Soğuk şekillendirmede sürtünme yönetimi

Soğuk dövmede sürtünme, prosesin yan etkisi değil; sınırlarını belirleyen ana değişkenlerden biridir. Bir cıvata kafasının tek istasyonda şişirilmesi sırasında iş parçasının yüzeyi birkaç kat büyür, kalıp-parça arayüzünde basınç malzemenin akma dayanımının üzerine çıkar ve sıcaklık yerel olarak yükselir. Bu koşullarda arayüzü ayakta tutan şey, kalıbın sertliği değil, iki metalin birbirine değmesini engelleyen ince yağlayıcı filmdir. Film koptuğu anda hikâye kalıp aşınmasından değil, adhezyondan (galling) devam eder.

Bu yüzden soğuk şekillendirme yağlaması, bir yağ seçme problemi değil bir sistem tasarımı problemidir: metal yüzeyine kimyasal olarak bağlanan gözenekli bir taşıyıcı katman ve onun üzerine oturan bir kayma yüzeyi. Kimfosan'ın 1982'den bu yana ürettiği KİMSOL çinko fosfat ve Kimkal hadde sabunu ikilisi tam olarak bu iki işlevi ayrıştırır. Aşağıda bu ayrımın neden gerekli olduğunu, sürtünme katsayısının proses çıktılarına nasıl yansıdığını ve deformasyon şiddetine göre yaklaşımın nasıl değiştiğini ele alıyoruz.

Yüzey genişlemesi: soğuk dövmeyi diğer proseslerden ayıran şey

Talaşlı imalatta ya da ılıman bir bükme işleminde temas eden yüzeyler büyük ölçüde sabittir. Soğuk şekillendirmede ise iş parçası kalıp boşluğunu doldururken yüzey alanı hızla büyür. Geri ekstrüzyonla üretilen bir somun ön formunda ya da flanşlı bir cıvata kafasında, başlangıçtaki yüzeyin her bir birimi işlem sonunda birkaç birim yüzeye dönüşür.

Bunun yağlama açısından anlamı şudur: proses sırasında sürekli olarak yağlayıcı ile kaplı olmayan, taze, kimyasal olarak aktif metal yüzeyi açığa çıkar. Bu taze yüzey ile kalıp arasındaki temas basıncı yüzlerce MPa mertebesindedir ve arayüzde biriken deformasyon ısısı yağın viskozitesini düşürür. Sıvı bir yağ, bu koşullarda hidrodinamik film oluşturamaz; kalıp yüzeyinden sıyrılıp kenara itilir. Filmin ayakta kalabilmesi için, genişleyen yüzeyle birlikte genişleyebilen ve rezervinden beslenen bir yapıya ihtiyaç vardır.

• Temas basıncı malzemenin akma dayanımını aşar; klasik sınır yağlama modelleri yetersiz kalır.
• Yüzey genişledikçe yağlayıcısız taze metal açığa çıkar; filmin kendini yenilemesi gerekir.
• Arayüz sıcaklığı yerel olarak yükselir; düşük viskoziteli filmler kolayca kopar.
• Kalıp ile parça aynı ailedendir (çelik-çelik); adhezyon eğilimi yüksektir.

Taşıyıcı ve yağlayıcı: iki katmanın iş bölümü

Fosfat + sabun sistemi bu problemi işlevleri ayırarak çözer. KİMSOL çinko fosfat banyosunda, temizlenmiş çelik yüzeyde asidik çözelti ile metal arasında bir dönüşüm reaksiyonu gerçekleşir ve yüzeyde kristal yapılı, gözenekli, metale kimyasal olarak bağlı bir çinko fosfat katmanı büyür. Bu katman kendi başına iyi bir yağlayıcı değildir; işlevi taşıyıcı olmaktır. Gözenekli yapısı yağlayıcı için bir rezervuar oluşturur, kristal yapısı sabunun tutunacağı yüzeyi verir ve çelik-çelik doğrudan temasını fiziksel olarak ayırır.

İkinci katman ise fosfat üzerine uygulanan Kimkal hadde sabunu olur. Reaktif sabunlarda sodyum sabunu, fosfat katmanındaki çinko ile tepkimeye girerek yüzeyde çinko sabunu (metal sabunu) oluşturur; bu tabaka fosfata kimyasal olarak kenetlenmiş, düşük kayma dayanımlı bir yüzeydir. Nötr sabunlarda ise kimyasal bağ yerine mekanik tutunma esastır ve sabun, fosfatın gözeneklerine fiziksel olarak yerleşir. Her iki durumda da deformasyon sırasında kayma, sabun katmanının içinde gerçekleşir — kalıp ile parça arasında değil.

Fosfat yağlamaz, sabunu tutar. Sabun taşımaz, kaydırır. Sistemin işe yaraması ikisinin de kendi işini yapmasına bağlıdır.

Bu iş bölümü, sistemin en sık yanlış anlaşılan tarafıdır. Sabun filmi tek başına, fosfatsız bir çelik üzerine uygulandığında ilk kademede sıyrılır; fosfat ise sabunsuz bırakıldığında sürtünmeyi kabul edilebilir seviyeye indiremez, hatta abrasif davranabilir. Hat kurgusu bu nedenle her zaman yağ alma → yıkama/aktivasyon → fosfat → sabun → şekillendirme sırasını izler; ara adımların hiçbiri atlanabilir değildir.

Sürtünme katsayısı neyi belirler?

Arayüzdeki sürtünme katsayısı, prosesin üç farklı çıktısına doğrudan yansır ve bunlar genellikle aynı anda bozulur:

1. Şekillendirme kuvveti: Sürtünme arttıkça malzemeyi kalıp boşluğunda akıtmak için gereken kuvvet büyür. Bu, pres kapasitesini tüketir, zımba ve kalıp gövdesindeki gerilmeyi yükseltir; ağır formlarda parçanın tam dolmamasına yol açabilir.
2. Kalıp ömrü: Yükselen temas basıncı ve arayüz sıcaklığı, kalıp yüzeyinde önce mikro adhezyon, ardından malzeme transferi (yığılma) yaratır. Yığılma başladıktan sonra aşınma hızlanır ve kalıp yüzeyi kendi kendini bozar. Kalıp kırılması çoğu zaman bu zincirin son halkasıdır.
3. Parça yüzey kalitesi: Kopan film, parça üzerinde çizik, tırnak izi, mat-parlak lekelenme ve boyutsal sapma olarak görünür. Kaplanacak bağlantı elemanlarında bu izler sonraki yüzey işlemine de taşınır.

Pratikte üretimde sürtünme katsayısı doğrudan ölçülmez; pres kuvveti trendi, kalıp değişim aralığı ve parça yüzeyi dolaylı gösterge olarak kullanılır. Pres kuvvetinde aynı üründe kademeli bir yükseliş, çoğu zaman yağlama sisteminde bozulmanın ilk sinyalidir — kalıp aşındığı için değil, film zayıfladığı için.

Deformasyon şiddetine göre yaklaşım

Kaplama ağırlığı seçimi bir standart değer meselesi değildir; yapılacak işin şiddetine bağlıdır. Hafif bir kafa şişirme ile çok kademeli geri ekstrüzyon aynı film kalınlığını gerektirmez. Fazla kaplama da bir çözüm değildir: kalın ve gevrek bir fosfat katmanı deformasyon sırasında parçalanır, tozur, kalıp boşluğunda ve sabun banyosunda birikir. Aşağıdaki tablo, KİMSOL'ün 3–15 g/m² aralığında bu seçimin nasıl konumlandığını özetler.

Çok kademeli preslerde film sürekliliği

Çok istasyonlu bir soğuk dövme presinde film, ilk istasyonda yenilenemez. Yani tel besleme öncesinde yüzeye ne konduysa, parça beş-altı kademeyi de onunla geçmek zorundadır. İlk istasyonda tüketilen film, son istasyondaki en zorlu formda mevcut değildir. Bu nedenle sistem, en ağır kademeye göre boyutlandırılır — ortalama kademeye göre değil.

• Kaplama, tel çapı boyunca ve demetin iç kısımlarında da homojen olmalıdır; daldırma prosesinde askı/sepet düzeni ve banyo sirkülasyonu bunu belirler.
• Fosfat katmanının kristal yapısı ne kadar ince ve düzgünse, sabun o kadar iyi tutunur ve kademeler arasında o kadar iyi dayanır.
• Yüzeyde kalan yağ kalıntısı ya da yetersiz durulama, fosfatın tutunmadığı adacıklar bırakır; bunlar ağır kademelerde ilk kopma noktalarıdır.
• Şekillendirme öncesi bekleme süresi ve depolama ortamının nemi, sabun filminin durumunu etkiler.

Yetersiz yağlamanın belirtileri ve alternatifler

Sahada film yetersizliği kendini oldukça tanıdık bir örüntüyle gösterir. Kalıpta parlak yığılma ve parça üzerinde eksenel çizikler adhezyonun (galling) ilk işaretidir. Pres kuvvetinde aynı ürün ve aynı malzeme için kademeli yükselme, kalıp ömrünün beklenenin altında kalması, parçada mat-parlak lekeli yüzey ve son aşamada zımba/kalıp kırılması aynı zincirin devamıdır. Bu belirtiler görüldüğünde ilk bakılacak yer kalıp malzemesi değil, yağ alma etkinliği, fosfat kaplama ağırlığı ve sabun banyosunun konsantrasyonudur.

Fosfat + sabun dışında, tek kademede uygulanan polimer esaslı kuru film yağlayıcılar da kullanılmaktadır. Bu sistemler atık su ve proses adımı sayısı açısından avantaj sunar; ancak yüzey genişlemesinin çok yüksek olduğu ağır soğuk dövme işlemlerinde performansları parça geometrisine ve malzemeye güçlü biçimde bağlıdır ve her uygulamada fosfat-sabun sisteminin yerine geçmez. Doğru yaklaşım, alternatifleri ideolojik değil, parça bazında test ederek değerlendirmektir. Ağır deformasyonda fosfat + sabun hâlâ en yaygın referans sistemdir; nedeni de yazının başında anlattığımız taşıyıcı-yağlayıcı iş bölümüdür. Sabun tarafındaki seçim kriterleri için hadde sabunu seçimi yazımıza göz atabilirsiniz.