Tel çekme matrislerinde aşınma mekanizmalarının incelenmesi
Investigation of wear mechanisms in wire drawing dies
Yazar: AHMET GÖKHAN
Danışman: DOÇ. DR. TURGUT GÜLMEZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde imalat sektöründe plastik şekil 	verme yöntemleri sık kullanılmaktadır.  Tel çekme işlemi de bu yöntemlerden biridir. Bir çok farklı malzeme farklı ihtiyaçlar doğrultusunda  tel çekme işlemi ile şekillendirilerek kullanılmaktadır.  Tel çekme işlemi esnasında kesiti daralan malzemenin uzunluğu artmakta ve  mekanik özellikleri değişmektedir. Kesit daralma işlemi, malzemenin çekme matrisi adı verilen belirli geometrilere sahip kalıplardan çekme tamburları tarafından çekilmesi ile gerçekleştirilir. Çekme matrisleri genel olarak giriş açısı, matris açısı, silindir/yatak boyu ve çıkış açısı bölümlerinden oluşmaktadır. Bahsi geçen tüm bölümlerin proses üzerinde farklı görev ve etkileri mevcuttur. Özellikle matris açısı ve silindir/yatak uzunluğu bölümleri çekilen malzeme ile temas halinde olan bölümlerdir. Bu temas miktarlarının azaltılarak çekme işleminin daha kolay ve sürekli bir şekilde devam ettirilebilmesi amacıyla yağlayıcı adı verilen malzemeler kullanılmaktadır. Yağlayıcı malzemeler çekilen malzeme ile çekme matrisi arasında ince film tabakası oluşturmaktadır. Yağlayıcıların bu oluşturduğu film tabakasına rağmen bu işlem esnasında çekme matrisleri ile çekilen malzemeler arasında temas kaçınılmazdır. Bu temas noktalarında yüksek sıcaklık ve basınç oluşmaktadır. Çekme matrislerinin bu koşullar altında uzun süre hatasız olarak çalışması proses devamlılığı ve ekonomisi açısından çok kritik öneme sahiptir. Bu nedenle tungsten karbür malzemeler iletkenlik, aşınma direnci, kolay işlenebilirlik gibi bir çok üstün özelliği ve finansal açıdan sağlamış olduğu avantaj ile çekme matrisi imalatında yoğun olarak kullanılmaktadır.
Son yıllarda imalat sektöründe artan rekabet ve maliyet baskısı firmaların daha verimli çalışma yollarını aramasına neden olmaktadır. Tel çekme işleminde çekme matrislerinin değişim sıklığı ve değişim sürelerinin verimliliğe etkisi oldukça yüksektir. Bu nedenle tel çekme işlemi esnasında çekme matrislerinde meydana gelen aşınmalar ve bunları tetikleyen konular üzerinde hem endüstri hem de akademik alanda bir çok çalışma gerçekleştirilmektedir. Çalışmaların bir çoğu  tel çekme işlemi esnasında kullanılan yağlayıcılar ve çekme matrislerinin geometrisi üzerinde yoğunlaşmaktadır. 
Artan teknolojik gelişmeler ile  tel çekme işleminde yüksek hızlı makineler kullanılmaya başlanmıştır. Bu gelişme ile birlikte verimlilik artışı sağlanmasına rağmen gerçekleşen bu hız artışı kesit daralması ile oluşan sıcaklık, basınç değerlerini ve aşınma hızlarının artışına neden olmuştur. Meydana gelen bu aşınma hızlarındaki artış çekme matrislerinin değişim periyotlarının kısalmasına bununla birlikte verimliliğin düşmesine neden olurken, arzu edilen nihai ürün çapı ve yüzey kalitesine de olumsuz etki yaratmaktadır. Tüm bu gelişmeler ile birlikte çekme matrislerindeki aşınma konusu çok daha önemli olmaya başlamıştır. Genel olarak bakıldığında aşınmalar adhesif ve abrazif olmak üzere iki ana türde gerçekleşmektedir. Her bir aşınma türü için geçerli farklı mekanizmalar olduğu görülmüştür. Meydana gelen bu aşınmaları iyileştirebilmek amacıyla bu çalışmada, öncelikle aşınma mekanizmaları ve bu mekanizmalara etki eden faktörler ayrıntılı şekilde ele alınmış ve incelenmiştir. Yapılan incelemeler sonucu çekme matrisinin yüzey pürüzlülüğü, sertliği ve kimyasal ilgi seviyesinin aşınma mekanizması üzerinde önemli etkiye sahip olduğu anlaşılmıştır. Bir çok plastik şekil verme işleminde takımlarda sertlik değerlerini yükseltmek ve aşınma performansını iyileştirmek için kullanılan PVD yöntemi ile 4.70mm çapında 15x14 mm boyutlarında tungsten karbür çekme matrislerinin yüzeyleri kaplanmıştır. Elde edilen kaplamalara ait kaplama kalınlığı ölçümleri gerçekleştirilerek hem kalınlık hem de homojenlik durumu irdelenmiştir. Aşınma mekanizması üzerindeki etkisi bilinen sertlik ve yüzey pürüzlülük değeri de ölçülmüş elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. Yapılan aşınma testleri ile kaplanan yüzeylerin aşınma performansları hesaplanmış ve ilk durum ile karşılaştırmalar yapılmıştır.

Abstract:
Nowadays, plastic forming methods are used very frequently in the manufacturing industry.  wire drawing is one of these methods. Many different materials are used by shaping with  wire drawing process in line with different needs. During the  wire drawing process, while the cross-section of the drawn material decreases, the length of the material increases and its mechanical properties also change. Section area reduction in the drawn material occurs when the material is drawn with drawing blocks from molds with certain geometries called the dies. Dies generally consist of entry angle, die angle, cylinder/bearing length and exit angle sections. All the mentioned sections have different duties and effects on the process. Especially the die angle and cylinder/bearing length sections are in contact with the drawn material. Materials called lubricants are used to reduce these contact amounts and to continue the drawing process more easily and continuously. Lubricating materials form a film layer between the drawn material and the dies. Despite the film layer formed by the lubricants, contact between the dies and the drawn materials is inevitable during this process. High temperature and pressure occur at these contact points. It is of critical importance for the dies to operate flawlessly for a long time under these conditions in terms of process continuity and economy. For this reason, tungsten carbide materials are widely used in dies manufacturing with their many superior properties such as conductivity, wear resistance, easy machinability and financial advantage.
Increasing competition and cost pressure in the manufacturing sector in recent years cause companies to look for more efficient ways of working. In the  wire drawing process, the change frequency and change times of drawing dies have a very high impact on productivity. For this reason, many studies are carried out in both industry and academic fields on the wear that occurs in the drawing dies during the wire drawing process and the issues that trigger them. Most of the studies focus on the lubricants used during the  wire drawing process and the geometry of the drawing dies.
With increasing technological developments, high-speed machines have begun to be used in  wire drawing process. Although the efficiency increase was achieved with this development, this speed increase caused the temperature and pressure values and wear rates to increase due to the reduction of the cross section. While this increase in wear rates causes the change periods of the dies to shorten and thus the efficiency to decrease, it also has a negative impact on the desired final product diameter and surface quality. With all these developments, the issue of wear in dies has become much more important. 
Generally, there are two main types of wear: adhesive and abrasive. It has been observed that there are different mechanisms valid for each type of wear. In order to improve these wears, in this study, firstly, the wear mechanisms and the factors affecting these mechanisms were discussed and examined in detail. As a result of the investigations, it was understood that the surface roughness, hardness and chemical affinity level of the dies had a significant effect on the wear mechanism.
The surfaces of the tungsten carbide molds, which are 4.70 mm in diameter and 15x14 mm in size, are coated with three different materials using the PVD method, which is used to increase the hardness values of the tools and wear performance in many plastic forming processes. In the selection of coating materials, features such as usage areas, average coating thickness and friction coefficient were taken into consideration.
In order to measure the coating thickness, hardness and surface roughness of the coatings obtained on tungsten carbide matrix samples coated with different materials, cross-sectioning was carried out by the wire erosion method.
SEM analysis was used to determine coating thicknesses. In this way, both the coating thicknesses obtained and the thickness distribution along the coated surface were examined. 
Hardness levels known to affect the wear mechanism were also obtained by performing microhardness measurements. In addition, surface roughness values were also measured. In the experiments carried out in the production area, the wear performances of the coated matrices as well as the lubricant and drawability performances were monitored. In the light of all the results obtained after the experiments, coated matrices were compared both among themselves and with tungsten carbide matrices and the results were expressed.