Ilık Şekillendirme

Ilık Şekillendirme (IŞ), üretimin malzemenin toparlanma sıcaklığının üzerinde ve yeniden kristalleşme (rekristalizasyon) sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda gerçekleştirildiği bir prosestir. Malzemelerin şekillendirilebilirliğinde önemli oranda artış sağlayan ılık şekillendirme yönteminde, sıcak şekillendirmede sıkça karşılaşılan parçaların oksitlenmesi ve boyutsal doğruluğun düşük olması gibi sorunlar

32

aşılabilmekte ve şekillendirme prosesi sonrasındaki ısıl işlem gereksinimi ortadan kalkmaktadır. Ilık şekillendirme üzerine 1960’lardan buyana yaygın bir biçimde çalışılmaktadır (Kim ve ark., 2006b). Hafif malzemelerin ılık şekillendirilmesi, 1970’lerde %6 Mg içeren alüminyum alaşımının 250°C sıcaklıkta yüzde uzama değerinin %300’e ulaştığının keşfedilmesiyle daha çok ilgi çekmeye başlamıştır (Altan, 2002).

Ilık şekillendirmede, proses için uygun sıcaklık aralığına karar verilebilmesi için ilk olarak sıcaklığın malzemenin mekanik davranışına etkisinin bilinmesi gereklidir. Bu amaçla sıcaklığın malzemelerin mekanik davranışına etkisinin incelendiği birçok çalışma yapılmıştır. Shehata ve ark. (1978) çalışmalarında 20 ila 300°C arasındaki ılık sıcaklıklarda Al-Mg alaşımlarının çekme testi ile mekanik davranışını araştırmış ve sonuçta yüzde uzamanın artan sıcaklık ve azalan Birim Şekil Değiştirme (BŞD) hızıyla önemli ölçüde arttığını belirlemişlerdir. Alüminyum alaşımlarının sünekliğindeki iyileşmeye de sıcaklıkla birlikte BŞD hızı duyarlılığındaki artışı kaynak göstermişlerdir. (Li and Ghosh 2003) çalışmalarında üç farklı alüminyum alaşımının 200-350°C aralığındaki sıcaklıklarda tek eksenli çekme testindeki davranışını farklı BŞD hızları için araştırmışlardır. Sonuçta Şekil 2.26’da görüldüğü gibi özellikle Al 5182 ve bu çalışmada da kullanılmış olan Al 5754 için yüzde uzamanın 200 ve 250°C’nin üzerindeki sıcaklıklarda önemli oranda arttığını bulmuşlardır. Ancak yüzde uzama değerindeki bu artış Al 5754 için 0.015 s-1 BŞD hızında daha yüksek iken, 0.15 ve 1.5 BŞD hızlarında çok fazla değildir.

(Naka ve ark., 2001) çalışmasında sıcaklığın ve şekillendirme hızının AA 5083 Al-Mg alaşımının Şekillendirme Sınır Diyagramına (ŞSD) etkileri deneysel olarak araştırılmıştır. Malzemenin sınır BŞD değerlerinin 150-300°C sıcaklık aralığında özellikle düşük BŞD hızlarında önemli ölçüde artarken, oda sıcaklığında sınır BŞD değerlerinin hızdan bağımsız olduğu bulunmuştur (Şekil 2.27). Düşük şekillendirme hızı ve 300°C civarındaki sıcaklıkta düzlem BŞD durumundaki sınır BŞD değeri 0.75’e kadar çıkmıştır. Araştırmacılar 300°C ve düşük şekillendirme hızlarında meydana gelen bu şekillendirilebilirlik artışının nedeni olarak malzemenin BŞD hızı duyarlılığının (m değeri) artışını kaynak gösterirlerken, 200°C’nin altında şekillendirilebilirlik üzerinde pekleşme üssünün (n değeri) daha etkili olduğunu belirtmişlerdir. Ayrıca bu sonucu teorik M-K analizleri ile de desteklemişlerdir.

Şekil 2.26. Sıcaklığın ve BŞD hızının yüzde uzamaya etkisi (Li and Ghosh 2003)

34

Bu çalışmalar şekillendirme işleminin ılık şekillendirme sıcaklıkları fakat düşük BŞD hızlarında (0.005 civarı) gerçekleştirilmesiyle malzemelerin çok yüksek oranda şekillenme kabiliyeti kazanacağını açıkça göstermektedir. Literatürde sıcaklığın ve şekillendirme hızının gerçek şekillendirme proseslerine etkisini inceleyen yine birçok çalışma yapılmıştır. Naka ve Yoshida (1999) tarafından yapılan çalışmada silindirik parçaların ılık sıcaklıklarda derin çekilebilirliğine sıcaklığın ve şekillendirme hızının etkisi AA 5083 malzeme için araştırılmıştır. Sıcaklığın ve şekillendirme hızının malzemenin mekanik özelliklerine etkisini de araştırmak için malzemeye çekme testi uygulanmıştır. Derin çekme deneylerinde kalıplar 180°C sıcaklıklara kadar ısıtılırken ıstampa da soğutuluştur. Sonuçta malzemenin Sınır Çekme Oranının (SÇO) kalıp sıcaklığıyla birlikte artarken, şekillendirme hızıyla azaldığı belirlenmiştir (Şekil 2.28). Literatürdeki diğer araştırmalara göre 5XXX grubu malzemelerde bu sıcaklık aslında malzemenin toparlanma sıcaklığının başlangıç değerleridir. Kalıp sıcaklığının daha da artırılırmış olması durumunda daha yüksek SÇO değerlerine de ulaşmak mümkündür.

Moon ve ark. (2001) çalışmasında klasik derin çekme işleminde ulaşılan SÇO değerinin artırılması için kalıp sıcaklık kontrolü yapılarak Al-1050 sac malzeme derin çekilmiştir. Kalıp sıcaklık kontrolü ile derin çekme işleminde parçanın potansiyel hasar bölgesi olan ıstampa uç radyüsü bölgesinin mukavemeti soğuk ıstampa ile artırılırken, parçanın yan duvarlarındaki gerilmenin azaltılması için sacın geri kalan bölgesi ısıtılmıştır. Sonuçta Al-1050 malzemenin derin çekilebilirliğine artırılması için kalıp sıcaklık kontrolünün oldukça etkili olduğu bulunmuştur. Çalışmada kullanılan malzemenin SÇO değeri oda sıcaklığı için 1.862 iken 200°C kalıp ve 25°C ıstampa sıcaklığı için 1.915, 200°C kalıp ve -10°C ıstampa sıcaklığı için de 2.096 bulunmuştur.

Kalıp sıcaklığıyla birlikte SÇO değerindeki artışın, parçanın yan duvarlarındaki gerilmenin azaltılmasıyla sağlandığı belirtilmiştir. Bundan başka SÇO’daki iyileşmeye diğer araştırmacıların da belirttiği sıcaklıkla birlikte BŞD hızı duyarlılığındaki artışın da katkı sağladığı sonucu verilmiştir.

Ilık şekillendirme üzerinde en etkili parametre sacın sıcaklık dağılımıdır. En iyi şekillendirilebilirlik için en optimum sıcaklık dağılımını tespit edilmesi gereklidir. Bu amaçla Kim ve ark. (2006a) tarafından yapılan çalışmada, kare bir kabın ılık derin çekilmesinde sacın sahip olması gereken optimal sıcaklık gradyanının en etkin ve doğru şekilde belirlenebilmesi için hibrit izotermal/izotermal olmayan Sonlu Elemanlar Analizleri (SEA) ve Deney Tasarımı (Design of Experiment: DOE) yöntemleri kullanılmıştır. Başlangıçta analiz süresini kısaltmak için sac ve kalıplar arasındaki ısı transferi düşünülmeyerek sacın belirli bölgelerine sıcaklık değerleri atanmış ve Cevap Yüzeyi Yöntemiyle (Response Surface Methodology) en yüksek parça derinliğine ulaşmak için sacın sahip olması gereken sıcaklık dağılımını tahmin eden sayısal bir model geliştirilmiştir. Buradan elde edilen bilgilerle ısı transferinin de hesaba katıldığı izotermal olmayan SEA’de (Şekil 2.29) kalıplara uygun sıcaklık değerleri atanarak, daha gerçekçi ve deneysel olarak da uygulanabilir SEA’ler yapılmıştır. Sonuçta en fazla parça yüksekliğine kalıp ve baskı plakasının (lover die-upper die) R1-R9 bölgelerine

350°C, ıstampaya da 25°C sıcaklık atandığı durumda ulaşılmıştır. Ilık şekillendirmeye sıcaklıktan başka kalıplar ve sac arasındaki sürtünme katsayısı, Baskı Plakası Kuvveti (BPK) ve şekillendirme hızı etki eder. Bu parametrelerin etkileri yine Kim ve ark. (2006a) çalışmasında SEA ile araştırılmıştır. Sürtünme katsayısının derin çekmeye etkisi yüksek sıcaklıklarda, oda sıcaklığına göre daha fazladır ve sürtünme katsayısı arttıkça malzemenin kalıp boşluğuna doğru akışı zorlandığı için elde edilen parça yükseklikleri azalmıştır. Baskı plakası kuvveti de yine yüksek sıcaklıklarda oda sıcaklığına göre prosesi daha fazla etkilemiştir ve şekillendirilebilirliği artırmak için düşük BPK’nin tercih edilmesi gerektiği belirtilmiştir. Istampa hızının etkisi oda sıcaklığında ihmal edilebilirken kalıp sıcaklıkları lokal olarak kontrol edildiğinde oldukça artmıştır. Şekillendirilebilirliğin ıstampa hızıyla önemli oranda düştüğü belirtilmiştir.

36

Şekil 2.29. Kim ve ark. (2006a) çalışmasında kalıplara sıcaklıkların atanması

Kaya ve ark. (2008) alüminyum ve magnezyum alaşımlarının izotermal olmayan derin çekme prosesinde sacın ısıtılması için gerekli süreyi ve bu süreye baskı plakası kuvvetinin etkisini araştırmışlardır. Yüksek sıcaklıkta kullanılabilecek çeşitli yağlayıcıları değerlendirmişler ve PTFE filmin en yüksek performans veren yağlayıcı olduğunu belirlemişlerdir. Ayrıca sıcaklığın ve sac çapının bir fonksiyonu olarak kullanılabilecek maksimum ıstampa hızlarını deneysel olarak belirlemişleridir.

Ilık şekillendirmede sıcaklık başta olmak üzere parametrelerin uygun değerlerinin SEA ile belirlenmesi, proses geliştirme süresinden ve maliyetten tasarruf sağlar (Takuda ve ark. 2002, Palaniswamy ve ark. 2004). Fakat ılık şekillendirmenin etkinliği ve güvenilirliği az sayıdaki çalışmalarda SEA ile deneysel çalışmaların karşılaştırılması yoluyla doğrulanmıştır (Kim ve ark., 2006b). Bu konuda yapılan ilk araştırmalardan olan Takuda ve ark. tarafından 2002 yılında yapılan çalışmada Al 5083 alaşımlı alüminyum sacın derin çekilebilirliği ve hasar karakteristiği ısı transferinin de hesaba katıldığı 2 boyutlu (2B) SEA ile başarıyla tahmin edilebilmiştir. SEA ile elde edilen SÇO değerleri ile oda ve ılık sıcaklıklarda tahmin edilen muhtemel hasar bölgeleri, deneysel sonuçlarla uyum içerisinde çıkmıştır. Yine Kim ve ark. 2004 yılında yaptıkları araştırmada, Al5083 malzemenin ılık şekillendirmesinin 2B SEA ile Naka ve Yoshida (1999) tarafından yapılmış olan deneysel çalışmada bulunan SÇO değerlerini büyük bir doğrulukta tahmin edebilmişlerdir (Şekil 2.30).

Şekil 2.30. Silindirik bir parçanın derin çekilmesinin 2B SEA ile deneysel sonuçların karşılaştırılması

(Naka ve Yoshida 1999, Kim ve ark. 2004)

Konu ile ilgili bir diğer araştırma olan Kim ve ark. (2006b) çalışmasında ılık şekillendirmenin üç boyutlu sayısal- termomekanik analizlerinin uygunluğu deneysel karşılaştırmalarla araştırılmıştır. Analiz sonuçları ve deneysel sonuçların birbirine daha fazla uyum göstermesi için yapılması gereken çalışmalar anlatılmıştır. Analizlerde, parçada meydana gelecek hasarı tahmin edebilmek için üç farklı hasar kriteri deneysel sonuçlarla karşılaştırma yoluyla değerlendirilmiş ve en uygun kriter olarak kalınlık oranı kabul edilmiştir. Kalınlık oranı kriteri, birbiriyle komşu elemanların kalınlık oranının her bir analiz adımında kritik bir değeri geçip geçmediğinin kontrolü ile uygulanmaktadır. Bu kriter için kritik değer deneysel olarak 0.94 bulunmuştur. Ayrıca oda sıcaklığında 0.9 mm kalınlıklı sacda boyunlaşma 0.8 mm kalınlıkta başlarken, 300°C de bu değerin 0.6 mm’ye düştüğü bulunmuştur. Çalışmada malzemenin Şekillendirme Sınır Diyagramı (ŞSD) deneysel olarak 250°C, 300°C ve 350°C sıcaklıklar için Şekil 2.31’deki gibi elde edilmiş ve sıcaklıklar birlikte sınır BŞD değerlerinin özellikle 250°C ve 300°C arasında önemli ölçüde attığı gözlemlenmiştir. Ayrıca kare kabın derin çekilmesi analizinden, kritik hasar bölgesi olan ıstampa köşe bölgesinde hesap edilen sınır BŞD değerleriyle deneysel olarak elde edilen ŞSD’nin uyum içerisinde olduğu bulunmuştur. Böylece analizler için kabul edilen hasar kriteri ile sıcaklıkla birlikte artan sınır BŞD değerlerinin doğru bir şekilde tahmin edilebildiği ispatlanmıştır.

38

Şekil 2.31. Sıcaklığın ŞSD’ye etkisi (Kim ve ark., 2006b)