Her sektörde olduğu gibi, ısıl işlem için de gelecekte nelerin beklediği, vizyonunun ve hedeflerinin ne olacağı, hangi konuların önem kazanacağına ilişkin sorular şimdiden sorulmakta yanıtları aranmaktadır. İşte bu soruların cevabı ile ilgili olarak, International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering (uluslararası ısıl işlem ve yüzey mühendisliği) kuruluşunca yayınlanan raporu sizlere aktarmak istiyorum. Sanırım, çarpıcı, sarsıcı hedefler karşısında gerekli aksiyonların şimdiden alınması kaçınılmaz olacaktır. Isıl işlem, son derece önemli bir sektör olmasına rağmen çoğu zaman önemi tam olarak anlaşılamamıştır. Isıl işlemle ilgili problemleri daha iyi kavrayabilme adına yapılan hemen hemen tüm anketlerde, aşağıdaki konuların ön plana çıktığı görülmektedir: 1. Deformasyon ve kalite kontrol 2. Enerji fiyatları 3. Modelleme ve simülasyon tekniklerinin uygulanması 4. Soğutma ortamının seçimi ve uygulanmasına yönelik problemler 5. Diğer konular Şurası açıktır ki, yukarıda adı geçen konuların üzerine başarılı şekilde gidilmediği sürece, sanayinin büyümesi ve gelişmesi için hayati önem taşıyan ısıl işlem sektöründe ciddi sorunlar yaşanacaktır. Giriş: Isıl işlem, sadece Amerika da, yıllık 15-20 milyar Dolar lık bir hacme sahip olup otomotiv, demiryolu ve havacılıktan başlayıp diğer endüstrilere kadar hemen hemen her sanayi içinde yer alan kritik bir sektördür. Amerika ve diğer endüstrileşmiş ülkelerde, ısıl işlem pazarı, 2 ana gruptan oluşmaktadır; bunlardan biri pazarın yaklaşık %90 ı oluşturan ısıl işlemi kendi iç bünyelerinde gerçekleştiren grup diğeri ise pazarın yaklaşık %10 luk kısmını oluşturan fason ısıl işlemcilerdir. Son yıllarda, ısıl işlemi kendi iç bünyelerinde yapan firmalar küçülüp kendi ısıl işlemlerini fason ısıl işlemcilere verirken, fason ısıl işlem sektörü az da olsa bir büyüme göstermektedir. Isıl işlem endüstrisi aynı zamanda sermaye yoğun bir sektör olup büyük sermaye yatırımı isteyen özel ekipmanların kullanımını gerektirmektedir. Ayrıca enerji yoğun 1 / 8
sektör olmasından ötürü, yüklü yatırım maliyetine ilave olarak ağır işletme giderleri de olmaktadır. Bu giderlerin ışığı altında değerlendirme yapıldığında, birçok parçanın total maliyetindeki önemli payı ısıl işlemin oluşturmasının nedeni daha anlaşılır hale gelmektedir. Sonuç olarak, imalat endüstrisinin rekabetçi ve karlılığında ve küresel pazar ortamında rekabetçi kalabilmesinde, ısıl işlem çok önemli bir faktör olup temel inovasyonları gerektiren birçok teknolojik alanlara sahiptir. Yakın zamanda, Heat Treating Society of ASM International kuruluşu, 3 temel teknoloji grubunu baz alan ve ihtiyaçları üyeleri tarafından belirlenen bir araştırma planını geliştirdi. Bunlar; 1. Isıl İşlem Ekipmanları ve Donanımları Sıfır emisyonu gerçekleştirmek Proses süresini %50 azaltmak Üretim maliyetini %75 azaltmak Fırın ömrünü 10 kat arttırmak Fırın fiyatını %50 azaltmak 2. Enerji ve Çevre Enerji tüketimini %80 azaltmak İzolasyonu iyileştirmek 3. Prosesler ve Isıl İşlemli Malzeme Teknolojisi Proses süresini 50% azaltmak Üretim maliyetini 75% azaltmak Sıfır deformasyonu gerçekleştirmek ve ısıl işlemli parçalarda maksimum homojenliği elde etmek. Bu 3 Ana Teknoloji Grubunun Hedefleri Nasıl Elde Edilecek? 2 / 8
1. Isıl İşlem Ekipmanları ve Donanımları Bu teknoloji grubu için belirlenen ihtiyaçlardan bazıları aşağıda açıklanmıştır. Hızlandırılmış ısıtma (Accelerated Heating): Geleneksel fırın ısıtmayı, hızlandıran herhangi bir ısıtma yöntemi hızlı ısıtma olarak tanımlanır. Hâlihazırdaki konveksiyon tipli fırınların ısı transfer hızlarını 30 kat arttırmak mümkündür. Geçmişte bu yöntem ilk önce, çeliğin 1000-1250 ºC ısıtıldığı dövme endüstrisinde uygulanmıştır, ısıl işlemde ise nadiren uygulanmaktadır. Bu nedenle ASM kuruluşunun Ar-Ge planında hedef olarak konulmuştur. Eş zamanlı proses sensörleri (Real-Time Process Sensors): Isıl işlem proses sensörlerinin gelişimi ve işe yararlılığı, ısıl işlem camiasında hep süregelen ilgi alanı olmuştur. ASM anketinde, bunlardan öne çıkanlar ve geliştirilmesi istenenler ağıdaki gibidir : Parçadaki karbon seviyesini eş zamanlı gösteren karbon sensörleri Karbon çökelmesine karşı dirençleri artırılmış oksijen probları Isı transfer miktarını belirleyerek proses kontrolü sağlayan eş zamanlı su verme (soğutma) sensörleri Kimyasal ve fiziksel özelliklere ait girdileri kullanarak sistem kontrolü sağlayan sensörler Sistem verilerinin kantitatif entegrasyonunu sağlayacak algoritmalar Isıl işlem sonrasında artık gerilimleri doğru, hasarsız ve ekonomik olarak ölçecek yöntemler. Diğer araştırma alanları; Daha kısa proses sürelerine sahip nitrasyon prosesleri Düşük fiyatlı alaşımların kullanımını olanaklı kılan ısıl işlem prosesleri Yüksek seviyede iyileştirilmiş refrakter malzemeler Yüksek sıcaklıklarda ısıl işlem yapmaya uygun malzemeler 3 / 8
Yaşlandırma ve menevişleme proseslerinin daha iyi anlaşılmasını sağlamak 2. Enerji ve Çevre Amerikan Enerji kuruluşu (DOE), alüminyum, çelik ve metal işlem endüstrileri ile birlikte ısıl işlem temsilcilerini de IOF( geleceğin endüstrileri) kuruluşunda birleşmeye davet etmiştir. Çünkü, ısıl işlem, Amerika da 15-20 milyar Dolar iş hacminin yanı sıra, enerji yoğun sektördür ve yaklaşık yılda 500 trilyon BTU enerji tüketerek yıllık işetme maliyetinin %20 sini oluşturmaktadır. Proses Entegrasyonu: Proses birleştirmelerine verilecek örneklerden biri, Doğrudan Dövme Sertleştirmesi ( Direct Forge Hardening veya Direct Forge Quenching DFQ) olup muazzam enerji tasarrufu sağlayacak potansiyele sahiptir. İşleme veya haddeleme sonrası doğrudan ısıl işlem görebilecek bir çok çelik türü geliştirilerek çok büyük oranda proses verimliliği arttırılmış, enerji maliyetleri düşürülmüş ve parça performans özellikleri iyileştirilmiştir. Doğrudan Dövme Sertleştirmesi, otomotiv parçaları için aşağıda belirtildiği şekilde uygulanmaya başlanmıştır: Sıcak dövme sonrası doğrudan suya veya yağa (veya sıvı polimer çözeltiye) daldırılarak sertleştirme. Dövme sonrası doğrudan basınçlı hava ile soğutularak istenen ferrit + perlit veya beynit mikro yapısını en iyi şekilde elde etmek. Krank şaftlarda mikro alaşımlı çelikler kullanarak ince taneli mikro yapı ve daha mukavemetli ferrit elde etmek. Doğrudan Dövme Sertleştirme prosesi, hâlihazırda Asya da yaygın olarak kullanılmaktadır ancak Kuzey ve Güney Amerika da daha yeni yeni kullanılmaya başlanmıştır. Proses entegrasyonuna, son zamanlarda ortaya çıkan bir başka örnek ise dökümhane ve ısıl işlemin birleştirilmesidir. Alüminyum dökümler doğrudan ısıl işlem fırınları ile yan yana yerleştirilerek, maça ve kum giderme, termal kum ıslahı ve ısıl işlem olmak üzere 3 ayrı proses bir arada gerçekleştirilmektedir. Kum, fırın altında huni tipli haznede toplanmakta ve adamakıllı temizlenerek yeniden kullanıma hazır hale getirilmektedir. 4 / 8
Dökümlerin katılaştıktan sonra yeniden ısıtılması yöntemi ile kıyaslandığında, bu yeni uygulama ile çok büyük oranda enerji tasarrufu elde edilmiştir. Ayrıca, aynı fırın kum geri kazanımı için de kullanılabilmektedir. Benzer prosesler, akışkan yataklı fırınlar için de geliştirilmiş bulunmaktadır. Döküm ve ısıl işlemin birlikte uygulanması çok büyük kazançlar sağlamaktadır. ASM tarafından belirlenen, ısıl işlem tesislerinde enerji azaltılmasına yönelik diğer AR-GE hedefleri ise: Isıtma ve soğutma sistemlerindeki ısı transfer hızının artırılması. Düşük maliyetli ısı kazanımında ve düşük sıcaklık ısısından yararlanmada gelişmeler. Enerji maliyetini en aza indirebilmek için doğalgaz/elektrik ısıtmanın birlikte kullanıldığı hibrid sistemleri geliştirmek. Çevresel etkileri azaltabilmek için ASM AR-GE planı aşağıdaki konuların geliştirilmesini önermektedir; Kirliliği önleme / kontrol etme teknolojileri. Soğutma ortamı olarak yağ yerine başka alternatifler bulmak. NO3, NO2, CN, baryum tuzları ve çözücü temizleyiciler yerine alternatifler bulmak. Son olarak, K.Ogino, otomotiv üretimine yönelik olarak, hem enerji kullanımı hem de çevre teknolojileri üzerine ısıl işlemi tüm yönleri ile ele alan mükemmel bir genel değerlendirme raporu hazırlamıştır. Çok büyük oranda enerji tasarrufu sağlayacak ve çevresel etkileri en aza indirecek alternatif yöntemlerden biri Intensive Quenching-IQ (yoğun su verme) yöntemidir. Bu yöntemin (IQ) amacı, parça yüzeyinde maksimum bası gerilimleri sağlamaktır. IQ yöntemi ya alternatif olarak ya da indüksiyon sertleştirme veya karbon verme ile birlikte kullanılabilinir. Karbon vermenin yerine kullanıldığında, fırın gazlarının kullanımı ve uzun difüzyon süreleri ortadan kalkar. Buna ek olarak, soğutma ortamı olarak yağ yerine su veya tuzlu su kullanılır. Yakın zamanda, Sandia National Laboratory tarafından açıklanan rapora göre indüksiyon 5 / 8
ısıtma/sertleştirme prosesi çok düzgün tasarlandığında, fırın ısıtma/soğutmaya göre %95 e varan enerji tasarrufları elde etmek mümkündür. Bu ve daha fazla tasarrufların elde edilebilmesi için, aşağıdakileri gerçekleştirecek bir ekibin olması gerekmektedir: 1. Çok ciddi, titiz bilgisayar proses modellerinin geliştirilmesi, 2. Bilimsel sensörlerin, çok geniş bantta çeliklere, proseslere ve geometrilere uygulanabilen kapalı-döngü algoritmaların geliştirilmesi, 3. Optimal dayanç-ağırlık oranlarına sahip parçaların geliştirilebilmesi için, üstteki 1 ve 2 numaralı maddeden elde edilen verilerin kullanımı. 3. Prosesler ve Isıl İşlemli Malzeme Teknolojisi Yüksek sıcaklık karburizasyonu: Yüksek sıcaklık karburizasyonu genellikle 1010 C üzerinde yapılmakta ve karburizasyon çevrim süreleri kısa olmaktadır. Bu teknoloji Japonya da pratikte uygulanmakta, Amerika da ise nadiren görülmektedir. Bugünlerde, bu konu ile ilgili aktif araştırma programları Amerika da devam etmektedir. Yürümekte olan programlardan biri Northwestern University tarafından yapılmakta olup yeni bilimsel malzeme tasarımı üzerinedir. Bu araştırma programda, imalat proseslerinde yaygın olarak kullanılacak, proseslerin entegre edilmesine, hızlı ve yüksek sıcaklık karburizasyonuna uygun (yüksek sıcaklıkta tane büyümesine karşı dirençli) ve ısısal yönden dengeli yüzeyb sertleştirilmiş yeni sınıf malzemeler ile ultra-dayanıklı takım ve kalıp çelikleri tasarlanarak, proses çevrim sürelerinin %50 ve üzerinde kısaltılması hedeflemektedir. Proses modelleme: ASM ve diğer kuruluşlar, proses modelleme ve numerik simulasyondaki gelişmelerin, ısıl işlem endüstrisinin ilerlemesinde kritik temel teknoloji olduğunu belirlemişlerdir. ASM AR-GE planı aşağıdakileri önermektedir: Alaşım kompozisyonu, atmosfer, sıcaklık ve zamana bağlı olarak ortaya çıkacak mikroyapı modelleri oluşturmak Fırın içi termokimyasal sınır koşullarının bilinmesi Isıl işlem çeliklerinin sürekli soğuma ve sürekli ısınma dönüşüm modelleri (CCT ve CHT modelleri) 6 / 8
Isıl işlem sıcaklıkları ile mekanik ve termal özellikleri içeren veri tabanı oluşturmak Artık gerilim ve deformasyon miktarlarını tahmin eden modeller Isıl işlem yöntemlerini içeren, malzeme ve ısıl işlem proses seçimini sağlayan kullanıcı dostu yazılımlar geliştirmek. Soğutma özellikleri ile ilgili veri tabanı oluşturmak ve soğutucu ortam ile elde edilecek performansın tahmin edilmesini sağlayan formüller oluşturmak. 3 boyutlu analiz için elektro magnetic modelleme ve kantitatif malzeme seçimi için veri tabanı oluşturmak. Gerilim-gerinim veri tabanı ve plastik deformasyon veri tabanını içeren mekanik modeller yapmak. Termal proses modellemelerinin son durumu ile ilgili, yukarıda listelenen konuları içeren son derece değerli genel bir gözden geçirme raporu yayınlandı. Islah, karburizasyon, indüksiyon sertleştirme ve diğer prosesler için özellikle basit şekilli parçalarda mükemmel sonuçlar elde edildi. Ancak, bu modellerin bir çok üretim parçası gibi çok daha kompleks şekillere uygulanabilmesi için, yüksek sıcaklık malzeme özellikleri için veri tabanının olması gerekmektedir. Ayrıca, güvenilir ısı transfer katsayıları bulunmalı ve sınır durumları tanımlanmalıdır. Bu konu, ısıl işlemin yakın gelecekte üzerine yoğunlaşacağı konudur. Yeni malzemeler: bu alan son derece geniş kapsamlı olup, çok özet başlıklar aşağıda verilmektedir: Yüksek sıcaklıkta karburizasyon yapılan çeliklerin geliştirilmesi, İndüksiyon sertleştirmede daha hızlı proses sürelerine olanak tanıyan yeni çeliklerin geliştirilmesi, İçyapı - özellikler ilişkisinin geliştirilmesi, İşlenebilirlik ve şekillenebilirlikle ilgili kantitatif veri oluşturulması, Hızlı ısıtma teknolojilerine uygun malzemelerin geliştirilmesi. Sonuçlar: Çok özet ve genel bir değerlendirme sonucunda, 2020 lere kadar hedeflenenlerin gerçekleşebilmesi için yoğun bir çalışmanın yapılması gerektiği net olarak görülmektedir. Bu hedeflerin gerçekleşmesi, ekip çalışmasını, ulusal düzeyde teknik uzmanlaşmayı ve bilgi 7 / 8
aktarımını gerektirmektedir. Bu başarının kat be kat artarak büyüyebilmesi ise uluslararası işbirliğine, uluslararası ittifakların kurularak birbirlerine güç aktarımına bağlıdır. Son olarak, ABM nin bir üyesi olan IFHTSE (International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering), bu hedeflerin 2020 yılına kadar tamamen gerçekleşebilmesi için, tüm çabasını uluslararası güç aktarımını sağlamaya, uluslararası işbirliğini teşvik etmeye odaklamaktadır. Kaynak: Heat Treating In 2020: What Are The Most Critical Issues And What Will The Future Look Like? George E. Totten President International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering Bilgi ÇENGELLİ Bodycote Istaş Isıl İşlem San. Tic. A.Ş. Metalurji Yüksek Mühendisi AR-GE ve Eğitim Müdürü, Bodycote Istaş 8 / 8