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 Mikro alaşımlanmış YP ve MC çelik saclar

o Dual Faz DP ve DL Çelik Saclar

o 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) ferritik-

martenzitik 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 kuasi-

statik 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 Abrasif Aşınma

o 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 Ra ≤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

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

Crack in forming die made of AISI D2

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