1.Giriş

 

Ekstrüzyon, hafif metal endüstrisinin en önemli ve en çok kullanılan plastik şekil verme yöntemlerinden biri olup alüminyum tüketiminin son 20 yıldaki artmasına paralel olarak hem Türkiye’de, hem de dünyada çok yüksek büyüme hızı gösteren bir sektördür. Başta inşaat olmak üzere imalat sanayinde giderek artan Al profil talebi ile yükselen sektörün en büyük sorunlarından biri de teknik kapasitenin, teknik bilgi ve birikimin sektörün büyümesine paralel olarak gelişememesidir. Özellikle mühendislik profilleri gibi, karmaşık profillerin üretiminde karşılaşılan sıkıntılar, verimliliğin düşmesine ve termin sürelerinde gecikmelere yol açmaktadır. 

 

Bu yazıda, alüminyum  profil imalatının en kritik aşamalarından olan kalıp imalatı için kalıp çeliğinin seçimi üzerinde durulacaktır. Kalıp ömrünü belirleyen temel hasar mekanizmaları açıklanmaya çalışılarak; bu hasar mekanizmalarının ya daha geç devreye girmesi için ya da tamamen engellenmesi için nasıl bir kalıp çeliği seçimi yapılmalıdır, açıklanmaya çalışılacaktır. 

 

Bu yüzden, başta kalıp olmak üzere ekstrüzyon takımlarında (Şekil 1) malzeme seçimi yapmadan önce hangi parçada ne tür sorunlar yaşandığı değerlendirilmeli ve hasar mekanizması öngörülerek bu hasar mekanizmasına karşı en dirençli malzeme ve ısıl işlem prosedürü seçilmelidir. Bunun için de olası hasar mekanizmaları çok iyi anlaşılmalıdır. 

 

 

 

2. Ekstrüzyonda Hasar Mekanizmaları

 

Ekstrüzyonda malzeme akışı, ekstrüzyon türüne, ekstrüzyon oranına, kalıp şekline, sürtünme ve yağlama koşullarına bağlı olarak değişmektedir. Bu tür faktörlerin yanı sıra, ekstrüzyon sıcaklığı, matrisin şekli, ürün biçimi gibi pek çok faktör de malzeme akışını etkilemektedir. Şekil 2’de malzeme akış türleri şematik olarak gösterilmiş olup bu akış türlerinden A tipi akış ideal akışı, D tipi akış ise istenmeyen akışı göstermektedir.

 

 

Proses boyunca ekstrüzyon takımlarının maruz kaldığı dış etkenleri mekanik ve termal olarak ikiye ayırmak mümkündür. Presleme basıncı ve sürtünmeden kaynaklı etkiler takımları mekanik olarak etkilerken; sürtünme, deformasyon ve biyet sıcaklığı termal olarak etki etmektedir. Proses süresince ön ısıtma sıcaklığı, plastik deformasyon esnasındaki sıcaklık, biyet ile kalıp arasındaki sürtünmeden kaynaklı sıcaklık ve kovan çekirdeği ile biyet arasındaki sürtünmeden kaynaklı sıcaklığa bağlı olarak biyet sıcaklığı değişir. 

 

Yüksek basınç ve sıcaklık kalıp, kovan ekipmanları gibi takımların ömrünü kısaltarak çeşitli hasarlara sebep olabilir. Uygun olmayan malzeme kompozisyonu, su vermeden kaynaklı çatlaklar, inklüzyonlar kalıpta erken hasarlara yol açabilir. Isıl işlem sırasında çarpılmalar, işleme veya proses hataları, erozyon ve korozyonda hasarlara sebep olabilecek nedenlerdir.  Kalıplarda en çok karşılaşılan hasar mekanizmalarını şu başlıklar altında sınıflayabiliriz. 

 

Kırılma,

 

Aşınma,

 

Plastik deformasyon,

 

Çatlak,

 

Isıl Yorulma. 

 

Şekil 3’te ise bu hasar mekanizmalarının şematik gösterimi sunulmuştur.

 

 

Aşınma daha çok biyetin akıp son şeklini aldığı bölgelerde meydana gelerek nitrasyon veya kaplama ile giderilebilir. Belli bir süre çalıştıktan sonra kalıp tekrar nitrasyona ihtiyaç duyacağından bu süreler iyi takip edilmelidir. Kırılmaya veya plastik deformasyona hassasiyet ise genellikle kalıp geometrisi ile alakalı olup kalıp tasarım aşamasında bu tür hatalar önlenebilir. Kırılma çoğunlukla ilk deneme baskısında meydana gelir, kalıp tasarımı veya uygun olmayan kalıp malzemesinden kaynaklanır. Plastik deformasyon çok sayıda baskıdan sonra oluşur. Aşamalı ve geri döndürülemez bir durumdur.

 

Kırılma, ekstrüzyon takımlarında en sık karşılaşılan hata türüdür. Kalıp kullanım süresince hem mekanik,  hem termal streslere maruz kalır. Mekanik stresler ise sıfırdan maksimuma ve tekrar geriye şeklinde döngüseldir. Bu döngüsel stresler eğer daha önceden gelen çatlaklar da varsa (ısıl işlem sırasında oluşan mikro çatlaklar gibi) çatlağın ilerlemesi ve nihayetinde yorulma kırılmasına sebep olabilir. Hata mekanizmasının oluşumu;

 

a.Biyet malzemesi, geometrik toleransları ve yüzey finişi,

 

b.Kalıp ve takımların malzemeleri, ısıl işlemleri, yüzey sertleştirilmeleri, geometrileri,

 

 

c.Ekstrüzyon prosesi boyunca stres dağılımı, stresin zaman ve sıcaklıkla değişimi,

 

d.Pres ve ilintili takımların katılığı ve kinematiği ile ilgilidir.

 

 

Yorulma hataları genellikle keskin köşe, kesit değişimi, damga izleri gibi yüksek stres konsantrasyonlarının olduğu bölgelerde görülür. Yorulma kırılmaları özellikle yüksek stres konsantrasyonlarına sebep olan yüksek ekstrüzyon oranlarında daha fazla oluşur. Çatlak oluşumu işleme izleriyle daha da artabilir. Kalıp üretim aşamasında erozyon gibi işlemler sırasında bazı ön çatlaklar oluşabilir. Çatlak derinliği genellikle 0,01 mm civarındadır. Aşınma direncini artırmak için kalıba çoğunlukla nitrasyon veya başka yüzey sertleştirme işlemleri yapılır. Bu yüzey işlemler sıklıkla küçük çatlaklara yol açar. İstenilen sertlik-tokluk dengesine ulaşmak için kalıplar ısıl işlemler serisine (sertleştirme/östenitleme, temperleme, su verme vb.) tabi tutulur. Mevcut küçük çatlaklar bu operasyonlar sırasında büyür. Ekstrüzyon prosesi sırasında yorulma döngülerine bağlı olarak bu öncül çatlaklar ilerler ve hasara sebep olur. 

 

Hata mekanizmalarından bir diğeri aşınmadır. Karmaşık profil geometrileri, yüksek basınç ve sıcaklık, çok sert kalıp malzemesi, ön ısıtma sırasında biyet yüzeyinde oluşan çok sert ve aşındırıcı alüminyum oksit tabakası kalıp yatağında aşınmaya sebep olur. Kalıp aşınması tribolojik bir etkidir ve işleyen yüzeyden malzeme eksilmesi veya aşamalı kaybı şeklinde tanımlanabilir. Aşınma kalıp yatağının topografisini değiştirdiğinden nihai ürünün hatalı çıkması ve kalıbın ömrünün erken bitmesine neden olacak yüzey hasarlarına sebep olur. Ani sıcaklık dalgalanmaları ve yüksek sıcaklıklara uzun süre maruz kalmadan kaynaklı hem adhesif, hem de abrasif aşınma mekanizmaları görülebilir. Abrasif aşınma daha kademelidir ama yüksek sıcaklıklarda oldukça hızlanır.