METALLERE UYGULANAN İMALAT YÖNTEMLERİ VE ISIL İŞLEMLER Cevher olarak edilen metaller arındırılıp alaşımlandıktan sonra bir takım ısıl işlemler ve imalat yöntemleri ile özellikleri iyileştirilerek hammadde, yarı mamul veya ürüne dönüştürülürler. İmalat yöntemi seçimi; malzeme, boyut, şekil ve fiyat gibi faktörlere bağlıdır. PŞV Yöntemi Şematik Gösterim Uygulamalar Dövme El aleti,krank mili, biyel kolu İMALAT YÖNTEMLERİ: Metaller çeşitli plastik şekil verme, talaşlı imalat, döküm, kaynak, toz metalürjisi ve geleneksel olmayan (alışılmamış/ileri) imalat yöntemleri ile imal edilirler. - Plastik şekil verme (PŞV): Belirli bir sünekliğe sahip metallere katı halde uygulanan ve akma dayanımının üzerinde gerilmelere neden olacak büyüklükte yükler ile şeklinde kalıcı değişiklikler yaparak gerçekleştirilen imalat yöntemidir. Dövme, haddeleme, ekstrüzyon, çekme, bükme, kesme, derin çekme gibi türleri bulunur. Plastik şekil verme soğuk (mutlak erime sıcaklığının % 30 unun altındaki sıcaklıklarda), ılık (yarı sıcak) veya sıcak (yeniden kristalleşme sıcaklığının üzerinde) şartlarda gerçekleştirilebilir. Isıtma malzemenin dayanımının düşürüp sünekliğini ve şekillendirilebilirliğini arttırarak işlemin daha kolay gerçekleşmesini sağlar. Soğuk şekillendirme pekleşmeye bağlı olarak şekillendirilen malzemede dayanım artışının yanında daha iyi yüzey kalitesine ve buna bağlı olarak daha yüksek boyut hassasiyetine olanak sağlar. Dövme işlemi ince olmayan kütlesel parçaları genellikle sıcak şartlarda basınç uygulayarak basit şekilli parçalar için açık, karmaşık şekilli parçalar için kapalı kalıplarda sıkıştırarak şekillendirme işlemidir. En çok kullanılan metal şekillendirme yöntemlerinden olan haddeleme, metali dönen miller (merdane) arasından iterek geçirip basit veya karmaşık kesitli profiller elde edecek şekilde inceltme işlemidir. Ekstrüzyon işlemi metali basma kuvvetleri ile iterek küçük bir kalıp boşluğundan geçirerek şekillendirme işlemidir. Çekme, ekstrüzyona benzer şekilde metali küçük bir kalıp boşluğundan geçirme işlemidir. Ancak basma yerine çekme kuvvetleri uygulanır. Bükme, kesme ve derin çekme gibi işlemler genellikle düzlemsel saclara uygulanan şekillendirme işlemleridir. Bükme ve kesme ile düzlemsel saclara 3 boyutlu şekiller kazandırılır. Bükme işlemi borulara da uygulanır. Haddeleme Ekstrüzyon Boru, I/L/T profil, tren rayı Çubuk, boru, tüp, kesitli profil
PŞV Yöntemi Şematik Gösterim Uygulamalar Çekme Çubuk, tel, tüp, boru Bükme Gövde sacı Kum kalıba dökümde ergimiş metal bir yolluk sistemiyle kumdan hazırlanmış 2 parçalı bir kalıp boşluğuna dökülerek katılaştırılır ve sonra kum kalıp bozularak katılaşmış parça çıkarılır. Kalıp boşluğu parça geometrisine sahip bir model kum kalıplar arasında sıkıştırılarak elde edilir. Kokil kalıba dökümde metal esaslı ve çok sayıda döküm yapılabilecek kalıcı kalıplar kullanılır. köpük kalıba dökümde ise ergimiş metalin dökülmesiyle buharlaşarak kaybolan strofor malzemeden bir model kullanılır. plastik enjeksiyonda olduğu gibi ergimiş malzemenin basınçlı bir şekilde yüksek hızlarda kokil kalıp boşluğuna doldurulduğu basınçlı dökümde genellikle basit geometriye sahip çok sayıda parça aynı anda dökülür. Ürün boyut hassasiyetinin yüksek olmasının istendiği durumlarda düşük sıcaklıkta eriyen mum veya plastik esaslı model etrafına seramik kalıp yapılarak ısı etkisiyle model eritilerek veya yakılarak uzaklaştırılır ve kalıp boşluğu elde edilir. Derin çekme Kaporta, basınçlı kap, kutu, tencere - Döküm: Ergimiş metalin istenilen geometrideki boşluğuna sahip bir kalıp içine dökülerek katılaştırılması işlemidir. Katılaşma sırasında parça kalıbın şeklini alırken katılaşma sonunda bir miktar büzülerek küçülür. Çok büyük veya karmaşık şekilli parçalar, plastik şekillendirme için yeterli sünekliğe sahip olmayan malzemeler ve ekonomik sebepler nedeniyle tercih edilen bir imalat yöntemidir. Kum kalıba, kokil kalıba, strofor (köpük) kalıba döküm, hassas döküm, basınçlı döküm, sürekli döküm gibi türleri bulunur. Döküm ile pompa ve makina gövdesi, motor bloku, su tesisatı armatürü, flanşlı boru, dişli, kasnak, vana, türbin kanadı gibi parçalar imal edilir.
Birleştirilen parçalar daha önce soğuk şekil değiştirmiş ise yeniden kristalleşme ve tane irileşmesi ile dayanım ve tokluk düşer. Soğuma sırasında ortaya çıkan iç gerilmeler kaynak bölgesini zayıflatır. Yüksek sıcaklıklar bazı çeliklerde kaynak bölgesinde gevrek ve kırılgan martenzit fazının oluşmasına neden olur. Bu nedenlerle kaynaklı parçalarda kaynak bölgesi dayanım açısından en zayıf yerdir. - Kaynak: Asıl itibariyle makina elemanlarının çözülemeyen bağlantı elemanları grubuna dâhil edilen bir metalürjik birleştirme şekli olup ayrı ayrı imal edilen 2 veya daha fazla metal parçanın ısı ve/veya basınç etkisiyle bir araya getirilmesiyle gerçekleştirilen bir imalat yöntemi olarak da değerlendirilir. Elektrik ark kaynağı, yanıcı gaz kaynağı, punta kaynağı, lazer kaynağı, plazma kaynağı, sürtünme kaynağı gibi türleri bulunur. Kaynak bölgeleri dışardan enerji verilerek ısıtılır ve ergimiş metaller arasında atomik yayınma ile birleşme sağlanır. Kaynak bölgesi ve çevresine ısı tesiri altındaki bölge (ITAB) denilir ve bu bölgede mikroyapı ve özellikler değişir. - Talaşlı imalat: Metallerden kesici takımlar ile talaş kaldırarak işleme yöntemi olan talaşlı imalatın tornalama, frezeleme, delme, planyalama, vargelleme, taşlama gibi türleri bulunur. Hızlı ve son derece yaygın bir imalat yöntemi olup en büyük dezavantajı malzeme kaybına neden olmasıdır. Tornalamada kesme hareketi parçanın dönmesiyle, ilerleme hareketi takımın ötelenmesiyle yapılır. Frezelemede kesme hareketi takımın dönmesiyle, ilerleme hareketi parçanın ötelenmesiyle olur. Delmede kesme hareketi takımın dönmesiyle, ilerleme hareketi takımın ötelenmesiyle gerçekleştirilir. Planyalama ve vargellemede kesme hareketi doğrusal olup planyalamada parça, vargellemede takım tarafından gerçekleştirilir. Taşlamada kesme hareketi takım, ilerleme hareketi parça tarafından yapılır. Genel itibariyle tornalama ve delme silindirik parçalar, planyalama ve vargelleme prizmatik parçalar, frezeleme ve taşlama ise hem silindirik hem prizmatik parçalar elde etmek için uygulanır.
Talaşlı İmalat Yöntemi Tornalama Şematik Gösterim Talaşlı İmalat Yöntemi Planyalama Şematik Gösterim Frezeleme Vargelleme Delme Taşlama
- Toz metalürjisi (Sinterleme): Görece yeni bir teknoloji olan toz metalürjisinde (T/M) çeşitli yöntemlerle mikron boyutlarında üretilen metal tozlarının çok büyük basınçlar altında kalıplarda sıkıştırılması ve daha sonra yüksek sıcaklıklarda pişirilerek sinterleme ısıl işlemi uygulanması ile çok hassas yüzey kalitelerine sahip sert, dayanıklı ve tok parçalar elde edilir. İşlem esnasında tozlar ısı ve basınç etkisiyle atomik yayınma ile birbirine kaynar. Bu yöntemde istenildiğinde kendinden yağlamalı yataklarda, yalıtımlı parçalarda ve filtrelerde olduğu gibi tozlar arasında açık veya kapalı hava boşlukları bırakılabilir. - Alışılmamış imalat yöntemleri: Son yıllarda geliştirilen yöntemler olup kullandıkları enerji kaynağına göre mekanik, kimyasal, elektrokimyasal ve termal şeklinde sınıflandırılırlar. Mekanik yöntemde iş parçasının üzerinden malzeme işlemek için parçaya su veya hava yoluyla aşındırıcı parçacıklar gönderilir. Kimyasal yöntemde iş parçasına aşındırıcı kimyasal sıvı püskürtülür. Kimyasal frezeleme, fotokimyasal işleme, kimyasal parlatma ve ısıl kimyasal işleme şeklinde 4 ana gruba ayrılır. Elektrokimyasal yöntemde elektrolitik sıvı içinde aşındırma gerçekleşir. Isıl yöntemde ise çok yüksek enerjide (buharlaştırıcı) ısı enerjisi ile işleme yapılır. Isı elde etmek için elektrik boşalımı, elektron ışını, lazer ışını gibi kaynaklar kullanılır. ISIL İŞLEMLER: Isıtma ve soğutma işlemleri sırasında metal ve alaşımlarının içyapılarında meydana gelen değişimler kontrol edilerek mekanik özellikler iyileştirilebilir. Bu nedenle ticari metal malzemelerin çoğunda ısıl işleme başvurulur. Metallere uygulanan en yaygın ısıl işlem tavlama olup bu işlemde malzeme yüksek sıcaklıklarda uzun süre tutulduktan sonra yavaş bir şekilde soğutulur. Böylece iç gerilmeler giderilirken süneklik ve tokluk arttırılır, dayanım düşürülür ve istenilen içyapılar elde edilir. Farklı mikro yapılar elde etmek için değişik tavlama yöntemlerine başvurulur. - Yeniden kristalleştirme tavlaması: Bu işlem metal veya alaşımın daha önce gördüğü soğuk şekil değişiminden kaynaklanan olumsuzlukları gidermek için yapılır. Soğuk şekil değişimi nedeniyle pekleşen malzeme yeniden kristalleştirme sıcaklığının (mutlak erime sıcaklığının yarısı) üzerindeki sıcaklıklara ısıtılarak bir süre bekletilir ve soğutulur. Böylece çatlama olmadan ve yüksek enerjiye gereksinim olmadan malzemenin plastik şekil değiştirmesi mümkün olur. İnce taneli yapının istendiği durumlarda işlem görece düşük sıcaklıklarda ve kısa süreli yapılmalıdır. Yeniden kristalleştirme sıcaklığının altında yapılan tavlamalarda malzemede toparlanma gerçekleşir ama yeniden kristalleşme olmaz. Çok yüksek sıcaklıklarda yapılan tavlama işlemlerinde yüzeyde paslanma olmaması için koruyucu atmosfer gerekir. - Gerilme giderme tavlaması: Talaşlı imalat, homojen malzeme akışı olmayan plastik şekil verme, üniform olmayan soğumanın olduğu döküm ve kaynak gibi işlemlerde ve farklı fazların bir arada bulunduğu faz dönüşümleri sonucunda metal ve alaşımlarda artık iç gerilmeler meydana gelerek hem parçaların çalışma performansını olumsuz etkiler hem de parçalarda zamanla deformasyon ve çarpılmalara neden olur. Görece düşük sıcaklıklara (basit karbonlu çelikler için 550 o C) ısıtılan parçanın bu sıcaklıkta bir süre tutulması ve ardından havada soğutulması ile yapılan gerilme giderme tavlaması ile iç gerilmeler ortadan kaldırılır. - Normalleştirme tavlaması: Plastik şekil değişimi sonrasında çeliklerde bulunan perlit ve ferrit/sementit fazları düzensiz, büyük ve farklı boyutlarda tanelerden oluşur. Normalizasyon tavlaması ile ince perlit taneli ve homojen dağılımlı bir içyapı elde edilir. Östenitleme de denilen bu ısıl işlem karbon oranına bağlı olarak östenit fazının başladığı sıcaklığın en az 55 o C üzerine ısıtılıp yeterince tutulduktan sonra havada soğutulmasıyla gerçekleştirilir. - Tam tavlama: Önemli ölçüde plastik şekil değişimi veya talaşlı imalat uygulanacak düşük ve orta karbonlu çeliklere uygulanan bu işlemde ötektoid altı çeliklere tam östenit, ötektoid üstü çeliklere östenit ve sementit yapı kazandırmak için söz konusu fazların başladığı sıcaklıkların 50 o C kadar üzerine ısıtılıp, bu sıcaklıkta yeterince tutulduktan sonra fırında yavaş soğutularak kaba perlit yapı elde edilir. Yumuşatma tavlaması da denilen bu işlemle yumuşak ve sünek bir yapı elde edilir. - Küreselleştirme tavlaması: Orta ve yüksek karbonlu çelikler kaba perlit yapıda olsalar da talaşlı imalat ve plastik şekil değişimi için hala sert ve gevrek olabilirler. Bu nedenle yapıdaki sementitin küreselleştirilmesi gerekir. Küreselleştirme tavlaması birkaç farklı şekilde uygulanabilir.
Bir yöntemde çelik ötektoid sıcaklığın hemen altında ferrit ve sementit fazlarının bir arada bulunduğu 700 o C civarı bir sıcaklığa ısıtılabilir. Diğer bir yöntemde çelik ötektoid sıcaklığın hemen üzerinde bir sıcaklığa ısıtılarak daha sonra fırında yavaş soğutulabilir ya da ötektoid altı bir sıcaklığa soğutulup bu sıcaklıkta bir süre tutulabilir. Bir diğer yöntemde çelik ötektoid sıcaklığın 50 o C altı ile 50 o C üzerindeki bir sıcaklık aralığında çevrimsel ısıtma soğutma işlemine tabi tutulabilir. - Çökelme sertleşmesi: Bazı metal alaşımlarının sertlik ve dayanımı çeşitli ısıl işlemlerle son derece küçük ve sert ikinci faz parçacıklarının matris faz içinde homojen şekilde dağıtılması ile artırılabilir. Bu ikinci faz parçacıklarına çökelti adı verilir. Alaşımın dayanımı zamanla iyileştiği için bu işleme yaşlandırma da denir. Yaşlandırma oda sıcaklığında gerçekleşirse doğal, fırın ortamında gerçekleşirse yapay yaşlandırma olarak adlandırılır. Çökelme sertleşmesi iki aşamada gerçekleşir. İlk aşama olan çözeltiye almada, tüm çözünen atomlar tek fazlı bir katı çözelti içinde dağıtılarak yayınmaya imkân vermeyecek kadar hızlı bir şekilde oda sıcaklığına soğutularak aşırı doymuş kararsız faz elde edilir. Yaşlandırma (çökelme) olarak adlandırılan ikinci aşamada alaşım yayınmanın gerçekleşebileceği bir sıcaklığa ısıtılarak ikinci fazın aşırı doymuş ana faz içinde homojen bir şekilde ince parçacıklar halinde çökelmesi sağlanır. Yaşlandırma süresinin artmasıyla alaşımın dayanım ve sertliği belirli bir süreye kadar artarken daha sonra azalmaya (aşırı yaşlandırma) başlar. Bu işlem yüksek dayanımlı alüminyum alaşımları (alüminyum-bakır, magnezyum-alüminyum) başta olmak üzere bakır-berilyum, bakır-kalay ve bazı demir esaslı alaşımlara uygulanır. - Sertleştirme: Çeliklerde sertlik ve dayanım arttırmak için martenzit yapının elde edilmesi gerekir. Bunun için gerekli sıcaklığa ısıtılarak östenitlenen çelik su, yağ veya havada su verme ile hızlı soğutulur. Su vermeyi takiben uygulanan temperleme (menevişleme) tavlaması ile çeliğe istenen özellikler kazandırılır. Temperleme, su verme sonrası gevrekleşen çeliği toklaştırmak için yüksek sıcaklığa ısıtıp bir süre bu sıcaklıkta tuttuktan sonra hızlı soğutma ile gerçekleştirilir.