Enjeksiyon döküm kalıplarına uygulanan farklı kaplamaların kalıp ömrüne etkisi

Yerkabuğunda yaklaşık %8 civarında bulunan alüminyum, oksijen ve silisyumdan sonra en çok bulunan element olarak bilinmektedir. Periyodik cetvelin 3A grubunda yer alan, +3 değerlikli, 26,89 atom ağırlığına sahip alüminyumun 20 oC'deki yoğunluğu 2,7 gr/cm3, ergime noktası 659,8°C, kaynama noktası 2450°C'dir. Hafifliği, alaşımlandırıldığında yeterli mukavemeti, tekrar kullanılabilirliği, ışık ve ısı yansıtıcılığı, işlenebilirliği, yüksek korozyon dayanımı, şekillendirilebilirliği, yüksek ısı ve elektrik iletkenliği, çekilebilirliği ve dövülebilirliği alüminyumu diğer metallerden ayıran özellikleridir. Demirden üç kat daha hafif olan bu element, diğer elementlerle alaşımlandırılarak demire yakın mukavemet kazanabilmektedir. Birincil tip ve iikincil tip olmak üzere iki tip alüminyum üretimi mencuttur. Birincil alüminyum üretimi yüksek yatırım maliyeti olan elektroliz hücrelerinde yapılır. İkincil alüminyum üretimi ise maliyeti daha düşük olan hurdadan eritilip geri dönüşümle gerçekleştirilir. Alüminyumu cevherden üretimine göre daha ekonomik olan hurdadan elde etmek günümüzde yaygın olarak yapılmaktadır. Alüminyum ve alaşımları demir dışı metaller arasında en yaygın üretilen metallerdir. Daha hafif malzeme kullanmak eğilimi alüminyum ve alaşımlarının üretimini hızlandırmıştır. Geri dönüşümü kolay ve çevreye zararsız olan alüminyum ve alaşımları inşaat, havacılık, otomotiv, makine, dekorasyon ve pek çok diğer alanlarda kullanılmaktadır. Alaşımlardırılarak yüksek mekanik özellik sergileyen Alüminyum-Silisyum alaşımları alüminyum döküm endüstrisinde en çok kullanılan alaşımlardan biridir. Silisyum alüminyuma yüksek akışkanlık sağlamaktadır. Ayrıca Al-Si alaşımları ince kesittli ve karmaşık geometriye sahip parçaların dökümünü de kolaylaştırmaktadır. Cu ve Mg gibi elementler Al-Si alaşımlarının yaşlandırma özelliği geliştirirken, tane küçültme ve modifikasyon işlemleri ile mukavemet özelliği artırılmaktadır. Alüminyum alaşımları genellikle döküm yöntemiyle elde edilmektedir. Kum kalıba ve kokil kalıba döküm en eski üretim yöntemidir. Ancak artan teknolojik gelişmelerle basınçlı döküm ve hassas döküm yöntemleriyle de alüminyum ve alaşımları üretilmektedir. Özellikle basınçlı döküm yöntemi kullanımı hızla artmaktadır. Yüksek basınçlı ve alçak basınçlı döküm yöntemleri ise en çok karşılaşılan basınçlı döküm metodlarıdır. Yüksek basınçlı döküm yöntemi ile alüminyum ve alaşımlarını seri bir şekilde üretmek mümkün olmaktadır. Bu döküm yöntemi ile birim zamanda daha fazla parça elde edilmektedir. Yüksek basınçlı döküm beş aşamadan oluşmaktadır. Birincisi kalıbın kapanmasıdır. Daha sonra yüksek basınç ve hızla ergiyik alüminyumun kalıba doldurulmasıdır. Üçümcü aşama kalıba dolan sıvı metal katılaştıktan sonra kalıp açılması ve parçanın çıkarılmasıdır. En son olarakta kalıba yağ ve hava püskürtülerek döküm döngüsüne tekrar hazır hale getirilmesidir. Yüksek basınçlı döküm yönteminde sağlam parça elde etmek üç ana etkene bağlıdır. Birincisi döküm makinası, ikincisi döküm parametreleri ve üçüncüsü ise kalıp tasarımıdır. Yüksek basınçlı dökümde soğuk kamaralı ve sıcak kamaralı olmak üzere iki çeşit döküm makinası kullanılmaktadır. Sıcak kamarılı döküm prosesinde metal pompası, sıvı metal içerisine batırılmıştır ve metal ile aynı sıcaklıktadır. Soğuk kamaralı döküm prosesinde ise metal pompası ergitme potasından bağımsızdır. Bu yöntemde sıvı metal kepçe veya robotik sistemlerle döküm sistemine taşınır. Alüminyum ve alaşımları demire olan ilgisinden dolayı soğuk kamaralı döküm makinalarında üretimi daha çok tercih edilmektedir. Soğuk kamaralı döküm makinası enjeksiyon silindiri, piston kolu, piston, maden silindiri, sabit mengene, hareketli mengene, itici mekanizma kutusu, mafsallı manivela, manivela burçları, vidalı kapama donanımı ve kapama silindirinden oluşur. Yüksek basınçlı dökümde ideal döküm parametreleri ile istenilen kalitede parça elde edilir. Döküm makinasına birinci faz, ikinci faz ve üçüncü faz değerlerinin girilmesi gerekmektedir. Azot basıncı ile pompa basıncının da ayarlanması gerekmektedir. Bunlara ek olarak katılaşma süresi, kalıp açma süreleri gibi parametrelerin bilinmesi, yağlama ve hava tutma ayarlarının yapılması sağlam parça elde etmek için önem taşımaktadır. Yüksek basınçlı döküm kalıplarının (enjeksiyon kalıbı) tasarımı parça kalitesini etkileyen diğer bir unsurdur. Eğer kalıp tasarımında hata varsa üretiminde aksamalar ve duruşlar yaşanır. Kalıp yüzeyleri birbirlerine uyumlu şekilde karşılamalıdır. Tasarımda sıvı metalin kalıp boşluğuna rahat akabileceği yolluk ve kanallar açılmalıdır. Kalıp içerisindeki havayı atabilmek için uygun hava tahliye kanalları veya cepleri yapılmalıdır. Ayrıca maça kullanılacaksa maçaların yönü iyi ayarlanmalıdır. Ayrıca kalıp çeliğinin kalitesi kalıp ömrü açısından önem teşkil etmektedir. Alüminyum enjeksiyon kalıpları aşırı termal ve mekanik gerilmelere maruz kaldığı için termal yorulma, erozyon, korozyon ve aşınma yaygın olarak karşılaşılan kalıp hasar mekanizmalarıdır. Ayrıca basınçlı döküm yönteminde yapışma problemi de meydana gelmektedir. Bütün olumsuz etkenler üretimde duruşları artırmakta, parçada ölçüsel problemleri oluşturmakta ve kalıp kullanım süresini kısaltmaktadır. Üretimde meydana gelen bu sorunlar basınçlı döküm yönteminde maliyetleri yükseltmektedir. Ayrıca alüminyum enjeksiyonunda makine yatırımından sonra en yüksek maliyete sahip olan enjeksiyon döküm kalıplarının en az 100000 baskı döküm yapması beklenir. Bu nedenle basınçlı döküm kalıplarının çalışma ömrünü artırmak son yıllarda en çok çalışılan konulardan biridir. Döküm kalıplarının kullanım süresini artırmak için iki yol izlenmektedir. Birincisi döküm esnasında kalıbı yağlama ve soğutma sistemi ile korumaktır. İkincisi ise kalıp çeliğinin yüzey özelliğini geliştirmektir. Termomekanik yüzey işlemleri, sert kaplama uygulamaları enjeksiyon döküm yönteminde kalıp hasarlarını önlemeye yönelik yapılan işlemlerdir. Nitrasyon, nitrokarbürizasyon veya borlama en yaygın yüzey modifiye etme medotlarıdır. Ayrıca kalıp çeliklerine PVD veya CVD yöntemleri ile sert seramik kaplamak son yıllarda yaygınlaşan bir kalıp ömrü uzatma yoludur. Gaz veya plazma nitrasyon işlemi ile kalıp çeliğinin termal yorulma dayanımı artılmak amaçlanmaktadır. Sert kaplamalar yapışma ve erozyon dayanımı için yarar sağlamaktadır. Oksidasyon dayanımı yüksek olması nedeniyle TiAlN en yaygın uygulanan kaplama türüdür. AlCrN kaplama ise TiAlN kaplamadan daha sert ve daha iyi oksidasyon dayanımına sahip olması nedeniyle enjeksiyon kalıplarında uygulanmaktadır. DLC (eşmas benzeri karbon) kaplamalar ise genellikle çeliklerin aşınma özelliklerinin geliştirmek için tercih edilmektedir. Bu çalışmada alüminyum enjeksiyon kalıp pimlerine önce ıslah işlemi yapılmıştır. Daha sonra plazma nitrasyon uygulanarak pimlerin yüzey sertlikleri artırılmıştır. Plazma nitrasyon üzerine PVD yöntimi ile TiAlN ve AlCrN kaplama, PECVD yöntemi ile de DLC kaplama yapılarak pimlerin yüzey özellikleri daha fazla geliştirilmiştir. En son olarak plazma nitrasyon üzerine PVD ile TiAlN ve AlCrN kaplamalı pimlere PECVD ile DLC kaplanarak çift kaplamalı numuneler elde edilmiştir. Plazma nitrasyonlu (kaplamasız), TiAlN, AlCrN, DLC, TiAlN/DLC ve AlCrN/DLC kaplamalı pimler alüminyum enjeksiyon dökümde 2000, 4000 ve 6000 baskı dökümde kullanılmıştır. Seri üretim şartlarında kullanılan pimlerin 2000, 4000 ve 6000 baskı döküm sonrasında yapışma dayanımı, erozyon dayanımı ve çatlak oluşumu incelenmiştir. Yapışma ve erozyon dayanımı için pimlerin döküm öncesi ve sonrası kütleleri tartılmıştır. Çatlak uzunluğu için optik mikroskop ile çatlak boyu ölçümü yapılmıştır. Vikers mikrosertlik ölçümü ile kaplamaların sertlik değerleri karşılaştırılmıştır. Kaplama görüntüleri hem optik mikroskopta hem de taramalı elektron mikroskobunda incelenmiştir. XRD ve Raman spektroskopisi ile kaplamaların faz analiz yapılmıştır. Genellikle baskı sayısı ile yapışma miktarı, erozyon miktarı, toplam çatlak uzunluğu ve ortalama çatlak uzunluğunun arttığı görülmüştür. Tek kaplamaların yapışma ve erozyon dayanımı çift kaplamalardan daha iyi sonuç sergilemiştir. AlCrN kaplama en iyi erozyon dayanımına sahiptir. Yapışma miktarı ile erozyon miktarı, toplam çatlak uzunluğu ve ortala çatlak uzunluğunun arttığı gözlemlenmiştir. Genel olarak erozyon miktarı ile toplam çatlak uzunluğu ve ortalama çatlak uzunluğu artmıştır. Genellikle toplam çatlak uzunluğu ile ortalama çatlak uzunluğu artmıştır. Çatlak oluşumu en erken AlCrN kaplamada gerçekleşmiştir. 4000 baskı sonra bütün kaplamalarda çatlak oluşmuştur. DLC kaplamanın döküm deneyleri sonrasında yapısının bozulduğu anlaşılmıştır. Deney sonunda kaplamasız (nitrasyonlu) numune referans alınarak diğer numunelerin relatif hasar değerleri hesaplanmıştır. Bu değerlere göre 2000 baskı sonrasında TiAlN kaplama en iyi peformans sergilerken, 4000 ve 6000 baskı sonrasında DLC kaplama en iyi performans göstermiştir.