Enjeksiyon kalıplarında kullanılan sıcak iş takım çeliklerinin yüzey özelliklerinin geliştirilmesi
Surface modifications of hot work tool steel injection molds
Yazar: SÜLEYMAN ALPER YEŞİLÇUBUK
Danışman: PROF. DR. M. KELAMİ ŞEŞEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Alüminyum enjeksiyon yönteminin esasını oluşturan basınçlı döküm, düşük sıcaklıkta ergime ve metal kalıplar içerisinde kalıplanabilme özelliği olan demir dışı metal ve metal alaşımlarının basınç altında kalıp içerisinde Şekillendirildiği yöntemdir. Yüksek basınçla kalıbın içindeki boşluğa enjekte edilen ergimiş metal, kalıp içerisinde katılaşarak kalıp içi boşluğun şeklini almaktadır. Basınçlı döküm kalıplarında yüksek sıcaklık, basınç, termal şok gibi etkilerden dolayı termal yorulma, buna bağlı çatlak oluşumu, korozyon, erozyon gibi hasarlar oluşabilmektedir. HPDC çalışma koşullarında kalıp malzemesinden beklenen özellikler yapısal homojenite, kolay işlenebilirlik ve parlatılabilme, yüksek sıcaklık dayanımı, erozyon ve korozyon dayanımı, yüksek termal iletkenlik ve düşük genleşme katsayısıdır. Bu tür uygulamalarda sıcak iş takım çelikleri kullanılmaktadır.Alüminyum enjeksiyonunda kalıp yüzeylerinin sıvı alüminyumun korozif etkisinden korunabilmesi amacı ile ince film kaplama, nitrasyon, oksidasyon gibi bir takım yüzey modifikasyonları uygulanmaktadır. Bu uygulamalarda kalıp-sıvı metal etkileşiminin geciktirilmesi amaçlanmaktadır.Tez çalışmalarında enjeksiyon kalıplarında yoğun olarak uygulama alanı bulan AISI H13 ve alternatifi DIEVAR olmak üzere iki farklı takım çeliği kullanılmıştır. Çeliklere uygulanan ısıl işlemle homojen mikro yapı ve mekanik özellik elde edilmiştir. Isıl işlem sonrasında numuneler nitrasyon, 2 farklı derinlikte borlama, CrN ve TiN/CrN kaplama uygulamalarına tabi tutulmuştur. Yüzey modifikasyonlarının kırılma tokluğu deneyleri Palmqvist metoduna göre gerçekleştirilmiştir. Yüzey modifikasyonlarının ergimiş alüminyum korozyonuna karşı dirençlerinin test edilmesi amacı ile numuneler, 4, 6 ve 8 saatlik ergimiş alüminyum temasına tabi tutulmuştur. Korozyon testi sonrasında alınan kesitlerde, yapışma oranları ve intermetalik oluşumları ışık mikroskobu ve SEM ile incelenmiştir. CrN ve TiN/CrN uygulamasının en iyi sonucu verdiği tespit edilmiştir.Malzemelerin erozyon dayanımları ve erozif aşınma karakteristiklerinin incelenmesi için 30°, 60° ve 90° aşındırıcı parçacık çarpma açılarında erozyon testleri gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalar sonucunda, borlama uygulanan numunelerde gevrek aşınma davranışı gözlemlenirken, diğer numunelerde sünek aşınma davranışı gözlenmiştir.

Abstract:
High pressure molding, which is the fundamental of aluminium injection, is a production method, in which non-ferrous metals and alloys are shaped by means of high pressure injection into metal dies. With high pressure injected liquid metal or alloys solidifying in metal dies. After solidification, final products are taken out and dies will be cooled and lubricated for the next injection. During this process, molds are subjected not only to thermal shocks, but also corrosive and erosive effects of molten aluminium. In HPDC process conditions, mold material should have homogen microstructure, good machinability, good surface finishing properties, high thermal conductivity, high corrosion and erosion resistance, low coefficient of expension. Hot work tool steels are used in this processes as die materials.In aluminium injection molding, die surfaces are modified by means of thin films coating, nitriding, oxide coating etc., to obtain corrosive resistant surface against molten aluminium attacs. Purpose of this application is to prevent molten aluminium-die surface interaction.In this study, AISI H13 ve DIEVAR, which is alternative for H13, hot work tool steels are used as steels to bu modified. With heat treatment, microstructure and mechanical properties of steels are homogeniesed. After heat treatment, steels are modified by means of boriding in two different depths, nitriding, CrN and TiN/CrN thin film coating. As next step after surface modifications, fracture toughness of modified surfaces measured with Palmqvist method. In order to determine corrosion resistance, samples with modified surfaceses are dipped into molten aluminium and kept for 4, 6 and 8 hours. After corrosion test, in the crossection area soldering rates and intermetallics are observed. In this characterizations, optical microscope and SEM are used. Best results are obtained on samples which are CrN and TiN/CrN coated.Erosive resistance and erosive wear characteristics of the samples are determined with erosion test with 30°, 60° and 90° impact angles. Based on the experimental results, it was found that borided samples have brittle wear characteristics, whereas other samples have ductile wear characteristics.