Çeliğin Düşey Ekstrüzyonu

Çeliğin ekstrüzyonunda takım aşınma sorunları bulunmaktadır. Alüminyum ekstrüzyonunda yüksek sıcaklıkta ekstrüde edilen çelikte olan problemler yoktur. Bakır ve bakır alaşımlarında ise aşırı ısıtma yapıldığında çeliğin yüksek ısı limitlerine ulaşılır. Çeliğe uygulanan yüksek ısı sonucu oluşacak zararları (ürün ve matris arasındaki) izolasyon görevi gören yağlayıcılar ve kısa temas zamanı önleyebilir. (Istampa hızı 400 mm/s den hızlı olmalıdır.)

Mekanik Presler

1927-28 yıllarında çelik geleneksel yağlayıcılar (gres) ile ekstrüde ediliyordu. İlk girişimler Kronprinz tarafından Almanya'da Singer patenti altında oluşmuştur. Mekanik boru ekstrüzyon presleri krank-biyel mekanizmalı idi. Bu sistem hızlı bir şekilde ekstrüzyonu meydana getiriyordu. Temas süreside oldukça kısa idi. Bu preste alaşımlı veya alaşımsız çeliğin ekstrüzyonu mümkündü. Fakat ürün boyu sınırlı idi. Çelik boru üretiminde istenilen teknik kriterlerin ucuzluk, pazarlanabilen boyut ve küçük miktar olarak gelişmesi sonucu düşey mekanik presler imal edilmiştir. Bunlar yüksek ekstrüzyon hızına ulaşmış presler idi.

Önerilen Makale: Çelik mil malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için çelik transmisyon mili sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.


Hidrolik Presler

Hidrolik preslerin imali birçok avantajı beraberinde getirmekle ağır metallerin ekstrüzyonu ve çeliğin düşey ekstrüzyonuna yardımcı olmuşlardır. Farklı imalat programları da çeliğin ekstrüzyonunda kullanılan makina ve yardımcı ekipmanların gelişmesine yardımcı olmuştur. Netice olarak sadece bir sorun tartışma konusu olmuştur. Bu da blokun ısıtılmasının dikkatli bir şekilde blok hazırlama fırınında yapılmasıdır. Fakat delme ve ekstrüzyon her zaman aynı ısıtıcı içinde yapılamamaktadır. Bunun sebebi yüksek ekstrüzyon sıcaklığıdır. Bütün bunlar dikkate alınaraktan blok ısıtma fırını, delme ve ekstrüzyon birbirlerine yakın olmalıdır.

Büyük ekstrüzyon preslerinde çapları 100-300 mm, uzunlukları 250- 1000 mm olan bloklar kullanılır. En yaygın kullanılan blok malzemesi ekstrüzyon edilebilirliğin iyi olarak elde edilebildiği ve ekstrüzyon mamulden beklenen özelliklere kolaylıkla ulaşabilmesine imkan veren sıcak haddelenmiş silindirik çubuklardır. Silindirik bloklar aşağıda gösterilen yöntemler ile üretilirler. 

Metal Kalıba Döküm

Blokun döküm yapısını ortadan kaldırmak için yüksek ekstrüzyon oranları ve buna bağlı olarak da büyük ekstrüzyon kuvvetleri gerekli olduğundan metal kalıba döküm ekstrüzyon için uygun değildir. Döküm malzemesinin şekil değiştirme direncinin haddelenmiş veya dövülmüş malzemeye nazaran daha yüksektir. Ekstrüzyon için gerekli olan döküm kabuğunun uzaklaştırılmak zorunda olması blokların kısa ve konik olmaları nedeni ile pahalı olmaktadır. Ayrıca kısa blokların alıcıya yerleştirilecek uzunlukta kesilirken fazla talaş kaldırılmaktadır.

Sürekli Döküm

Bu yöntemle imal edilen bloklarında işlenmesi gerekir. Blokun döküm yapısını ortadan kaldırmak gereği, metal kalıba döküm yönteminde olduğu gibi bu yöntemde de vardır.

Sıcak Haddelenmiş Silindirik Bloklar

Bu bloklar, ön şekillendirilip yeniden kristalize olduğundan istenen bünye ve mukavemet özellikleri ekstrüzyon için gerekli şartları sağlar. Dar toleranslarda haddeleme yapılabildiğinden birçok durumda gerekli olan talaşlı işletmede kaldırılacak talaş miktarı fazla değildir. Alaşımsız veya düşük alaşımlı çeliklerde silindirik blokların dekapaj edilmesi bile yeterli olmaktadır. 

Dövülmüş Silindirik Bloklar

Bir kısım alaşımlı çelikler haddeleme ile silindirik şekle getirilemediklerinden düşülerek imal edilirler. Optimal yapı özelliklerinin sağlanması için dövülmüş blokların kullanılması gerekir. Dövülmüş bloklar ön yüzeylerinde oluşan dalgalanmalar ekstrüzyon için uygun olmadığından tornalama yapılmalıdır. Dövme işleminde tolerans büyük olduğundan kaldırılan talaş miktarı da fazla olabilir. Uzun çubuk şeklinde 8-12 m bloklar daire testere ile uygun boylarda kesilir. Boru veya içi boş profillerin imalatında, eğer delme işlemi ekstrüzyon presinde yapılmayacak ise derin delik delme makinalarında merkezi olarak delinirler. Ekstrazyondan önce blokların ısıtılmasında en önemli nokta oksitlenmenin önlenmesi ve homojen ısıtmadır. Bu nedenle blok ısıtmada kullanılan yöntemler aşağıdaki gibidir. 

1. Redükleyici atmosferde veya koruyucu gaz altında gazı ile,
2. Tuz veya ergimiş cam banyosunda
3. İndüktif ısıtma

Tuz banyosunda yapılan ısıtma oksitlenmeyi önlemekle birlikte kayıpların ve bakım masraflarının yüksekliği, tuz kayıpları ve çevre kirliliği nedeniyle ideal değildir. Gaz ısıtmalı fırınlarda ise ekonomiklik yanında, blokların yavaş ve düzgün ısıtılması sağlanmakta ve çeliğin cinsine göre ısıtma süresi uzatılarak homojenlik sağlanabilmektedir. Oksit oluşumu, hava sızması önlenmiş fırınlar kullanmak sureti ile önlenebilmekte ve bu işlem için en uygunları alevli döner fırınlardır. Ekstrüzyon yöntemi ile imalat programının çeşitliliği farklı çelik türleri ile çalışmayı gerekli kıldığından indüksiyon fırınları avantajlı olmaktadır. Bu fırınlar çok kısa sürede çeliğin türüne göre farklı sıcaklıklara ayarlanabilmektedir. İndüktif ısıtma süresi 5-15 dakika gibi kısa olduğundan oksit oluşmaz. Blokların indüktif ısıtma ünitesi ile ekstrüzyon presi arasındaki mesafede cam yağlamalı ekstrüzyonda oksitlenmeyi önlemek için, bloklar fırından hemen sonra cam tozu üzerinde yuvarlanıp, mümkün olduğu kadar çabuk taşınırlar. Bu hızlı taşıma ısı kaybını önlemesi açsından da önemlidir.
 

Bunların ekstrüzyonunda çelik cinsine göre çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. 

1. Düşey yönde boru ekstrüzyonu 
2. Yatay yönde boru ve içi boş profillerin ekstrüzyonu 
3. Blokların ayrı bir delme presinde delinmesi 
4. Dolu blokların kullanılması ve preste delme 
5. Cam ile yağlama 
6. Grafit-yağ-tuz ile yağlama 
7. Hareketli malafa ile delme 
8. Kalın cidarlı büyük boruların.düşey darbeli preslerle delinmesi. 

Genel olarak alaşımsız çelik borular, özellikle mekanik düşey ekstrüzyon presleri kullanılarak grafit-yağ-tuz ile yağlanarak ekstrüzyon edilirler. Ekstrüzyonu yüksek kuvvet gerektiren alaşımlı çeliklerden borular hidrolik presler ile ekstrüzyon edilebilir. Blokların önceden delinmesi boru ekstrüzyonunda cam yağlama işleminin verimi açısından yararlı olmaktadır. İçi boş profillerin ekstrüzyonunda genel olarak malafa çapından biraz büyük bir çapta delinmiş bloklar kullanılır. 

Çelik Boruların Ekstrüzyon ile İmal Yöntemleri

Boru ekstrüzyonunun esası blokun, borunun dış çapını belirleyen bir matristen basılması ve iç çapında, mandrel tarafından belirlenmesidir. Böylece blok boru şeklini almaktadır. Çeşitli boru ekstrüzyon yöntemleri aşağıdaki gibi sınıflandırılmıştır: 

1. Mandrel konumuna göre 
2. Mandrelin eksenel hareketine göre 
3. Bloku delme şekline göre 

Boru ekstrüzyonunda mandrellerin iki temel fonksiyonu vardır. Birincisi, alıcıya yerleştirilmiş dolu blokun mandrel ile delinmesidir. Burada mandrel delme için gerekli kuvvet ile eksenel olarak bloka bastırır ve tüm blok hacminde bir plastik şekil değiştirme meydana gelerek blok delinir. Mandrel tarafından itilen blok hacmi, eksenel yönde geriye doğru hareket ederek blokun uzamasına neden olur. Delme işleminin sonunda mandrel matriste merkezlenir. Daha sonra delinmiş blok ekstrüzyon edilerek boru haline getirilir. Boru ekstrüzyonunda blokun alıcıda delinmeyip, daha önce delindiği durumlarda vardır. Mandrelin eksenel yönde matrise göre hangi konumda bulunacağı ve bu konumunu ekstrüzyon işlemi boyunca ne ölçüde şekil değiştireceği çok önemlidir. 

Istampa ile Hareket Eden Mandrelle Boru Ekstrüzyonu

Mandrel ıstampa ucuna merkezlenmiş bir deliğe vidalanmıştır. Böylece delmeden sonra işlem esnasında mandrel hızı ıstampa hızına eşit olmaktadır. Mandrel ıstampa ile hareket ettiğinden bütün boru boyunca sabit et kalınlığı elde edebilmek için mandrelin silindirik olması gerekir. Mandrel sürtünme kuvvetini azaltmak için hafif konik olarak imal edilirler. Mandrelin ıstampaya sabit olarak bağlanmış olduğundan ana silindirin stroku çok büyük olmalıdır. Eğer normal ekstrüzyon presi ile çalışılıyor ise blokun ancak yarısı ekstrüzyon edilebilir. Bu nedenle bu yöntem ekonomik değildir. 

Yüzer Mandrel ile Boru Ekstrüzyonu 

Mandrel ıstampaya bağlanmış olup, önceden delinmiş blok ile pres yüklendikten sonra mandrel ön levha ile birlikte yerleştirilir. Mandrel, işlem esnasında ya yeterli uzunluktaki ön levhanın silindirk deliği sayesinde ya da bir koni yardımı ile tutulur. Bu yönteme göre dolu blokun delinmesi mandrelin sabit olmaması nedeniyle mümkün olmadığından ancak normal uzunluktaki bloklar kullanılabilmektedir. 

Hareketi Sınırlandırılmış Mandrel ile Boru Ekstrüzyonu

Burada ıstampa eksenel yönde delinmiş olup mandrel bu silindirik delik içerisinde eksenel yönde belli bir uzunluk boyunca serbest hareket edebilmektedir. Yükleme durumunda mandrel bu uzunluk kadar birlikte hareket eder. Bu yöntemin yüzer mandrele göre avantajı dolu blokların delinebilmesidir. 

Istampa Hareketinden Bağımsız Hareketli Mandrel ile Ekstrüzyon

Diğer yöntemler normal bir ekstrüzyon presi ile gerçekleştirilebiliyor ise de maliyet ve kalite yönünden birçok dezavantajları beraberinde getirmektedirler. Bu nedenle boru ekstrüzyonu için yeni dizaynlar geliştirilmiş olup bunlar sayesinde mandrelin konum ve hareketini ıstampa hareketinden bağımsız olarak ayarlamak mümkün olmaktadır. Bu tip konstrüksiyonlarda hem mandrel hareketinin hem de ıstampa hareketinin hidrolik sistemle sağlandığını söylemek gerekir. Böylece: 

1. Dolu bloklar delinebilir. 
2. Delme kuvveti ekstrüzyon kuvvetinin %10-20 kadardır. 
3. Hareketli kılavuz veya sabit mandrel ile ekstrüzyon yapılabilir. 
4. Sabit mandrel ile ekstrüzyonda hem borular hem de dar toleranslı içi boş profiller yapılabilmektedir.
5. Sabit mandrel ile ekstrüzyonun avantajı ucu uygun bir şekilde kademelendirilmiş yeterli çap ve dayanıma sahip mandrellerde kullanılarak içi boş kesitler ve borular imal edilebilir. Böylece mandrel kırılması önlenir. 
6. Ekstrüzyon mamulleri toleranslar, aşınma ve benzeri durumlara göre değiştirilebilir kademeli uçlara sahip mandreller dizayn edilebilir. Çok dar toleranslı boruların ekstrüzyonunda çapı mandrel çapından daha büyük olan ve ekstrüzyon esnasında matriste kendi kendini merkezleyen mandrel başlıkkları kullanılır. 
7. Mandrel ile ıstampa arasındaki bağıl hareket ayarlanabildiğinden ıstampanın hızından daha hızlı bir mandrel hızı ile ekstrüzyon mümkün olmaktadır. 

Bu yöntemin avantajı mandrel, hareketli mandrel ile ekstrüzyon yöntemindekinden daha az zorlanmakta ve ömrü uzamaktadır.
 

Çelik profillerin ekstriizyonu blokun uygun fırında ısıtılması ile başlar. Isıtılmış blok cam tozu üzerinde yuvarlanarak cam ile kaplandıktan sonra ekstrüzyon presi yükleme tablasına yerleştirilir ve alıcıya sürülür. Bu esnada cam malzemeden yağlayıcı levha matris önüne yerleştirilir. Yağlayıcı cam levhanın kalınlığı ve camın çeşidi yüksek ekstrüzyon hızına göre 25 m'lik uzunluk boyunca yaklaşık 0,02 mm kalınlıkta homojen bir tabaka oluşturacak şekilde seçilir. Blok 10- 20 mm kalınlığında bir ekstrüzyon kalıntısı kalıncaya kadar ekstrüde edildikten sonra işleme son verilir. Çıkan sıcak profil çıkış makaraları üzerinde hareket eder ve yana doğru yuvarlanarak soğuk tablanın üzerine gelir. Profillerin şekline göre akış hızları farklı olduğu için matriste bir miktar burulma ve eğilmeler oluşabilir. Malzeme akışındaki bu homojensizlik yüksek sıcaklıklarda bakır ve alüminyumdan çok daha zor kontrol altında tutulabilir. Bu nedenle uygulamada profiller soğuk durumda çekilerek düzeltilmektedirler. İşlem hidrolik uzatma tezgahlarında uzatılarak yapılır. Bu sırada cam kalıntıları ve soğutma esnasında oluşan oksitler yüzeyden ayrılır. 
 

Yağlama teknolojisindeki gelişmeler ile beraber ekstrüzyonu zor metallerin uygulamalarında pek çok önemli gelişmeler olmuştur. Yağlama sayesinde komplex yapılı mamullerin üretimi hem ekonomik hem de kaliteli olarak yapılabilmektedir. Alaşımlı çelik, paslanmaz çelik ve takım çeliklerinin ekstrüzyonunda grafit ve cam esaslı yağlayıcılar kullanılmaktadır. Ticari yağlayıcı karışımları (örneğin, grafit) katı film yağlama şeklinde yağlama maddeleri içerirler ki bunlar matris çok az veya hiçbir termal zorlamaya karşı koruyamazlar bundan dolayıdır ki çeliklerin ekstrüzyonunda matrisin aşınması çok önemli bir konudur. Yağlayıcıdan beklenen özellikler aşağıdaki gibidir.

a. Yağlayıcı, oluşturacağı film tabakası sayesinde sürtünme, aşınma ve ekstrüzyon yüklemelerinden dolayı oluşabilecek zorlamaları en aza indirerekten geçişlerin rahat oluşmasını sağlamalıdır. 
b. Blok ile takımlar arasında bir izolasyon malzemesi gibi görev yaparaktan takım ömrünü uzatmalıdır. 
c. Düşük termal geçirgenlik ortaya koyaraktan takımlarını aşırı ısınmasını engellemelidir. 
d. Blok ve takımların yüzeyinde bir kaplama tabakası yaparaktan oksidasyonu 
e. Önce oksit tabakasını absorbe edebilmelidir. 
f. Cam esaslı yağlayıcılar ise genellikle çelik ekstrüzyonunda daha iyi performans vermektedir. 
g. Ekstrüzyon edilen metal ve takımlarla herhangi bir kimyasal reaksiyona girmemelidir. 

Fakat bütün bu özellikleri içinde bulunduran yağlayıcı mevcut değildir. 1930 senesinde çelik ekstrüzyonunun gündeme gelmesi ile demir dışı metallerde kullanılan yağlayıcıların kullanılamayacağı ortaya çıkmıştır. Eritilmiş cam ile yağlamanın 1950’de keşfi ile birlikte çelik ekstrüzyonunda büyük gelişmeler olmuştur. Bu yağlama metoduna " Ugine - Sejournet " metodu denmektedir. Bu yöntemde sıcak blokun üzerine erime sıcaklığı düşük cam toz halinde iken yuvarlamak veya püskürtmek sureti ile kaplanır. Böylece blokun etrafında ince bir yağ filmi oluşur. Cam filmi takımları aşırı sıcaklıktan koruduğu gibi blokunda soğumasına yardımcı olur. Aynı zamanda bloku oksidasyondan da korur. Evvelce sıcak alıcıya blok yerleştirilmeden önce yağlayıcılar matris önüne yerleştirilirdi. 

Bu yağlama sistemi sık taneli cam plaka veya cam yünü veya ikisini birden kapsamakta idi. Ön yağlama blok ıstampa yardımı ile itilmeye başlanır ve böylece ekstrüzyon başlamış olurdu. Yağlamada kullanılan cam hem sıcak blok hem de takımlar arasında yumuşak geçişi sağlamak hem de blok sıcaklığının altında bir sıcaklıkta kendini muhafaza etmek zorundadır. Cam yağlama uygulamada toz veya sıvı şekilde kullanılmaktadır. Bu yağlama yöntemi ile blokun etrafında ince bir yağ filmi oluşur. Cam yağlayıcının bileşiminin seçiminde çeliğin ekstrüzyon sıcaklığı dikkate alınır. Değişik akıcılık kabiliyeti olan camlar değişik çeliklerin ekstrüzyonunda kullanılırlar. 

Cam yağlama kimi zaman bir takım sorunlar yaratmaktadır. Örneğin çelik boru imalinde. Bunun sebebi de boru iç yüzeyini yağlanmasının zor olmasıdır. Çeliklerin yağlanmasında kullanılan diğer bir yağlayıcıda grafittir. Çabuk buharlaşma kabiliyetinden dolayı kullanılmaktadır. Bu buhar termal bir izolasyon malzemesi gibi görev yapar ve grafitte yağlamayı yapar. Grafit hamuru, yağ ve sodyum klorür karışımı çelik boru ekstrüzyonunda başarı ile kullanılmaktadır. Bunun yanı sıra grafit bazlı yağlayıcıların basma alanına vereceği istenmeyen yan etkiler ve karbonizasyon zararlarına dikkat edilmelidir. Konik matrislerde hem cam yağlama hem de yağ-grafit-tuz bazlı yağlayıcılar kullanılaraktan ekstrüzyon yapılabilir. Matris açısı 2α=126"dir. Bu ise her cins çelik borunun yağ-grafit-tuz bazlı yağlayıcı ile yağlanması sonuca ekstrüzyona uygundur. Günümüzde cam yağlayıcılar uzun boylu ürünlerin ekstrüzyonunda başarılı sonuçlar vermektedir. 

Uygun ıstampa hızı çelik ekstrüzyonu için ekstrüzyon sıcaklığı ve oranına bağlıdır. Yüksek ekstrüzyon hızlarında ise gres veya cam yağlayıcılar kullanılır. Çünkü gres yağlayıcılar yüksek ekstrüzyon hızlarında az koruma sağlarlar. Blok mümkün olduğunda matris ile kısa müddetli irtibat süresi geçirmelidir. Cam yağlamadaki temel ekstrüzyon hızının yüksek olmasıdır. Ekstrüzyon hızı yavaş olursa cam yağlayıcı yedeği ekstrüzyon stroku tamamlanmadan bitecektir. Çünkü camın erime oranı yüksektir. Temel olarak çeliğin ekstrüzyonunda iki tip matris kullanılır: 

1. Düz yüzeyli matris veya yuvarlatılmış girişli modifiye edilmiş matris. 
2. Konik girişi; matris. 

Düz yüzeyli veya modifiye edilmiş düz yüzeyli matrisler genellikle canı yağlayıcılar ile kullanılırlar. Konik girişli matrisler ise daha çok gres yağlama ile bununla beraber konik şekilli matrisler cam yağlama ile de kullanılabilir.