A. Ayoola., A. Oyetunji., S. O. Adeosun., O. I. Sekunowo., M. O. Bodude.,
‘Investigation of Foundry Properties of Oshogbo and Saki Silica Sand Deposits’, Daffodil
International University Journal of Science and Technology, 8, s.11, 2013.
9) J. Outhwaite., ‘Recent Trends in Greensand Practice’, British Foundryman, 60, s.143,
1967.
10) S. Gao., D. Shi., L. Wang., ‘Orthogonal Experiments for Effect Of Components On
Performance Parameters of Green Sand for High Density Moulding’, s.535, 2012.
11) A. L. Graham., H. W. Dietert., T. H. Hanna., R. T. Dakswicz., ‘Moldability Testing and
Control’, AFS Transactions, 71, s.394, 1963.