* Sand Binder Systems in the Foundries: A Technical Review of Resin-Based and Alternative Methods
Kaan KIZILKAYA İdeal Model - Genel Müdür
e-posta: kkizilkaya@idealmodel.com.tr
ÖZET
Bu makalede, döküm sektöründe kullanılan kum bağlayıcı sistemlerinin teknik özellikleri ve kullanım alanları detaylı biçimde incelenmiştir. Kum kalıplama ve maça hazırlama proseslerinde kullanılan bağlayıcılar, döküm parçalarının kalitesini, boyutsal doğruluğunu ve yüzey kalitesini doğrudan etkileyen kritik unsurlardır. İnorganik (bentonit kil, sodyum silikat-su camı gibi) ve organik (Alfaset, Furan reçine, Poliüretan No-bake (PUNB), Cold-box ve sıcak kutu (hot-box) yöntemleri gibi) sistemlerin kimyasal yapıları, sertleşme mekanizmaları, fiziksel ve mekanik özellikleri, gaz emisyon seviyeleri ve çevresel etkileri karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Özellikle reçine esaslı bağlayıcıların yüksek mukavemet avantajları yanında ortaya çıkan zararlı gazlar ve çevresel sorunlar da detaylandırılmıştır. Sonuç olarak, dökümhanelerin, üretim ihtiyaçlarına ve çevresel mevzuatlara göre bağlayıcı sistemleri seçerken karşılaştıkları avantaj ve dezavantajlar vurgulanarak, sürdürülebilir döküm üretimi için daha çevreci teknolojilere yönelim gerektiği ifade edilmiştir.
Anahtar kelimeler: Kum Bağlayıcıları, Reçine Esaslı Sistemler, Alfaset, Furan Reçine, Cold-box, Sodyum Silikat, Döküm Teknolojisi, Çevresel Etkiler.
ABSTRACT
This article provides an extensive technical analysis of sand binder systems used in the foundry industry. Sand binders are critical components influencing casting quality, dimensional accuracy, and surface finish in molding and core-making processes. The chemical structures, curing mechanisms, mechanical and physical properties, gas emissions, and environmental impacts of inorganic binders (e.g., bentonite clay, sodium silicate-water glass) and organic binders (e.g., Alphaset, Furan resin, Phenolic-Urethane No-Bake (PUNB), Cold-box, and hot-box methods) have been comparatively reviewed. Special attention has been given to resin-based binders, discussing their superior mechanical strengths alongside the significant environmental concerns due to harmful gas emissions. Ultimately, this study emphasizes the necessity for foundries to balance production demands and environmental regulations when selecting binder systems and advocates for more sustainable technologies to achieve environmentally responsible casting production.
Keywords: Sand Binders, Resin-Based Systems, Alphaset, Furan Resin, Cold-box, Sodium Silicate, Foundry Technology, Environmental Impact.
Bağlayıcı Sistemlerinin Genel Sınıflandırılması
Kum bağlayıcıları genel olarak inorganik (organik olmayan) ve organik (reçine esaslı) diye iki ana gruba ayrılabilir. İnorganik bağlayıcılar, yüksek sıcaklıkta termal bozunmaya uğramayan ve yanıcı organik bileşen içermeyen sistemlerdir. Organik bağlayıcılar ise polimerik reçinelere dayalı olup, kimyasal polimerizasyon yoluyla kum taneleri arasında sağlam bir katı ağ oluştururlar 1 . Organik sistemler ayrıca sertleşme şekillerine göre alt sınıflara ayrılır:
Kendiliğinden sertleşen (No-Bake) sistemler: Oda sıcaklığında, karışıma eklenen bir kimyasal sertleştirici (katalizör) aracılığıyla zamanla sertleşirler. Katalizör tipine göre no-bake sistemler asit katalizli (fenolik veya furan reçineler), bazik katalizli (poliüretan “üretan” reçineler) ve ester katalizli (alkali fenolik reçineler) olarak ayrılabilir 3 .
Gaz ile sertleşen sistemler: Karıştırılan kum-reçine karışımı, bir katalizör gazı üflenerek anında sertleştirilir. En yaygın örneği amin gazı ile kürlenen Cold-Box (soğuk-kutu) poliüretan sistemidir. Ayrıca CO2 gazıyla sertleşen su camı prosesi de bu grupta sayılabilir.
Isı ile sertleşen sistemler: Kum ve reçine karışımı bir sıcak kalıplama kutusunda ısıtılarak sertleşir. Hot-Box (sıcak-kutu) ve kabuk kalıplama (shell molding) yöntemleri bu gruptadır.
Aşağıda, günümüzde dökümhanelerde kullanılan başlıca bağlayıcı sistemler bu sınıflandırma çerçevesinde detaylandırılmıştır.
Bentonit Kil ve Yeşil Kum Kalıplama (Geleneksel İnorganik Bağlayıcı)
Dünya döküm üretiminin büyük bir kısmında en temel bağlayıcı olarak bentonit esaslı kil kullanılmaktadır. İnce öğütülmüş bentonit, su ile karıştırıldığında şişerek kum taneleri arasında yapışkan bir film oluşturur. Yeşil kum olarak adlandırılan nemli kalıplama kumlarında %5-10 civarında bentonit kil bağlayıcı ve su bulunur. Bu sayede kalıp, sıkıştırma sırasında yeterli yeşil mukavemet kazanır ve döküm sırasında şekil stabilitesini korur. Kil bağlayıcılı sistem tamamen fiziksel-kolloidal bir etkileşimle (kilin suyla hidratasyonu ve van der Waals kuvvetleriyle) çalışır; kimyasal bir polimerizasyon tepkimesi içermez.
Avantajlar: Bentonit bağlayıcılı kalıplar ucuz, kolay hazırlanan ve geri dönüşümü yüksek malzemelerdir. Kil-mineral bağlayıcıların tekrar tekrar kullanılabilmesi için mekanik regenere (yeniden kazanım) sistemleri yaygınca uygulanır. Ayrıca kil inorganik olduğu için organik gaz emisyonu yaratmaz; ancak yeşil kum karışımlarına döküm yüzey kalitesini artırmak için eklenen kömür tozu gibi katkılar döküm sırasında bir miktar duman ve PAH/BTEX türü gaz çıkarabilir. Buna rağmen, kimyasal reçineli kalıplara kıyasla çalışan sağlığı açısından daha az tehlikeli gazlar açığa çıkar.
Dezavantajlar: Yeşil kum kalıplar nispeten sınırlı mukavemete sahiptir; karmaşık ve ince kesitli şekilleri, çıkıntılı detayları tek başına yeşil kumla elde etmek zordur. Büyük dökümlerde kalıp boyutları büyüdükçe, kalıbın kendi ağırlığı altında deformasyon riski artar. Ayrıca kil-su sistemiyle hazırlanan kalıpların boyutsal hassasiyeti kimyasal bağlı kalıplara göre düşüktür. Yüksek döküm sıcaklıklarında (ör. çelik dökümlerinde) kil bağlı kalıplar çatlama ve genişleme kusurlarına yatkındır; bu nedenle çelik dökümlerde genellikle kimyasal bağlayıcılı kalıplar tercih edilir. Yeşil kum bağlayıcısı olarak bentonit, dökümden sonra kolay parçalanabilir olmadığı için, döküm parçasından kalıbın temizlenmesi (çapak atma, kum temizleme) işlemleri kimyasal kalıplara göre daha zorludur; ancak bu durum kilin yanmayıp kalıntı olarak kalmasından kaynaklanır. Sonuçta, günümüzde yüksek üretim adetli dökümlerde (özellikle demir dökümlerde) yeşil kum vazgeçilmez bir yöntem olsa da, karmaşık iç boşluklu parçaların yapımında ve yüksek yüzey kalitesi istenen uygulamalarda kimyasal reçine bazlı bağlayıcılara ihtiyaç duyulur.
Su Camı (Sodyum Silikat) ve Karbondioksit (CO2) Prosesi
İnorganik kimyasal bağlayıcı sistemlerin en bilinen örneği sodyum silikat, yaygın adıyla su camı bağlayıcıdır. Su camı, yüksek saflıkta silis kumunun sodyum karbonat ile 1300°C üzeri sıcaklıklarda fırınlanmasıyla elde edilen camsı ve suda çözünebilen bir malzemedir 6 . Döküm kumuna %3-5 oranlarında sodyum silikat çözeltisi katıldıktan sonra, karışım kalıp veya maça sandığına doldurulur. Bu karışıma karbondioksit (CO₂) gazı üflenerek sertleşme sağlanır. CO₂ gazı, sodyum silikat içindeki alkalin silikat çözeltisini karbonatlaştırarak silis jelinin katılaşmasına yol açar: Bu süreçte sodyum karbonat ve silika oluşur, ayrıca reaksiyon yan ürünü olarak su açığa çıkar. Sertleşme mekanizması anidir ve birkaç saniye içinde kum oda sıcaklığında taş gibi katılaşır.
Su camı ile hazırlanan kalıplar/maçalar kürleme sırasında koku veya zararlı gaz çıkarmaz; işlem tamamen kokusuzdur ve döküm esnasında organik duman da oluşmaz . Bu yönüyle su camı, işçi sağlığı ve çevre açısından son derece avantajlı bir bağlayıcıdır. Tarihsel olarak CO₂ ile sertleşen su camı prosesi, özellikle büyük çelik dökümlerde ve bazı demir döküm işlerinde yaygın kullanılmıştır. Modern uygulamalarda dahi, Almanya gibi ülkelerde otomotiv sektörü için inorganik esaslı bağlayıcı kullanımı çevresel kaygılarla hızla artmaktadır .
Avantajlar: Su camı ile hazırlanan kum, yüksek sıcaklık dayanımına sahiptir. Organik reçinelerin aksine, döküm sıcaklığında yanma olmadığı için kalıp/maça mukavemetinde ani düşüşler yaşanmaz; yüksek döküm sıcaklıklarında boyutsal kararlılık iyidir. Kalıp sırasında ve döküm anında hiçbir uçucu organik bileşik (VOC) veya toksik gaz çıkmaması büyük avantajdır. Bu sayede iş ortamında koku ve duman problemi olmaz, ek havalandırma/arıtma maliyetleri düşer. Ayrıca sodyum silikat bağlayıcı ucuz ve hammadde temini kolaydır; çevre dostu bir seçenek olarak bilinmektedir.
Dezavantajlar: Su camı bağlı kumların en büyük sorunu neme duyarlılık ve zayıf depolama kararlılığıdır. Sodyum silikat, higroskopik bir yapıya sahiptir; ortam nemini emerek zamanla yeniden yumuşayabilir ve mukavemet kaybeder. Özellikle yüksek bağıl nem ve sıcaklıkta, sertleşmiş maça zamanla bünyesine su alarak kısmen çözünür ve dayanımı düşer; bu da döküm sırasında bünyeden buhar çıkışına yol açabilir. Bu nedenle su camı maşaları uzun süre bekletmeden döküm yapmak veya nem kontrollü ortamlarda depolamak gerekir. Bir diğer problem, su camının döküm sonrasında kalıp bozunabilirliğinin zayıf olmasıdır. Organik reçineler döküm sıcağında yanıp karbonize olarak kumu gevşetirken, su camı bağlayıcı yanmaz ve camsı sert bir katman halinde kalır. Bu da döküm sonrası temizleme (çapak kırma, kum temizliği) işlemlerini zorlaştırabilir; parçadan kumu sökmek için mekanik darbe veya suyla yıkama gerekebilir. Kimi zaman bu sorunu azaltmak için, su camı karışımına odun unu gibi katkılar eklenerek, döküm sıcağında genleşip parçalanan boşluklar oluşturulur ve kalıp bozunması iyileştirilir. Yine de, shake-out olarak tabir edilen döküm sonrası kum dökülmesi, su camı sisteminde organik sistemlere göre daha zahmetlidir. Ayrıca su camı ile bağlı kumlar tekrar kullanıma (reklamasyona) pek elverişli değildir; sertleşmiş silikat, kum tanelerine güçlü yapıştığından mekanik öğütücülerle uzaklaştırılması zordur ve çoğu zaman atık kum olarak değerlendirilir.
Kullanım Alanları: Su camı/CO₂ prosesi, yüksek sıcaklıkta dökülen çelik dökümlerinde ve büyük ebatlı parçalarda sık kullanılmıştır. Günümüzde yerini kısmen organik reçine sistemlere bıraksa da, çevresel avantajları nedeniyle bazı hassas uygulamalarda (örneğin alüminyum motor bloğu gibi parçaların maçalarında) yeniden ilgi görmektedir. Nitekim geleneksel su camının dezavantajlarını gidermek için bağlayıcı formülüne bazı modifiye edici bileşikler (ör. fosfatlar, boratlar) eklenerek yeni nesil inorganik sistemler geliştirilmiştir. Bu sistemler, su camının nem duyarlılığını azaltıp mukavemetini yükselterek özellikle otomotiv sektöründe kullanılabilir seviyeye getirmeyi hedeflemektedir. Almanya’da döküm maçalarının inorganik bağlayıcılarla üretilmesi trendi artmış, çünkü bu sayede BTEX, PAH, amin gibi zararlı emisyonlar tamamen ortadan kalkmakta ve dökümhanede çalışma ortamı önemli ölçüde iyileşmektedir. Ancak halen toplam tüketimde inorganik bağlayıcıların payı düşüktür (küresel kullanımın sadece birkaç %’si seviyesinde) ve performans kısıtları nedeniyle organik sistemlerin tümüne alternatif olma yolunda araştırmalar sürmektedir .
Furan Reçine ile Asit Sertleşmeli No-Bake Sistem
Kimyasal bağlayıcılar arasında dökümhanelerde en yaygın kullanılanlardan biri furan reçine bağlayıcı sistemidir. Furan sistem, genellikle asit katalizörlü no-bake süreci olarak bilinir ve uygulamada dökümcüler arasında sadece “reçineli kum” diye de anılır. Bu sistemde bağlayıcı olarak kullanılan reçine, furfuril alkol esaslı bir polimer reçinedir. Ticari furan reçinelerinin içeriğinde çoğunlukla furfuril alkolün yanı sıra biraz fenol ve formaldehit ile üre-formaldehit reçinesi bulunabilir. Furfuril alkol oranı reçinenin kalitesini belirler; örneğin %70 furfuril içeren bir reçinenin azot içeriği ~%5 iken, %90 furfuril içeren yüksek saflıkta bir reçinenin azotu %0,5 gibi çok düşük seviyelerdedir 15 . Düşük azot, dökümde gaz kusuru riskini azalttığı için yüksek furfuril oranlı reçineler tercih edilir.
Furan reçine, iki bileşenli bir sistemdir: Bileşen I furfuril esaslı reçine, Bileşen II ise kuvvetli bir asit (katalizör) çözeltisidir. Katalizör olarak genellikle p-toluen sülfonik asit veya benzensülfonik asit gibi organik asitler (%40-60 konsantrasyonlarda) kullanılır; bazı uygulamalarda daha ucuz olması nedeniyle %50-70’lik sülfürik asit de karışıma eklenebilir. Reçine kumla karıştırıldıktan hemen sonra asit sertleştirici ilave edilir ve kum karışımı kalıba yerleştirilir. Asit, reçine içindeki furfuril monomerlerini ve önpolimerleri hızla polimerleştirerek ağ yapılı termoset bir bağ oluşturur. Sertleşme mekanizması ekzotermiktir (bir miktar ısı açığa çıkar) ve ortam sıcaklığına bağlı olarak birkaç dakika içinde ilerler.
Furan no-bake karışımlarında reçine ilavesi genellikle kumun %1-2’si kadar olurken, asit miktarı reçine miktarının yaklaşık %20-40’ı düzeyindedir. Karışımın işlenebilir süre (bench-life) ve kalıptan çıkarma (şerit alma) süresi kullanılan asidin tipi ve dozuna göre ayarlanabilir. Örneğin, hızlı sertleşen bir karışım istenirse güçlü bir asit ve yüksek katalizör oranı ile ~5 dakikada priz alınabilir; büyük kalıplar için ise daha zayıf asit karışımlarıyla 20-30 dakikaya kadar uzatılabilir . Genel olarak furan kum karışımı, 5-15 dakika içinde şekil alabilecek kıvama gelir ve kalıp doldurma tamamlandıktan sonra ~0,5-1 saat içinde işlem görecek mukavemete ulaşır.
Mukavemet ve Döküm Performansı: Furan bağlı kumlar, oda sıcaklığında yüksek başlangıç mukavemeti kazandıklarından, büyük ve ağır kalıpları desteklemek için çok elverişlidir. Tipik olarak 24 saat sonundaki basınç dayanımları, eşdeğer koşullardaki alkali fenolik (Alfaset) kumlardan daha yüksek bulunmuştur. Ayrıca sertleşmiş furan reçine cam benzeri kırılgan bir yapıya sahip olduğu için, kullanılmış kumun mekanik regenerasyonunda bağlayıcının kırılıp ayrılması görece kolaydır. Nitekim furan bağlı kum, titreşimli ve sürtünmeli döner tamburlarda %90’lara varan oranda geri kazanılabilir; gevrek bağ sayesinde kum taneleri yüzeyinden temizlenebilir. Furan reçine, döküm sırasında ısının etkisiyle büyük oranda kömürleşip yanar, geriye karbonlu kül bırakır. Bu durum, kalıp boşluğunda gaz boşalmasını kolaylaştırır ve döküm sonrasında maça/kum atılmasını (shake-out) da görece kolay hale getirir. Özellikle yüksek sıcaklıklı dökümlerde (çelik, dökme demir) furan reçine bir miktar termoplastik yumuşama gösterip genleşmelere uyum sağlayabildiğinden, kalıp çatlama ve yüzeyde veining kusuru oluşma riski düşüktür. Kalıp ve çekirdekler uygun şekilde reçineyle kaplandığında yüzey kalitesi başarılıdır; reçinenin düşük viskozitesi kumu iyi ıslatarak ince detaylara nüfuz edebilir .
Gaz Emisyonu ve Çevresel Etki: Furan sistemin dezavantajı, yüksek gaz ve koku emisyonudur. Reçine içeriğindeki furfuril alkol ve fenolik bileşikler ile asit katalizör, karışım sırasında keskin bir koku oluşturur. Döküm esnasında ise furfuril türevlerinin termal bozunması sonucu benzen, tolüen, etilbenzen, ksilenden (BTEX) oluşan organik buharlar ve poliaromatik hidrokarbonlar (PAH’lar) açığa çıkar. Yapılan ölçümlere göre, furfuril esaslı bir no-bake kalıptan 1 kg bağlayıcı başına yaklaşık 40 g benzen gazı açığa çıkabilmektedir; bu değer fenol-formaldehit reçine kullanan bir no-bake sistemde ~31 g seviyesinde kalmaktadır. Dolayısıyla, furan sistem benzeri organik bağlayıcılarda iş güvenliği açısından iyi bir havalandırma ve gaz arıtma şarttır. Ayrıca furan reçineleri genellikle azot içerir (üreformaldehit katkısından dolayı); bu azot yüksek sıcaklıkta amonyak ve HCN gibi istenmeyen gazlara dönüşebilir ve özellikle sfero dökümde parçada nitrür hatalarına yol açabilir. Bunu önlemek için düşük azotlu (%0,5 azotlu) reçine kullanımı veya reçine içindeki üre bileşeninin minimize edildiği saf furfuril reçineler tercih edilir. Furan reçinelerin bir diğer bileşeni formaldehittir; modern furan reçinelerinde serbest formaldehit oranı genelde %0,1-1 aralığında tutulur ve daha eski teknoloji sıcak kutu furan reçinelerine kıyasla bu açıdan iyileştirme sağlanmıştır . Yine de, mevcut serbest formaldehitin küçük bir kısmı (%2-5 kadarı) karışım ve döküm sırasında ortama yayılır. Bu nedenle birçok ülkede dökümhanelerde formaldehit emisyonlarına ve işyeri konsantrasyonlarına kısıtlamalar getirilmiştir. Özellikle Avrupa’da artan çevre bilinciyle, furan sistemin çevreye etkileri daha sıkı incelenmekte ve daha ekolojik bağlayıcı arayışları gündeme gelmektedir. Yine de, sağladığı teknik avantajlar nedeniyle furan reçineleri günümüzde dünyanın en yaygın kullanılan organik döküm bağlayıcılarıdır; dünya genelindeki kimyasal kalıplama işlerinin yaklaşık yarısında furan nobake reçine kullanılmaktadır .
Kullanım Alanları: Furan no-bake sistemi, orta ve büyük ölçekli tüm dökümhanelerde genel amaçlı bir kalıp/maça bağlayıcısı olarak yaygınlaşmıştır. Lamel ve küresel dökme demir parçalarda, çelik dökümlerde ve büyük ebatlı çelik dökümlerde sıkça tercih edilir. Reçinenin maliyeti ve temini de görece uygundur; ancak furfuril alkol üretiminin büyük kısmının Çin’de yapılması nedeniyle küresel tedarik sıkıntıları fiyat dalgalanmalarına yol açabilmektedir. Furan sistem, alüminyum gibi hafif metallerin dökümünde ise daha az kullanılır. Bunun nedeni, asidik katalizör artıklarının alüminyum eriyiğiyle reaksiyona girebilmesi ve bağlayıcının düşük döküm sıcaklığında tam yanmayıp gaz yaparak parçada gözenek oluşturma riskidir. Hafif metal dökümlerde furan yerine genellikle poliüretan veya inorganik (su camı gibi) bağlayıcılar önerilir. Furan no-bake kalıplar, döküm yüzeyinde karbon kalıntısı (lustrous carbon) bırakarak döküm yüzeyini iyileştirme eğilimindedir; fakat aşırı bağlayıcı kullanımı durumunda karbon kaynaklı yüzey kusurları da oluşabilir. Özetle, furan reçine sistemi; esneklik, güçlü mekanik özellikler ve ekonomiklik açısından döküm sektöründe uzun yıllardır kendini kanıtlamış bir yöntemdir. Ancak gaz ve koku emisyonları, güncel çevre standartları altında bu sisteme yönelik en büyük endişe kaynağıdır ve alternatif sistemlerle kıyaslandığında en önemli dezavantajını oluşturmaktadır.
Alkali Fenolik Reçine (Alfaset) No-Bake Sistemi
Furan sistemin bir alternatifi olarak geliştirilen alkali fenolik no-bake bağlayıcı sistemi, ticari olarak Alfaset (ya da Alphaset) adıyla da anılır. Bu sistem, iki bileşenli olup Parça I yüksek pH’lı (bazik) bir fenolformaldehit rezol reçinesi çözeltisi, Parça II ise organik bir ester sertleştiriciden oluşur. Reçine, sodyum veya potasyum hidroksit ile bazikleştirilmiş sulu bir fenolik polimerdir; alkali ortamda stabildir ve tek başına oda sıcaklığında sertleşmez. Sertleştirici olarak verilen ester, tipik olarak alkollerin organik asit esterleridir (ör. asetatlar, karbonatlar, ftalat esterleri vb.). Karıştırılan kum-reçine karışımına bu likit ester katıldığında, ester yavaş yavaş hidrolize uğrayarak asit açığa çıkarır ve ortam pH’ını düşürmeye başlar. pH düşünce fenolik rezol reçine, fenol ve formaldehit birimleri arasında kondenzasyon polimerizasyonu ile sertleşir. Bu süreç, oda sıcaklığında gerçekleşen bir polikondenzasyon tepkimesidir ve hem baz katalizli hem de asit katalizli aşamaları içerir: İlk etapta fenolik reçine yapısındaki metilen köprüler, ester hidroliziyle oluşan asidin etkisiyle çapraz bağlar oluşturmaya başlar.
Alkali fenolik sistemlerin en büyük avantajlarından biri, koku ve emisyonlarının düşük olmasıdır. Reçine su bazlı olduğu ve yüksek oranda furfuril gibi uçucu organik monomerler içermediği için karışım sırasında belirgin bir koku yapmaz; sadece hafif bir fenol kokusu hissedilebilir. Sertleşme reaksiyonu nispeten yavaştır ve ekzotermik değildir, bu da karışım süresinin kontrolünü kolaylaştırır. Çeşitli sertleştirici ester tipleri kullanılarak, karışımın pot-life’unda geniş bir aralık elde edilebilir. Örneğin hızlı kalıplama için reaktif (düşük moleküler) bir ester ile 5-10 dakikada sertleşme sağlanabilirken, büyük kalıplar için yavaş bir esterle 1 saate varan çalışma süresi mümkündür. Tipik alkali fenolik karışım oranları, kumun %1-2’si kadar rezol reçine ve reçine miktarının %15-25’i kadar ester şeklindedir. Ester miktarı arttıkça reaksiyon hızlanır, fakat aynı zamanda nihai mukavemet bir miktar düşebilir; optimum oranlar uygulama ile belirlenir.
Kalıp/Maça Mukavemeti: Alfaset kumların başlangıç mukavemeti, furan sistem kadar hızlı yükselmez; genelde kalıp doldurma sonrası 30-60 dakika bekleme ile yeterli sertlik oluşur. Tam kürlenme ise birkaç saati bulabilir. Nihai oda sıcaklığı dayanımı, eşdeğer reçine içeriklerinde furfuril sistemden bir miktar düşüktür. Örneğin Polonya’da yapılan bir çalışmada, %1,2 reçine ile hazırlanan kum numunelerinde furfuril reçine bağlayıcılı kumun çekme mukavemeti alkali fenoliğe göre daha yüksek bulunmuştur. Ancak alkali fenolik bağlayıcının önemli bir özelliği, orta sıcaklık bölgesinde (100-150°C civarı) termoplastik davranış sergilemesidir. Kalıp, döküm sırasında ısındığında, bağlayıcı bir miktar yumuşayarak kumun genleşme gerilmelerini absorbe eder ve kalıp çatlaması (veining) riskini azaltır. Devamında sıcaklık yükseldikçe (~400-500°C’de) bağlayıcı kömürleşerek sert bir kok köprüsü oluşturur ve yüksek sıcak mukavemetini korur. Bu sayede alkali fenolik kalıplar, özellikle çelik dökümlerde görülen yüzey çatlakları ve fin oluşumu gibi kusurlara karşı dirençlidir; erozyona karşı da iyi dayanım gösterir. Döküm tamamlandığında bağlayıcı tamamen yanmaz; bir miktar karbonlu rezidü kalır ve bu durum kalıp bozunabilirliğini kısmen kısıtlar. Bununla birlikte, alkali fenolik kum, furana kıyasla daha düşük nihai mukavemet verdiği için, döküm sonrası maça ve kum sökme işlemi çok zor değildir; yüksek mukavemetli poliüretan sistemlere nazaran çapak temizleme daha kolay olabilmektedir. Yani belirli bir seviyede “düşük daha iyi” prensibi geçerlidir: Mukavemet çok yüksek olursa kalıp bozunamaz, fakat Alfaset sistemi optimum mukavemeti sağlayıp yine de parça temizliğini zorlaştırmayacak bir denge sunar.
Gaz Emisyonları: Alkali fenolik reçineler, fenol-formaldehit kimyasına dayansa da, içeriklerindeki serbest formaldehit genelde düşüktür (%0,1-1 aralığında) ve furfuril sistemlere göre toplam VOC salınımı daha azdır. Akademik çalışmalar, fenolik-ester no-bake sistemlerin, özellikle benzen gibi zararlı gazların emisyonunda furan sistemlere göre belirgin azalma sağladığını ortaya koymuştur. Örneğin yukarıda bahsedilen çalışmada fenolik ester sistemin benzen emisyonunun, furan sisteminkinden yaklaşık %20-25 daha düşük olduğu ölçülmüştür. Ayrıca fenolik-alkalin sistemlerin yanma ürünlerinde kükürt bulunmaz (katalizör asit olmadığı için) ve azot içeriği çok düşüktür, dolayısıyla SO2 ve NO2 gazları ile amonyak oluşumu ihmal edilebilir düzeydedir. Bu bağlayıcılar karışım esnasında neredeyse kokusuz olup dökümde de diğer organik reçinelere göre daha az duman çıkardıkları için “eko-dostu” olarak pazarlanmaktadır . Bazı bağlayıcı üreticileri, Alfaset serisi reçinelerin “Low Free Formaldehyde” (düşük serbest formaldehit) versiyonlarını sunmakta ve işçi maruziyetini en aza indirmektedir. Bununla birlikte tamamen zararsız olduklarını söylemek mümkün değildir; fenolik reçine içeriği nedeniyle fenol buharı ve formaldehit yine de az miktarda ortama yayılabilir.
Rejenarasyon ve Dezavantajlar: Alkali fenolik sistemin en belirgin dezavantajı, kullanılmış kumun geri dönüşümünün zor olmasıdır. Sertleşmiş fenolik bağlayıcı, furan gibi kırılgan değil aksine esnek/koklaşmış bir yapıda olduğundan mekanik öğütme ile kumdan uzaklaştırılması güçtür. Mekanik reclamation sonrası kum üzerinde daha yüksek tutuşma kaybı (LOI) kalır. Örneğin bir araştırmada, Alfaset ile bağlanmış kumun LOI değeri mekanik attrition sonrasında bile tamamen düşmemiş; furan kumuna göre yaklaşık iki kat daha yüksek organik kalıntı kalmıştır. Bu nedenle alkali fenolik sistem kullanan dökümhaneler, kum geri dönüşümünde ya kimyasal/yıkama yöntemlerine başvurmalı ya da daha yüksek oranda taze kum takviyesi yapmalıdır. Bu durum işletme maliyetini artırabilir. Bir diğer zorluk, fenolik reçinenin su bazlı olmasından ötürü kum nemine duyarlılığıdır. Eğer kum çok nemliyse veya ortama sonradan su buharı girerse, reçine-ester reaksiyonu düzensizleşebilir. Bu nedenle Alfaset uygulamalarında kumun çok kuru olması ( %0,2 nem) ve karışıma gereksiz su girmemesi önemlidir. Ayrıca düşük sıcaklıklarda reaksiyon yavaşlayabildiğinden, kış aylarında üreticiler bazen reçine formülasyonunu solvent ilavesiyle modifiye ederek viskoziteyi düşürür ve reaksiyonu hızlandırır.
Kullanım Alanları: Alkali fenolik (Alfaset) bağlayıcılar en çok çelik dökümhanelerinde ilgi görmüştür. Bunun nedeni, çelik dökümün yüksek sıcaklığında furan gibi sistemlerin ciddi gaz ve koku sorunları yaratması ve ayrıca nitrür/karbür kusurlarına yol açabilmesidir. Alfaset kalıplar, çelik dökümlerde temiz yüzey ve ölçüsel doğruluk sağlamasıyla bilinir; özellikle büyük ebatlı dökümlerde (ör. türbin gövdeleri, madencilik ekipmanı) başarılı sonuçlar vermiştir . Yüksek sıcaklığa dayanımı sayesinde kalıp erozyonunu ve sıvı metalin fins (ince çapak) oluşturmasını engellediği rapor edilmiştir. Ayrıca azot ve kükürt içermemesi nedeniyle sfero dökümde gaz porozitesi sorunlarını azaltır. Dezavantajlarına karşın artan çevresel gereksinimler, bazı demir dökümhanelerini de furan yerine alkali fenoliğe yöneltmektedir. Avrupa’da fenolik ester no-bake sistemler, pazar paylarını yavaş da olsa artırmaktadır. ABD gibi ülkelerde ise halihazırda pazarın %7’si civarında bir paya sahiptir . Türkiye’de de büyük çelik döküm parçaları üreten tesislerde Alfaset uygulaması görülmekte, ancak kum geri dönüşüm zorluğu nedeniyle yaygınlığı sınırlı kalmaktadır. Uygun koşullar sağlandığında (yeterli rejenerasyon imkanı, kontrollü ortam) alkali fenolik sistemler, dökümhaneye daha temiz bir çalışma ortamı ve daha düşük emisyon avantajı getirmektedir .
Fenolik Üretan No-Bake (PUNB) Poliüretan Sistemler
Fenolik-üretan esaslı bağlayıcı sistemler, soğuk kutu (Cold-Box) sürecinin dökümhanelerde yaygınlaşmasıyla birlikte onun bir türevi olarak geliştirilmiş üç bileşenli no-bake reçine sistemleridir. Bu sistem genel olarak Phenolic Urethane No-Bake (PUNB) diye bilinir; ticari isimler olarak Pep-Set, Techniset vb. markalarla da anılır. PUNB bağlayıcılar kimyasal yapı itibariyle poliüretan oluştururlar, ancak Cold-Box’tan farkları, sertleşmenin oda sıcaklığında karışım içindeki bir sıvı katalizör aracılığıyla gerçekleşmesidir (ayrıca “Blown No-Bake” olarak da adlandırıldığı olur).
PUNB sisteminin Bileşen I komponenti, fenol-formaldehit bazlı bir rezol fenolik reçinedir (çoğu zaman %40-55 reçine içeriğine sahip, solventli bir çözeltidir). Bileşen II komponenti ise polimerik bir izosiyanat (genellikle MDI – metilen difenil diizosiyanat – içeren bir reçine) çözeltisidir. Bu iki kısım kum ile karıştırıldığında henüz sertleşme gerçekleşmez (karışım bir süre akışkan kalır). Ardından, Bileşen III olarak sıvı bir katalizör eklenir. Katalizör tipik olarak bir amin bazlı hızlandırıcıdır (örn. triethylamin veya DABCO türevi katalizörler); bazı formülasyonlarda organo-metal tuzlar da kullanılabilir. Katalizör, fenolik rezol ile izosiyanat arasında odada polimerizasyon reaksiyonunu başlatır ve fenolik reçine molekülleri, izosiyanat köprüleri ile birbirine bağlanarak poliüretan ağı oluşturur. Oluşan sert polimer yapı, kum tanelerini güçlü biçimde birbirine kenetler.
Fenolik-üretan no-bake sistemler, üç bileşen gerektirmesine rağmen uygulamada karmaşık değildir. Genellikle reçine (A komponenti) ve izosiyanat (B komponenti) aynı miksere aynı anda beslenir, hemen ardından karışıma katalizör ilave edilir ve tüm komponentler birlikte karıştırılarak kalıba doldurulur. Bu sistemde karışım ömrü (bench-life) tipik olarak kısadır: hızlı formulasyonlarda 5-10 dakika içinde sertleşme başlar. Dolayısıyla karışımın vakit kaybetmeden yerine dökülmesi gerekir. Kullanılan amin katalizör oranı ve tipi değiştirilerek pot-life 15-20 dakikaya kadar uzatılabilir; ancak PUNB genelde hızlı kalıplama için tasarlanmıştır. Karışım, kalıba doldurulduktan 10-30 dakika içinde elleçlenecek mukavemete ulaşır, tam kür ise yaklaşık 1-2 saatte sağlanır.
Mukavemet ve Özellikler: PUNB sistemler, düşük reçine ilavesiyle çok yüksek mukavemet elde edebilmeleriyle bilinir. Tipik reçine+izosiyanat toplam ilavesi kumun sadece %1-1,5’i kadardır, fakat bu oranda bile ortaya çıkan oda mukavemetleri, birçok diğer no-bake sisteminkinden yüksektir . Örneğin phenolic-urethane no-bake karışımları ile yapılan kalıplar, soğuk kutu amin sistemine yakın dayanımlar gösterebilir. Fenolik üretan no-bake sistemi düşük bağlayıcı oranlarında dahi çok güçlü kalıplar ve maçalar üretir. Üstelik nihai polimer yapı bir poliüretan olduğundan, darbe dayanımı ve esneklik açısından da gevrek fenolik/furan reçinelere kıyasla biraz daha toktur. Bu, hassas bölgeli çekirdeklerin taşınması sırasında avantaj sağlayabilir (daha az kırılgan). PUNB sistemler ayrıca döküm öncesi bekleme süresine dayanıklı yapılardır; kür aldıktan sonra günlerce beklese bile özelliğini yitirmez, nemden fazla etkilenmez (solvent bazlı olduğundan su içermiyor). Döküm esnasında PUNB bağlayıcı, kısmen yanarak karbonlu kalıntı oluşturur. Bu karbon, döküm boşluğunda bir tür besleyici etki yaparak ergimiş metalin yüzeyini oksidasyondan koruyabilir ve yüzeyde parlak bir karbon iz bırakabilir. Ancak fazla bağlayıcı kullanımı durumunda bu karbon kalıntıları parça yüzeyinde temizlenmesi zor istenmeyen bir film oluşturabilir.
Emisyon ve Güvenlik: Fenolik-üretan sistemler, formaldehit bazlı reçine ve izosiyanat içerdiğinden zararsız değildir, ancak doğru uygulandığında çevresel etkileri kontrol edilebilir düzeydedir. PUNB reçine komponentinde serbest formaldehit genelde <%1 seviyesindedir ve bunun ancak ufak bir kısmı karışım sırasında ortama geçer. İzolama önlemleriyle işçi maruziyeti düşük tutulabilir. İzosiyanat komponenti (B kısmı) doğası gereği deri ve solunum için tahriş edicidir; bu yüzden kapalı devre pompa ve miksere besleme esastır. Döküm sırasında fenolik-üretan bağlayıcılar, furan ve fenolik ester sistemler gibi benzen, fenol, toluen türevli gazlar çıkartırlar. Bunlara ek olarak izosiyanatın yanma ürünü olarak eser miktarda hidrojen siyanür (HCN) ve amine katalizör kaynaklı N-oksit bileşikleri ortaya çıkabilir. Ancak modern fenolik-üretan reçineler, mümkün olduğunca formaldehitsiz formüle edilmekte ve amin katalizörleri de fenolik reçinede önceden kısmen reaksiyona sokularak emisyonlar azaltılmaktadır. Amerikan Dökümcüler Birliği’nin 2023 verilerine göre, fenolik üretan no-bake (PUNB) teknolojisi Amerika’da organik no-bake pazarının %25’inden fazlasını oluşturmaktadır. Bu oran, PUNB’nin ABD’de büyük boy dökümlerde ne denli yaygınlaştığını gösterir. Avrupa’da ise PUNB kullanımı görece düşük (%3 civarı) olup, Avrupa organik no-bake pazarında furan reçineler hakimdir .
Kullanım Alanları: PUNB bağlayıcılar en çok büyük boyutlu dökümlerin kalıplanmasında kullanılır. Örneğin rüzgar türbini gövdesi, lokomotif şasi parçaları, büyük vana gövdeleri gibi devasa dökümlerde, furan sistem yerine fenolik-üretan no-bake tercih edildiği rapor edilmektedir. Bunun sebebi PUNB’nin büyük kalıplar için yeterli işlenebilir süreyi sağlarken, hızlı nihai mukavemet kazanması ve çok güçlü kalıplar oluşturmasıdır. Ayrıca PUNB, asit içermediği için büyük kalıplarda korozyon sorunları yaratmaz (furan sistemde serbest asit kalıp donanımlarını ve takım ekipmanlarını zamanla aşındırabilir). Küresel grafitli döküm (sfero) parçalarda PUNB, düşük azotlu oluşu sayesinde grafit bozulması riskini en aza indirir. Yine çelik dökümde, PUNB’nin kükürt içermemesi önemli bir avantajdır; bu, özellikle çelikte istenmeyen sülfürizasyon kusurlarının önüne geçer. PUNB bağlayıcı sistem, orta-yüksek adetli üretim yapan dökümhanelerde de benimsenmiştir. Her ne kadar furan sistem kadar uzun karışım ömrü sağlamasa da, otomatik karıştırıcı ve döküm hatları ile entegre edilerek seri üretimde kullanılabilmektedir. Örneğin Amerika’da otomotiv sektöründe PUNB kalıpların kullanıldığı bilinmektedir. Türkiye’de ise PUNB uygulaması henüz sınırlıdır; ancak yabancı ortaklı bazı döküm fabrikalarında (özellikle büyük iş makinesi parçaları üretenlerde) PUNB kullanımına rastlanır. Sonuç olarak fenoliküretan no-bake sistemler, poliüretan kimyasının yüksek mukavemet ve hızlı kür avantajlarını, no-bake’in esnek uygulama kolaylığıyla birleştiren yenilikçi bağlayıcılar olarak önem kazanmıştır.
Devamı Temmuz Sayımızda