GELİŞTİRİLMİŞ YÜKSEK MUKAVEMETLİ ÇELİK SACLARIN (Advanced High Strength Steel, AHSS) ŞEKİLLENDİRİLMESİNDE TAKIM ÇELİKLERİNDEN BEKLENEN ÖZELLİKLER ÖZET Yüksek mukavemetli çelikler, yolcu güvenliğini arttırmak ve yakıt tüketimini azaltmak amaçlarıyla otomotiv endüstrisinde büyük oranda kullanılırlar. AHSS ler yani geliştirilmiş yüksek mukavemetli çelikler ise çok yüksek mukavemet, deformasyon sırasında mükemmel enerji absorbsiyonu ve gerinim sertleştirmesi özellikleri sebebiyle tercih edilirler. DP çelikleri gibi AHSS saclar otomobillerde yüksek mukavemet ve enerji absorbsiyonunun yanında düşük ağırlık özelliği istenen şasi komponentleri ve tamponlarda uygulanırlar. AHSS i otomotiv endüstrisinde vazgeçilmez kılan bütün bu özellikler; kesme, delme, çekme ve bükme gibi form verme proseslerinde aynı performansı verememektedir. Bu metal sacların yüksek akma dayanımları ve çalışma sertleşmeleri, form verme sırasında geri yaylanmaya ve fazla yüklere sebep olarak kalıp ve takım gereksinimlerinin arttırılması gereğini ortaya koyar. Bu çalışmada, geleneksel takım çeliklerinin otomotiv endüstrisinde uygulama alanı bulan AHSS saclara kesme ve form vermede ortaya çıkan sınırlar ve sorunlar; bu saçların şekillendirilmesinde takım çeliklerinden beklenen özellikler ile bu saclar için geliştirilmekte olan yeni nesil takım çeliklerinin özellikleri tartışılacaktır. Anahtar Kelimeler: AHSS çelik saclar, form verme, takım çeliği. ABSTRACT
High strength steels are increasingly being used in automotive industry in order to improve passenger safety and reduce fuel consumption. Advanced High Strength Steel (AHSS) sheets are preferred because of their unique combination of high strength, excellent energy absorption during deformation and strain hardening. Modern AHSS steels such as Dual Phase (DP) steels are used for chassis parts and bumpers where high strength and energy absorption are needed together with low component weight. However, the same properties that make AHSS sheets so attractive to the automobile industry, result in significant inconveniences during shaping processes as stamping, bending, drawing or cutting. The high yield stresses and work hardening of these metal sheets involve high loads and high levels of springback during forming, increasing the die and punch requirements. In this work discussion is try to given that what is the limits of accual tool steels, what is the demand from tools steels to forming and stamping of AHSS and how can improve die and tool steels which are used to form AHSS steel sheets extensively applied as components in automotive industry. Key Words: AHSS steel sheets, forming, tool steels.
1. GİRİŞ Günümüzde gittikçe artan sürüş emniyeti gereksinimi, yakıt tasarrufu ve çevresel faktörlerden dolayı en azından araçların karasöri kısmı hafiflemekte yani otomobillerde kullanılan sacların kalınlığı gittikçe azalmakta, ancak bununla birlikte, bu sacların mukavemeti güvenlik gereksinimini karşılayabilmek için artmaktadır [1]. Bu nedenle özellikle son yıllarda Geliştirilmiş Yüksek Mukavemetli Çelik Saclar (Advanced High Strength Steel-AHSS) otomobillerde ve diğer araçlarda giderek daha yoğun oranda tercih edilmeye başlanmıştır. Geliştirilmiş Yüksek Mukavemetli Çelik Sacların kullanıldığı yerler aşağıda belirtilmiştir: Ağır araçlarda Otomobillerin güvenlik parçalarında Vinç imalatında Otomobil koltuklarında Konteynerlerde Değişik tip uygulamalarında, örneğin bebek arabaları ve bisikletlerde. Otomotiv endüstrisinde kullanılan saclar yaygın olarak metarurjik dizaynlarına ve mukavemetlerine göre sınıflanırlar ve tanımlanırlar. Mukavemete göre yapılan sınıflandırmaya göre. Yüksek Mukavemet Çelikleri (HSS) çekme dayanımları 270-700 MPa olan çeliklerdir. Ultra- Yüksek Mukavemet Çelikleri (UHSS) çekme dayanımları 700 MPa ın üstünde olan çeliklerdir. LSS, (Low Strength Steel) Düşük mukavemet çelikleri olup genellikle alaşımsız ve orta karbonlu çeliklerdir.
HSS, (High Strength Steel) konvansiyonel yüksek mukavemet çelikleri, genellikle karbon-mangan, fırında sertleştirilebilen izotropik, yüksek mukavemetli IF ve yüksek mukavemetli düşük alaşımlı çeliklerdir AHSS ise (Advanced High Strength Steel) Gelişmiş yüksek mukavemet çeliklerinin yeni tipleri ise aşağıda sıralanmıştır: o o o Mikro alaşımlanmış YP ve MC çelik saclar Dual Faz DP ve DL Çelik Saclar Martensitik M Çelik Saclar Şekil 1.1 de bu sacların AHSS saclar ile diğer saclar arasındaki mukavemet ve % uzama oranları gösterilmiştir. AHSS in HSS ve UHSS çekme dayanım alanlarını kapladığı görülür. Genel olarak, AHSS ailesi benzer çekme dayanımlarındaki konvansiyonel HSS den daha büyük toplam uzamaya sahiptir. Şekil 1: AHSS Saclar, Düşük Mukavemetli Saclar Ve Konvansiyonel Yüksek Mukavemetli Saclar (HSS) Arasındaki Mukavemet Ve % Uzama İlişkisi. [3]. Aracın toplam ağırlığına göre oranları hızla artan AHSS sacların, kalıplanmasında, kesme ve form verme uygulamalarında, geleneksel
kalıplama teknikleri ve kalıp malzemelerinin kullanılabilmesinde sınırlar da hızla ortaya çıkmıştır [2]. AHSS saclarının şekillendirilmesinde alışılagelmiş 1.2080, 1.2379 gibi soğuk iş takım çeliklerinin ömür ve performansları yetersiz kalmaktadır. Bunun temel nedeni, AHSS sacların, yüksek (akma ve çekme) mukavemete ve yüksek elastiklik modülüne sahip olmasıdır. Ayrıca Akma Mukavemeti/Çekme Mukavemeti oranı da kritik bir seviye alır ki bu da hem kesme hem de form verme esnasında önemli sorunlar yaratabilir. Örnek olarak; TRIP 450/800, DP 500/800 ve CP 700/800. Yani 800 MPa çekme dayanımlarında, 450, 500 ve 700 MPa akma dayancına sahip üç farklı çelik saçtır. Bu saçların uzaması ise sırayla %29, %17, %13 dür. Akma/Çekme dayancı orancı 1 e doğru yaklaştıkça, elastisite modülü artar ve form verme sonrası geri yaylanma özelliği fazlalaşır. Kesmede ise kesme kuvvetleri artar, koparma sonrası vibrasyon çoğalır. Bu da zımbanın ağızlarında dökülme/atma problemlerine yol açar. Bu problemi çözmek için hem mukavemeti daha yüksek hem de tokluğu daha yüksek çelikler kullanılmak zorundadır. Bu tür yüksek mukavemetli saçların şekillendirilmesinde uygun malzeme seçimi yapabilmek için ortaya çıkan hasar mekanizmalarını ve sac kalitelerinin özelliklerini iyi tanımak gerekmektedir. 2. Otomotiv endüstrisinde kullanılan AHSS türleri Konvansiyonel düşük ve yüksek mukavemetli çeliklerin (High Strength Steel -HSS) metalurjisi ve üretimi konvansiyonel çeliklere göre alışılmamış bazı özellikler içerir. Bütün AHSS ler östenit veya östenit + ferrit fazından başlayarak kontrollü soğutmayla -sıcak haddelenmiş ürünler için haddeleme sırasında, kaplama
veya tavlama yapılmış ürünler için tav fırınlarında- üretilirler [3]. Martenzitik çelikler ise, östenit fazından hızlı soğutma ile östenitin büyük çoğunluğunu martenzite dönüştürerek üretilirler. Çift fazlı (DP) ferritikmartenzitik çelikler ise östenit fazından kontrollü soğutmayla (sıcak hadde ürünlerinde) veya ferrit-östenit çift fazından (sürekli tavlanmış ve sıcak kaplanmış ürünlerde) hızlı soğumadan önce östenitin bir kısmını ferrite dönüştürüp, hızlı soğumayla geri kalan kısmını martenzite dönüştürerek elde edilirler. TRIP çelikleri ise ara sıcaklıkta izotermal tutulma ile bir miktar baynit oluşturularak üretilirler. TRIP çeliklerinde yüksek silisyum ve karbon miktarları son mikroyapıda yüksek hacim oranlarında artık östenite sebep olur. Kompleks fazlı çelikler de benzer soğutma şekliyle üretilirler, fakat daha az artık östenit eldesi ve daha ince çökeltiler oluşturmak için kimyasal bileşimleri düzenlenir. Bu çalışma kapsamında, ilerleyen bölümlerde, üretim tekniğinden ziyade bu çeliklere ilişkin olarak yapılarından yola çıkarak mekanik özelliklerinin nasıl geliştiği hakkında temel bilgiler tartışılacaktır. 2.1. Mikro alaşımlanmış YP ve MC Çelik Saclar YP ve MC çelik saclar mikro alaşımlanmış ve soğuk haddelenmiş çelikler olup yüksek mukavemet niyobyum ve titanyum gibi metallerin mikro alaşımlanması ile elde edilmektedir. Bu tarz çeliklerde akma dayanımı ile çekme dayanımı arasında çok az bir fark olup bükme ve presleme karakteristikleri akma noktalarına bağlı olarak çok iyidir. Bunlarla birlikte kaynak edilebilirlilikleri çok iyidir. Bu tarz malzemelerin kalitesi minimum akma mukavemeti üzerinden tanımlanmaktadır. 2. 2. Çift Fazlı (DP) Çelikler Çift fazlı çelikler, ferritik matris içerisinde adacıklar şeklinde sert martenzitik ikincil fazı barındıran çeliklerdir. Yüksek dayanımla beraber
sert ikincil martenzitik fazın hacim oranı artar. Bazı durumlarda, sıcak haddelenmiş uzamaya karşı yüksek dirençli çeliklerde mikroyapıda önemli miktarlarda beynit bulunabilir. Şekil 2.1 Şematik Çift Fazlı (DP) Çelik mikroyapısı [3]. Şekil 2.1, ferrit içerisinde martenzit adalarını gösteren DP çelik mikroyapısını göstermektedir. Yumuşak ferrit genellikle süreklidir ve yapıya süneklik verir. Bu çelikler deforme olduklarında, uzama düşük gerilmelerde yoğunlaşır ve bu çeliklere yüksek sertleşebilirlik özelliği verir. Sertleşebilirlik ve mükemmel uzama DP çeliklerine aynı akma dayanımlarındaki konvansiyonel çeliklerden çok daha fazla çekme dayanımı verir. Şekil 2.2, aynı akma değerlerindeki Yüksek Mukavemetli Düşük Alaşımlı (HSLA) Çeliklerle Çift Fazlı (DP) Çeliklerin gerilme-gerinim eğrilerini kıyaslar.
Şekil 2.2 HSLA 350/450 ve DP 350/600 ün kuasi-statik gerilme-gerinim kıyaslaması [3]. DP ve AHSS konvansiyonel çeliklere kıyasla ayrıca fırında sertleşebilme etkisine sahiptir. Fırında sertleşebilme etkisi, öngerinimden sonra oluşan yüksek sıcaklık yaşlanması sonucu akma dayanımındaki artışa denir. Fırında sertleşebilme etkisinin etkinliği AHSS de çeliğin özgül kimyası ve ısısal geçmişi tarafından belirlenir. DP çeliklerinde pratik soğutma derecelerince karbon, çeliğin sertleşebilirliğini arttırarak martenzit oluşumunu olanaklı kılar. Mangan, krom, molibden, vanadyum ve nikel de tek başına veya bileşik halinde eklendiğinde sertleşebilirliğin artmasını sağlarlar. Silisyum ve fosfor da karbon gibi martenziti kuvvetlendirir. Bu ilaveler, eş mekanik özellik eldesi ve iyi nokta kaynak kabiliyeti için dikkatlice eklenirler. 2. 3. Dönüşümle Plastikliği Arttırılmış (TRIP) Çelikler TRIP çeliklerinin mikroyapısı, birincil ferrit matrisi içerisine gömülmüş artık östenit şeklindedir [3]. Artık östenitle beraber çeşitli miktarlarda martenzit
ve baynit gibi sert fazlar da görülür. Şekil 2.3 te TRIP çeliğinin şematik mikroyapısı gösterilmiştir. Şekil 2.3 TRIP çeliği mikroyapısı şematik gösterimi [3]. DP çeliklerinde de görüldüğü gibi deformasyon sırasında, yumuşak ferrit içinde dağılmış sert ikincil fazlar yüksek çalışma sertleşmesi eldesi sağlarlar. Fakat TRIP çeliklerinde artık östenit yükselen gerilimle beraber hızla martenzite dönüşerek yüksek gerinimlerde çalışma sertleşmesi verir. Bu durum Şekil 2.4 te aynı akma dayanımlarındaki HSLA DP ve TRIP çeliklerinin kıyaslanmasında gösterilmiştir. TRIP çelikleri DP çeliklerine göre daha düşük ilk işlem sertleşmesi değerine sahipken, DP çeliğinden daha yüksek gerinimlere kadar devam edebilmektedir.
Şekil 2.4 HSLA 350/450, DP 350/600 ve TRIP 350/600 çeliklerinin kuasistatik gerilme-gerinim davranışlarının kıyaslanması [3]. TRIP çeliklerinin çalışma sertleşmesi oranları konvansiyonel HSS den daha iyidir. Bu durum tasarımcıların yüksek sertleşme avantajını şekil verildiği gibi kullanılan parça dizaynında ele almasıyla önem kazanır. TRIP çeliklerinin bu özellikleri gerinimle şekil verme uygulamalarında DP çeliklerine göre avantaj sağlar. TRIP çelikleri martenzit başlangıç sıcaklığını ortam sıcaklığının altına çekerek artık östenit oluşturmak için daha yüksek karbon miktarı kullanır. Silis ve alüminyum, baynit bölgesinde karbür çökelmesini önlemek için kullanılır. Karbon miktarı değiştirilerek, artık östenitin martenzite dönüşme anındaki gerinim değeri tasarlanabilir. Düşük karbon değerlerinde, preste basma işleminde artık östenit deformasyonla beraber hızla martenzite dönüşerek işlem sertleşmesi oranını ve şekil verilebilirliği yükseltir. Yüksek karbon değerlerinde ise şekil verme sırasında artık östenit daha kararlıdır. Bu karbon değerinde artık östenit çarpma olayındaki gibi en son deformasyon durumlarında martenzite dönüşür.
TRIP çelikleri mükemmel şekil verilebilirlik ve çarpma anındaki yüksek enerji absorbsiyonu durumları için tasarlanabilir. TRIP çeliklerine alaşım elementi ilavesi, nokta kaynağı dayanımını düşürür. Bu durum kaynak yönteminin geliştirilmesiyle düzeltilebilir. 2. 4. Kompleks Fazlı (CP) Çelikler Kompleks fazlı çelikler yüksek çekme dayanımlarına ulaşan çelik türleridir [3]. CP çelikleri çok ince mikroyapıdaki ferrit ve yüksek hacim oranlarındaki ince sert çökeltilerden oluşur. DP ve TRIP çeliklerinde de bulunan benzer alaşım elementleri kullanılır fakat çoğunlukla az miktarlarda niyobyum, titanyum ve vanadyum içerirler. CP çelikleri 800 MPa ve üzeri eşdeğer çekme dayanımlarında yüksek akma dayanımı gösterirler. CP çelikleri yüksek deformasyona uğrama, enerji absorbsiyonu ve artan deformasyon kapasitesine sahiptirler. 2. 5. Martenzitik (Mart) Çelikler Martenzitik çelik elde etmek için, sıcak haddeleme ya da tavlama sırasında oluşan östenit, soğutma işlemi esnasında tamamıyla martenzite dönüştürülür [3]. Yapı ayrıca, şekillendirme işlemi sonrasında uygulanan ısıl işlemle de elde edilebilir. Martenzitik çelikler 1700 MPa a kadar çok yüksek çekme dayanımlarına çıkabilirler. Martenzitik çelikler çoğunlukla sünekliğin arttırılması için su verme sonrası temper işlemine tabi tutulurlar. Sertleşebilirliğin arttırılması ve martenzitin dayanımının arttırılması için karbon ilavesi yapılabilir. Şekil 2.5 deki veriler, temperlenmemiş martenzitte karbon içeriği-çekme dayanımı ilişkisini gösterir. Sertleşebilirliği arttırmak için ayrıca, mangan, silisyum, krom, molibden, bor, vanadyum ve nikel ilave edilir.
Şekil 2.5 Temperlenmemiş martenzitte karbon içeriği-çekme dayanımı ilişkisi [3]. 2. 6. Gelişen AHSS Türler AHSS in yeteneklerinin yanında otomotiv endüstrisinin ihtiyaçları doğrultusunda, çelik endüstrisi yeni çelik türleri geliştirme çalışmalarına devam etmektedir. Bu çelikler ağırlık azatlımı, dayanım artımı ve uzama artımı için tasarlanırlar. Bu gelişen çeliklere örnek olarak TWIP (İkizlemeyle plastikliği arttırılmış) Çelikleri ve Nano Tane Boyutlu Çelikler verilebilir. 2.6.1. IF (Interstitial Free) Çelikleri IF çelikleri çok düşük karbon oranlarına ve katı çözeltideki element bileşikleri, karbür/nitrür çökeltileri ve tane saflaştırması gibi temel sertleştiricilere sahiptir. Bu çelik kategorisinde, dayanımı artırmak için eklenen ortak element fosfordur (katı çözelti güçlendiricisi). Bu çelik türü son zamanlarda yapısal uygulamalarda çokça kullanılırlar. 2.6.2. Yumuşak Çelikler
Yumuşak çelikler ferritik mikroyapıya sahiptir. Ana sertleştiriciler; katı çözeltideki element bileşikleri, karbür/nitrür çökeltileri ve tane saflaştırması işlemleridir. Çekme kalite çelikleri ve alüminyumu alınmış çelikler geniş uygulama alanı ve üretim hacimleriyle örnek olarak verilebilir. 2.6.3. Fırında Sertleştirilebilen (BH) Çelikler Fırında sertleştirilebilen çelikler ana ferritik mikroyapıdadır ve katı çökelti sertleştirmesi ile sertleştirilirler. Bu çeliklerin belirleyici özellikleri kimyaları ve üretimidir. Çelik üretimi esnasında karbon çözeltide tutulur, boya pişirme esnasında karbonun çözeltiden çıkması sağlanır. Bu sayede şekil verilmiş çeliğin akma dayanımı yükselir. 2.6.4. İzotropik Çelikler İzotropik çelikler esas olarak ferritik mikroyapıdadır. Bu çeliklerin özelliği delta r değerinin sıfıra eşit olmasıdır. 2.6.5. Karbon-Mangan (CM) Çelikleri Yüksek mukavemetli karbon-mangan çelikleri üretim esası olarak katı çözelti sertleşmesi ile dayanımları arttırılır. 3. Kesme ve Form verme Kalıpları için Takım Çeliği Seçimi Soğuk iş uygulamalarında kullanılan takım çeliklerinden beklenen en önemli özellik yüksek sertliktir. Bunun en önemli sebebi ise genellikle iş parçalarının yüksek sertlikte olmasıdır. Yüksek sertlik ebetteki beraberinde yüksek plastik deformasyon direnci ve soğuk iş takım çeliklerinde yüksek aşınma dayanımını birlikte getirmektedir. Yüksek sertlik seviyelerinin direkt sonucu olarakta soğuk iş uygulamalarında kullanılacak çeliklerin martenzitik yapıda olmaları gerektiğidir ki bu da ancak bu çeliklerin içerdikleri yüksek karbon miktarı ile mümkün alabilmektedir. Soğuk iş
takım çeliklerinde karbon yüksek sertlik seviyelerini elde edebilmek için en önemli elementtir. Takım çeliklerinin seçiminde en önemli gösterge, uygulamaya bağlı olarak ortaya çıkan hasar mekanizmalarıdır. Baskın olan hasar mekanizması saptanmalı ve bu hasar mekanizmasını devre dışı bırakmak yada geciktirmek için ihtiyaç duyulan özelliği en üstün çelik türü bu uygulamada seçilmelidir. 3.1. Hasar Mekanizmaları Soğuk iş takım çeliklerinin kullanıldığı uygulamalarda temel olarak beş farklı hata mekanizması vardır [5]. Bunlar aşağıda sıralanmıştır: Aşınma o o Abrasif Aşınma Adhesif (Sıvanmalı) Aşınma Ağız Dökülmesi (Atma) Plastik Deformasyon (Çökme) Kırılma Sıvanma Şekil 3.2 Soğuk iş takımlarında hasar mekanizmaları [4].
Bu mekanizmalardan biri baskın olmak üzere bir kaçı ya da tamamı aynı kalıpta görülebilir. Önemli olan kalıbın ömrünü belirleyen mekanizmayı saptamak ve buna karşı önlem almaktır. Aşağıda bu hasar mekanizmaları ile takım çeliği özelliklerinin ilişkileri ele alınacaktır. Abrasif Aşınma Sert olanın yumuşak olanı çizmesi, biçiminde tanımlanabilecek abrasif aşınma, kesilen/form verilen iş parçasının kendi sertliği ya da içerdiği sert parçacıklar aracılığı ile takımı aşındırmasıdır. Aşınmanın engellenmesi için takım çeliğinin bünyesinde daha sert parçacıklar (karbürler vb.) bulunmalıdır. Aşağıda bu aşınma türüne engel olmak için kalıp çeliğinde aranan özellikler sıralanmıştır: Yüksek Sertlik Yüksek Karbür Oranı Sert Karbür İri Karbür Şekil 3.3 Abrasif aşınmanın şematik gösterimi [4]. Abrasif aşınma silisli saclar ya da Ck70 gibi orta ve yüksek karbonlu sertleştirilmiş çelikler, soğuk haddelenmiş saclar, seramik malzemeler ve ahşap ile çalışılırken ortaya çıkar. Adhesif (Sıvanmalı) Aşınma Bu kez de yumuşak olanın sert olanı aşındırması söz konusudur. Takım ile iş parçasının (örneğin kesilen sacın) temas yüzeyinde son derece büyük baskı kuvvetleri ve buna bağlı olarak da sıcaklık ortaya çıkar. Temas
anındaki bu koşullar takım-iş parçası temas yüzeyinde Şekil 3.4 te görüldüğü gibi anlık mikro kaynaklar meydana gelir. Bu kaynaklar bir an sonra, uygulanan kesme kuvveti ile kopar gider. Sorulması gereken soru, bu kaynaklar koparken, takımdan da bir parçayı beraberinde koparıp koparmadığıdır. Bu durumu engellemek için takım çeliğinden aşağıdaki özellikler beklenir: Yüksek Sertlik ve Yüzey Sertliği Düşük Sürtünme Katsayısı Yüksek Süneklik/Yüksek Tokluk Bu tür aşınmaya tipik olarak paslanmaz çelikler, yumuşak çelikler, bakır ve alüminyum gibi yumuşak malzemelerle çalışılırken rastlanır. Şekil 3.4 Adhesif (Sıvanmalı) aşınmanın şematik gösterimi [4]. Adhesif aşınma, özellikle derin çekme, soğuk dövme, haddeleme ve kesme sırasında ortaya çıkar. Karışık Aşınma Unutulmamalıdır ki her zaman bu iki aşınma tipi aynı uygulamada birlikte bulunur. Ancak birinin daha belirleyici olduğuna çok sık rastlanır. Kimi zaman ise, örneğin sertleştirilmiş paslanmaz çeliğin kesilmesinde, aşınmayı engellemek için her iki aşınma için de önlem alınmalıdır. Ağız Dökülmesi
Kullanım sırasında atma olarak karşımıza çıkan ve aslında düşük çevrimli yorulma olan ağız dökülmesi, kalıbın/takımın çalışan kenarında oluşan mikro çatlakların kısa sürede büyüyerek ve esas olarak birbirleriyle birleşerek kesici köşeden parça kopmasına neden olmasıdır. Ağız dökülmesinin önüne ancak: Sünekliği Yüksek Takım Çeliği Tokluğu Yüksek Takım Çeliği kullanarak geçilebilir. Sıvanma Sıvanma, yumuşak, adhesif metallerin kesilmesinde, derin çekilmesinde karşılaşılan yapışma problemidir. Kalıbın ya da takımın kesici köşesine yapışan ve burada üst üste yığılarak biriken iş parçasından parçacıklar, basınç altında ezilerek sertleşir ve kesici köşenin işlevini üstlenir, kesmeyi gerçekleştirir. Ancak, köşedeki bu yığın bir adım sonra koparak hem kesici köşeden parça koparır hem de kalıpta çizilmeye yol açar. Bunu engellemek için: Yüzey sertliğini artırmak Sürtünme katsayısını düşürmek Tok çelik kullanmak gereklidir. Plastik Deformasyon Kullanım sırasında çökme, ağız dönmesi olarak karşımıza çıkan plastik deformasyon aslında, kullanılan kalıp malzemesinin bu uygulamada yeterli akma dayanımına sahip olmadığı anlamına gelmektedir. Çökmenin önüne geçmek için: Yüksek sertlik Yüksek akma dayanımlı çelik Kullanmak gerekir.
Kırılma Tasarım aşamasından başlayarak kullanım ve üretim şartlarına kadar her adımda, kalıbın kırılmasına yol açabilecek nedenler yaratmak mümkündür: Keskin köşeler, kalem izi bırakılmış işleme, taşlama hataları, ısıl işlem hataları, erozyon (EDM) hasarları, kaynak hataları, kullanımda bindirme, ayarsızlık vb. gibi. Bunun dışında, kalıpta ağız dökülmesi, deformasyon hatta aşınma ortaya çıktığında gerekli önlemlerin hemen devreye alınmaması ve hasarlı kalıpların çalıştırılması da kırılmanın oluşmasına yol açabilir. Bu tür hataları tolere edebilmek ancak bir ölçüde mümkündür. Bunun için ise: Düşük sertlik seçimi Tokluğu yüksek çelik kullanılmalıdır. Şekil 3.5 Kalıpta oluşması muhtemel hasarlara karşı alınabilecek önlemler Aslında soğuk iş uygulamalarında kullanılan takım çelikleri yüksek aşınma direnci ile birlikte kırılmayacak kadar tok/sünek ve mukavemetinin de aynı zamanda keseceği yada form vereceği iş parçasından daha yüksek olması gerekmektedir. Şekil 3.6 da Soğuk iş takım çeliklerinin hasarlara karşı direnci karşılaştırılmış olarak verilmiştir.
Şekil 3.6 Soğuk İş Uygulamalarında Takım Çeliklerinin Hasar Mekanizmalarına Karşı Dayanımları. 3.2. AHSS Sacların Kesme ve Form Verme Kalıplarında Takım Çeliği Seçimi Daha önceden de belirtildiği üzere, araç güvenliği ihtiyaçlarının ve büyük kazalarda güvenlik ihtiyacının artması, geliştirilmiş yüksek mukavemetli sacların (AHSS-Advance High Strenght Steel) otomotivde uygulamalarını zorunlu olarak artırdı. Yüksek mukavemetli parçalara form verilmesinde kalıp basma yüzeyi ile sac yüzeyinin temas noktasında oluşan basınç, yumuşak malzemeler veya düşük mukavemetli malzemelere nazaran daha yüksektir. Kalıp ile yüksek mukavemetli sacların temas noktasındaki basıncın artması, kalıpta görülen ve yukarda değindiğimiz genel hasar mekanizmaları düşük mukavemetli saclara nazaran görülme sıklığını ve olasılığını artmaktadır. DP (Dual Phase) 600 saclar araçlarda kullanımın ağırlıkça artmasına rağmen (Ford 500 modelinde ağırlıkça % 15 oranında DP 600 sac kullanılmış ve Ford Motor Co. daha 2004'ün ilk yıllarında AHSS sacların kullanılmasından kaynaklı hasarlarla yüz yüze kalmıştır), mevcut kalıp malzemelerinin ve
dizaynlarının korunması ile kalıplarda hasarlardan kaynaklı riskler meydana gelmektedir. Genel olarak yüksek mukavemetli saclarla çalışıldığında yukarıda bahsedilen hasar mekanizmalarının birçoğu etkin olmasına rağmen aşağıda belirtilen hasarlarla da karşılaşılmaktadır. Kaplama yapılmış kalıplarda kaplamaların kalkması, Çekme yüzeylerinde çentiklerin açılması(derin çiziklerin meydana gelmesi), Form verme kalıplarında çekme yüzeylerinde aşınmalar, Kırılmış veya plastik deformasyona uğramış kalıp pabuçları, Aşınmadan ve plastik deformasyondan kaynaklı kesme ağızlarında yuvarlanmalar, Zımbalarda kırılmalar. Yukarıdaki hasar mekanizmaları kalıp ile temas basıncının artmasından kaynaklanmamakta bununla birlikte karşılaşma sıklığı artan abrasif ve adhesif aşınmanın, yorulmanın, plastik deformasyondan kaynaklanan hasarları gidermek için yapılan kaynak işlemleri ve kaynak katmanlarının artmasının da katkısı olmakta. Bu kaynak katmalarını yinelemek, kalıplarda yumuşak bölgelere, kırılgan bölgelere ve artık gerilmelere neden olmaktadır. 3.2.1 Form Verme Kalıplarında Takım Çeliği Seçimi. Form verme uygulamalarında, sıvanma, adhesif aşınma ve plastik deformasyon en sık görülen hasar mekanizmalarıdır. Geliştirilmiş yüksek mukavemetli sacların (AHSS) form verilmesinde sacların akma dayanımları düşük mukavemetli saclara nazaran daha yüksek olduğundan uygulanan pres kuvveti de artmaktadır.
Geliştirilmiş yüksek mukavemetli sacların form verilmesinde takım çeliği seçme kriteri genellikle sacın kaplamalı olup olmamasına bağlıdır. Form verme operasyonlarının karışıklılığı ve üretim adetlerinin yüksekliği ayrıca göz önünde bulundurulması gereken hususlardır. Bunlarla birlikte aşağıdaki kriterler mutlaka göz önünde bulundurulmalıdır. Çalışan kalıp yüzeyindeki sürtünme katsayısı mümkün olduğu kadar düşük olmalıdır. Mümkünse yüzey pürüzlülüğü R a 0,2 μm olmak üzere parlatmalıdır. Bu işlem çalışma yönünde yapıldığında malzemenin sıvanma dayanımını mümkün olduğu kadar artırmaktadır. Konvansiyonel takım çelikleri özelliklede kaplamasız konvansiyonel takım çelikleri kaplamasız geliştirilmiş yüksek mukavemetli sacların form verilmesinde ihtiyaç duyulan kalıp ihtiyaçlarını karşılayamamaktadır. Vancron 40 gibi yeni geliştirilmiş nitrojen alaşımlı takım çelikleri zor uygulamalarda kalıp performansını artıran potansiyele sahiptir. Takım çeliği sertliğinin 58-59 HRc fazla olması ile aşınma, sıvanma ve plastik deformasyon gibi hasar mekanizmalarının önüne geçmek mümkündür. Bunun içinde yeni nesil çeliklerin kullanımı zaruridir. Zira geliştirilmiş yüksek mukavemetli sacların akma dayanımları yüksek olduğundan kullanılacak takım çeliğinin de yüksek akma dayanımına sahip olması gereklidir. Ama düşük tokluğa sahip 1.2379 gibi konvansiyonel takım çeliklerinin bu sertliğin üstünde kullanılması ise diğer problemlerle karşılaşılmasına neden olacaktır. Takım çeliklerinin plazma nitrasyon ile yapılan yüzey işlemleri yüksek üretim adetlerinde sıvanma problemi için çözüm olmamaktadır. CrN, TiN gibi PVD kaplamalar sıvanma gibi problemlerin önüne geçmek için taban malzemesinin sertliğinin 58-59HRc nin üstünde olmak koşulu ile çözüm olabilmektedir.
Yukarıda özetlemeye çalıştığımız parametreleri göz önünde bulundurarak takım çeliği seçimi için şekil 3.7 de verilen ve yine Uddeholm ile SSAB işbirliği sonucunda üretilmiş olan seçme kriterlerinden faydalanabilir. Şekil 3.7: AHSS Saclara Form Verme Uygulamalarında Takım Çeliği Seçimi. [5] Takım çeliği seçiminde çalışılan malzeme kadar buna bağlı olarak üretilecek şeklin geometrisi de bir o kadar önemlidir. Kullanılan sacın mukavemetin artmasına paralel olarak üretilecek parçanın geometrisinin de zorlaşması ile kullanılacak malzemelerde daha az bir ürün gamına sıkışmak durumunda kalmaktadır. 3.2.2. Kesme Kalıplarında Takım Çeliği Seçimi Gerek form verme gerekse de kesme kalıplarında takım çeliği seçimi kesin tavsiyelerde bulunmak son derece zordur. En iyi yol ise daha önceki üretim adetleri, kullanılan malzeme ve iş parçası ve kalıp dizaynını göz
önünde bulundurmak sureti ile deneyimdir. Bununla birlikte genel bir fikir verebilmek açısından İsveçli takım çeliği üreticisi Uddeholm ile AHSS üreticisi SSAB tarafından yapılan çalışmaların özet sonuçlarını resmeden Şekil 3.8 den faydalanılabilir. Fakat AHSS ler söz konusu olduğundan ise çok az deneyin biriktirildiğini göz önünde bulundurmak gerekmektedir. Yumuşak saclar söz konusu olduğunda kesme kalıbının hangi malzemeden imal edileceği çok büyük bir problem değildi. Fakat AHSS saclar kullanılmaya başlandıktan sonra görüldü ki konvansiyonel olarak üretilmiş ve yumuşak sacların kesme kalıplarında kullanılan malzemeler üretimin verimliliği ve kalıp ekonomisi açısından iyi sonuç verememektedir. Kullanılan sacın mukavemeti arttıkça kullanılabilecek uygun çelik kalitesi ise azalmakta. Genellikle sac kalınlığı sabit kaldıkça 1200 MPa a kadar kalıp çeliği sertliğinin artırılması önerilir. Ama bu mukavemet değerinin üzerine çıkıldığında konvansiyonel olarak üretimli malzemelerde özellikle 1.2379 kalitesindeki soğuk iş takım çelikleri söz konusu olduğunda 62 HRc nin üzerine çıkıldığı takdirde malzemede atma ve kırılma problemleri görülmeye başlayacaktır. Elbette ki bu tarz hazarlarda kalıbın yüzey özellikleri ve keskin köşelerde son derece etkilidir. Üretim adedinin artması, kalıp dizaynının karmaşık olması ve kullanılan sacın sertlik seviyesi kullanılacak malzemenin özellikle ağız dökülmesine ve kırılmaya karşı mukavemetli olmasını gerekmektedir. Örneğin Caldie, Vanadis 4E ve Sleipner gibi. Bu malzemeler yüksek sertlikte kullanılmalarına rağmen özellikle ağız atmaları ve yüksek toklukları nedeni ile aşınma dayanımları da konvansiyonel malzemeler ile karşılaştırıldığında iyi sonuçlar elde etmek mümkün olmaktadır.
Şekil 3.8 AHSS Sacların Kesme Uygulamalarında Takım Çeliği Seçimi [5] Takım çeliği ve ısıl işlemi ile birlikte kalıp dizaynıda son derece önemli hale gelmektedir. Örneğin kalıp boşluğu göz önünde bulunduracak olursak; yumuşak ya da düşük mukavemetli sacların kesme kalıplarına nazaran AHSS saclarla çalışıldığında kalıp boşluğu kalıp ömrü açısından son derece önemli bir parametre olmaktadır. 1000 MPa mukavemete kadar yüksek kalıp boşlukları kalıp ömrü açısından son derece iyi sonuçlar verirken sac mukavemeti 1000MPa nın üstüne çıktığında ise yüksek kalıp boşlukları kalıplarda ağız atmalarına sebebiyet verip kalıp ömrünü düşürmektedir. 4. Sonuç yerine Uygulama Örnekleri Aşağıda yüksek mukavemetli sacların form verme ve kesme kalıplarına yönelik bazı uygulamalar verilmiştir.
4.1. Güvenlik parçasında 2379 ile Vanadis 4 Kıyaslaması Şekil 4.1 de gösterilmiş olan güvenlik parçası 3 mm kalınlığında Domex 700 MC saç malzemeden imal edilirken ok ile işaretli deliği açan zımbanın performansı ve hasar mekanizması iki farklı takım çeliğinde test edilmiştir. Sonuçlar aşağıda verilmiştir: Şekil 4.1. Zımbaların testine konu olan parça 1.2379 (60 HRc):300-1000 vuruştan sonra kırılma Vanadis 4 (60 HRc): 25 000 sonra hala çalışıyor 4.2. Form verme kalıbında 1.2379 ile Caldie kıyaslaması Crack in forming die made of AISI D2 Şekil 4.2. Form verme testine konu olan parça Şekil 4.2 de görülmekte olan parça Domex 350 YP sacından imal edilirken kullanılan 120x180x400 mm boyutlarındaki form verme kalıbında, 60
HRc ye sertleştirilmiş ve CVD ile CrN kaplanmış, iki farklı soğuk iş takım çeliği test edilmiş olup aşağıdaki sonuçlara ulaşılmıştır. 1.2379: 1-100 baskı arası kırılma (Okla gösterilen bölge.) Caldie: >100.000 baskıdan sonra çalışmaya devam ediyor Kaynakça: 1. Carlsson, B., Choice of Tool Materials for Punching and Forming of Extra- and Ultra High Strength Steel Sheet, 3rd International Conference and Exhibition on Design and Production of Dies and Molds, 2004, Bursa-Turkey. 2. Casas, B., Marco, D., Vals, I., Tool Steels for Shaping AHSS, 7th International Tooling Conference Tooling Materials and Their Applications from Research to Market, Volume 2, 2006, Politecnico di Torino. 3. International Iron & Steel Institute Commitee on Automotive Applications, Advanced High Strength Steel (AHSS) Application Guidelines, March 2005. 4. Kılınç, T., YTÜ Lisans Bitirme Tezi, Otomotiv Endüstrisinde Yüksek Mukavemetli Saçların Şekillendirilmesinde Kullanılan Takım Çeliklerindeki Gelişmeler, 2007 5. Tooling Solutions For Advanced High Strenght Steels, Selection Guidelines, Uddeholm, SSAB. 6. ULSAB-AVC Overview Report