Kum kalıba alüminyum döküm yönteminin, kokil kalıba alüminyum döküm yöntemine göre bazı avantajlar sağlamaktadır. Bu avantajlardan en önemlisi maliyettir. Alüminyum dökümde kum kalıp kullanımı, diğerler kalıpların kullanımına göre oldukça ekonomiktir. Kokil kalıba alüminyum dökümde yüksek maliyetlerde kalıp yaptırmak gerekirken, kum kalıba alüminyum dökümde daha düşük maliyetlerle aynı ürünler üretilebilir. Kum döküm yönteminde, kalıplama da oldukça basittir ve aynı kumun çevrimi birçok kez alüminyum dökülebilir
Kum kalıba döküm yönteminde farklı metallerin dökülebilir.Örneğin; kum kalıp ile alüminyum döküm, bronz döküm,pirinç döküm pik döküm(GG), sfero döküm(GGG) vb. Alüminyum döküm yapılmış olan kum kalıpta ise istediğimiz her malzemenin dökümü mümkündür.
Alüminyum dökümü yapılmış olan kokil kalıp ise farklı metallerin dökümü için kullanılmaz. Örneğin çelik, dökme demir vb. malzemelerin dökümü için alüminyum döküm yapılmış olan bir kokil kalıp kullanamayız.
Kum kalıba alüminyum döküm yönteminde; müşteri talebine göre bir ya da birkaç parça alüminyum döküm yapılmasında sorun olmadığı gibi seri üretim yapılmasında da herhangi bir sorun yoktur. Ancak kokil kalıba alüminyum dökümde az miktarda parça dökmek oldukça zahmetli bir iştir ve tercih edilmez. Alüminyum dökümünde kokil kalıbın bağlanıp sökülmesi başlı başına zaman kaybıdır. Bu nedenle kokil kalıba alüminyum döküm yöntemi daha çok seri üretimler için kullanılırken, kum kalıba alüminyum döküm yöntemi tek bir parça için bile uygulanabilir.
Kum kalıba alüminyum dökümün, kokil kalıba alüminyum döküme göre büyük bir avantajı da istenilen boyutta parça dökülebilmesidir. Kum kalıba alüminyum döküm yöntemi ile 1 kg olan bir parçanın da 1000 kg olan parçanın da dökümü mümkündür. Bu da kum kalıba alüminyum dökümün büyük avantajlarındandır. Bu nedenle kum kalıba alüminyum dökümün tercih edilme sebeplerindendir.
Bir parçayı üretebilmek için birden fazla üretim yöntem vardır. En sık uygulanan yöntem ise döküm yöntemidir. Döküm yöntemleri bozulabilir kalıba döküm ve kalıcı kalıba döküm diye ikiye ayrılmıştır. Kalıcı kalıba döküm yöntemi tek bir kalıptan istediğimiz adette parça dökebilir kalıbı kaldırıp tekrar kullanabilir. Bozulabilir kalıba döküm yönteminde ise her dökülecek parça için kalıp yapılmalıdır. Bunun en büyük sebebi parçayı kalıptan çıkarabilmek için kalıbı bozmamız gerekmektedir. Bozulabilir kalıba döküm yöntemlerinden en yaygın olarak kullanılan kum döküm yöntemidir.
Kum döküm kalıplama yöntemi dökmek istediğimiz parçanın öncelikle modeli hazırlanır. Model ahşap, metal veya plastik olabilir. Maliyet olarak en uygunu ve hafif olmasından dolayı en sık ahşaptan model yapılır. Model yapılırken normal parça ölçüsünden biraz büyük yapılır. Bunun en büyük nedeni sıvıdan katıya geçerken her malzemenin bir çekme payı vardır. Çekme payını hesaplanmadan modeli parça ölçüsünde yapıldığında, döküm sonrasında parça ölçü toleranslarından düşük çıkar. Model hazırlandıktan sonra döküm için kalıp hazırlanmaya başlanır. Kalıp üst ve alt derece olarak modelin şekli çıkartılır. Alt ve üst derece birleştirilerek üst dereceden metal girişi yapılır. Metal bulunduğu boşluğun şeklini almaktadır. Parçada içi boş çıkmasını istediğimiz bölgelere maça yerleştiririz. Metal maçanın etrafını doldurur. Kalıbı bozduktan sonra parça içerisinden maça boşaltıldığında parçada maçanın olduğu yer içi boş olur.Metal üst derecede ki huni şeklinde hazneden doldurulur. Yolluk girişinin hunu şeklinde olmasının iki sebebi vardır. Birincisi cüruf, pislik ve havanın metalden kalıp içerisine girmesine engel olmak. İkincisi metalin havada oluşturduğu türbülans akışını laminar akışa (düzgün akış,katmanlı akış) çevirerek daralan düşey yolluktan metal alt derecede bulunan topuk kısmına iletmek. Topuk kısmı metalin laminar akışta yavaşlamasını sağlayarak metalin gideceği yönü gösterir. Metal topuk kısmında yatay yolluğa geçer yatay yolluk ile parça arasında meme girişleri bulunmaktadır. Meme girişleri yatay yolluktan gelen metalin parça içerisine laminar akışta aktarılmasını sağlar. Türbülanslı akış gazı metal içerisine hapsederek parçada döküm hataları çıkmasına sebebiyet vermektedir. Bundan dolayı yolluk tasarımında ani dönüşlerden kaçınarak metalin yolluk ve parça içerisinde laminar akışta ilerletilmesi sağlanır. Meme girişleri alt ve üst derecede de bulunmaktadır. Metal alt memede soğuyarak üst memeye besleyici görevi görerek metalin üst memeden parçanın içinin metal ile dolumunu sağlar.
Parçada döküm boşluğu, çekinti, yürümeme, gaz boşluğu ve benzeri döküm hataları meydana gelebilmektedir. Bu hataların önüne geçebilmek için yolluk tasarımında döküm hatasının meydana geldiği bölgeye besleyici, gaz çıkışı, soğutucu gibi eklemeler yapılmaktadır. Üst ve alt derecenin kapatılması ile birlikte içerisinde hava kalır. Metal parça içerisine dolarken hava dışarı çıkabilmek için gaz çıkışını kullanır. Metalin parçayı dolduramadan erken soğumanın gerçekleştiği parçanın tam şeklini alamadığı durumlarda metal parçayı beslemez. Bu durumda parçanın metal olarak daha geç soğumasını ve parçanın tam şeklini almasını istediğimiz bölgelere besleyici yapılır. Besleyici parçada yolluk tasarımı dışında parçaya ikinci bir ek yapılmasıdır. Soğutucu dökülecek metalin ergime sıcaklığından daha yüksek katı bir metal kullanılmasıdır. Döküm hatasının olduğu bölgeye derece hazırlanırken konulur.
Döküm parçaların büyük bir kısmı kum kalıplara yapılır. Genel ortalama olarak 1 ton döküm için 4-5 ton kum gereklidir. Bu miktarlar, dökülecek metalin cinsine, parça büyüklüğüne ve kalıplama yöntemine göre değişebilir.
Kalıp malzemesinin görevi döküm boşluğunun şeklini meydana getirmek ve bu şeklin, sıvı metal dökülüp katılaşma bitene kadar kendisini korumasını sağlamaktır. Kalıp malzemesi başlıca üçe ayrılır; yeterli yüksek refrakter özelliği sağlayan kum taneleri, kum içinde doğal olarak bulunan veya sonradan eklenen bağlayıcı etkisi ise kum tanelerinin birbirine yapışmasına imkan veren ve dolayısıyla kumu uygun bir kalıp malzemesi haline getiren kil ve eklenen su.
Kum kalıp kumları doğal ve sentetik diye iki gruba ayrılır. Doğal kalıp kumları; doğal oranlarında kil içerirler ve olduğu gibi kullanılır, bağlanmayı (yapışmayı) kuvvetlendirmek için su eklenir. Önemli avantajı nem miktarını uzun süre koruyabilmektedir. Dezavantajı ise özelliklerinin çok değişken olmasıdır. Sentetik kumlar ise doğada bulundukları haliyle düşük kil oranı içeren dolayısıyla bağlayıcı özelliklerini arttırmak için bentonit gibi bağlayıcı ve su ilavesi gerektiren kumlardır. Avantajları daha üniform(düzgün) tane boyutu, daha yüksek refrakterlik özellikli olması ve kontrol edilebilirlik özelliklerinin iyi olmasıdır. Kum, 0.05-2 mm boyutlarındaki mineral tanesi olarak bilinir. Dökümlerde en çok tercih edilen ve kullanılan kum SiO₂ bileşimindedir. Silis kumunun döküm kumu olarak tercih edilmesinin en önemli nedenleri kolay bulunması, ucuz olması ve yüksek refrakterlik özelliğe sahip olmasıdır. Yüksek genleşme gösterdiği için boyut toleranslarında hesaba katılma gerekliliği vardır. İkinci alternatif olarak tercih edilen diğer kum bileşimi ise zirkon kumudur. Zirkonyum kumumun temel özelliği iletkenliğinin yüksek olması (silisin iki katı) ve düşük genleşmesidir. Dezavantajı ise yüksek yoğunlukta olmasıdır (silisin iki katı). Diğer kullanılan kumlar ise olivin (magnezyum demir silikattır-(Mg,Fe)2SiO4) ve kromittir (demir magnezyum kromat-(Fe, Mg)Cr2O4). Kum Kimyasal formülü Yoğunluk (kg/m3), Sertlik (Mohs), Renk (Silis SiO2 2650 7 Sarı - Zirkon ZrSiO4 4700 7.5 Kahverengi - Olivin (Mg,Fe)2SiO4) 3500 7 Yeşil-sarı - Kromit (Fe, Mg)Cr2O4) 4500 5.5 siyah - Bileşim % Silis Olivin Kromit Zirkon SiO₂ 98.82 41.2 1.34 33.5 MgO 0.031 49.4 8.75 - Cr2O3 - - 45.8 - ZrO2 - - - 65 Al2O3 0.049
Kalıp kumunda beklenen özellikler çok sayıdadır. Bunlar arasında kum hazırlamada kontrol edilebilen başlıca özellikler şunlardır:
Yaş mukavemet, kuru mukavemet, kum gaz gerçirgenliği, nem miktarı, kil miktarı, tane boyutu inceliği ve dağılımıdır. Yaş Mukavemet; kalıp kumuna temper suyu eklendikten sonraki mukavemetidir. Kalıbın hazırlanması ve sıvı metalin döküldüğü andan itibaren şeklini koruyabilmesi için gereçli mukavemettir. Standart deney numunesi üzerinde basma mukavemeti olarak ölçülür. Yaş mukavemeti etkileyen faktörler; tane inceliği, tane şekli, bağlayıcı cinsi ve miktarı, nem miktarı. Tane inceliği: Belirli bir kum hacim için taneler ne kadar küçük boyutlu ise taneler arası temas yüzeyi o kadar büyüktür. İnce taneli kumun yaş mukavemeti daha yüksektir. Temas yüzeyi doğal olarak kum tanelerinin şekline de bağlıdır. Yuvarlak şekilli taneler sivri ve keskin tanelere göre daha sıkı ve dolayısıyla daha mukavemetli olmalarına neden olmaktadır
Nem miktarı; yaş mukavemet nem miktarı ile önce artış gösterir daha sonra bir düşüş gösterir. Mukavemetin artış gösterdiği noktaya kadar olan neme “temper suyu”, düşüşe geçtiği bölgedeki neme ise “serbest su” adı verilir.
Kum gaz geçirgenliği; kalıp kumundan hava, gaz veya buharın geçişine izin vermesidir. Kum taneleri arası açıklık arttıkça artan ve standart basınç altında kum içinden havanın geçiş hızı ile ilgili bir sayı ile ifade edilir. Kalıp kumuna bu özelliği kazandıran kum taneleri arası boşluklardır. Bunları kontrol eden dört faktör; 1) tane inceliği, 2) tane şekli, 3) bağlayıcı cinsi ve miktarı, 4) nem miktarıdır.
1) Tane inceliği : Yaş mukavemet üzerine tane inceliğinin etkisi taneler birbirine ne kadar temas ederse yani ne kadar sıkı olarak dizilirlerse mukavemet artar. Ancak bu sıkı düzenlenme sonucu gaz geçirgenliği azalır
2) Tane şekli : Benzer durum karşılaştırması burada da yapılabilir. Yaş mukavemeti arttırmak için yuvarlak taneler istenilirken gaz geçirgenliği için bu sefer sivri ve köşeli taneler tercih edilir
3) Bağlayıcı miktarı : Bağlayıcı miktarı arttıkça geçirgenlik de azalacaktır. Taneler arası bağ ve tutunma(yapışma) arttıkça kum gaz geçirgenliği azalır
4) Nem miktarı : Bağlayıcıların etkilerine benzer şekilde, temper suyu arttıkça gaz geçirgenliği artacaktır ancak serbest su miktarı arttıkça kum gaz geçirgenliği azalır
Kuru Mukavemet; kalıp kumunun kuru mukavemetinin Ancak kuru en etkin belirleyici özelliği bağlayıcı cinsidir. Ca-bentonitleri Na- bentonitlere göre daha düşük kuru mukavemet özelliğine sahiptir. Tane inceliği arttıkça daha düzgün yüzey elde edilecektir. Tane inceliği AFS standartlarına göre belirlenir ve AFS numarası (AFS no) olarak belirlenen tane inceliği birim inç karedeki elek sayısıdır. Dolayısıyla AFS numarası arttıkça daha ince taneli kum olduğu anlaşılır.
1- Yaş Kum Kalıplama
2- Kuru Kum Kalıplama
3- Yüzeyi Kurutulmuş Kalıplar
4- Çukur Kalıplar
5- CO2 ile Kalıplama
Yaş kum kalıba döküm, dökümhanelerde en yaygın kullanılan döküm yöntemidir. Bu yöntemde sıvı 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 ve su birleşerek kumların bir arada tutulması için bir bağlayıcı görevini görür.
Kalıplama, küçük parçalar için tezgah üzerinde, iri parçalar için yerde kum havuzlarında yapılır. Üretilen 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. Genelde kalıp boşluğunu sıvı metalle doldurabilmek için yer çekimi kuvvetinden yararlanılır. 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.
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 çünkü suyun kaybolması kumların mukavemeti üzerinde olumsuz 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. Geçirgenliği az olan kumların kullanılabilmesi, bu yöntemle daha iyi döküm yüzeyi elde edilir.
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, ısıtılan 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 kondensasyon bölgeleri meydana gelmektedir. Bu bölgelerde nem oranının, orijinal değerinin % 60 üzerinde bir değere ulaşabildiği gösterilmiştir. Dolayısı ile bu tür kısmen kurutulmuş kalıplarda, vakit kaybetmeden döküme 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 mukavemette bir azalmaya neden olmakla beraber çok kısa süreli bir ısıtmayla giderilebilir.
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.
Yaş kum kalıplama ile kuru kum kalıplama arasında sınıflandırılabilecek modern bir yöntem (CO₂ - sodyum silikat yöntemi) CO₂ ile kalıpların 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 kalıplamada benzer şekilde kullanılabilir.
Kum +% 1.5 - 6 camsuyu (Na₂O.SiO₂) karışımı, model etrafına konur 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 yerini 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