E Tamer¹ ve O Yildirim^1
1 Borcelik Celik Sanayi Ticaret A.S., Arge Merkezi, Gemlik, 16601, Bursa, Turkey

 

Özet. Bu çalışmada, alaşımsız saf çinko kaplı galvanizli derin çekme çeliğinin kaplama kalınlığına ve şekillendirme sınırına bağlı olarak deformasyon performansı incelenmiştir. Bununla ilgili olarak; sonlu elemanlar analizi ile uyumunu görmek için 100 ve 150 g/m2 Zn kaplı sac numuneler kullanıldı. Zn kaplamasının deformasyon durumunu belirlemek için örnekler farklı uzama seviyelerinde hazırlanmış, daha sonra çinko kaplama kesitinde çatlak başlangıcındaki deformasyon miktarını gözlemlemek için numuneler taramalı elektron mikroskopu ile yüzey görünümleri ve kesit analizleri olarak incelenmiştir. Malzemenin kesit bölgesinde uzama ile çinko kaplamanın değişimi mikroyapısal analizler ile incelenmektedir. Interstitial free geçişsiz (IF) çelik kullanımında derin çekme miktarına bağlı olarak en uygun çinko kaplama seviyesinin belirlenmesi hedeflenmektedir. Ayrıca, deneysel sonuçların doğrulanması amacıyla çinko kaplamanın performansı sonlu eleman analizleri ile incelenecektir. Bu çalışmanın sonuçlarına bağlı olarak, çinko kaplamanın gerçek bir fiziksel sac parça üzerindeki etkisi yeni bir çalışma olarak gerçekleştirilecektir.

1.Giriş

Özellikle derin çekme analizinde sac metal şekillendirme ürünlerinin kalitesi, sürtünme deformasyon koşullarını etkilediğinden, genellikle tribolojik koşullara bağlıdır. Yassı çelik ürünlerin uzaması farklı çinko kaplama seviyeleri ile birlikte sonlu eleman analizi kullanılarak belirlenebilir. Ayrıca korozyon koruması farklı kaplama katmanları uygulanarak geliştirilebilir. Galvanizli çeliğin şekillendirilmesinde çinko kaplama önemli bir hasar olmadan büyük bir gerinime gidebilse de şekillendirme işlemi sırasında çinko kaplama performansında kaplamanın zarar görmesi ve kaplamanın sürtünmedeki etkisi olmak üzere iki ana problem vardır. Kaplanmış yassı çeliğin şekillendirilebilirliği, kaplamasız çelik malzemenin şekillendirilebilirlik davranışı, çelik alt tabaka ile çinko kaplama arasında metaller arası bir tabakanın varlığı, çinko dokusu, çinko tanelerinin tane boyutu ve ayrıca çinko alaşım elementlerinin kalitesi ve miktarı gibi birçok faktörden etkilenir [1]. Galvanizli çelikler için sonlu elemanlar analizi (FEA) ile uzatma testleri dahil olmak üzere literatürdeki farklı çalışmalar incelenmiş ve [2-5] ‘de özetlenmiştir.

Çinko kaplama kalınlığındaki değişikliğin belirli bir deformasyon seviyesinde incelenmesi amacıyla farklı çekme numuneleri hazırlanmıştır. Testler farklı uzama değerlerine kadar yapıldı. Çelik yüzeyinde çinko tabakasının değişimini incelemek için çeliğin enine kesit bölgesinde bir dizi mikroyapısal analiz gerçekleştirilmiştir. Deformasyon durumlarına bağlı olarak en uygun çinko kaplama seviyesinin belirlenmesi amaçlanmaktadır. Mekanik karakterizasyon testleri ve mikroyapısal deneyler sonrasında deneysel sonuçlarla karşılaştırmak için iki kaplama kalınlığında (100 ve 150 gr/m²) çekme testi simülasyonları yapılmıştır.

2. Deneysel Kurulum

Sac metal şekillendirme simülasyonlarının performansındaki yeterlilik büyük ölçüde malzemelerin seçilen temel yapısal(plastisite) modellerine dayanmaktadır. Bu nedenle malzeme modelleme, özellikle sac metal şekillendirme için, bilim dünyasının giderek artan şekilde ilgisini çeken bir çalışma alanıdır.

2.1. Mekanik karakterizasyon testleri

FEA verileri ile karşılaştırılacak olan çinko kaplamanın performansını incelemek için bir dizi çekme testi yapıldı. Mekanik özellikleri ölçmek için 100 ve 150 gr/m2 kaplama kalınlığına sahip DX54D + Z çekme numuneleri hazırlandı. Otomotiv endüstrisindeki geniş uygulama alanı nedeniyle sürekli tavlı ve sıcak daldırma galvanizli IF(Interstitial Free) çelikleri olan DX54D + Z malzeme tercih edildi. Sac malzemenin nominal kalınlığı 0.85 mm idi, bun karşın her iki farklı çinko tabakalı sac için ayrı ayrı ölçülen kalınlıklar 0.83 – 0.87 mm aralığındaydı. Testler Euro-norm test hızıyla haddeleme yönünde gerçekleştirildi. Test sonuçlarının standart sapması ile ortalama değerler tablo 1’de gösterilmiştir. Ortalama gerçek gerilme ile gerçek gerinim eğrileri ve test edilen numuneler şekil 1 ve şekil 2’de gösterilmektedir.

2.2. Mikroyapısal Analiz

Mikroyapısal analizler Zeiss Axio Imager optik mikroskobu ve Zeiss EVO 50 taramalı elektron mikroskobunda (SEM) gerçekleştirildi. En başta sac örneklerin orta bölgesinde 30 mm’lik bir alanı kaplayacak şekilde kesildi. Çinko kaplama dağılımını göstermek için deforme olmayan bir numune SEM’de 200X büyütme ile ölçüldü. Kesilmiş çekme testi numuneleri, optik mikroskop altında ölçülecek şekilde hazırlandı. SEM görüntüleri Şekil 3 ve Şekil 4’te hem 100 gr/m2 hem de 150 gr/m2 kaplama için farklı oransal uzama seviyelerinde gösterilmektedir. Kaplama kalınlığını göstermek için, kesilmiş numuneler optik mikroskop altında incelenmiştir (Şekil 5). Sonuçlar 4. bölümde değerlendirilecektir.

3. Sayısal Model

Bu çalışmada iki farklı kaplama tabakası kalınlığı ile çekme testi simülasyonu yapılmıştır. Analizler AutoForm yazılımı ortamında yapıldı. Sonlu eleman analizleri Borçelik malzeme kartları ile yapılmıştır. Başlangıç sonlu eleman ağ boyutu olarak 0.06mm, 11 katman ve 6 sıklaştırma(refinement) seviyesi kullanılmıştır. Sac malzeme için akma yüzey modeli olarak Vegter 2017 modeli kullanılmıştır. Galvanizli sacın sonlu elemanlar ağı ve deformasyon sonucu Şekil 6’da gösterilmiştir. Sadece çinkonun kaplama kalınlıkları deneysel olarak ölçülen verilerden 100 gr/m2 için 0.0095 mm ve 150 gr/m2 için 0.015 mm olarak alınmıştır.

Saf çinko kaplama [6] ‘da incelenen çekme özellikleri kullanılarak modellenmiştir. Saf çinko numuneleri döküm numunelerden kullanılmış ve çekme testleri oda sıcaklığında yapılmıştır. Test numuneleri erimiş çinkonun 430 ⁰C sıcaklıkta dökülmesiyle üretilmiştir. AutoForm simülasyonunda kullanılan mekanik özellikler Tablo 2’de verilmiştir.

4. Sonuçların Karşılaştırılması

Farklı kaplama kalınlıklarında deformasyon performansı açısından galvanizli sac metalin fiziksel ve sanal deneyleri arasında bir korelasyon bulmak için değerlendirmeler, Şekil 7’de gösterildiği gibi her bir parçada uzunlamasına X kesit profilleri kullanılarak yapılmıştır.

4.1. Mikroyapısal Analizin Sonuçları

Sac malzeme üzerindeki çinko kaplamanın ilk mikro yapısını göstermek için farklı deformasyon seviyelerinde çekme numuneleri örnekleri taramalı elektron mikroskobunda incelenmiştir. Şekil 8’deki ilk resimde görüldüğü gibi yüzey homojen çinko tabakasından oluşmaktadır. Şekle göre deformasyon miktarı arttıkça yüzeydeki çinko kaplama da uzar. Bununla beraber kopma seviyesinde çeliğin hammadde ham yüzeyinde çinko kaplama kaybolmaz.

Ayrıca, numunelerin kesit bölgelerinden optik mikroskop ile kaplama kalınlığı ölçülmüştür. Şekil 9’da çinko kaplamanın kalınlığının azaldığı ancak çelikteki kopmaya kadar yüzeydeki kaplamada yırtılma olmadığı görülebilir.

Malzeme yüzeyindeki kaplamada yırtılma olmamasına rağmen 150 gr/m2 kaplamada çinko tabakasının uzaması, 100 gr/m2 kaplanmış yüzeye göre oldukça fazladır.

4.2. Sonlu Elemanlar Analizinin Sonuçları

Şekil 10’da sonlu elemanlar analizinde çekme numunesi kesit ölçümlerinin sonuçları gösterilmektedir. Kaplamadaki kalınlık değişikliği deneylerdeki ile aynı davranışı göstermektedir.

Sonlu Elemanlar Analizi, ölçüm hatalarının hiçbir etkisi olmadığını varsayarak ve saf çinkonun ideal mekanik özelliklerini kullanarak, doğru malzeme modeli ile farklı kalınlıklarda çinko kaplama için bu çalışmayı mümkün kılmaktadır.

4.3. Sonuçların Karşılaştırılması

Çinko tabakasının dağılımı olarak sadece üst yüzeyde kaplama kalınlığının incelenmesi yapıldı. Kesitin uzunluğu 30 mm’dir ve karşılaştırma Şekil 7’de gösterildiği gibi X yönünde yapılmıştır. Sonuçlar Şekil 11’de gösterilmektedir.

Şekil 11’den maksimum çekilmiş(kopmaya yakın) örneğin deneysel sonuçlarının en fazla %3 sapma ile simülasyon sonuçlarıyla iyi uyuştuğu görülebilir. Öte yandan %24 uzatılmış numunenin deneysel sonuçları simülasyon sonuçlarından farklıdır. Kaplama tabakasının kalınlığının çelikten çok daha küçük olduğu unutulmamalıdır. Ayrıca deneysel ve sayısal analiz sonuçları arasındaki fark ölçüm hatalarından kaynaklanıyor olabilir.

5. Sonuç

Bu çalışmada kaplama kalılığına bağlı olarak alaşımsız saf çinko kaplı galvanizli derin çekme çeliğinin deformasyon performansı incelenmiştir. Bu bağlamda, sayısal analiz ile tutarlılığı araştırmak için 100 ve 150 g/m2 Zn kaplı numuneler kullanılmıştır. Zn kaplamanın deformasyon durumunu tanımlamak amacıyla numuneler farklı uzama seviyelerinde test edilmiş, daha sonra numuneler yüzey görünümleri ve kesitlerde taramalı elektron mikroskobu ile incelenerek kaplamada çatlak başlangıcındaki deformasyon miktarı gözlemlenmiştir. Çeliğin kesitinde uzamalar açısından fark mikroyapısal analizlerle araştırılmıştır. Sayısal analiz sonuçları ile deneysel sonuçların düşük deformasyon durumlarından ziyade daha yüksek deformasyon seviyelerinde iyi uyuştuğu sonucuna varılmıştır. Bu nedenle, özellikle yüksek şekillendirilebilir derin çekme işlemlerinde, sonlu elemanlar analizinin yapılması ile son kullanıcıya hangi kaplama kalınlığının sunulabileceğine karar vermek mümkün olacaktır.

6. Sonraki Çalışma

Deneysel testler haddeleme yönünde yapılmıştır. Kaplama kalınlığının anizotropi üzerindeki etkisini araştırmak amacıyla yazarlar enine ve çapraz yönlerde çekme testleri gerçekleştireceklerdir. Bu sonuçlara göre kaplama kalınlığının çekilebilirliğe etkisi araştırılacaktır.

7. Referanslar

[1] Lazik S Esling C and Wegria J 1995 Textures and Microstructures Vol 123 pp 131-147[2] Parisot R Forest S Gourgues A F Pineau A and Mareuse D 2000 Computational Materials
Science Vol 19 pp 189-204[3] Parisot R Forest S Pineau A Grillon F Demonet X and Mataigne J M 2004 Metallurgical and Materials Transactions A Vol 35A pp 797-811[4] Lietzau J Philippe M J Esling C Wegria J Dubois M 1998 Zinc-based Steel Coating Systems in F E Goodwin (Ed.) T.M.S pp 207-217[5] Maeda C Shimomura J Fujisawa H Konishi M 1996 Scr.Metall. Vol 35 pp 333-338.[6] Freeman J R Sillers F Brandt P F 1926 Pure Zinc at Normal and Elevated Temperatures US Government Printing Office Vol 1 p 672