Metallere Plastik Şekil Verme Ekstrüzyon (Extrusion)

Ekstrüzyon Tanım: silindirik bir metal blokun (takoz), bir kovan (alıcı) içine yerleştirilerek ıstampa vasıtasıyla uygulanan basma kuvveti etkisiyle, matris deliğinden geçirilmesine ekstrüzyon denir. Genel anoloji dış macunun sıkılmasına benzetilmektedir. Ekstrüzyon ile çubuk, boru, şerit gibi uzun ürünler elde edilir. Alıcıya beslenen malzeme (takoz) döküm veya hadde ürünü olabilir. Çoğu metal ekstrüzyonda yüksek kuvvet gereksiniminden dolayı sıcak ekstrüde edilir

Ekstrüzyon Çoğu metal ekstrüzyonda yüksek kuvvet gereksiniminden dolayı sıcak ekstrüde edilir. İngot dökümden gelen boşluk gibi hataların çatlak oluşturma potansiyeli vardır. Kütük/alıcı arasındaki yüksek basma gerilmeleri malzemenin çatlak oluşumunu düşürmede etkindir. Bu yüksek-sıcaklık malzemeleri, Ni-Tabanlı alaşımlar, paslanmaz çelik gibi şekillendirilmesi zor olan metallerin şekillendirilmesine yardımcı olur. Dövmeye benzer şekilde sıcak ekstrüzyonda daha düşük ıstampa kuvvetleri ve daha ince taneli yapı mümkündür. Daha iyi son yüzey ve daha yüksek mukavemet soğuk ekstrüzyonla sağlanır.

Ekstrüzyon prosesinin sınıflandırılması Direk Ekstrüzyon Endirek Ekstrüzyon Yönüne Göre Uygulama Sıcaklığına Göre Soğuk Ekstrüzyon Sıcak Ekstrüzyon Yatay Ekstrüzyon Dikey Ekstrüzyon Ekipmana Göre

Endirek Ekstrüzyonda; Ekstrüzyon yöntemleri temel olarak 2’ye ayrılır: Direk Ekstrüzyon 2) Endirek Ekstrüzyon Direk Ekstrüzyonda; matris deliğinden geçen ürün ile ıstampanın hareket yönü aynıdır. İşlem sonunda bir miktar takoz malzemesi alıcı içinde kalır. Alıcı içinde kalan takoz miktarı %18-20 dir. Istampayı korumak amacıyla takoz-ıstampa arasına levha konur. Ürün Istampa Endirek Ekstrüzyonda; Istampanın için deliktir ve matris görevi görür. matris deliğinden geçen ürün ile ıstampanın hareket yönü terstir. Alıcı içinde kalan takoz miktarı %5-6 dır. Istampa Ürün Istampa

Endirek Ekstrüzyonda; Uygulanan kuvvet direk ekstrüzyona göre %25-30 daha düşüktür. Direk ekstrüzyonda takoz alıcıya göre hareket ettiği için ikisi arasında bir sürtünme vardır. Endirekt ekstrüzyonda ise takoz/alıcı arayüzeyinde malzeme hareketi yoktur dolayısıyla sürtünme yoktur. Ürün Istampa Istampa Ürün Istampa Alıcı/ıstampa arasındaki sürtünmenin yok edildiği diğer yöntem ise Hidrostatik Ekstrüzyondur. Istampanın basıncı alıcı içine doldurulmuş akışkan ile aktarılır. Dolayısıyla bu akışkan alıcı/ıstampa arasında sürtünmeyi ortadan kaldırır. Akışkan

Ekstrüzyon elektrik koblolarına kurşun giydirme içinde kullanılır. Sıcak ya da soğuk olarak uygulanabilen bir yöntemdir. Sıcak ekstrüzyonda takoz alıcı içine konmadan önce istenen sıcaklığa kadar ısıtılır. Düşük ekstrüzyon hızlarında alıcıların da ısıtılması gerekir. Sürekli bir proses değildir (takozun hacmi ile sınırlıdır) Büyük takozlarla çok uzun ürünler elde edilebilir. Eşeksenli takozlar kullanarak ekstrüzyon ile metal kaplama yapılabilir(bakır üstüne gümüş). Bu işlemin yapılabilmesi için her iki metalin birbirine yakın olması gerekir. Ekstrüzyon elektrik koblolarına kurşun giydirme içinde kullanılır.

Ekstrüzyon Basıncı Ekstrüzyon Oranı ve α açısı ekstrüzyon işleminin geometrik değişkenleridir. Takoz uzunluğu Ekstrüzyon Oranı; ya da Ürün uzunluğu Şekil faktörü maksimum Şekil faktörü; çevre uzunluğunun kesite oranı. Ekstrüzyon işleminin güçlüğünü tanımlamada kullanılır. Ekstrüzyon ürününün şeklini tanımlayan bir parametre de ürün kesitini çevreleyen dairenin çapıdır.

Ekstrüzyon Basıncı Ekstrüzyon basıncını etkileyen faktörler; Takozla alıcı/matris arasındaki sürtünme Ekstrüzyon oranı Ekstrüzyon hızı Ekstrüzyon sıcaklığı Matris geometrisi Takoz uzunluğu Takım sıcaklığı Alaşımın kimyasal kompozisyonu Kalıp köşelerinde bir miktar malzeme hareketsiz kalır, bu hareket kalan bölgeye “ölü bölge” denir. Ölü bölgenin matrisle yaptığı açı 45 ° alınabilir.

Hız ya da sıcaklık düşürülerek çözülebilir. Ekstrüzyon Basıncı Yandaki grafikten de görüleceği gibi ekstrüzyon hızı arttıkça ekstrüzyon basıncı yükselir ve bu etki özellikle yüksek sıcaklıklarda daha belirgin olmaktadır. Hız artıkça birim zamanda yapılan iş artacağından yüksek hızlarda malzeme sıcaklığı yükselir ve ergime başlayabilir. Ayrıca sıcak kırılganlığa bağlı olarak malzemenin yüzeyinde yüzey çatlakları oluşabilir. Hız ya da sıcaklık düşürülerek çözülebilir.

Artan matris giriş açısı ile uniform olmayan şekil değişimi Ekstrüzyon Basıncı Sürtünmenin ya da herhangi bir kaybın olmadığı ideal birim hacim şekil değişimi yalnız ekstrüzyon oranına bağlı olup matris giriş açısından bağımsızdır. Matris giriş açısı azaldıkça takozla matris arasındaki temas yüzeyi büyüdüğü için sürtünme işi de artar. Uniform olmayan şekil değişiminden doğan iç şekil değiştirme işi matris giriş açısı ile birlikte artar. Artan matris giriş açısı ile uniform olmayan şekil değişimi

Soğuk Ekstrüzyon Avantajları; Soğuk ekstrüzyon oda sıcaklığında ya da biraz daha yüksek sıcaklıkta yapılan bir prosestir. Örnekler; kurşun, kalay, aluminyum alaşımları, bakır, titanyum, molibden, vanadyum, çelik ekstrüde edilebilir. Soğuk ekstrüde edilmiş parça örnekleri el ile bükülebilir tüpler, aluminyum kutular, silindirler, dişliler. Avantajları; Oksidasyon oluşmuyor. Eğer yeniden kristallenme sıcaklığının üstünde bir sıcaklık oluşmuyorsa şiddetli soğuk deformasyondan dolayı yüksek mekanik özellikler. Özel lubrikant kullanımıyla daha yüksek yüzey kalitesi

Soğuk Ekstrüzyon Soğuk deformasyon ile mukavemet artışı, sıcak deformasyon ile elde edilen ince taneli yapıdaki mukavet artışından daha büyüktür.

Sıcak Ekstrüzyon Sıcak ekstrüzyon yaklaşık olarak metalin ergime noktasının %50-75 kadarında oldukça yüksek sıcaklıkta yapılmaktadır. Kullanılan basınçlar ise 35-700 Mpa aralığında değişebilmektedir. Ekstrüzyon prosesinde çoğunlukla kullanılan proses sıcak direk ekstrüzyondur. Ekstrüzyonun kesit yüzeyinin şekli matrisin şekli tarafından verilmektedir. Yüksek sıcaklık ve yüksek basınçlardan dolayı takım tezgahının diğer parçaları gibi bu etkilerin matris ömrü üzerine yıkıcı etkileri vardır dolayısıyla iyi bir yağlama işlemi gereklidir. Düşük sıcaklıklarda yağ ve grafit kullanılırken, yüksek sıcaklıklarada cam tozları kullanılmaktadır.

Sıcak Ekstrüzyon Takozun alıcıya tamamen doldurulması için ıstampa tarafından sıkıştırılması basıncı hızla artırıyor. Basınç mak. değeri alınca malzeme akmaya başlıyor. Direk ekstrüzyonda takozun boyu azaldıkça sürtünme kuvvetinin azalmasıyla basınç düşüyor. Endirek ekstrüzyonda malzemenin matriste akmasını sağlayacak değere ulaştıktan sonra sabit kalıyor. Takoz boyu küçüldükçe direk ekstrüzyon basıncı endirek ekstrüzyon basıncına yaklaşıyor. Takozdaki arta kalan kısım matrise sokulmaya çalışıldığı için tekrar basınç artıyor. Endirek ekstrüzyonda içi boş ıstampa kullanıldığı için ekstrüzyonun boyutu ve ekstrüzyon basıncı sınırlıdır. Ekstrüzyon için gerekli kuvvetleri etkileyen temel değişkenledir; Ekstrüzyon tipi(direk/endirek) Ekstrüzyon oranı Proses sıcaklığı Deformasyon Alıcı duvarı ve matrisdeki sürtünme şartları

Sıcak Ekstrüzyon Sıcaklığın sıcak ekstrüzyon üzerine etkileri; Ekstrüzyon sıcaklığını arttırmak akma gerilmesi ve deformasyon direncini düşürür Uygun plastisite özelliği sağlayan mimimum sıcaklık kullanılır. En yüksek proses sıcaklığı sıcak kırılganlık yada ergime noktası altında olmalı Ekstrüzyon takımı ve takozun oksidasyonu Takım ve matrisin yumaşaması Uygun lubrikant sağlamak zordur Metal işlemede iş parçasının sıcaklığının bağlı olduğu etkiler; Malzeme ve takımların başlangıç sıcaklığı Plastik deformasyondan kaynaklanan ısı oluşumu Matris/malzeme (en yüksek) ve alıcı/malzeme arayüzeyindeki sürtünme kaynaklı ısı oluşumu Deformasyon ile oluşan ısının iletimi Not: Ekstrüzyondaki çalışma sıcaklığı dövme ve haddelemedekinden yüksektir çünkü iç çatlak oluşumunu mimimize eden daha yüksek basma gerilmeleri hasar riskini düşürür.

Sıcak Ekstrüzyon Ekstrüzyon oranı, sıcaklık ve basınç arasındaki ilşkiler; Herhangi bir veri ekstrüzyon basıncı için, ekstrüzyon sıcaklığının artışıyla ekstrüzyon oranı (R) artıyor. Herhangi bir veri ekstrüzyon sıcaklığı için, daha büyük ekstrüzyon oranı (R) daha yüksek ekstrüzyon basıncıyla elde edilebilir. Ekstrüzyon Sıcaklığı Ekstrüzyon Oranı (R) Ekstrüzyon Basıncı Ekstrüzyon hızı ve ısının dağılımı arasındaki ilşkiler; Ekstrüzyon Hızı Isının Dağılımı

Ekstrüzyonda deformasyon,yağlama ve hatalar İyi yağlanmış kütük ve düşük alıcı sürtünmesi; yaklaşık homojen deformasyon. Alıcı duvarında yüksek sürtünme; küçük deformasyon sebepli alıcı köşelerinde hareketsiz bölge oluşumu. Merkezde temel olarak sadece boyuna uzama ve kütük duvarları boyunca kapsamlı kayma ve ağsı yapı oluşumu. Alıcı/kütük arayüzeyinde çok yüksek sürtünme; soğuk alıcı duvarından dolayı metal akışı merkeze doğru yoğunlaşıyor ve iç kayma düzlemleri gelişiyor. Aşırı sürtünmede metal kayma bölgesi içerde bölünüyor. Alıcıda ince bir metal yüzeyi oluşuyor. İndirek ekstrüzyonda iyi yağlanmış kütük ve düşük alıcı sürtünmesi

Boru Ekstrüzyonu Direk Boru Ekstrüzyonu; Dikişsiz boruların ekstrüzyon ile üretiminde kullanılan takozlar direk ekstrüzyonda dolu veya delikli takozlardan, endirek ekstrüzyonda ise yalnız delikli takozlardan üretilir. Klavuz takoz deliğini, ıstampa takoza temas etmeden boydan boya geçer. Istampanın itilmesiyle takoz kılavuz ile matris arasından geçerek boru kesitini oluşturur.

Boru Ekstrüzyonu Direk Boru Ekstrüzyonu; Dikişsiz boruların direk ekstrüzyon ile deliksiz takozlardan üretimi. Takozlar döküm ile ortası delik elde edilebilir. Ancak ekstrüzyondan önce ısıtma işleminde delik yüzeyinde oksitlenmeler olabilir. Bu oksitler hem kılavuzun aşınmasına hem de boruda kusurların oluşmasına neden olabiliyor. Direk ekstrüzyonda en uygun yöntem dolu takoz kullanılması ve ekstrüzyon sırasında delinmesidir.

İçi boş takozdan endirek ekstrüzyon ile boru üretimi Boru Ekstrüzyonu Endirek Boru Ekstrüzyonu; İçi boş takozdan endirek ekstrüzyon ile boru üretimi Ekseni etrafında birbirine göre ters dönen makaraların uyguladığı dikey kuvvet malzemenin boyuna uzamasına neden olarak kesitin inceltilmesi sağlanır.

(Al ve alaşımlarının ekstrüzyonu düz yüzeyli matrislerde yapılır. Matris tasarımı ekstrüzyon prosesinin veriminin kalbidir. Yüksek gerilmelere, termal şoklara,oksidasyona dayanım Matrisin giriş kenarları yuvarlatılmalıdır. Yuvarlatma nisbeten zor şekillendirilen metallerin ekstrüzyonunda yüzey çatlaklarının oluşumunu engeller. (Al ve alaşımlarının ekstrüzyonu düz yüzeyli matrislerde yapılır. Yatak uzunluğu büyük çaplı ve ekstrüzyonu kolay malzemeler için uzun alınabilir. Ancak Al ve alaşımlarının matris yüzeyine yapışma eğilimleri nedeniyle kısa alınır. Matrislerin tasarımı: Kesitler simetrik olmalı, keskin köşeler ve ani kesit değişimleri bulunmamalı.

Küçük kesitten büyük kesite Konik ve Kademeli Ekstrüzyon Talaşlı imalat yöntemiyle ya da herhangi bir birleştirme yöntemiyle üretilebilir ancak ekstrüzyon ile daha iyi mekanik özellikler elde edilir. Küçük kesitten büyük kesite geçiş

Düşey çizgilerde distorsiyon Malzeme Akışı Ekstrüzyonda malzeme akışı matris şekline, yağlamaya, ekstrüzyon tipine, ekstrüzyon oranına ve takoz malzemesine bağlıdır. Daha yüksek sürtünme(matris/takoz teması, temas nedenli yüksek soğuma hızı, soğuma nedenli akam noktası yükselmesi) Iç kısım dış kısma kıyasla daha kolay hareket eder. Düşey çizgilerde distorsiyon Köşelerde malzeme hareketsizdir ve giriş açısının 90̊ olmasına yol açar.

Ekstrüzyon Pressleri Yatay Pres Düşey Pres Düşey Preslerde ıstampa ve takım eksenlerinin daha kolay düzenlenmektedir. Yatay Pres Düşey Pres Genellikle yatay presler kullanılır. Ince cidarlı boruların daha hassas şekilde üretimini sağlamak amacıyla ise düşey tipte ekstrüzyon pressleri kullanılmaktadır. Düşey presler için tavan yüksekliği diğerine göre daha yüksek olmalı ve ürünün makinadan alınabilmesini sağlamak amacıyla zeminde bir çukur bulunmalıdır.

Ekstrüzyon Kusurları 1)Heterojen Deformasyon: Takoz/alıcı arasındaki yüksek sürtünme ve takozun dış kısmının hızlı soğuması yüzey kısmındaki malzemenin akışını güçleştirir ve iç kısma kıyasla daha yavaş akar. Direk ekstrüzyonda takozun 2/3’ü ekstrüde edildikten sonra dış kısım merkeze doğru hareket ederek çubuğun orta kısmını oluşturur. Dış yüzeyde oksit tabakası varsa oksitler çubuğun orta kesitinde birikirler. Çözüm1: takozun 1/3 ü kalınca oksitin içeri girmesini engellemek için ekstrüzyonu durdurmak ancak malzeme kaybı nedeniyle ekonomik değildir. Çözüm2: Ön lavhanın çapı takozdan küçük tutularak oksit tabakası sıyrılıp alınır. Çözüm3: Sürtünme ve sıcaklık gradyanları düşürülerek homojen deformasyon sağlamak. Not:Yağlayıcıların tabaka şeklinde malzeme içine girmesi de hataya neden olabilir.

Ekstrüzyon Kusurları 2)Yüzey Çatlakları: Ekstrüzyon sıcaklığı, ekstrüzyon hızı ve sürtünme çok yüksek olduğunda yüzey sıcaklığı önemli oranda artar ve yüzey çatlakları oluşur. Yüksek sıcaklıkta, sıcak kırılganlık nedenli taneler arası çatlaklar oluşur.(genellikle Al,Mg,Zn alaşımlarında)Kusurun giderilmesi için sıcaklık ve hız düşürülmelidir. Düşük sıcaklıkta, takoz matrise yatak uzunluğu boyunca periyodik olarak yapışır. Yapışma nedeniyle ekstrüzyon basıncı hızla artar, hareket sağlanır ve tekrar basınç düşer. Bu tekrarlı yüklenmeler taneler arası çatlaklara neden olur. Etkin yağlamayla önlenebilir.

Ekstrüzyon Kusurları 3)Chevron Çatlakları: h/L oranı büyüdükçe şekil değişimi giderek homojenliğini kaybeder. Ekstrüzyon oranı küçüldükçe ve giriş açısı büyüdükçe h/L oranı büyür. Bu oranın büyümesi matris bölgesinde ikincil çekme gerilmelerinin oluşmasına yol açarak ok şeklinde çatlaklara sebep olur. Bu çatlaklar kalıntı ve boşluk içeren takozlarda daha kolay oluşur. Chevron çatlaklarına eğilim iki plastik bölgenin birleşmemesinden kaynaklanıyor. Plastik bölge matris açısının düşürülmesiyle ve kesit düşürmenin arttırılmasıyla genişletilebiliyor.

Ekstrüzyon Kusurları 4)Mikroyapıdaki değişiklikler: Uniform olmayan şekil değişiminden dolayı farklı sacaklık gradyenleri malzemenin enine ve boyuna kesitlerinde farklı tane boyutu oluşumuna neden olabilir. Sürtünme kuvvetlerinden dolayı oluşan yüksek sıcaklık ya da prosesin yüksek sıcaklıkta yapılması tane büyümesine neden olabilir. Tane büyümesi

Soğuk Ekstrüzyon Soğuk ekstrüzyon direk ve endirek olarak yapılabildiği gibi aynı anda hem direk hem de endirek yapılabilir.

Soğuk Ekstrüzyon Soğuk ekstrüzyonda takımların maruz kaldığı gerilmeler çok yüksek olduğundan takım tasarımı ve malzemesi çok önemlidir. Yağlama prosesi çok önemlidir. Yüksek basınç ve sıcaklıklarda yağlayıcı film bozulmamalıdır. Yağlayıcı olarak çinko stearat (çinko sabun da denir, yağ asiti tuzudur) kaplama yapılır. Yeniden kristallenmeye neden olacak derecede yüksek sıcaklık oluşumu soğuk ekstrüzyonun etkilerini (mekanik özellikler) yok eder.

Darbeli Ekstrüzyon Et kalınlığı çapına kıyasla küçük tüp şeklinde parçalar üretilir. Genellikle soğuk yapılan bir plastik şekillendirme yöntemi olmasına rağmen yüksek şekil değiştirme hızları nedeniyle önemli oranda sıcaklık yükselmesi olmaktadır. Kurşun, kalay, aluminyum, bakır gibi yumuşak metaller şekillendirilir. Darbeli ekstrüzyonla üretimin en tipik örneği diş macunu tüpü üretimidir. Küçük nesneler, yumuşak metaller, yüksek üretim hızı, iyi tolerans

Hidrostatik Ekstrüzyon Direk ekstrüzyona benzeyen, ekstrüzyon basıncının takozu çevreleyen bir akışkan vasıtasıyla uygulandığı ve yine bu akışkan sayesinde takoz/alıcı arayüzeyinde sürtünmenin yok edildiği bir yöntemdir. Dolayısıyla basınç ile ıstampa yerdeğiştirmesi birbirine paraleldir. Bu yöntem ile titanyum alaşımları, çeşitli refrakter malzemeler, yüksek dayanımlı çelikler gibi ekstrüzyon yöntemiyle şekillendirilmesi zor malzemeler işlenebilir çünkü hidrostatik gerilme halinin sünekliği artırmasıdır. Istampa itildiğinde takozun hızı ıstampanın hızına eşit değil ancak hidrostatik ortamın hacminin yerdeğiştirmesiyle orantısaldır. Bu yöntem ile çok yüksek ekstrüzyon oranları elde edilmiştir. Bu üstünlüklerine rağmen takımların karmaşıklığı ve üretim hızının düşük olması endüstriyel olarak sınırlı kullanılmasına neden olmaktadır. Basınç altındaki sıvıdan dolayı sıcak işlem için uygun değil.

Hidrostatik Ekstrüzyon Basınç altındaki sıvıda depo edilen enerjinin büyüklüğünden dolayı matristen çıkışta ekstrüzyonu kontrol etmek problem olabilir. Bu sorun kütüğe ve ekstrüzyona eksenel kuvvetler uygulanarak çözülüyor. Sıvı basıncı ekstrüzyon için gerekli değerden düşük tutuluyor ve eksenel kuvvetler ile dengelenerek ekstrüzyonun hareketi daha iyi kontrol ediliyor.