2. Uluslar arası Demir Çelik Sempozyumu (IISS 15), 1-3 Nisan 2015, Karabük, Türkiye AŞINMAYA DİRENÇLİ SAC MALZEMENİN ŞEKİLLENDİRİLEBİLİRLİĞE KARŞI DAVRANIŞI VE MİKRO YAPI ÜZERİNDEKİ ETKİSİ EFFECT ON THE MICRO-STRUCTURAL AND THE BEHAVIOR AGAINST FORMABILITY OF WEAR RESISTANT SHEET MATERIAL Mustafa Özdemir a, Hakan Gökmeşe b, Hakan Dilipak c, Volkan Yılmaz d, Hakan Gürün e a Bozok Üni., Makine ve Metal Tekn., Yozgat, Türkiye, E-posta: mustafa.ozdemir@bozok.edu.tr b Necmettin Erbakan Üni., Met. ve Mlz. Müh., Seydişehir-Konya, Türkiye, E-posta: hgokmese@konya.edu.tr c Gazi Üni., İmalat Müh., Ankara, Türkiye, E-posta: hdilipak@gazi.edu.tr d Gazi Üni., İmalat Müh., Ankara, Türkiye, E-posta: volkan@gazi.edu.tr e Gazi Üni., İmalat Müh., Ankara, Türkiye, E-posta: hgurun@gazi.edu.tr Özet Gerçekleştirilen çalışmada, aşınmaya karşı dirençli olan Hardox 500 sac malzeme kullanılmıştır. Hardox 500 sac malzemeler sert ve gevrek bir yapıya sahip olmaları nedeniyle oda sıcaklıklarında şekillendirilmeleri esnasında çatlama ve yırtılma meydana gelmektedir. Bu istenmeyen durumu ortadan kaldırmak ve malzemenin şekillendirilebilirliğini arttırmak amacıyla farklı sıcaklıklarda 850, 900, 950 ve 1000 C ta gerilim giderme tavlaması uygulanarak şekillendirme (bükme) işlemleri uygulanmıştır. V dip bükme işlemleri 60 bükme açısında ve 4,5 mm zımba uç yarıçapında gerçekleştirilmiştir Deneylerde serbest V bükme kuvveti uygulanmıştır. Bükme işlemleri, zımba sac malzeme üzerinde bekletilmeden direk uzaklaştırılarak ve zımbanın sac malzeme kesit alanını ezmesine müsaade edilerek gerçekleştirilmiştir. Normalizasyon uygulanmış numuneler mikro yapısal olarak incelendiğinde deformasyon bölgelerinde makro ve mikro boyutta herhangi bir çatlak meydana gelmediği tespit edilmiştir. Anahtar kelimeler: Bükme işlemi, normalizasyon, deformasyon Abstract In this study, wear-resistant Hardox 500 sheet material have been used as a workpiece material. Because Hardox 500 sheet materials have hard and brittle structure, during forming at room temperature they are occurred cracking and tearing. To eliminate this undesirable situation and to increase the ductility of the material, these materials have been applied the stress relieving annealing at different temperatures. (850, 900, 950 and 1000 C) and then bending tests were conducted. V bottoming bending processes have been performed the bending angle 60 and the punch tip radius 4.5 mm. In experiments, free V-bending force is applied. Bending processes were performed with the punch unloading waiting direct and allowed by coining the sheet metal bending zone. Normalization treated samples when analyzed micro-structurally, the macro and the micro dimensions in the deformation zones have been determined that no cracks occur. Keywords: Bending process, normalization, deformation of metals 1.Giriş Çelik malzemeler, farklı amaçlarla çok farklı kullanım alanlarına sahip metalik malzemelerin başında gelmektedir. Bu nedenlerle farklı beklentilere sahip çeliklerin üretimi gerekmektedir. Bu malzemeler alaşım elementi ilavesi ve ısıl işlem yoluyla bu farklı beklentileri karşılayabilecek hale getirilebilmektedirler. Aşınma yüzeylerinde oluşan malzeme taşınımı veya kaybı bu malzemelerin çalışma esnasındaki ömrünü ve çalışma performansını etkileyeceğinden ekonomik ve emniyet açısından çok önemlidir. Özellikle abrasiv aşınma endüstriyel cihazlarda malzeme kayıplarının başlıca sebebidir. Bu nedenle aşınmaya karşı daha dirençli çeliklerin işlenmesi de gittikçe önem kazanmaktadır [1, 2]. Bu nedenle Hardox sac malzemeler, kullanım alanlarına göre yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Hardox sac malzemelerin en önemli tercih edilme sebepleri arasında yüksek sertlik, yüksek mukavemet ve üstün tokluğun bir arada sunulması sayesinde HARDOX aşınma levhası, aşınmanın daha önce sorun teşkil ettiği uygulamalarda öne çıkmaktadır. Hardox, enerji sektöründe buhar kazanları, havalandırma kazanları, eşanjör imalatlarında; taş ve maden taşıma gibi ağır işler yapan ve kamyonların kasası, kırıcı-deliciyükleyici gibi iş makinesi parçaları, maden araçları, damper kasaları, kırıcı ekipman ve çöp kamyonu gibi alanlarda yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Çünkü bu alanların en büyük sıkıntıları sıcaklık, darbe, iç gerilme, yorulma, sürtünme ve korozyonla oluşan malzeme kayıpları nedeniyle sektörde son yıllarda genişçe kullanım alanı bulmaktadır. Piyasa çelikleri kullanılarak yapılan bu tür parçalar kısa sürede malzeme kayıplarına yada deformasyonlarına bağlı olarak bakım maliyetlerine sebep olması nedeniyle zamanla hurdaya atılmaktadır. Bu nedenle; malzemelerin kullanım ömürlerini ve bakım maliyetlerini azaltmak amacıyla Hardox sac malzemeler kullanılmaktadır [3-7]. Sac metal şekillendirme işlemlerinde, sac malzeme özelliklerine bağlı olarak malzeme üzerinden kuvvet kaldırıldığında; çatlama, kırılma, yırtılma, vb. istenmeyen durumlar meydana gelmektedir. Bu istenmeyen durumları ortadan kaldırmak amacıyla araştırmacılar, sac malzeme hadde yönünü değiştirerek, bükme açısını ve zımba uç radyüsü büyülterek yada sac malzeme üzerine ısıl işlemler IISS 15, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye 740
uygulayarak bu istenmeyen durumları ortadan kaldırmak amacıyla çalışmalar yapılarak bu problem giderilmeye çalışılmaktadır. Ancak, bükme işlemleri neticesinde herhangi bir olumsuz durum rastlanmadığında (çatlama, kırılma ve yırtılma) sac malzemenin bükülmesi neticesinde meydana gelen ileri ve geri esneme davranışı ortaya çıkmaktadır. Esneme davranışı sac malzeme özelliklerine bağlı olarak değişkenlik göstermektedir. Geri ve ileri esneme davranışı üzerine yapılan çalışmalar kısaca değerlendirdiğinde; araştırmacılar geri ve ileri esneme davranışlarını azaltmak amacıyla farklı hadde yönlerinde (0º, 45º, 90º) sac malzemeler kesilerek, farklı zımba uç yarıçapları ve bükme açıları, sac malzeme kalınlıkları, malzeme özellikleri, sürtünme katsayısı gibi etkenleri kontrol altına alarak geri ve ileri esneme davranışını çözmek için çalışmalar gerçekleştirmişlerdir [8-16]. Yüksek mukavemetli ve düşük alaşımlı sacların şekillendirmesi esnasında karşılaşılan geri esneme davranışını azaltmak amacıyla sıcak şekillendirme yöntemleride kullanılmıştır [17, 18]. Bazı araştırmacılar ise, bükme parametrelerine bağlı olarak meydana gelen geri ve ileri esneme davranışı üzerinde matematiksel modeller, farklı analiz yöntemleri ile modelleme yaparak bu konudaki eksiklikleri gidermeye çalışmışlardır [18-23]. Yapılan çalışmaların ortak amacı bükmede geri ve ileri esneme davranışını azaltmak ve kontrol altına almaktır. Gerçekleştirilen çalışmada; Hardox-500 sac malzemeler üzerine oda sıcaklıklarında 60º V dip bükme kalıbı ile zımba uç yarıçapı R4,5 mm kullanılarak şekillendirilmesi esnasında çatlama ve yırtılma meydana geldiği tespit edilmiştir. Bu istenmeyen durumu çözmek amacıyla, sac malzeme üzerine 850ºC, 900ºC, 950ºC ve 1000ºC sıcaklıklarda normalizasyon tavlaması uygulanmıştır. Normalizasyon yapılmış malzemeler üzerine oda sıcaklığında bükme işlemi uygulanmıştır. Sac malzeme şekillendirme işlemi sonucunda meydana gelen geri ve ileri esneme davranışı mikro yapısal olarak karakterize edilmiştir. 2. Deneysel Çalışmalar Deneysel çalışmada kullanılan aşınmaya karşı dirençli Hardox 500 sac malzemenin kimyasal bileşimi Çizelge 1 de verilmiştir. Numuneler 4 mm kalınlığında ve 30x60 mm boyutlarında (0º) haddeleme yönünde, hidrolik makas ile kesilerek hazırlanmıştır. Kesme sonucunda oluşan olumsuzluklar giderilmiştir. Çizelge 1 16Mo3 sac malzemenin kimyasal bileşimi (Ağırlıkça %) C Si Mn P S Cr Ni Mo 0,29 0,78 1,66 0,025 0.009 1.11 0,22 0,27 Deneysel çalışmada kullanılan bükme kalıbının erkek zımbası ve dişi kalıbı C1390 makas çeliğinden, CNC Dik İşleme merkezinde hassas olarak imal edilmiştir. Bükme kalıbı malzemesinde, darbeden dolayı çatlama ve kırılma meydana gelebilmektedir. Bu nedenle, kalıp malzemesinin içyapısındaki gerilimleri gidermek için menevişleme işlemi uygulanmıştır. Şekil 1 de bükme kalıbı gösterilmektedir. Şekil 1. Deneysel çalışmada kullanılan bükme kalıbı Hardox sac malzeme oda sıcaklıklarında zımba uç yarıçapı 4,5 mm olan 120º profile sahip kalıp ile bükülmesi neticesinde elde edilen 60º bükme açısında çatlama ve yırtılmaların meydana geldiği belirlenmiştir. Bu olumsuz durumu ortadan kaldırmak amacıyla Hardox sac malzemeler atmosfer kontrollü fırın kullanılarak 850ºC, 900ºC, 950 ºC ve 1000ºC normalizasyon sıcaklıkları uygulanmıştır. Bu sıcaklıklarda fırın içerisinde 60 dakika bekletildikten sonra oda sıcaklıklarında soğumaya bırakılmıştır. Oda sıcaklığına gelen numuneler üzerine bükme işlemleri gerçekleştirilmiştir. Bükme işlemleri iki şekilde yapılmıştır. İlk olarak, zımba ve kalıp arasına sac malzeme kalınlığı kadar boşluk verilerek zımbanın sac malzemeyi ezmesine müsaade edilmemiştir. İkinci olarak; zımbanın sac malzeme deformasyon bölgesini ezmesine müsaade ederek bükme işlemleri gerçekleştirilmiştir. Bükme işlemleri, serbest bükme kuvvetinde ve zımba inme hızı 50 m/dk da gerçekleştirilmiştir. Zımba sac malzemeler üzerine bükme işlemini uyguladıktan hemen sonra (bekletilmeden) kaldırılmaktadır. Bükme işlemlerinde kullanılan parametreler Çizelge 2 de gösterilmiştir. Farklı ısıl işlem sıcaklıklarının kullanıldığı bu çalışmada, toplam 40 adet deney yapılmıştır. Çalışmada, elde edilen değerlerin güvenirliğini sağlamak amacıyla her bir deney 5 defa tekrarlanmıştır. Deneysel çalışmada tekrarlanan değerlerin aritmetik ortalamaları alınarak ileri ve geri esneme grafikleri oluşturulmuştur. Ayrıca, deney serilerinden çıkan sonuçlar birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Çizelge 2. Deneysel çalışmada kullanılan bükme parametreleri BP NS Bİ SK BA DS Isıl işlem 850 900 950 1000 Direk Ezer ek 4 60 40 Toplam deney sayısı 40 BP: Bükme parametresi SK: Sac kalınlığı NS: Normalizasyon sıcaklığı BA: Bükme Açısı Bİ: Bükme işlemi DS: Deney sayısı 741
Bükme işlemleri sonucunda elde edilen numuneler, açıölçerle ön bir ölçme işlemine tabi tutulmuş ve daha sonra her bir parça DEA marka koordinat ölçme cihazı (CMM) kullanılarak hassas olarak ölçülmüştür. Ölçme işlemlerinde numune üzerinden 8 nokta alınarak bu noktalar arasındaki açı değerleri hassas olarak ölçülmüştür (Şekil 2-a). Bu sayede ölçmede meydana gelebilecek hata en aza indirilmiş ve sonuçların güvenilirliği sağlanmıştır. tavlaması neticesinde sac malzemelerin dış görüntüsünde makro ve mikro boyutta herhangi bir çatlama, yırtılma görülmemiştir (Şekil 4). Şekil 4. Normalizasyon sonrasında bükülen numunelerin resmi Şekil 2. a) CMM cihazında alınan noktalar; b) tel erezyonda kesilen bölge Bükme işlemi neticesince, normalizasyon tavlaması uygulanan numunelerin içyapılarında deformasyona bağlı olarak mikro yapı oluşumlarını incelemek amacıyla, numune deformasyon bölgesinden tel erozyon tezgâhı ile parça kesilmiştir (Şekil 2-b). Kesilen parçalar metalografik incelemeler için numuneler sırası ile 600, 800, 1000, 1200 grid lik zımpara kademelerinden geçirilmiştir. Daha sonra elmas pasta kullanılarak parlatma işlemi yapılmış ve %2 lik nital çözeltisi ile dağlanmıştır. Daha sonra malzemenin mikro yapısal karakterizasyonu incelenmiştir. 3. Deneysel Sonuçlar ve Tartışma Hardox 500 sac malzeme gevrek ve sert bir malzeme olması nedeniyle oda sıcaklığında V dip bükme işleminde, 120º derece açıya sahip zımba ile 60º bükme açısını elde etmek amacıyla bükülmesi neticesinde derin çatlak meydana geldiği belirlenmiştir (Şekil 3). Şekil 3. Oda sıcaklığında bükme işlemi uygulanan numunenin resmi Şekil 3 te sac malzemenin şekillendirilmesi neticesinde elde edilen bu olumsuz durumu ortadan kaldırmak amacıyla 850ºC, 900ºC, 950ºC ve 1000ºC de normalizasyon tavlaması uygulanmıştır. Normalizasyon Normalizasyonlu malzemelerin şekillendirilmesi neticesinde sac malzemeler üzerinde çatlama ve yırtılma meydana gelmemiştir. Fakat bükme işlemlerinde sac malzeme özelliklerine bağlı olarak geri ve ileri esneme davranışı meydana gelmiştir. 850ºC, 900ºC, 950ºC ve 1000ºC de uygulanan normalizasyon işlemleri neticesinde meydana gelen geri ve ileri esneme değerlerinin aritmetik ortalaması Çizelge 2 de gösterilmektedir. Çizelge 2 Bükme deney sonuçlarının aritmetik ortalaması Normalizasyon Ezerek Direk bükme Sıcaklıkları Bükme 850 C 1,334 1,714 900 C 0,193 1,732 950 C 0,378 1,913 1000 C 1,495-1,582 Uygulanan farklı normalizasyon sıcaklıkları bükme işlemlerinde farklı geri ve ileri esneme davranışları göstermiştir. 850ºC, 900ºC, 950ºC ve 1000ºC normalizasyonlu malzemelerin direk bükülmesi neticesinde sac malzemeler üzerinde ileri esneme davranışı görülmüştür. Ezerek bükme işlemlerinde 850ºC, 900ºC, 950ºC numunelerde ileri esneme, 1000ºC normalizasyonlu malzemede ise, geri esneme davranışı belirlenmiştir. Uygulanan normalizasyon sıcaklıklarının sac malzeme özelliklerindeki değişimlerinden dolayı geri ve ileri esneme davranışları geldiği düşünülmektedir. Uygulanan normalizasyon ısıl işlemleri neticesinde sac malzemelerin mikro yapı karakterizasyonu incelendiğinde herhangi bir çatlak oluşumuna rastlanmamıştır. Elde edilen mikro yapı resimleri Şekil 5 te verilmektedir. Şekil 5 incelendiğinde, 850ºC uygulanan ısılişlem neticesinde sac malzeme yapısı ferrit, perlit yapı oluştuğu görülmektedir (Şekil 5a). Artan normalizasyon sıcaklıklarında malzeme yapısı, lamelli perlitik yapı meydana geldiği belirlenmiştir (Şekil 5b-d). 742
4. Sonuçlar Şekil 5. Isıl işlem sonrası elde edilen mikro yapı görüntüleri; a) 850ºC, b) 900ºC, c) 950ºC, d)1000ºc Hardox 500 sac malzemenin 60 bükülmesi neticesinde elde edilen deney sonuçları aşağıda verilmektedir; Sac malzemenin ısıl işlemsiz olarak oda sıcaklıklarında bükülmesi neticesinde makro boyutta derin çatlaklar oluştuğu belirlenmiştir. Uygulanan normalizasyon sıcaklıkları neticesinde makro ve mikro boyutta herhangi bir çatlak tespit edilmemiştir. Artan normalizasyon tavlaması sıcaklıklarında geri ve ileri esneme davranışının homojen olmadığı belirlenmiştir. Normalizasyon sıcaklıklarında özellikle 900ºC, 950ºC ve 1000ºC de perlitik bir yapının homojen olarak mikro yapıda dağıldığı tespit edilmiştir. Kaynaklar [1]. Ozcatalbas Y., Ercan F., The effects of heat treatment on the machinability of mild steels Journal of Materials Processing Technology, 136: 227 238 (2003). [2]. Tabur, M. Bor Karbür Kaplanmış Aısı 8620 Ve Hardox 400 Çeliklerinin Abrasiv Aşınma Davranışlarının İncelenmesi, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2008, 1-10. [3]. http://btncelik.com/hardox.asp [4]. http://www.gokhanhizal.com/asinma-direnciyleone-cikan-ozel-bir-celik-hardox/ [5]. Hlaváč, L. M., et al. Experimental method for the investigation of the abrasive water jet cutting quality. Journal of Materials Processing Technology, 2009, 209(20), 6190-6195. [6]. Ahlblom, B., Hansson, P., & Narström, T. (2007). Martensitic structural steels for increased strength and wear resistance. In Materials science forum, 539, 4515-4520. [7]. Yang, Jun, et al. "Study on Structure and Properties of Bainite Wear-resistance Steel Plate without Carbide." Iron and Steel-Beıjıng- 39(7) 2004: 61-64. [8]. Tekaslan, Ö., Gerger, N. ve Şeker, U. (2008). V Bükme Kalıplarında Bakır Sac Malzemelerin Geri Esneme Miktarlarının Tespiti. Gazi Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 23, 201-238. [9]. Tekiner, Z. (2004). An Experimental Study on The Examination of Springback of Sheet Metals with Several Thicknesses and Properties in Bending Dies. Journal of Materials Processing Technology, 145, 109-117. [10]. Özdemir, A. (2010). Sac Metal Ürünlerde Geri Esneme Miktarının Deneysel ve Sonlu Elemanlarla Tespiti, Yapay Sinir Ağlarıyla Tahmini, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 150-198. [11]. Ötü R. ve Demirci H. İ. (2013). Farklı Bükme Yöntemleri Uygulanarak V Bükme Kalıplarında AA 5754-O Sac Malzeme ile Elde Edilen Numunelerin Geri Esneme Miktarının Tespiti. Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 10, 27-42. 743
[12]. Dilipak, H., Ozdemir, M. and Sarıkaya, M. (2013). Effects of Material Properties and Punch Tip Radius on Spring-Forward in 90 V Bending Processes. Journal of Iron and Steel Research, International, 20, 64-69. [13]. Ozdemir, M. ve Dilipak, H. (2012). S235JR (1.0038) Sac Malzemeye Uygulanan Isıl İşlemlerin İleri Esneme Miktarına Etkisinin Deneysel Olarak İncelenmesi. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu, Ankara, 345-353. [14]. Özdemir, M., Dilipak, H., Gökmeşe, H. ve Yılmaz, V. (2014). Farklı Isıl İşlemlerin 16Mo3 (1.5415) Sac Malzemenin İleri-Geri Esneme Miktarına Etkisinin Deneysel ve Mikroyapısal Olarak İncelenmesi. Uluslararasi Mühendislik ve Bilim Alaninda Yenilikçi Teknolojiler Sempozyumu, Karabük, 148-155. [15]. Kumar, D.K., Appukuttan, K.K., Neelakantha, V.L. and Padmayya, S.N. (2014). Experimental Determination of Spring back and Thinning Effect of Aluminum Sheet Metal during L-Bending Operation. Materials and Design, 56, 613-619. [16]. Öztürk, F., Toros, S. ve Kılıç, S. (2009). Tensile and Spring-Back Behavior of DP600 Advanced High Strength Steel at Warm Temperatures. Journal of Iron and Steel Research, International, 16, 41-46. [17]. Moon, Y.H., Kang, S.S., Cho, J. R. and Kim, T.G. (2003). Effect of Tool Temperature on The Reduction of The Springback of Aluminum Sheets. Journal of Materials Processing Technology, 132, 365-368. [18]. Thipprakmas, S. and Rojananan, S. (2008). Investigation of spring-go phenomenon using finite element method. Materials and Design, 29, 1526-1532. [19]. Thipprakmas, S. and Phanitwong, W. (2011). Process Parameter Design of Spring-back and Spring-go in V-Bending Process using Taguchi Technique. Materials and Design, 32, 4430-4436. [20]. Thipprakmas, S. (2010). Finite Element Analysis of Punch Height Effect on V-Bending Angle. Materials and Design, 31, 1593-1598. [21]. Fei, D. and Hodgson, P. (2006). Experimental and Numerical Studies of Springback in Air V-Bending Process for Cold Rolled TRIP Steels. Nuclear Engineering and Design, 236, 1847-1851. [22]. Baseri, H., Bakhshi, J.M. and Rahmani, B. (2011). Modeling of Spring-back in V-Die Bending Process by using Fuzzy Learning Back-Propagation Algorithm. Expert Systems with Application, 38, 8894-8900. [23]. Asgari, S.A., Pereira, M., Rolfe, B.F., Dingle, M. and Hodgson, P.D. (2008). Statistical Analysis of Finite Elemnt Modeling in Sheet Metal Forming and Springback Analysis. Journal of Meterials Processing Technology, 203,129-136. [24]. Ling, Y.E., Lee, H.P. and Cheok, B.T. (2005). Finite Element Analysis of Springback in L bending of Sheet Metal. Journal of Materials Processing Technology, 168, 296-302. [25]. Chan, W.W., Chew, H.I, Lee, H.P. and Cheok, B.T. (2004). Finite element analysis of spring-back of V- bending sheet metal forming processes. Journal of Materials Processing Technology, 148, 15-24. 744