Yapışma ve Yapışmayı Engelleyen Uygulamalar

Hasar mekanizmalarının uzun süreçlerde oluşması, deneysel çalışma ekipmanlarının pahalı olması nedeniyle, laboratuvar çalışmalarını daha kısa sürede tamamlayacak metodlar geliştirilmiştir.

Yapılan deneysel çalışmalarda görülmüştür ki, kalıp yüzeyinde kalıp ile dökümü yapılan metalin etkileşimi sonucu intermetalik bileşikler oluşur. Farklı alüminyum döküm alaşımlarında farklı yapışma davranışı görülür. Yapışma eğilimi metal sıcaklığının ve uygulanan basıncın artmasıyla artar. Kalıp yüzeyinin kaplanması ve yapılan yüzey işlemleri ile yapışmanın oluşması azaltılabilir

Alüminyum yapışan kalıp yüzeyi, kesilip incelendiğinde yapışma mekanizmasının nasıl oluştuğuna dair bilgi edinmek mümkündür. Genel olarak yolluk girişleri yüksek

basıç ve aşınmaya maruz kaldığı için, bu bölgelerde yapışmaya sıkça rastlanır, birçok micro-oyuk ve micro-boşluk görülür. Micro-oyuklar erozyon karakterini, micro boşluklar de intermetalik bileşiklerin karekteriğini belirler.

Prensip olarak yapışma; ergimiş alüminyumun proses esnasında kullanılan yüksek basınç ve alüminyumun çelik içinde bulunan demir ve diğer alaşım elemanlarına olan ilgisi nedeniyle çelik yüzeyi ile ergiyik metal arasında intermetalik fazların oluşmasıdır[15]. Ancak çelik yüzeyinde oluşan ve yapışmaya neden olan başlıca faz Fe2SiAl8 intermetalik fazıdır. Yüzeylerde lokal olarak meydana gelen bu bileşik tabakalar, daha sonraki baskılarda alüminyumun kalıba daha kolay yapışması için bir altlık görevi görür ve yapışma artarak devam eder.

Yapışma direk intermetalik faz oluşumuna bağlı olarak başlayabileceği gibi kalıbın yüzey bitirme kalitesine, ya da kullanım esnasında ergiyik metal akışından kaynaklı erozyona uğrayan bölgelerde yüzey pürüzlülüğünün artmasına bağlı olarak önce mekanik (fiziksel kilitlenme) olarak, sonrasında intermetalik faz oluşumuyla devam eder. Kalıbın yüzey pürüzlülüğüne ve parça şekline bağlı olarak film-tipi ya da masiv yapışma olarak iki şekilde görülür. Yüzey bitirme kalitesi yüksek olan kalıplarda yapışma film şeklinde olurken, kaba bitirilmiş yada erozyona uğramış bölgelerde masiv yapışma olarak ortaya çıkar. Şekil 5.8 de H13 (2344) çeliği ile ADC12 Al alaşımı ile meydana gelen tipik yapışma ara-yüzeyi gösterilmiştir.

Şekil 5.8 : Yapışma tabakasının kesiti [17]

Çelik ve ergimiş metal arasında meydana gelen intermetalik Fe2SiAl8 faz artan sıcaklıkla daha kolay oluştuğundan, kalıbın çalışma sıcaklığının artması, yapışmayı artırıcı bir rol oynar. Kalıbın yüzey sıcaklığı, spreylemeye (yağlama ve soğutma)

işlemine, kalıp soğutma kanallarının dizaynına, kalıp çalıştırma frekansına ve parça şekline bağlı olarak değişim gösterir[17].

Şekil 5.9 : H21 çeliğinde meydana gelen intermetalik fazlar[17]

Şekil 5.9’da farklı bir sıcak iş çeliğinin Al enjeksiyon uygulamasında çelik-ergiyik ara yüzeyinde meydana gelen farklı intermetalik fazlar gösterilmiştir. Çelik yüzeyinden Al alaşımına doğru gidildikçe, bileşiklerde kütlece Al yüzdesi giderek artmakta, böylece ergiyik alüminyumun bu bileşiğe yapışması daha da kolaylaşmaktadır. Endüstride sıkça rastlanan yapışma probleminin giderilmesi için çeşitli önlemler alınmıştır. Ancak kalıbın uzun süre çalıştığı düşünüldüğünde bu önlemler belirli bir süre sonra yeterli kalmamaktadır. Yapışma kaçınılmaz olarak gerçekleşmekte, alınan önlemler sadece yapışma oluşumunu öteler niteliktedir.

5.3.4.1 Su Bazlı Yağlayıcıların Kullanımı

Metal enjeksiyon kalıplarında yapışmayı önlemede kullanılan başlıca yöntem her baskıdan sonra kalıp yüzeyinin su bazlı yağlayıcılarla yağlanmasıdır. Bu işlemde kullanılan yağlayıcı:

• İçerdiği su ile kalıp yüzeyinin soğutulmasını sağlar

• Yüzeyde yapışmayı önleyici bariyer yağ tabakası oluşturur. • Kalıptan parçanın çıkmasını kolaylaştırır[18].

Yapılan araştırmalarda kalıp yüzeyine uygulanan yağlayıcı sprey 4 sn süresince uygulandığında kalıp yüzeyindeki ısının %30’unu kalıptan alabildiği belirlenmiştir. Ancak burada kalıbın yüzey sıcaklığı son derece önemli bir parametredir. Kalıp yüzeyinin aşırı sıcak olması halinde üzerine sprey uygulandığında leidenfrost fenomeni diye adlandırılan bir sorun ortaya çıkar[19]. Leidenfrost fenomeni artan kalıp yüzey sıcaklığı ile soğutucu sıvı ile çelik yüzeyi arasında bir buhar filmi oluşmasına bağlı olarak, ısı transferinin artan sıcaklıkla artması yerine aksine azalmasıdır. Bu durum tıpkı kızmış bir tavaya düşen su damlasının buharlaşmadan damla halinde kalması gibi sıvı ile sıcak yüzey arasında bir buhar film tabakası oluşmasıdır. Böyle bir durumda soğutucu sıvının yüzeyi ıslatma açısı da azalır ve sonuç olarak gereken ısı transferi gerçekleşemez. Şekil 5.10’da kalıp yüzey sıcaklığına bağlı olarak soğutucu sıvının yüzeyden ısı çekişinin değişimini göstermektedir. Şekil 5.10’da da görüldüğü üzere maksimum ısı transferi yüzeyin 240-250 ^oC’lerde kalması ile elde edilmektedir[19].

Şekil 5.10 : Yağlayıcı sprey kullanımıyla yüzeyden ısı transferinin sıcaklıkla değişimi[19]

Kalıp yüzeyinin iyi soğutulmadan baskıya devam edilmesi durumunda kalıp gittikçe daha fazla ısınmaya başlayacak ve ardından yapılacak spreylemede bir öncekinden daha da az ısı çekişi meydana gelecektir. Böyle bir durumda kalıp yüzeyi giderek artan bir şekilde ısınmaya devam edecek, sonuç olarak aşırı ısınan yüzeyde istenen yağlama yapılamadığından yapışma daha hızlı bir şekilde meydana gelecektir. Kalıbın spreylenmesinde yüksek püskürtme basıncının kullanılması, yüzeyde oluşan buhar tabakasını dağıtmasından kaynaklı, daha fazla ısı transferi sağlamaktadır. Yine yüzeye dik olarak yapılan spreyleme diğer açılarla yapılan spreylemeye göre daha etkin bir soğutma sağlamaktadır.

Spreylemede kullanılan yağlayıcılar sudan daha düşük yüzey gerilimine sahip olduklarından, su bazlı soğutucunun yüzey ıslatma açısını düşürürler. Böylece leidenfrost sıcaklığını daha yüksek sıcaklıklara doğru çekerek, sıcak yüzeylerde daha etkin soğutma yapılmasını sağlarlar. Bugün spreylemede kullanılan yağlayıcılar polipropilen, polietilen ve silikon esaslı yağlayıcılardır. Nissan Casting Australia Pty. Ltd.’de yapılan araştırmada en etkin soğutmanın polipropilen esaslı yağlayıcılarla elde edildiği görülmüştür. Polipropilen esaslı yağlayıcılar daha düşük yüzey gerilimine sahip olduklarından daha etkin bir ıslatma sağlarlar.

5.3.4.2 Kaplama

Kaplama da yapışmayı önleyici bir uygulamadır. Kalıbın ince cidarlı bölgelerinde enjeksiyon sonrası oluşan yüksek hızlar nedeniyle, bu bölgelerde aşırı ısınma ve sonrasında yapışma meydana gelmektedir. Yüzeydeki aşırı ısınma nedeniyle buradaki atomlar aktive edildiği için difüzyon olur. Sonrasında hasar meydana gelir. Kalıp yüzeyine aktivasyon enerjisi yüksek olan bir yüzey kaplama işlemi yapıldığında, difüze olan alüminyum metal ile kaplama yüzeyinin etkileşimi zorlaşır, intermetalik bileşik oluşumu engellenir ve yapışma davranışı azalır. Aktivasyon enerjisinin artması yapışma eğilimini azaltır. Örneğin Al-Al arasındaki etkileşimin aktivasyon enerjisi Al-Fe arasındaki etkileşimin aktivasyon enerjisinden daha düşüktür. Dolayısıyla Al’nin kalıp yüzeyinde bulunması ile aktivasyon enerjisi düştüğü için yapışma artar. Bunula beraber Al-Cr etkileşim aktivasyon enerjisi Al-Fe etkileşim aktivasyon enerjisinden daha büyük olduğu için Cr kalıp yüzeyine alüminyumun yapışmasını önleyen iyi bir yüzey kaplama elementidir. Ayrıca yapılan

bu kaplama yüzeydeki ıslatma açısını düşürüüp hasar mekanizmasının oluşumu yavaşlatılır[20].