2. Uluslar arası Demir Çelik Sempozyumu (IISS 15), 1-3 Nisan 2015, Karabük, Türkiye SEMI SOLID METAL CASTING PROCESS TECHNOLOGY FOR MANUFACTURING OF AUTOMOTIVE COMPONENTS OTOMOTİV PARÇALARININ ÜRETİMİ İÇİN YARI KATI METAL PROSES TEKNOLOJİSİ a Lokman ŞENEL, b Nurettin AKÇAKALE, c Ferhat GÜL a Gazi Ün. Fen Bilimleri Enstitüsü, Beşevler/ANKARA, lokman_senel@hotmail.com b AİBÜ Gerede Meslek Yüksekokulu, Gerede/BOLU, akcakale_n@ibu.edu.tr c Gazi Ün. Teknoloji Fak. Metalurji ve Malzeme Müh. Böl., Beşevler/ANKARA fgul@gazi.edu.tr Özet Daha fazla yakıt tasarruflu araçların üretimi için otomotiv endüstrisindeki yeni yaklaşım, alüminyumun kullanımında artış meydana getirmektedir. Mevcut durumda tüm alüminyum döküm parçaların % 85 i otomotiv ve kütlesel ulaşım endüstrisi tarafından kullanılmakta ve bu parçaların önemli bir oranı, yüksek etkinlik ve düşük üretim maliyeti nedeniyle yüksek basınçlı döküm yöntemi ile üretilmektedir. Basınçlı döküm otomotiv endüstrisinin kütlesel ihtiyaçlarını karşılamakla beraber, kalite ve ağırlıkta azaltma üzerine talepler yeni proses teknolojilerinin geliştirilmesini zorlamaktadır. 40 yılı aşkın süre önce Massachusetts Institute of Technology de keşfedilen yarı katı metal prosesi, sıvı metal ile döküm yerine, kalıba globular yapılı kısmen katılaşmış metalin doldurulduğu bir metal şekillendirme yöntemidir. Anahtar kelimeler: Basınçlı döküm, Rheocasting, thixocasting, yarı katı metal, Abstract The new approach in the automotive industry to produce more fuel-efficient vehicles has resulted in the increased use of aluminium. Currently, 85% of all Al castings are used by the automotive and mass transport industry, and a large proportion of such castings are produced by high-pressure diecasting (HPDC) process, due to its unique characteristics, such as high efficiency and low production cost. The liquid metal high-pressure die-casting (HPDC) fulfils the bulk of the automotive industry s needs, however, the ever increasing demands on quality and weight reduction have driven the development of new processing technologies. Semi-solid metal (SSM) processing, invented more than 40 years ago at Massachusetts Institute of Technology, is a metal forming process that fills partially-solidified metal with globular structure in a mold, instead of casting with liquid metal Keywords: Pressure die casting, Rheocasting, semi solid metals, thixocasting. 1. Giriş Yarı-katı metal prosesi 1971 yılında Massachusetts Enstitü ve Teknoloji de yapılan doktora tezinin bir parçası olarak Davit Spenser tarafından bulunmuştur. David çalışmasında güçlü bir şekilde karıştırılan yarı katı metalin temel olarak rheolojik özellikleri olduğunu keşfetmiştir [1]. Yarı-katı metal karakteristiklerine örnek olarak; sıvı metalden daha düşük ısı içeriği, kalıp dolumu sırasında yarı katı metal bulunması, sıvı metalden daha yüksek viskosite, katı metallerden daha düşük akış stresi verilebilir [2]. Bu karakteristikler farklı uygulamalar için farklı potansiyel faydalar sağlayabilir. Yarı-katı metal prosesinin karateristik özellikleri ve potansiyel uygulama alanları Tablo 1 de gösterilmektedir [1,3]. Yarı-katı döküm tekniği, kısmi olarak katılaşmış ve dendritik olmayan malzemenin kullanıldığı bir döküm prosesini ifade etmektedir [2]. Bu iki karakteristik özellik ile birçok proses avantajları döküm alaşımlarında elde etmek mümkündür [2]. Bunlardan bazıları şunlardır: Yüksek nitelikli döküm prosesleri ile kıyaslandığı zaman, yüksek enjeksiyon hızlarında düzlemsel cephe ile dolum sayesinde minimum hava veya çekme boşluğu içeren kompleks, yüksek nitelikli, ısıl işleme uygun parça üretim kabiliyeti ve katılaşma sırasında döküm parçanın gelişmiş besleme özelliği. Azalan metal ısı içeriği nedeniyle kalıp içindeki bekleme zamanında azalma. Azalan döküm sıcaklığı nedeniyle azalmış termal şok ve yorulma sayesinde artan kalıp ömrü. Thixocasting ve rheo döküm Yarı-katı metal parçalarının üretimi için geliştirilmiş döküm teknolojileridir. Thixocasting prosesinde; ince eş eksenli tane dağılımlı bir katı biyetin yarı-katı bölgede kısmen tekrar eğritilmesi ve yüksek basınçlı döküm makinesinin hazne kısmına transferinden sonra kalıp içine enjekte edilmesidir. Rheo döküm, alaşımın katılaşması sırasında karıştırarak yarı-katı çamur üretiminin oluşması ile bu yarı-katı çamurun doğrudan kalıp içerisine enjekte edilmesidir. Temel olarak bu iki yaklaşım Şekil 1 de gösterilmiştir[4]. Rheodöküm prosesinin thixodöküm prosesinden farklı birkaç avantajı aşağıdadır [4]. Daha az proses karmaşıklığı, birçok ısıtma sistem istasyonu ve robot transfer sistemine gerek duyulmaz IISS 15, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 571
Artan hazne boyutu esnekliği, biyetin çapına göre yükseklik oranıyla ilgili bir sınırlama yoktur. Çizelge 1 Yarı-katı metal prosesinin üstün ayrıcalıklı karakteristikleri [1,3] Karakteristik Sıvı metalden daha düşük ısı içeriği Kalıp dolum zamanında katı bulunması Sıvı metalden daha yüksek viskositi ve kontrol edilebilirlik Katı metaller için daha düşük akış stresi Diğer malzemelerle karıştırılabilirlik Katı ve sıvının ayrıştırılabilmesi Potansiyel fayda ve uygulama Yüksek eğrime noktası olan malzemelerin üretilmesi Yüksek hızda parça üretilmesi Yüksek hızda sürekli döküm Düşük kalıp erozyonu Demir parça üretilmesi Çekme boşluğunda azalma Daha az besleme isteği Daha az makrosegregasyon İyi tane yapısı Daha az kalıp gazlarının girişi Oksitlenmenin azalmasıişlenebilirliğin gelişmesi Daha yüksek hızda parça üretilmesi Şekillendirilen yüzeyin geliştirilmesi Otomasyon Yeni prosesler Karmasık parçalarin üretilmesi Yüksek hızda parça üretimi Daha ucuz parça üretimi Sürekli ölçülerde- boyutlarda yüksek hızda üretim Yeni prosesler Kompozitler Saflaştırma Alaşım modifikasyonları proses içerisinde yapılır. Katı oranı, uygulamada ayarlanabilir- biyetlerde ise katı oranı çalışma aralığı dardır. Metal tedarikçileri sınırsızdır- basınçlı döküm külçeleri, özellikli hazırlanmış thixocasting biyetlerinden daha kolayca ve ucuz olarak bulunabilir. Dökümhane hurdalarının geri kazanım ile tekrar ergitilmesi ve kullanılması söz konusu iken Thixocasting de metal tedarikçiye gönderilmeli ve geri kazanılmış yeni biyet sağlanmalıdır. Diğer yarı-katı prosesleri ile karşılaştırıldığında maliyeti düşüktür. Rheo Döküm Prosesi; ergitme, rheolojik proses ve rheolojik malzemenin dökümü aşamalarını kapsamaktadır. Yapılan çalışmalar neticesi yarı katı döküm tekniklerinden rheocasting yöntemi ile üretilen malzemelerin thixocasting yöntemine göre daha üstün özelliklere sahip olduğu Şekil 2 de karşılaştırmalı olarak gösterilmiştir [5]. Şekil 1. Rheodöküm ve thixodöküm yöntemlerinin şematik gösterimi [4] Şekil 2. Farklı üretim yöntemleri sonucu elde edilen Max. Çekme dayanımı- % uzama grafiği. (BD:Basınçlı döküm, TC: Thixocasting, TM: Thixoforming, RBD:Rheo 2. Rheo Döküm Prosesinde Uygulama Yöntemleri Her ne kadar alüminyum döküm parçalar demir alaşımlarından önemli derecede pahalı olmasına rağmen araç ağırlığının azalması ve yakıt ekonomisi açısından devam eden bir pazar gereksinimi bulunmaktadır. Bu gereksinim alüminyumun demir alaşımlarının yerini almasına neden olmaktadır [6]. Laboratuar çalışması olarak başlayan rheo döküm prosesleri ile yüksek kaliteli, güvenli kritik parça üretimi mümkün olmaktadır. Rheo döküm proseslerinden yaygın olarak kullanılan prosesler; eğimli soğuma rampası, soğuk parmak manyetik karıştırma, twin-screw rheomolding ve yeni rheo döküm proseleridir. 2.1. Eğimli Soğuma Rampası Eğimli soğutma plakasında döküm prosesi birkaç yıl önce ileri sürülmüştür ve yarı-katı dökümde yeni, elverişli bir proses olarak görülmektedir. Bu metotta, bir döküm sıcaklığında eritilen alaşım eğimli bir plakadan dökülür. Plakadan akış sırasında eriyiğin eğimli plaka ile teması, yer çekimi ve sıvı akısından dolayı kesme gerilmesine maruz kalmasının bir sonucu olarak katı çekirdekler şekillenir [7]. Eğimli soğuma rampası Şekil 572
3 te şematik olarak gösterilmiştir [8]. 2.2. Soğuk Parmak Manyetik Karıştırma Massachusetts Institute of Technology de etkin şekilde dendritik olmayan malzemeyi oluşturan yeni bir rheocasting teknolojisi 2000 yılında geliştirilmiş ve 2001 yılında NADCA (North American Die Casting Association) kongresinde tartışılmıştır. 2002 yılının başlarında Idra Döküm makineleri, teknolojiyi kullanan döküm ekipmanlarını geliştirmek ve satmak için özel lisans almıştır [1]. Bu proses, manyetik olarak karıştırılan sıvı metal içerisine daldırılan soğutucu bir tüp ile aşırı alt soğutma ve karıştırma etkisinin hibrit olarak kullanıldığı bir prosestir. Şekil 5. Twin-Screw Rheomolding prosesi 2.4. Yeni Rheo Döküm Prosesi Bu proseste yarı katı metal çamuru seramik bir tüp içerisine dökülerek hızlı bir şekilde soğutulmakta sonrasında indüksiyon ocağı ile yarı katı bölgeye ısıtılarak kalıp içerisine enjekte edilmektedir [11]. Şekil 3. Eğimli soğuma rampasının şematik gösterimi [8] Şekil 6. Yeni rheo döküm prosesi[11] 3. Rheo Döküm Prosesinde Yarı Katı Metalin Akış Karekteristiği Şekil 4. Soğuk parmak manyetik karıştırmanın şematik olarak gösterilmesi [9] 2.3. Twin-Screw Rheomolding prosesi Bu proseste yarı katı çamur mekanik olarak elde edilmektedir. Proses yüksek basınçlı döküm ve plastik enjeksiyon sistemlerinin kombinasyonudur. Bu proseste tek adımda sıvı metalden yarı katı çamurun oluşturularak kalıp içerisine aktarılması prensibine dayanır [10]. Proses Şekil 5 te gösterilmektedir. Mevcut durumda tüm alüminyum döküm parçaların % 85 i otomotiv ve kütlesel ulaşım endüstrisi tarafından kullanılmakta ve bu parçaların önemli bir oranı, yüksek etkinlik ve düşük üretim maliyeti nedeniyle yüksek basınçlı döküm yöntemi ile üretilmektedir. Yüksek basınçlı döküm yöntemi ile üretilen parçalar diğer döküm yöntemlerine kıyasla daha yüksek mukavemet değerlerindedir. Buna rağmen sıvı metalin yüksek hızlarda kalıp boşluğunu doldurması sırasında bazı olumsuzluklarla karşılaşılır. Bunlardan en önemlileri, artan basınç ile sıvı metalin gaz çözünürlüğünün artması ve yüksek türbülanslı kalıp dolumudur. Rheo döküm prosesinde yarı katı çamurun kalıp içerisine düzlemsel bir akışla dolması ve dolum süresince katı bulunması bu iki olumsuz etkiyi ortadan kaldırmaktadır [12]. Şekil 7 de yüksek basınçlı döküm sırasında çekiç milinin ilerlemesi %70 olduğunda döküm durdurularak kalıp içindeki akış incelenmiştir. Yarı katı çamurun kalıp içerisinde akışı düzlemsel olduğu görülmektedir [12]. 573
Şekil 8. A356 döküm alaşımının kremsi davranışının bıçakla kesilerek test edilişi Fan Z. ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmada rheo döküm prosesi ile üretilen parçaların mekanik özellikleri ve mikroyapıları incelenmiştir [15]. Yapılan bu incelemelerde düzlemsel olarak kalıp boşluğunun doldurulduğu gözlenmiştir (Şekil 10). Şekil 7. %70 vuruş yapılmış kalıptaki metal akışı a) yarı katı metal b) sıvı metal Yapılan çalışmalar, yarı katı metal çamurun kremsi bir davranış için katı oranının % 40-50 aralığında olması gerektiği doğrultusundadır [13]. Şekil 8 de otomotiv sektöründe sıkça kullanılan A356 döküm alaşımının kremsi davranışını bıçakla keserek göstermektedir [13]. 4. Rheo Döküm Prosesinin Mekanik Özellikler ve Mikroyapıya Etkileri Rheo döküm prosesi ve thixocasting prosesi arasında yapılan mekanik testlerde yüzde uzama ve maksimum çekme dayanımında rheo döküm prosesinin daha üstün olduğu görünmektedir. Rheo döküm ile yeni rheo döküme kıyasla daha fazla dayanıma sahiptir [14]. Şekil 9 da otomotiv sektöründe yaygın olarak kullanılan A357 döküm alaşımından thixocasting, yeni rheo döküm ve rheo döküm prosesleri ile üretilen parçaların mekanik özellikleri gösterilmektedir [14]. Şekil 9. A357 döküm alaşımının mekanik özellikleri NRC: yeni rheo döküm RDC: rheo döküm Şekil 10. A357 döküm alaşımının kalıp içindeki düzlemsel akışın fotoğrafı ve mikroyapı görüntüleri[15] Torkar M. ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmada yarı katı metal prosesinin temel olarak kullanıldığı üretimlerde hemen hemen yapının küresel olduğundan bahsedilmiştir. Dendritik olmayan mikroyapı elde edilmesinde ikincil dendrit kollarının kırılarak eş eksenli bir yapının oluşturulduğu ifade edilmektedir [16]. Torkar ve arkadaşlarının yeni rheo döküm prosesi ile üretilmiş A357 döküm alaşımı mikroyapı olarak incelenmiştir (Şekil 11). 574
Şekil 14. Rheo döküm yöntemi ile üretilmiş 2005 model Honda Civic Otomobilin motor bloğu Şekil 11. 582 C deki yarı katı çamurdan üretilmiş A357 Döküm alaşımının mikroyapı görüntüsü[16] Şekil 12. Mercedes S class W220 direksiyon kolu Şekil 15. Rheo döküm yöntemi ile üretilmiş bazı fren merkezleri 5. Sonuçlar Şekil 13. Fiat Stilo, motor kulağı Yarı katı çamurun gerek kalıp içerisine dolumu sırasında kremsi bir davranış sergilemesi, gerekse dendritik olmayan küresel veya küresele yakın yapının bulunması gibi birçok rheo döküm prosesinin avantajları ile ısıl işlem, kaynak kabiliyeti, anodizing ve işlenebilirliğe imkan sağlar [13]. Bu avantajlarından dolayı otomotiv sanayisinde güvenli kritik parça üretimlerine aşağıda şekiller örnek gösterilebilir. Literatür incelemesinde aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir. Yarı katı metal prosesleri ile otomotiv endüstrisi için önemli olan güvenli kritik parça ihtiyacı karşılanabilir. Yarı katı metal prosesleri ile üretilen parçaların mekanik özellikleri geleneksel döküm yolu ile üretilen parçalardan daha üstündür. Otomotiv sanayisinde %10 oranındaki hafiflik % 6-8 oranında yakıt tasarrufu sağlamaktadır. Yarı katı metal prosesi aynı dayanımdaki bir parça için daha az miktarda metal gereksinimi ile daha hafif parça üretimini mümkün kılmaktadır. Yarı katı metal prosesi ile ısıl işlem, işlenebilirlik, anodizing ve kaynak kabiliyetini mümkündür. Yarı katı metal prosesi ile üretilen parçaların kazandığı özellikler, geleneksel yöntemlerle ya elde edilemez yada yüksek maliyetli olur. 575
Yarı katı metal prosesi ile kalıp ömrü artar, daha çok çevrim yapılarak maliyetler düşürülür. Yarı katı metal prosesinde üretilen parçalarda porozite ve çekme boşluklarına rastlanmaz. Kaynaklar [1] Flemings, M. C. 2000, Semi Solid Forming: The Process and The Path Forward Massachusetts Instıtute and technology, Metallurgical Science and Technology. [2] Rabb, R., 1996, Fatigue Failure of a Connecting Rod, Engineering Failure Analysis, Vol. 3, No. 1, pp.13-28. [3] Scamans, G. and Fan, Z., Shear Rheocasting of Aluminium Alloys Innoval Technology Limited and Brunel University, UK [4] Basner, T., Delphi Automotive Systems Rheocasting of Semi-Solid A357 Aluminum SAE 2000 World Congress Detroit, Michigan March 6-9, 2000. [5] Oxon, Banbury. Rheoforming of Novel Aluminum and Magnesium Alloys www.innovaltec.com Innoval Tecnology Ldt. [6] [6] Brown John R. Aluminium casting alloys Foseco Non Ferrous Foundryman's Handbook, 1999, Pages 23-45. [7] Gençalp S., Kasman Ş., Saklakoglu N., "Soğutma Plakasında Döküm Sırasında Plaka Açı ve Uzunluğunun Mikroyapı Gelişimine Etkisinin İncelenmesi 5. Uluslararası _leri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye [8] Liu D., Atkinson H.V., Kapranos P., Jirattiticharoean W., Jones H. Microstructural evolution and tensile mechanical properties of thixoformed high performance aluminium alloys Materials Science and Engineering A361 (2003) 213 224 [9] Zhang X., Li T., Xie S., Teng H., Jin J., Microstructure evolution of A356 alloy in a novel rheocasting approach journal of materials processing technology 2009. 2092 2098 [10] Ji S., Fan Z., Liu G., Fang X., Song S. Twin- Screw Rheomouldıng of AZ91D Mg-Alloy Walfson Centre for Materials Processing Brunel University, Uxbridge, Middlesex, UB8 3PH, UK. [11] Kamran M., Semi-Solid Metal Processing-A Review Journal of Quality and Technology management Volume V, Issue 1 June, 2009, pg. 94-110 [12] [12] Laukli H. I. High Pressure Die Casting of Aluminium and Magnesium Alloys Grain Structure and Segregation Characteristics A thesis submitted to the Norwegian University of Science and Technology (NTNU)in partial fulfilment of the requirements for the degree of Doktor Ingeniør Trondheim, April 2004 [13] Wannasin J., Thanabumrungkul S., Development of a semi-solid metal processing technique for aluminium casting applications Songklanakarin J. Sci. Technol.30 (2), 215-220, Mar. - Apr. 2008. [14] Fan Z., Ji S., Fang X., Rheo-Diecasting of Aluminium Alloys And Components Title of Publication Edited by TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), 2004. [15] Fan Z., Ji S., Liu G., Zhang E. Development of The Rheo-Diecasting Process For Mg-Alloys And Their Components Title of Publication Edited by TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), 2004 [16] Torkar M., Breskvar B., Godec M., Giordano P., Chiarmetta G., Microstructure Evaluation of An Nrc- Processed Automotive Component ISSN 1580-294 MTAEC9, 40(2), 73 (2006). 576