VF-1D-A-696 Serisi Vakum Sertleştirme Fırınlarında NADCA Testi ve Bgh Diecast One Çeliği Performans İncelemesi

Takım çelikleri, tüm malzeme gruplarının şekillendirilmesinde ve imalatında yer alan temel malzeme grubu olarak nitelendirilmektedir. Takım çeliklerinin ısıl işleminde, iş parçasının mukavemeti, sertliği, tokluğu ve mikroyapısı gibi fiziksel ve metalografik özellikleri hizmete uygunluğunun altında yatan yegane niteliklerdir.

Düzgün tasarlanmış bir kalıp üzerinde istenen fiziksel ve metalografik özelliklerin elde edilmesi ise kontrollü ısıtma ve soğutmanın gerçekleştirilebileceği ısıl işlem fırını ile mümkün olmaktadır. Günümüzde, taneler arası korozyonun önüne geçme maksatlı vakum fırınları takım çeliklerinin ısıl işlemi için sıklıkla tercih edilmektedir.

Bu makale kapsamında en çok kullanılan çelik tiplerinden olan 1.2344 (H13) sıcak iş takım çeliğinin North American Die Casting Association (NADCA) kapsamında yayınlanan NADCA#207-2018standardı kapsamında Sistem Teknik Sanayi Fırınları A.Ş. tarafından imalatı gerçekleştirilmiş olan VF-1D-A-696 tipi vakum sulama fırınındaki performansı incelenmiştir.

Elde edilen sonuçlara göre fırının istenen performans kriterlerini sağladığı ve malzeme üzerinde istenen sertlik değerlerine ulaştığı gözlemlenmiştir. Materyal ve metod NADCA#207-2018 standardı, kalıp çeliklerinin malzeme, ısıl işlem ve özel kalite isterleri kapsamında NADCA’ya üye olan kuruluşlar tarafından alınan ortak kararlar neticesinde oluşturulan kabul kriterlerini içermektedir. Standart içerisinde belirtilen test prosedürünün yüksek basınçlı gaz soğutma kabiliyetine sahip vakum fırını için geçerli olduğu belirtilmektedir.

Bu kapsamda vakum fırınındaki soğutma hızının malzemede istenen metalurjik özellikleri sağlayacak kadar hızlı fakat çarpılma ve çatlama riski olmayacak seviyede kontrolü olması gerektiği vurgulanmaktadır. Özellikle A serisi Premium H13 sıcak iş takım çeliği için vakum östenitleme ve yüksek basınçtaki gaz altında sulama karakterinin kritik olduğu üzerinde durulmaktadır. Bu kapsamda soğutma hızının belirlenen östenitleme sıcaklığından minimum 28°C/dk ile soğuması gerektiği vurgulanmıştır [1]. Standart kapsamında test numunesi olarak ele alınacak kalıp boyutları net olarak fırın faydalı hacmine göre ifade edilmemiştir.

Ancak test sonucunda beklenen kalite isterlerinin bir ayrıtı 400 mm’den büyük parçalar için geçerli olamayabileceği belirtilmiştir. Bu kapsamda NADCA testi kapsamında VF-1D-A-696 tipi vakum fırınının faydalı hacmi içerisinde yer alabilecek ve standart kapsamındaki azami uzunluk baz alınarak500 kg kütlesinde 400 mm x 400 mm x 400 mm boyutlarında H13 kalite sıcak iş takım çeliği kullanılmıştır. Test malzemesinin fırın içerisindeki yerleşimi Şekil 1’de, uygulanan NADCA test reçetesi Tablo 1’de verilmiştir.

 

 

Şekil 3’te soğutma aşamasında soğutucu gaz olan azotun yukarıdan aşağıya veya aşağıdan yukarıya yönlendirilmesini sağlayan yönlendirme kapaklarının yön değiştirme süresine bağlı olarak çekirdek sıcaklıkğının yüzey sıcaklığına göre daha yüksek olması nedeni ile yüzey termokuplları eğrilerinin zigzag şeklinde artan ve azalan karakterde olduğu gözlemlenmiştir.

Söz konusu yön değiştirme süresinin 30 saniyeden daha kısa sürelere çekilmesi ile zigzag karakterinin minimize edildiği bilinmektedir. Soğuma esnasında fırın kontrol termokuplunun gösterdiği değer yaklaşık 8 dakika içerisinde 70°C’nin altına düşmüştür. Yüzey termokuplları ise 1030°C’den 540°C’ye farklı zamanlarda ulaşmıştır.

NADCA test sonucundaki soğutma hızı değerinin hesaplanmasında 540°C’ye en yavaş ulaşan 3 numaralı yüzey termokuplu ele alınmıştır. Bu doğrultuda soğutma hızının 33,5 °C/dk olduğu hesaplanmıştır.

 

 

Şekil 1’de gösterilen blok üst yüzeyinde NADCA standardına uygun şekilde Ø3 mm N tipi 4 adet yüzey ve ön yüzeyinde 1 adet çekirdek olmak üzere toplamda 5 adet test termokuplu konuşlandırılmıştır. Tablo 1’den görüldüğü gibi test reçetesinde ilk ön ısıtma sıcaklığı olarak 630°C, ikinci ön ısıtma sıcaklığı olarak 830°C ve östenitleme sıcaklığı olarak A1885 için NADCA standardında belirtilen değer olan 1030°C belirlenmiştir. Ayrıca, NADCA standardına uygun olarak ısıtma rampası ön ısıtma sıcaklıklarında 220°C/h’in altında, östenitleme sıcaklığına çıkarken çok daha hızlı, yüzey ve çekirdek termokuplunun arasındaki maksimum fark (GSoak değeri) ilk ön ısıtma sıcaklığına kadar 110°C, ikinci ön ısıtma ve östenitleme sıcaklığında 14°C olarak reçeteye yansıtılmıştır.

Standart gereği soğutma aşamasına geçiş iki farklı koşuldan herhangi birinin önce gerçekleşmesiyle olabilmektedir. Bunlardan ilki TEKNİK MAKALE Şekil 2. NADCA Testi SCADA Trend Ekranı yüzey termokupllarının östenitleme sıcaklığında belirtilen GSoak değerinde ulaşmasından 90 dk sonra, ikincisi çekirdek termokuplunun da östenitleme sıcaklığında belirtilen GSoak değerinde ulaşmasından 30 dk beklenmesinden sonrasıdır.

Tablo 1’de verilen 7. step bu maksat ile eklenmiştir. Son olarak soğutma aşamasında fırın 8 bara azot basıncı altında 2700 devir/dk fan devri ile soğutmaya alınmıştır. Bulgular ve tartışma NADCA testi boyunca fırın konrol ve yük termokuplları ile fırın iç basıncının kayıt altına alındığı SCADA ekran görüntüsü Şekil 2’de verilmiştir. Şekilde test termokuplu 1, 2, 3 ve 4 yüzey termokupllarına, 5 nolu termokupl ise çekirdek termokupluna ait değerleri göstermektedir. Şekilden görüldüğü gibi NADCA test bloğunun fırına yüklenmesinden sonra fırın ilk olarak vakum altına alınmış ve vakum mertebesi 0,5 mbar değerinin altına ulaştığında rezistanslara güç verilmiş ve ısıtma prosesi başlatılmıştır. Vakuma alma esnasında reçetede girilen zaman değeri 3 dakika sonucunda fırının 9×10-2 mbara değerine ulaştığı gözlemlenmiştir. Fırın set ve kontrol termokupllarının birbiri ile uyumlu bir şekilde belirtilen rampada ısıtma prosesini gerçekleştirdiği, GSoak değerlerine göre fırın iç sıcaklığının kararlı bir şekilde tutulabildiği saptanmıştır. 830°C sıcaklığındaki bekleme adımı sona erdiğinde fırın kaba vakum altına alınmış ve reçetede girilen değer olan 2 mbara kısmi basınç altında östenitleme sıcaklığına çıkılmıştır.

Östenitlemede NADCA testi gereğince çekirdek termokuplunun östenitleme sıcaklığına belirtilen GSoak değerine ulaştıktan sonra 30 dk beklenmiş ve soğuma aşamasına geçilmiştir. Soğutma aşamasına ait trend ekranı Şekil 3’te verilmiştir.

 

 

NADCA test numunesinin ısıtlması ve soğutulması esnasında şebekeden çekilen elektrik gücünün kıyaslamalı grafikleri Şekil 4’te verilmiştir. Şekilden görüldüğü gibi fırın ısıtma rampasında iken şebekeden çekilen güç ihtiyacının arttığı ancak bekleme adımında fırının içerisi sıcaklığa doymaya başlamasından ve malzeme sıcaklığının da önceden belirlenmiş GSoak değerlerine yaklaşması ile birlikte azaldığı gözlemlenmiştir.

Fırının ısıtılmasında set sıcaklık değerinin Şekilden görüldüğü gibi NADCA test bloğu fırına ilk yüklendiği görsele kıyas ile daha parlak temiz çıkmıştır. Ayrıca blok üzerinde herhangi bir çatartması ile birlikte pik yük anında çekilen akım değerinin de arttığı gözlemlenmiştir. Soğuma esnasında ise soğutma fanının dengeli bir şekilde akım çektiği saptanmıştır.

NADCA testi boyunca ısıtma ve soğutmada sırasıyla toplamda 460 kWh ve 440 kWh enerji tüketildiği hesaplanmıştır. Toplamda ise 900 kWh enerji tüketildiği tespit edilmiştir. Bu değerinin üzerine vakum pompalarının ve diğer elektriksel ekipmanların da çektiği elektrik enerjisi dahil edildiğinde lak ve deformasyona rastlanmamış olup, blok yüzeylerinde dört köşeden ve merkezden alınan sertlik ölçümlerinde 51-53 HRC mertebesinde fırında yerleşik olarak bulunan enerjimetre vasıtası ile 1007 kWh enerji tüketimi olduğu belirlenmiştir.

NADCA test bloğunun 500 kg ve yükleme ızgarasının 67,5 kg olduğu göz önünde bulundurulduğunda NADCA testi esnasında enerji tüketiminin birim kütle başına 1,77 kWh olduğu hesaplanmıştır. Test sonucunda fırının kapağının açılması sonucu test bloğuna ait görsel Şekil 5’te verilmiştir.

 

 

Şekilden görüldüğü gibi NADCA test bloğu fırına ilk yüklendiği görsele kıyas ile daha parlak temiz çıkmıştır. Ayrıca blok üzerinde herhangi bir çatartması ile birlikte pik yük anında çekilen akım değerinin de arttığı gözlemlenmiştir. Soğuma esnasında ise soğutma fanının dengeli bir şekilde akım çektiği saptanmıştır.

NADCA testi boyunca ısıtma ve soğutmada sırasıyla toplamda 460 kWh ve 440 kWh enerji tüketildiği hesaplanmıştır. Toplamda ise 900 kWh enerji tüketildiği tespit edilmiştir. Bu değerinin üzerine vakum pompalarının ve diğer elektriksel ekipmanların da çektiği elektrik enerjisi dahil edildiğinde lak ve deformasyona rastlanmamış olup, blok yüzeylerinde dört köşeden ve merkezden alınan sertlik ölçümlerinde 51-53 HRC mertebesinde fırında yerleşik olarak bulunan enerjimetre vasıtası ile 1007 kWh enerji tüketimi olduğu belirlenmiştir.

NADCA test bloğunun 500 kg ve yükleme ızgarasının 67,5 kg olduğu göz önünde bulundurulduğunda NADCA testi esnasında enerji tüketiminin birim kütle başına 1,77 kWh olduğu hesaplanmıştır. Test sonucunda fırının kapağının açılması sonucu test bloğuna ait görsel Şekil 5’te verilmiştir. homojen bir dağılım olduğu gözlemlenmiştir.