Çeliğin yarı-katı halde şekillendirilmesinde kullanılacak kalıpların fiziksel buhar biriktirme (FBB) yöntemiyle kaplanması

Abstract

Metalleri yarı-katı halde şekillendirme prosesi, klasik dövme ve döküm işlemlerinin ayrı ayrı avantajlarını tek başına sunan yeni bir teknolojidir. Dendritik örgüsü özel yöntemlerle bozulmuş ve katılaştırılmış malzemenin katı ?sıvı aralığa ısıtılması ve metal enjeksiyon işlemine benzer şekilde basınçla şekillendirilmesi esasına dayanan bir yöntemdir. Önşekillendirme işleminden geçen sonra tekrar ısıtılan yapı, katı bir kütle gibi davranırken aynı zamanda sıvı gibi kolayca kalıp boşluklarını doldurmaktadır. Düşük kuvvet ve sıcaklıklarla, üstün mekanik özellikli aynı zamanda son şekle yakın parçaların üretilebiliyor olması bu teknolojiyi önemli kılmaktadır. Teknoloji; aluminyum, magnezyum alaşımları gibi ergime derecesi düşük alaşımlar için başarı ile endüstriyel boyuta taşınmıştır, aynı şekilde çeliğe uygulanması fikri ile çalışmalar bu yöne kaymıştır. 1980 sonlarında bu konuda ilk adımlar atılmış ve çalışma grupları oluşturulmuştur. Çelik ile çalışmanın en büyük zorluğu 1250 °C leri aşan proses sıcaklıklarına dayanacak nitelikli takım malzemelerinin olmayışıdır, prosesin endüstriyel boyuta gelmesi için bu sorunun çözülmesi gerekmektedir. Kullanılacak kalıp malzemesi yüksek sıcaklıklarda; mekanik, termal ve kimyasal yüklere dayanıklı olmalıdır. Klasik sıcak iş takım çeliği proses sıcklığında temper direncini tamamen kaybettiği için yetersiz gelir. FBB kaplamalar endüstride bir çok uygulama alanı bulmuştur ve bu uygulama içinde denemeler yapılmaktadır. Dövme kalıplarında yaygın kullanımı olan X32CrMoV3-3 sıcak iş takım çeliği; katodik ark fiziksel buhar biriktirme tekniği ile AlTiN ve AlTiON kaplanmıştır . Kaplama performansları, şekillendirme şartlarını simule edecek şekilde yapılan testler sonrası kıyaslanmıştır.

Thixoforming or semi-solid metal forming is an innovative forming teechnology that presents interesting possibilities compared to traditional foundry or forging processes with combining the advantages of forging and casting while shaping of metallic components. Technology has advantages like near-net-shape, better mechanical charecteristics, lower forging forces and lower temperatures. Since the first research works in the end of 1980s on the semi-solid forming of steel, this process has presented a great interest and a real industrial potential. Having already matured into an industrial practice for Al and Mg alloys, this innovative forming technology could upgrade the market and provide lightweighting for steel parts. Several research teams, all over the world, have shown the feasibility of such a process. Working on the parameters which have an influence on the process, they pointed out the "technical locks" which must be overcome to allow industrialization of the process. A first and perhaps most important difficulty is linked to tool materials; with process temperatures above 1250°C, the surface-to-interior temperature differentials in steel thixoforming dies are much larger than with Al and Mg. Combined with the erosive wear caused by abrasion and impact of the already solid particles in the slurries and high temperature oxidation of the die surface, these cyclic thermal stresses confer very specific requirements on tool materials. Hot work tool steel dies proved to be entirely inadequate when thixoforming steels, due basically to the limited temper resistance of the commercially available grades. PVD hard coatings, shown to have beneficial impact on the lifetime of pressure die casting tools, could offer a solution. X32CrMoV3-3 hot work tool steel widely used in the manufacture of conventional forging dies was coated with AlTiN and AlTiON utilizing Cathodic Arc PVD (CAPVD) technique. The performance of the coated samples was subsequently tested under thermal fatigue conditions encountered in the thixoforming of steels.