MMT407 Plastik Şekillendirme Yöntemleri

K O C A E L İ ÜNİVERSİTESİ Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü MMT407 Plastik Şekillendirme Yöntemleri 7 Plastik Şekillendirilen Malzemeler Yrd. Doç. Dr. Ersoy Erişir 2012-2013 Güz Yarıyılı

7. Plastik şekillendirilen malzemeler 7.1. Sac malzemeler 7.1.1. Çelikler 7.1.2. Aluminyum alaşımları 7.1.3. Magnezyum alaşımları 7.1.4. Saf titanyum 7.1.5. Kaplamalı malzemeler 7.2. Masif şekillendirmeye uygun malzemeler 2 Genel Bakış

1. Metalurjik adlandırmaya göre sınıflandırma: LC HSS AHSS HMS Düşük karbonlu Yüksek mukavemetli Geliştirilmiş HSS Yüksek Mn Çelik IF IF-HS DP TRIP Arayer atomsuz çelik Yüksek mukavemetli IF Dual fazlı çelik Trip çeliği Mild IS CP TWIP Düşük karbonlu Yüksek mukavemetli Kompleks fazlı çelik Twip çeliği BH TRIP Bake hardening çeliği CMn Trip çeliği MART Karbon çeliği Martenzitik çelik HSLA Yüksek mukavemetli düşük alaşımlı çelik AHSS çok fazlı çelikler olup, yapısında martenzit, beynit ve kalıntı östenit gibi fazlar oluşturularak mekanik özellikleri artırılır. HSLA çeliklerine göre AHSS çelikleri yüksek mukavemetin yanı sıra çok iyi bir şekillendirebilirliğe sahiplerdir. 2. Akma mukavemetine göre sınıflandırma: Düşük mukavemetli çelikler YS < 210 MPa HSS (Yüksek muk. çelikler) YS 210-550 MPa UHSS (Ultra yük. muk. çelik) YS > 550 MPa 3. Çekme mukavemetine göre sınıflandırma: Düşük mukavemetli çelikler TS < 270 MPa HSS (Yüksek muk. çelikler) TS 270-700 MPa UHSS (Ultra yük. muk. Çelik) TS > 700 MPa Çelikler Bleck, 2006 3

Çelik Mikroyapı Karakteristikler LC Low Carbon Düşük Karbon HSS High Strength Steel Yüksek Mukavemetli Çelik AHSS Advanced High Strength Steel Geliştirilmiş Yüksek Mukavemetli Çelik HMS High Mn Steel Yüksek Mn Çeliği + + B + R + + B + yada yüksek miktarda - Yumuşak: Alaşımsız Al-söndürülmüş düşük karbon çeliği; DQ, ekstra derin çekmeye uygun - IF: arayer atomu içermeyen çelik; mikroalaşımlı ekstra derin çekmeye uygun - BH: bake hardening çeliği, bu çeliğin boyanması sırasında fırınlama yapıldığında C ile yaşlanma sayesinde ek bir mukavemet katılabilir - IF-HS: yüksek muk. IF çeliği, Mn ve P ile sertleştirilmiş - P: P alaşımlı yüksek mukavemetli çelik - IS: Izotropik akma davranışı göstren çelikler, Ti ve Nb mikroalaşımlı - CMn: Katı ergiyik serleşmesi için C, Mn ve Si içeren çelikler - HSLA: Yüksek mukavemetli düşük alaşımlı çelik, Nb veya Ti mikroalaşımlama ile sertleştirilmiş - DP: Dual fazlı çeliker, % 5-30 Martenzit ve ferrit içeren mikroyapı -TRIP: Dönüşüm katkılı plastisite gösteren çelik, ferrit, beynit ve kalıntı östenit içeren mikroyapı - PM: Kısmi yada tamamen martenzitik çelikler - CP: Kompleks fazlı çelik, ferrit, beynit ve martenzit karışımı mikroyapı - HMS-TRIP: Gerinme katkılı ' dönüşümü gösteren bir alaşım tasarımına sahip çelik - HMS-TWIP: Deformasyon etkisiyle mekanik ikizlenmeler gösteren bir alaşım tasarımına sahip çelik Çeliklerin mikroyapıları ve karakteristikleri Bleck, 2006 4

Uzama Geleneksel çelikler Östenitik bazlı çelikler AHSS tipleri Çekme mukavemeti, MPa AHSS (Geliştirilmiş yüksek mukavemetli çelikler) 5

Çekme mukavmeti R m, MPa Ultra yüksek mukavemetli CP-çelikleri Sıcak şekillendirilip sertleştirilmiş MS-çelikleri DP-çelikleri TRIP-çelikleri Bake hardening ve IF-çelikleri Yüksek alaşımlı özel çelikler Geliştirilmiş yüksek mukavemetli Aluminyum alaşımları Yüksek mukavemetli Mikroalaşımlı çelikler Derin çekilebilir çelikler Yumuşak (derin çekmeye uygun) Magnezyum alaşımları Kopma uzaması A 80, % Doege, Behrens, 2007 Çekme mukavemeti-kopma uzaması ilişkisi 6

Akma geirlmesi k f, MPa Sıcak şekillendirilip sertleştirilmiş Log. şekil değişirme Doege, Behrens, 2007 Bazı çeliklerin akma eğrileri 7

Mikroalaşımlı yüksek mukavemetli çelik H250G1 (ZStE250i), H220B (Bake Hardening Çeliği) Kullanım: Otomobil karoser dış parçaları, ana şasi tavan sacı Çok fazlı yüksek ve geliştirilmiş yüksek mukavemetli çelikler DP-Çelik (Dual fazlı çelik); H300X (DP500), H340X (DP600) Soğuk haddelenmiş: motor yatağı, B-sütunu desteği Sıcak haddelenmiş: B-sütunu desteği, tekerlek diski TRIP-Çeliği (Transformation Induced Plasticity- Dönüşüm Katkılı Plastiklik); TRIP700 Kullanım: Ana şasi, Taban CP-Çelik (Kompleks fazlı çelik); CP800 Kullanım: B-sütunu desteği, Kapı darbe emicisi MART/MS-Çelik (Martenzitik çelik); MS-W1200 Kullanım: Kapı takviyesi, Kapı darbe emicisi Sıcak Damgalama Çeliği (Hot Stamping); 22MnB5 Kullanım: B-sütunu desteği, Kapı darbe emicisi Doege, Behrens, 2007 Çelik saclara örnekler 8

Çelik tipi Parametreler Fazlar Tek faz (Düşük karbonlu çelik) - Tane boyutu - Tane şekli = ferrit İki faz (Dual fazlı çelik) - Tane boyutları - Hacimsel miktar - Yöresel kimyasal bileşim = ferrit = martenzit İki faz (Dupleks çeliği) - Tane boyutları - Hacimsel miktar - Yöresel kimyasal bileşim = ferrit = östenit Çok fazlı (TRIP çeliği) B R - Tane boyutları - Hacimsel miktar - Yöresel kimyasal bileşim - Faz stabilitesi = ferrit B = beynit = kalıntı östenit R Sac çeliklerinin mikroyapısal karakteristikleri Bleck, 2006 9

Tek fazlı Ferrit (F) İki fazlı DP-çelikleri Çok fazlı TRIP-çelikleri Çok fazlı CP-çelikleri Ferrit (F) Martenzit (M) (% 5-20) Ferrit (F) Beynit (B) Kalıntı östenit (R) Ferrit (F) Beynit (B) Martenzit (M) Mukavemet artışı Martenzitik mikroyapı Martenzit (M) Martenzitik mikroyapı Martenzit (M) Kalıntı östenit (R) Doege, Behrens, 2007 Sac çeliklerinin mikroyapıları 10

Geliştirilmiş yüksek mukavemetli çelik Yumuşak derin çekmeye uygun çelik geri2 geri1 geri2 geri1 Doege, Behrens, 2007 Rp 0,2 değerine bağlı olarak elastik geri dönme 11

Profil yüksekliği h p, mm İstenen geometri Profil genişliği b p, mm Zımba geometrisi 158 x 78 mm Zımba yarıçapı r St =12 mm Matris yarıçapı r M =9 mm Sac kalınlığı S0=1,46 mm 0,02 mm Çekme boşluğu UZ= 2,16 mm Çekme derinliği H= 70 mm Pot çemberi basıncı p= 4 MPa Yağlayıcı CLF 240; 3g/m 2 Doege, Behrens, 2007 Yüksek ve geliştirilmiş yüksek mukavemetli çeliklerde elastik geri dönme 12

7. Plastik şekillendirme yöntemleri ile şekillendirilen malzemeler 7.1. Sac malzemeler 7.1.1. Çelikler 7.1.2. Aluminyum alaşımları 7.1.3. Magnezyum alaşımları 7.1.4. Saf titanyum 7.1.5. Kaplamalı malzemeler 7.2. Masif şekillendirmeye uygun malzemeler 13 Genel Bakış

Özellik Geri dönüşebilirliği yüksek Şekillendirebilirlik Düşük yoğunluk Korozyon dayanımı Yüzey işlemleri ile daha da artırılabilir Mekanik özellikleri iyileştirilebilir Isıl işlemler ile Çökelti sertleşmesi ile Pekleşme ile Alaşımlama ile Özellikler kombine edilebilir Kompozit ve kompozit bileşenleri üretimi Döküm/sinterleme Farklı döküm teknikleri Sinterleme Plastik şekillendirme Haddeleme Kapalı kalıpta dövme Açık kalıpta dövme Boru çekme Tel çekme Çubuk çekme Derin çekme Kabartma Bükme Ekstrüzyon Kaynak Tüm yöntemler Talaşlı işlem Çökelti sertleşmiş ve pekleşme ile sertleşmiş durumda çok iyi, yüksek kesme hızı Doege, Behrens, 2007 Aluminyumun özellikleri 14

Oda sıcaklığında ilgili özellikler Malzeme Yoğunluk, g/cm3 Sac kalınlığı, mm Çekme muk. Rm, MPa Akma muk. Rp0.2, MPa Kopma uzaması A80, % Pekleşme katsayısı, - Ortalama anizotropi rm, - Magnezyum, Aluminyum ve Çelik alaşımlarının oda sıcaklığında özellikleri Doege, Behrens, 2007 16

Yapı (metal) Kayma Sistemi Kayma Kayma düzlemleri dpğrultusu Kayma Sistemi Yüksek sıcaklıkta magnezyum alaşımlarının daha iyi şekillendirme davranışı nedeni Ymk (Al) Diğer kayma düzlemlerinin ısıl aktivasyonu Hmk (Fe) Hsp (Mg) Kayma düzlemi Kayma doğrultusu Hsp: hegzagonal sıkı paket Metallerde oda sıcaklığında kayma sistemleri Doege, Behrens, 2007 17

Kopma uzaması Paslanmaz çelik* * Yüksek alaşımlı ferritik ve östenitik çelikler ** soğuk haddelenmiş, AHSS ve UHSS çelikler *** çökelti sertleşebilen dövme alaşımları Çelik** **** Oda sıcaklığı Aluminyum*** Magnezyum**** Titanyum Akma mukavemeti Saf titanyum ile diğer metallerin mukavemet ve sünekliklerinin karşılaştırılması Doege, Behrens, 2007 19

Mekanik özellikler; Paslanmaz çelik ve saf titanyum Doege, Behrens, 2007 20

Ön işlemler: Pasivasyon, alkali yağ alma, asitle temizleme, asit nötralizasyon, kromatlama yaklaşık Epoksi polyester Al+Zn-dolgu Ön işlem Aluminyum Epoksi polyester C-dolgu Ön işlem Aluminyum Polyester + Dolgu malzemesi Poliüretan-primer Ön işlem Aluminyum Kaynaklanabilir organik ince film Katoforez laklama Aluminyum saclarda kullanılan organik kaplamalar Doege, Behrens, 2007 22

Kaynaklanabilir organik ince film kaplama Epoksi/Poliüretan sistemi, Zn-dolgulu Ön işlem 7,5 m çinko Çelik Kaynaklanabilir organik ince film kaplama Modifiye edilmiş epoksi sistem, Fe2P/FeP dolgulu Ön işlem 7,5 m çinko Ön işlem: Alkali oksidasyonu, Kromatlama ve fosfatlama Çelik Doege, Behrens, 2007 Farklı organik ince kaplamalar Üstte: Çinko (Zn) ve Altta: Demirfosfit (Fe 2 P/FeP) 23

C soğuk şekillendirme W yarı sıcak şekillendirme H sıcak şekillendirme 25 Masif şekillendirmeye uygun çelikler (1/2)

Masif şekillendirmeye uygun çelikler (2/2) 26

Soğuk iş takım çeliği (el aletleri) Anahtarlar 31CrV3 (Su verme+temperleme; 35-40 HRC) Tornavidalar 50CrV4 (Yay çeliği; 45-55 HRC) Çekiçler C45U yada C60U (Çok kalın değilse sertleştirme yapılmıyor, 40-45 HRC) Eğeler C125U (65HRC) Dövme ile üretilen el aletleri-soğuk iş takım çeliği (Berns, Ferrous Materials, 2008) 27

Mikroalaşımlı dövme çeliklerde ıslah çeliklerinin üretim (a) ve maliyet (b) açısından karşılaştırılması 28

Mikroalaşımlı dövme çeliklerin mikroyapısı (30MnVS6) 29

Çelik tipi Kimyasal bileşimi C Si Mn P max S V YS N/mm 2 Mekanik özellikleri TS N/mm 2 El. % R of A % 19MnVS6 0.15 0.22 0.15 0.80 1.20 1.60 0.25 0.020 0.060 0.08 0.20 420 650 850 16 32 30MnVS6 0.26 0.33 0.15 0.80 1.20 1.60 0.25 0.020 0.060 0.08 0.20 470 750 950 14 30 38MnVS6 0.34 0.41 0.15 0.80 1.20 1.60 0.25 0.020 0.060 0.08 0.20 520 800 1000 12 25 46MnVS6 0.42 0.49 0.15 0.80 1.20 1.60 0.25 0.020 0.060 0.08 0.20 570 900 1100 8 20 46MnVS3 0.42 0.49 0.15 0.80 0.60 1.00 0.25 0.020 0.060 0.08 0.20 470 750 950 10 20 Çökelti sertleşen ferritik-perlitik çelikler, TS EN 10267 30

Çökelti sertleşen ferritik perlitik çeliklerin geçmişteki ve bugünkü durumu Kaspar, 1996 31