Enjeksiyon döküm kalıplarına uygulanan farklı kaplamaların kalıp ömrüne etkisi
Effect of different coatings applied to injection casting molds on mold life
Yazar: AHMET TURAN KARAOĞLAN
Danışman: PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
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.

Abstract:
It is known as the most abundant element aluminum, after oxygen and silicon, which is about 8% on the earth's surface. The density of aluminum an atomic weight of 26.89 in the group 3A of the periodic table at 20 oC is 2.7 gr / cm3, melting point is 659.8 oC, boiling point is 2450 oC. Lightness, sufficient strength when alloyed, reusability, light and heat reflectivity, machinability, high corrosion resistance, formability, high heat and electrical conductivity, drawability and forming distinguish aluminum from other metals. This element, which is three times lighter than iron, can be alloyed with other elements and gain strength close to demire.
There are two types of aluminum production, primary type and secondary type. Primary aluminum production is made in electrolysis cells, which have high investment costs. Secondary aluminum production is melted and recovered from the lower cost scrap. Today, it is widely used to obtain aluminum from scrap, which is more economical than the production of ore.
Aluminum and its alloys are the most commonly produced metals among non-ferrous metals. The tendency to use lighter materials has accelerated the production of aluminum and its alloys. Aluminum and its alloys, which are easy to recycle and harmless to the environment, are used in construction, aerospace, automotive, machinery, decoration and many other fields.
Aluminum-silicon alloys, which exhibit high mechanical properties with their alloys, are one of the most used alloys in the aluminum casting industry. Silicium alumina provides high flowability. Al-Si alloys also facilitate the casting of parts with fine microstructure and complicated geometries. While the elements such as Cu and Mg improve the aging properties of Al-Si alloys, the grain strength and modifying properties increase the strength properties.
Aluminum alloys are usually obtained by casting. Sand casting and gravity die casting is the oldest production method of casting. However, with increasing technological developments, aluminum and alloys are produced by pressure die casting and investmnet casting methods. Especially the use of pressure die casting method is increasing rapidly. High pressure die casting and low pressure die casting methods are the most common pressuredie casting methods.
It is possible to produce aluminum and its alloys in a serial production by high pressure die casting method. With this casting method, more parts are obtained at the unit time. High-pressure die casting consists of five steps. The first one is the closing of the mold. It is then filled with molten aluminum at high pressure and speed. The triple stage mold is filled with liquid metal, then the mold is opened and the part is removed. Lastly, the mold is to be reprocessed in the casting cycle by spraying oil and air.

In the high-pressure die casting method, obtaining the solid parts depends on three main effects. The first is the casting machine, the second is the casting parameters and the third is the mold design. In high pressure die casting, two types of casting machines are used, one with a cold chamber and one with a hot chamber. In the hot-chamber casting process, the metal pump is immersed in liquid metal and at the same temperature as the metal. In the cold chamber casting process, the metal pump is independent of the melting pot. In this method, the liquid metal is conveyed to the casting system by scoop or robotic systems. Due to the interest of aluminum and its alloys in iron, it is preferred to produce in cold chamber casting machines. The cold chamber casting machine consists of injection cylinder, piston rod, piston, mine cylinder, fixed vise, moving vise, pusher mechanism box, toggle lever, lever bushes, screw closure equipment and closing cylinder.
In high pressure casting, the desired casting parts are obtained with ideal casting parameters. The first phase, second phase and third phase values must be entered in the casting machine. The nitrogen pressure and the pump pressure must also be adjusted. In addition to this, knowing the parameters such as solidification time, mold opening times, lubricating and air settings are important for obtaining robust parts.
The design of high-pressure die casting molds (injection molding) is another factor that affects the quality of parts. If there is an error in the design of the mold, there will be accidents and stops in production. Mold surfaces must match each other. In the design, the conduits and channels through which the liquid metal can flow smoothly into the mold cavity must be opened. Proper venting ducts or pockets must be made to allow air to escape from the mold. Also if the match is used, the direction of the matches must be well adjusted. In addition, the quality of the mold steel is important in terms of mold life.
Thermal fatigue, erosion, corrosion and abrasion are common mold damage mechanisms as aluminum injection molds are exposed to extreme thermal and mechanical stresses. There is also a problem of soldering in the pressure die casting method. All negative factors increase downtime in production, create dimensional problems and shorten mold usage period. These problems, which occur in production, increase the costs in the pressure die casting process. In addition, after the machine investment in aluminum injection, injection casting molds with the highest financial cost are expected to cast at least 100,000 shots. For this reason, increasing the working life of pressure die casting molds is one of the most studied subjects in recent years.
There are two ways to increase the duration of use of casting molds. The first is to protect the mold with casting and cooling system. The second is to improve the surface properties of the mold steel. Thermomechanical surface treatments, hard coating applications are processes to prevent mold damage in injection molding process. Nitration, nitrocarburization or boron is the most common surface modification mediators. In addition, hard coating steels with PVD or CVD methods on mold steels is a way to extend the life of a mold that has become widespread in recent years. It is aimed to increase the thermal fatigue strength of the mold steel by gas or plasma nitriding process. Hard coatings provide benefits for adhesion and erosion resistance. TiAlN is the most commonly applied coating type because of its high oxidation resistance. AlCrN coating is applied in injection molds because it is harder than TiAlN coating and has better oxidation resistance. DLC (diamond-like

carbon) coatings are generally preferred for improving the wear properties of steels.
In this study, aluminum injection mold pins were reformed first. Then plasma nitration was applied to increase the surface hardness of the pins. TiAlN and AlCrN coatings were applied on the plasma nitriding by PVD method and DLC coating was applied by PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) method to further improve the surface properties of the pins. Finally, double-coated samples were obtained by plasma-nitriding PVD with TiAlN and AlCrN coated pins by DLC coating with PECVD.
Plasma nitrided (uncoated), TiAlN, AlCrN, DLC, TiAlN / DLC and AlCrN / DLC coated pins are used in aluminum injection casting 2000, 4000 and 6000 shots. The soldering strength, erosion resistance and crack formation of the pins used in serial production conditions were investigated after 2000, 4000 and 6000 shots operations. The masses of the pins before and after casting are weighed for soldering and erosion resistance. The crack length was measured with an optical microscope for the crack length. The hardness values of the coatings were compared with Vikers microhardness measurement. Coating images were examined both on optical microscope and on scanning electron microscope. Phase analysis of the coatings was performed by XRD and Raman spectroscopy.
Generally, the number of shots, the amount of soldering, the amount of erosion, the total crack length and the average crack length were found to increase. Soldering and erosion resistance of single coatings are better than double coatings. The AlCrN coating has the best erosion resistance. It was observed that the amount of soldering, the amount of erosion, the total crack length and the average crack length increased. In general, the total length of cracks and the average crack length have increased with the amount of erosion. Generally, the total crack length and the average crack length have increased. The crack formation occurred in the AlCrN coating at the earliest. After 4000 prints cracks were formed in all coatings. It has been understood that the DLC coating has deteriorated after casting tests. At the end of the experiment, the relative damage values of the other samples were calculated with reference to the uncoated (nitrated) sample. According to these values, the TiAlN coating showed the best performance after 2000 shots, while the DLC coating performed best after 4000 and 6000 shots.