Alüminyumun ekstrüzyonunda kullanılan sıcak iş takım çeliğinin bor-nitrür ile kaplanması
Boron – nitride coating of hot work tool steel used in aluminum extrusion
Yazar: YAŞAR AKÇA
Danışman: PROF. DR. AHMET KARAASLAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Yüzey kaplama = Surface coating

Özet:
Dünya genelinde son 14 yıl içinde alüminyum sektörü genelinde, ortalama her yıl %6'lık bir büyüme meydana gelmiştir. IAI'nın (Uluslararası Alüminyum Enstitüsü) 2030 yılı tahminleri incelendiğinde; 2014 yılında rapor edilen 53.900 metrik ton birincil alüminyum üretiminin %6,9'luk büyüme ile 57.900 metrik tona çıkması öngörülmektedir. Bu tırmanışın nedenleri olarak da nüfus ve gelir artışı, şehirleşme, küresel ısınma nedeniyle kirlilik azaltıcı unsurlara yönelim özellikle öne çıkmaktadır. Türkiye alüminyum hareketleri incelendiğinde özellikle birincil alüminyum ithalatı, toplam alüminyum ithalatının %80'nin oluşturmatadır. Türkiye ithal ettiği bu alüminyumun %60'ı kadarını ihraç etmektedir. Türkiye alüminyum üretimi ve ihracatının en güçlü olduğu yarı-mamül üretim sektörleri olan ekstrüzyon ve yassı mamül ürünleridir. 2014 yılı verileri incelendiğinde ekstrüzyon sektöründe dünya ticaretinin %4'ünü gerçekleştirdiği ve dünyada 7. sıradadır. Son yıllarda özellikle Avrupa ülkelerinin yoğun olarak alüminyum ekstrüze edilmiş ürünleri talep ettiği görülmektedir. Yassı mamüllerde Türkiye dünya ticaretinin %2,2'si ile 11. sıradadır. TALSAD ( Türkiye Alüminyum Sanayicileri Derneği) verileri incelendiğinde son 10 yılda ekstrüzyon yarı-mamül ürün gruplarının üretiminde ortalama %6,9'luk artış olduğu görülmektedir. 
Türkiye genelinde kayıtlı olarak ekstrüzyon sektöründe 78 firma toplamda 170'den fazla ekstrüzyon presi olduğu ve yoğun olarak direkt ekstrüzyon yöntemiyle 6000 serisi alüminyum işlem alaşımlarının kullanıldığı ve iç talebin oldukça üstünde üretim yapıldığı, bundan dolayı ihracata yönelik üretimin arttığı görülmektedir. Ayrıca hem yurt içinde hem de yurt dışında profillerde yüksek kaliteye yönelim gerçekleştiği görülmektedir. 
Ekstrüzyon yönteminde alüminyumun istenilen şekli almasını sağlamak için sıcak iş takım çelikleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Sıcak iç takım çeliklerinden fiyat/performans (DIN 1.2344 sıcak iş takım çeliğinin 4 dolar/kg'ken, DIN 1.2367 sıcak iş takım çeliği 8,5 dolar/kg'dır[1]) avantajından dolayı özellikle DIN 1.2344 sıcak iş takım çeliği tercih edilmektedir [2],[3],[4].  
Alüminyumun çelik üzerindeki tribolojik etkisinden dolayı, hazırlanan kalıpların yüzeyleri kaplanmaktadır. Yüzey kaplamaları sayesinden ekstrüzyon kalıplarının kullanım ömürleri ve profillerin yüzey kalitesi artmaktadır. Günümüzde yaygın olarak Nitrür (N) kaplamalar tercih edilmektedir. Nitrasyon işleminin tercih edilmesinin nedeni hızlı, ucuz ve her türlü kalıba uygulanabilir olmasıdır. Nitrasyon kaplamalarının ortalama ömrü 3 ton veya 2 kilometre kadar olup kalıba tekrar nitrasyon işlemi yapılması gerekmektedir. Üretim sektöründe özellikle metretülü yüksek olan kalıpların veya yüzey düzgünlüğünü (yüzey pürüzlülük oranı) çok istenen kalıpların ömürlerini arttırmak için PVD ve CVD gibi alternatif yöntemlerle uygulanmış kaplamalarda tercih edilmeye başlanmıştır. Fakat bu kaplamaların pahalı olması, istenilen verimi vermemesi ve her türlü kalıba uygulanamayışı gibi nedenlerden dolayı çok fazla tercih edilmemektedir [5].
Ülkemizin bor kaynağı açısından zengin olmasından dolayı bor konulu çalışmalar yoğun olarak yapılmaktadır. Bu çalışmalar yoğun olarak kesici takımların ve gıda ekipmanlarının kaplanmasında yoğunluk göstermektedir. Bundan dolayı yoğun olarak bu sektörlerde kullanılan çelik malzemelerin bor kaplama çalışmaları yapılmış ve kullanım alanları oluşturulmuştur [5], [6], [7], [17]. 
Bu çalışmada, H13 sıcak iş takım çelik numunelere önce gaz nitrasyon işlemi uygulanmış ve ardından kutu borlama işlemi gerçekleştirilerek, çeliğin yüzey performans değerlerinin artışı hedeflenmiştir. Böylece H13 sıcak iş takım çeliklerinden üretilen kalıpların kullanım ömürlerinin ve hem ürün hem de kalıp yüzey özelliklerinin iyileştirilmesi, çalışmanın odak noktasını oluşturmaktadır.

Abstract:
In the world over the last 14 years, the aluminum industry has grown at an average rate of 6% per year. Projections of IAI (International Aluminum Institute) show that 53,900 metric tons of primary aluminum production reported in 2014 is projected to increase to 57,900 metric tons with 6.9 percent growth. The reasons for this increment are particularly prominent towards pollution-reducing elements due to population and income increase, urbanization and global warming. An examination of Turkey's aluminum industry reveals that primary aluminum imports constitute 80% of total aluminum imports and that Turkey exports 60% of this imported aluminum. A vast scale of Turkey's aluminum export is semi-finished extruded and flat products. 2014 annual data shows that Turkey the 4th in the world and it is 7th in the extrusion sector by means of aluminum traffic. In recent years, it has been observed that particularly European countries are extensively demanding extruded aluminum products. In flat products, Turkey ranks 11th with 2.2% of world trade. The data of TALSAD (Turkish Aluminum Industry Association) shows that the average production of extrusion semi-finished product groups has increased by 7% in the last 10 years.
It is observed that there are 78 registered aluminum extrusion companies in Turkey and more than 170 extrusion presses. Direct extruded 6000 series aluminum processing alloys are used extensively and supply is higher than demand. Moreover, high-quality trends are observed both in domestic and abroad profiles. 
Hot work tool steels are extensively used in extrusion to ensure that aluminum products has the desired shape and quality. DIN 1.2344 hot work tool steel is preferred due to the advantage of price/performance of hot inner tool steel (DIN 1.2344 hot work tool steel is 4 dollars/kg, DIN 1.2367 hot work tool steel is 8,5 dollars/kg) [1], [3], [4].
Due to the tribological effect of aluminum on steel, the surface lifetime of the extrusion dies and the surface quality of the profiles are increased by surface modification of the dies. Nitride (N) coatings are widely preferred for this purpose. The reason for the preference of nitrocellulose treatment is that it is fast, inexpensive and applicable to all kinds of dies. The average lifetime of nitriding coatings on extrusion dies is 3 tons or 2 kilometers of production. Coatings applied by alternative methods such as PVD and CVD in the manufacturing sector have begun to be preferred in order to increase the lifetime of the dies, especially the dies that require high surface smoothness. However, these coatings are not preferred extensively because they are either expensive, insufficient by means of the desired yield or cannot be applied to every die [5].
Due to the fact that Turkey is rich in terms of boron source, studies on boron are intensively carried out recently. These studies are mainly concentrated in the coating of cutting tools and food equipment. Therefore, studies on the boron coating of steel materials have been carried out and applications of boron coatings have been established mainly in these sectors [5], [6], [7], [17].
In this study, gas nitriding was applied to steel samples of H13 hot work tool and box boriding was performed to increase the performance of the nitrided steel surface. Thus, improving the service life of dies produced from H13 hot work tool steels as well as the surface properties of both products and dies is the focus of the work.