Cam Üretimi Kalıplarında Kullanılan Malzemeler

Cam kalıp malzemeleri sürekli olarak sıcak camla temas halinde olmakta ve cama şekil vermede kullanılmaktadırlar. Sıcak camla temas eden kalıpların aşınma, oksidasyon ve korozyon gibi problemleri ortaya çıkmaktadır. Bunlar kalıp yüzeyinin deforme olmasına neden olurlar ve kalıp ömrünü düşürürler. Kalıp üretim maliyetleri, cam ürünün fiyatının oluşmasında en yüksek paya sahiptir ve bundan dolayı üretilen kalıpların kullanım ömürleri, hem cam ürünün kalitesine, hem de ürünün ucuzluğuna etki etmektedir. Cam ürünleri üretiminde kullanılan dökme demir ve çelik kalıpların, yüksek sıcaklıktaki cam damlası ile teması sonucunda kalıpların yüzeyleri hasara uğramakta ve bu hasarların sonucunda kalıplar kullanılamaz hale gelmektedir. Metalik kalıp malzemelerinin kalıp özelliklerinin geliştirilmesine yönelik olarak, farklı yüzey kaplama işlemlerinin geliştirilmesi ile ilgili çalışmalar yapılmaktadır.

Cam ürünleri üretiminde kullanılan kalıpların genel olarak, yüzey özellikleri ve parlaklıklarının iyi, termal şok direncinin yüksek, yüksek sıcaklıklarda boyutsal kararlılığa sahip, oksidasyona ve işlenebilirliğinin yüksek olması istenmektedir. Kalıp malzemesinde cam şekillendirme süreçlerinde, ısı birikiminin önlenebilmesi için kalıpta ısı yayınımının yüksek olması gerekmektedir ve bu özellik malzemenin ısıl iletkenliğinin, özgül ısısının ve yoğunluğunun uygun değerlerde bir araya gelmesiyle oluşur.

Beklenilen özellikleri karşılaması ve ucuzlukları göz önüne alındığında cam kalıplarının üretiminde en çok kullanılan malzemeler dökme demirlerdir. Bunun yanı sıra, paslanmaz çelikler, bakır esaslı alüminyum bronzları, nikel esaslı alaşımlar ve seramikler de kullanılmaktadırlar.

Önerilen Makale: Çelik sac malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için çelik dilme levha sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.
 

Farklı alaşım elementleri ve farklı bileşimlerle oldukça geniş bir çelik türünü ifade etmelerine karşılık, sadece ostenitik ve martensitik yapıda AISI 43 (Cr: %12-%14) ve AISI 310 (Cr: %25-Ni: %2 ) paslanmaz çelikler, özel kalıp parçalarında kısıtlı olarak kullanılmaktadırlar. Bu alaşımların yüksek sıcaklık dirençleri oldukça yüksek olmasına rağmen, ısıl iletkenlikleri, 3 ile , 5 cm² /s arasındaki değerlerde olup, oldukça düşüktür. Beklenen özelliğin, yüksek sıcaklıkta yüksek oksidasyon direnci olduğu kalıp parçaları için tercih edilirler ve mastör gibi yüksek sıcaklıklarda dayanıklılık gerektiren parçalarda kullanılırlar. Ancak bunların ısıl iletkenlikleri dökme demirlerden çok düşük olduğundan özel soğutma sistemleri kullanılmaktadır.
 

Özellikle bakırın yüksek iletkenliğinden faydalanmak amacıyla tercih edilen alaşımlardır. Şişe imalatında yüksek devir yakalayabilmek için, müldebak gibi kalıp parçalarında kullanılmaktadırlar*6+. Bunların en yaygın kullanılanı, %14-16Ni, %8-10 Al ve %8-1 Zn içeren ve Corundal GZ, Minox, ABX ve XX gibi ticari isimlerle anılan alüminyum bronzudur. Bu malzemenin üretimindeki en önemli yenilik, ring yapımında kullanılan çubukların sürekli dökümüdür. Yukarıdaki ısıl geçirgenlik-sıcaklık değişimi grafiğinden anlaşıldığı gibi bu malzemenin en belirgin avantajı kalıp malzemelerinin çalıştığı sıcaklıklarda gösterdiği yüksek ısıl geçirgenliğidir. Bu özelliği dolayısıyla üretim koşullarında diğer malzemelere göre camdan daha fazla ısının transfer edilebileceği anlamına gelmektedir ve bundan dolayı tercih edilmektedir. İçeriğindeki nikel miktarının düşürülmesi yönünde yapılan çalışmalarla %1 Ni içeren AB1 ve %4 Ni içeren AB2 alaşımları geliştirilmiş olup, ancak bu alaşımlar cam üretimi şartlarında oyuklanmaya daha hassastırlar.
 

Bor ve/veya krom ilavesi ile nikel alaşımları sertleştirilebilmektedir. Tipik bileşimleri %7,5 Cr, % ,3 C, %5, Fe, %4, Si, %1,2 B ve kalanı Ni şeklindedir ve üretilen alaşımlar sıcak toz püskürtme tekniklerinde kullanılan toz bileşimlerine benzer özelliktedirler. Günümüzde nikel esaslı alaşımlar, tampon, süflaj başlığı, müldefon ve ring gibi birçok kalıp parçasının imalinde kullanılmaktadırlar.
 

Seramik kalıpların üretimi esnasında meydana gelen termomekanik gerilimler malzemede erken hasar oluşumuna neden olmasından dolayı kullanımları sınırlıdır. Brauns ve arkadaşı seramik malzeme geliştirilmesine yönelik olarak ZrO, SiC, Al₂O₃, Si₃N₄, AlN ve MgO, Al₂O₃, SiO₂ karışımı olan kordiyeritten üretilen mastörlerin, üretim şartlarındaki davranışlarını sonlu elemanlar yöntemi kullanarak incelemişlerdir. ZrO, Al₂O₃ ve kordiyerit, ısıl iletimlerinin düşük olmasından dolayı mastörler yüzeylerinde ısı biriktirerek 700°C’ye ulaşan sıcaklar ile çok yüksek sıcaklık gradyanı oluşturmuş ve kalıplar için iyi bir seçim olamayacaklarını gösterirlerken, SiC, Si₃N₄ ve AlN iyi ısıl iletkenlikleri ile IS Makinelerindeki üretimler için uygun olduklarını göstermişlerdir.
 

Gri dökme demirler, özellikle alaşımlı dökme demirler cam üretiminde kullanılan tüm kalıp parçalarında kullanılabilen uzun dayanımları olan malzemeler iken; küresel grafitli dökme demirler, ısıl iletiminin düşük olmasından dolayı sadece ebüşör, tampon ve mandren yapımında kullanılmaktadır. Yüksek sıcaklıklarda ve hızlı soğutmadan kaynaklı ısı farklılıkları malzeme üzerinde ısıl gerilmelere neden olmaktadır. Küresel grafitli dökme demirler, gri dökme demirlere göre daha iyi oksitlenme direnci, ısıl şok direnci ve mekanik özellikler taşımaktadır ve ısıl yorulmadan kaynaklı problemler tolere edilebilmektedir. Cam kalıplarında, beyaz ve temper dökme demirlerin kullanım alanı bulunmamaktadır.

Cam Kalıplarından Beklenen Özellikler

Cam kalıp malzemesinin seçiminde üretilecek cam mamulün kalite seviyesi, şekillendirme makinasının üretim hızı ve kalıp ömrü göz önünde bulundurulmalıdır. Bunlardan mamul kalitesi; kalıp yüzeyinin parlatılabilme özelliği ve çalışma koşullarındaki sıcaklıklar karşısında boyutsal kararlılık ile yakından ilgilidir. Üretim hızı ise malzemenin ısıl iletkenlik özelliği ile alakalıdır. Kalıbın çatlama, aşınma, yüzeyinin bozulması gibi nedenlerle oluşacak hasarlar kalıp ömrünü belirlemektedir. 

Cam kalıbının taşıması gereken özellikler şunlardır;

gibi özellikler kalıp malzemelerinden beklenen özelliklerdir.

Bunun yanı sıra; cam kalıplar sürekli olarak cam üretiminde hızlı ısıtma ve soğutmaya maruz kalmaktadır. Nihayetinde bu olay termal çatlamalara neden olmaktadır, termal çatlamalara karşı direncinin yüksek olması da beklenmektedir.

Cam ambalaj üretiminde kullanılan kalıp malzemeleri olarak ucuzluk ve kalıplardan beklenen diğer özellikleri sağlaması açısından en çok tercih edilen malzeme grubunun dökme demirler olduğu bilinmektedir. Küresel grafitli dökme demirler, iyi oksitlenme direnci, ısıl şok direnci ve mekanik özelliklerinin yanı sıra ucuz ve kolay temin edilebilmesinin yanı sıra iyi ısıl yorulma gibi özelliklere de sahiptir. Küresel grafitli dökme demir önemli derecede iyi çekme mukavemeti, süneklik ve tokluk kombinasyonu ile birlikte iyi aşınma direncine sahipken yine de; sıcak camla temas eden kalıp malzemelerin kullanım ömürleri, yüzeylerinde meydana gelen hasarlar nedeniyle azalmakta ve bu yüzden yüzey özelliklerinin geliştirilmesine yönelik çalışmalar yapılmaktadır. Yüzey kalitesini geliştirmek için kullanılan yöntemlerden bir tanesi de borlama ısıl işlemidir.

Klasik yüzey sertleştirme ve kaplama ısıl işlemleri sementasyon, nitrürasyon, karbonitrürasyon vb. gibi uygulanan ısıl işlemler aşınma, korozyon, sürtünme gibi tribolojik özellikleri tam olarak karşılayamamaktadır. Bu özellikleri sağlamanın yolu ülkemizde çok miktarda bulunan yeraltı kaynağımız bor madenini kullanarak borlama ısıl işlemi ile istenen özellikleri sağlamaktır. Borlamanın diğer yüzey sertleştirme işlemlerine göre en önemli üstünlüğü yüzey tabakasının çok sert olması ve sürtünme katsayısının düşük olmasından dolayı aşınma direncinin yüksek olması ve borlamadan sonra ek bir ısıl işleme gerek duyulmamasıdır.

Kalıp malzemelerinin yapılmasında en önemli hususlardan birisi malzemenin camla teması sırasında daha inert bir karakter sergileyerek korozyona uğramayacak, cama yapışmayacak ve camla adhezif aşınma göstermeyecek bir yapıya sahip olması istenmektedir. Bunun için malzemelerin camla temas eden yüzeylerinin geliştirilmesine yönelik çalışmalar yapılmıştır. Borlama ısıl işlemi ile yüzeyde seramik yapıda ferro-bor tabakası oluşturarak adhezif aşınmanın azaltılması sağlanmaktadır. Böylece malzemenin aşınma direnci arttırılmış olur.

Yüzey pürüzlülüğü, üretilen parçaların yüzey kalitelerinin geliştirilmesi ve belirlenmesinde, önemli bir rol oynamaktadır. Çünkü yüzey pürüzlülüğü, yorulma direnci, aşınma, sürtünme ve yağlama gibi ürünün kalitesini etkileyen fonksiyonel karakteristik özellikleri etkilemektedir. Yüzey pürüzlülüğünün azalması ile yüzey kalitesinin artması sağlanmaktadır. Borlanmış AISI H13 ve 304 çeliklerin yüzey pürüzlülüğünün borlama sıcaklığı ve zamanın artmasıyla birlikte arttığını tespit edilmiştir. AISI 414 ve AISI 420 kalite çeliklerinin borlanması sonrasında yüzey pürüzlülüklerinin belirgin bir şekilde artmadığı, AISI 514 kalite çeliğinin borlama sonrasında yüzey pürüzlülük değerinin işlem görmemiş numuneye göre daha düşük olduğu bulunmuştur.