www.koumakina2001.8m.com
KESİCİ TAKIM MALZEMELERİ Kesme hareketi ile talaş kaldırma içeren herhangi bir işlem, kesme için kullanılan takımın kesme olayının sertliğine dayanacağını gerektirir. Üstesinden gelinmesi gereken üç problem vardır. a) Kesme kenarında yer alan aşınma. b) Malzemeyi iş parçasından kaldırmak için gerekli enerji tarafından oluşturulan ısı. c) Kesme olayında darbe. Kesici takımların fonksiyonunu taşıması için sıra ile etkilemesi gerekli ana özellikler şunlardır: a) Aşınma olayı ile başetmek için sertlik. b) Isı içeriğinin üstesinden gelmek için sıcak güç(sıcak sertlik). c) İşleme aşaması boyunca yarıda kesilme veya titreşime direnmek için yeterli tokluk Aşağıdaki malzemeler genellikle kesme için kullanılmaktadır. Yüksek hız çelikleri Stellite Sert metaller Sermetler Siyalon Seramikler Silikon nitrit Kübik bor nitrür (CBN) Elmas (İnsan yapımı veya doğal) Sert metaller haricinde sertlik sırasına göre dizilmiştirler. Sert metaller sertlik olarak geniş yer kaplarlar ve kısmen sermetleri ve siyalonları da kapsarlar. Genelde artan sertlik beraberinde toklukta bir azalma getirir ve listenin yüksek sertlik bölgelerindeki bu malzemeler, delik ve yarık bulunduran iş parçalarıyla ağır kesme için kullanılıyorsa kırılma sonucu başarısızlığa uğrayacaktır. Siyalonlar ve silikon nitritler, seramikler gibi görülmektedir. Genel olarak tanınmış iki grup seramik vardır ve silikon esaslı seramiklere girmektedir, diğer grup ise alüminyum oksit esaslı seramiklerdir.
1
www.koumakina2001.8m.com
KESİCİ TAKIM MALZEMELERİNİN SEÇİMİNDE GENEL KRİTERLER Spesifik talaş kaldırma uygulamalarında uygun kesici takım malzemesini seçmek oldukça büyük avantaj sağlar. Bu avantajlar arasında verimliliğin, kalitenin arttırılması ve üretim masraflarının azaltılması yer alır. Yüksek verimlilik değerleri, kesme hızlarının ve besleme miktarlarının arttırılması ile elde edilebilir. Kesme hızı değerleri ve besleme oranları kesici takım malzemesi ve işlenen parçanın malzemesine göre sınıflandırılmıştır. Dolayısı ile kabul edilebilir bir takım ömrü elde edebilmek için kesme hızı değerlerinin ve besleme oranlarının belirli bir değerin altına çekilmesi gerekir. Diğer taraftan takım değişimleri ve bileme masrafları seri üretimde kullanılan işleme tezgahlarında elde edilen parçaların, parça başına düşen maliyetlerini arttırmaktadır. Bununla birlikte körlenmiş veya kırılmış kesici takımların değişimi de verimliliği düşüren başlıca etkenlerden biridir. Uygulama alanlarının çok geniş olması nedeniyle kesici takım tek başına üretimin gereksinimlerini karşılayamaz. Herhangi bir kesici takım ile her türlü kesme işlemi gerçekleştirilemez çünkü her bir kesici takımın kullanım alanı sınırlıdır. Dolayısı ile spesifik uygulamalarda kesici takım seçimine aşağıdaki faktörler etki etmektedir:
•
İşlenecek olan malzemenin sertliği
•
Gerçekleştirilecek olan işlem türleri (optimum takım seçimi gerekli olan işlem sayısını azaltabilir)
•
İş parçası yüzeyinden kaldırılacak talaş miktarı
•
İşlem sonrasında elde edilecek yüzeyin pürüzlülük değeri
•
Kullanılan kesici takımın ve iş parçasının rijitliği
•
İşleme hızına ve besleme miktarına etki eden faktörler
•
İşleme koşulları, kesme kuvvetleri ve sıcaklık
•
İşleme esnasında üretilen her bir parçaya düşen takım maliyeti, bileme masrafları ve işçilik gibi etkenler yer alır.
En ekonomik takım demek en uzun ömürlü olanı yada en ucuz olanı demek değildir.
2
www.koumakina2001.8m.com
Arzu Edilen Özellikler
Kesme işlemi esnasında kesici takımın özellikleri doğru bir şekilde değerlendirmek, kesici takımın fiziksel özelliklerine de bağlıdır. Kesici takımın bir özelliğini arttırmak demek başka bir özelliğin azalmasına neden olmak demektir (özellikle aşınma direnci yüksek olan malzemelerin tokluk değerleri düşüktür). İş parçasının özellikleri ve kesme işleminin tipi kesici takım seçiminde oldukça etkilidir.
. Şekil 1. Değişik kesici takım malzemelerinin tokluk ve aşınma değerlerinin karşılaştırılması
Kesici takımın üretilmesi esnasında dikkat edilmesi gereken en önemli özellikler arasında kırılma direnci(tokluk), plastik veya termal deformasyon direnci ve aşınma direnci yer alır.Diğer taraftan kesici takım üzerinde oluşabilecek kırılmalar,
çatlak
oluşumu ve krater oluşumu gibi olumsuz etkenlerin de dikkate alınması gerekir. Yukarıda sayılan istenmeyen mekanizmalara karşı kesici takımın direncini belirlemek için belirli testler 3
www.koumakina2001.8m.com
geliştirilmiştir. Bu testler birbirine uyan iş parçası ve takım malzemesi için yapılarak bunun sonucunda elde edilen hasar mekanizmaları değerlendirilir. Malzemenin temel fiziksel özelliklerinin hasar mekanizmalarına ne tür bir etkide bulunduğu böylece ortaya çıkarılır. Kesici takım özelliklerini en fazla etkileyen hasar mekanizmaları aşağıda açıklanmıştır. Tokluk, kesici takım kullanıcıları tarafından kesici takımın kırılmaya karşı olan direnci şeklinde tanımlanmıştır. Kırılmaya neden olan özellikler arasında:
•
Yüksek besleme oranlan
•
İşlenen parçanın yapısındaki iç hatalar
•
Rijit olmayan malzeme yer almaktadır.
Yan Yüz Direnci: Kesme işlemine başlarken ilk önce kesici takımın yan yüzü aşınmaya maruz kalır. Bunun için takımın yan yüzü aşınmaya karşı dirençli olmalıdır. Kesici takımın hem abrazyon hem de kimyasal aşınmaya karşı yeterli derecede dirence ayrıca sahip olmalıdır. Bundan dolayı malzemenin kimyasal olarak inert olması önemlidir. Kesme hızının arttırılması ile kimyasal aşınma direnci çok daha önemli hale gelir. Yüksek kesme hızlarında oksitler ve nitrürler gibi inert malzemeler daha iyi sonuç verir. Deformasyon. Yüksek kesme hızlarının neden olduğu diğer olumsuz etki de yüksek sıcaklık nedeniyle meydana gelen plastik deformasyondur. Bu koşullar altında sertmetal kesici takım malzemelerindeki bağlayıcı faz yumuşar ve deformasyona uğrayarak şişkinliğin oluşmasına neden olur. Böylece meydana gelen bu istenmeyen durum kırılmaya, yüksek yan yüz aşınma oranına ve kaplamanın kabarıp dökülmesine neden olur. Bu etki yüksek talaş kaldırma kuvvetleri altında daha da belirgin hale gelmektedir. Kaba talaş alma işlemi esnasında bu tipte bir hasar mekanizması oluşur. Bu gibi işlemlerde tokluğun.yüksek olması gerekir ki seramiklerin ve diğer bağlayıcısız malzemelerin kullanılması sakıncalı olur.Zira seramiklerin ve bağlayıcısız malzemelerin tokluk değerleri düşüktür. Krater Direnci. Abraziv ve kimyasal aşınmanın ikinci bir sonucu da kesici ucun yüzeyinde krater oluşumuna sebebiyet vermesidir. Bu durumda kesme işlemi esnasında oluşan talaşlar kesici takımın yüzeyine sürtünür ve bazı yarlerde yüzeye yapışır. Talaşların yüzeyden kopması sonucunda yüzeyde tabak şeklinde çukurcuklar oluşur. Bu oluşumun sonucu olarak kesme kuvvetleri artar ve kesici ucun mukavemetinde azalma görülür. Böylece katastrofık hasar mekanizmaları oluşarak kesici uç kırılır. Çatlaklar. Çatlak oluşumu, kesme işlemi esasında oluşan yüksek mekanik yüklemelerden veya tekrarlanan sıcaklık değişimlerinden meydana gelir. Çatlaklar yüksek stres 4
www.koumakina2001.8m.com
birikimlerinin olduğu bölgelerde oluşarak kesme kenarına paralel veya dik doğrultuda uzanırlar. Bu oluşum genellikle frezeleme işleminde görülür, buradaki çatlaklar katastrofık hasar meydana getirir ki bunun sonucunda kesici ucun kırılması söz konusudur. Çentikler. Çentik oluşumu, yüksek sıcaklık dayanımına sahip nikel esaslı süper alaşımlı malzemelerde meydana gelir. Çentikler belirli bölgelerde yer alan kesiklerin derinliklerinde yer alır. Çentiğin büyümesi çatlağın ilerlemesine ve buna mütakip kırılmaya neden olur. Talaşlar. Kesici takım malzemesinin uyguladığı güç, iş parçasına çok küçük alanlardan transfer edilirse, kesme işlemi esnasında kesici takım yüzeyinden küçük partiküller uzaklaşır.Dolayısı ile kesici takımın ucundan partikül kopmasını minimum seviyeye indirmek için kesici kenarın önemi büyük olur. Sonuç olarak amacımız kesici uçta meydana gelebilecek kırılmaları engellemektir.
1.YÜKSEK HIZ ÇELİKLERİ Bu çeliklerin sınıflandırılması aşağıdaki gibidir: Molibden esaslı yüksek hız çelikleri (M) Tungsten esaslı yüksek hız çelikleri (T) 20. yüzyılın başından itibaren bilinen ve sürekli geliştirilen bu takım malzemesi gurubu, diğer takım malzemelerine oranla düşük maliyeti ve işlenebilir olması nedeni ile yaygın olarak kullanılır. Halen en çok kullanılan kesici takım malzemesidir. Hız çeliklerinin kompozisyonu ortalama % 0.9 karbon ve karbür oluşturucu elementlerden tungsten ve/veya molibden (% 2-18 arası), % 4 krom ve % 1-2 vanadyum içerir. Ayrıca % 8’e varan kobalt katkısı kompozisyonda bulunabilir. Tungsten ve/veya molibden, HSS’lerin öncelikli alaşım elementlerindendir. Bu çelikler, ilgili alaşım elementleri miktarına bağlı olarak T-esaslı, Mo-esaslı ve T-Mo-esaslı olmak üzere üç temel alaşım serisi ile sınıflandırılır. M serisi;%10 molibden, krom, vanadyum, tungsten, kobalt içerir.HSS genelde bu tiptir, daha yüksek aşınma direncine sahiptir.T-serisi %12 - %18 tungsten, krom, vanadyum&kobalt içerir. 5
www.koumakina2001.8m.com
Talaşlı işlemde eğilimin yüksek hızlara kayması nedeniyle yüksek hız çeliklerinin önemi giderek azalmaktadır. Kullanım sadece yüksek tokluk açısından gerçekleşir. Kullanım alanı ise; şekil ve görev itibariyle yüksek tokluk beklenen takımlar, darbeli kesme şartları ve kararlılığı düşük eski tezgahlar ile sınırlıdır. Hız çelikleri delme, raybalama, diş açma ve broşlama işlemlerinde genelde yekpare takım olarak kullanılır. Tornalamadaki uygulama sadece düşük hızlarda gerçekleşir. Frezelemede ise darbeli kesme nedeni ile yoğun olarak hız çeliği takımlar kullanılır. Yüksek hız çelikleri (HSS), diğer tip kesici takımlar ile karşılaştırıldığında aşınma dayanımı ve yüksek sıcaklık aşınma dayanımı açısından zayıftır. Ancak buna karşılık, sahip olduğu yüksek tokluk ile darbeli-titreşimli kesme işlemlerinde -özellikle geleneksel tip kesme makinaları için-ideal gözükmektedir. Polikristalin elmas kesici takımların aşınma dayanımı çok yüksek olmasına karşın tokluğu son derece düşüktür. Bu nedenle bu tip kesici takımların zayıf tokluğu darbeli kesme işlemlerinde kullanılırken daima göz önünde tutulmalıdır.HSS’lerde son yıllarda hızla artan modern kaplama teknikleri uygulaması görülür. Kaplama, hız çeliğinden üretilmiş takımların performansını birkaç misli arttırır.
Şekil 2. Indexable Plaket Yüksek Hız Çelikleri Araçları
6
www.koumakina2001.8m.com
Şekil 3. Yüksek Hız Çelikleri Indexable Plaketleri
Yüksek hız çeliklerinin ısıl işleme tabi tutulmasından sonraki sertliği, çoğunlukla Rockwell C birimiyle alınır ve genellikle 62’den 68 Rc aralığında düşer. Delme için üretilen en popüler alaşım M2’dir ve bu, musluk(tıkaç) üretimi için çok tutulur. Diğer kesici malzemelerin, standart musluk için temel olarak başarabilecekleri son derece olanaksızdır. ğer sıcak kuvvet, ısı dirençli alaşımların üretiminde ana gereklilik ise M42 kullanılır. Benzer uygulamalar için Avrupa kıtasında M35 tercih edilir. M35, TiN kaplı toz metalürjisi yüksek hız çelikleri için malzeme olarak seçilir iken M42, konvansiyonel yüksek hız çeliklerinden yapılmış kaplı plaketler için ideal alt tabakadır. ÖZET
Uygulamanın ana alanları: Delme, son işleme, katı işleme kesicileri, kanal açma, dairesel ve güvercin kuyruğu şekil verme araçları, musluklar(tıkaçlar), topaklanma (reamer), delik açma, ara kaynak dönme araçları, küçük ve düşük güçlü torna tezgahları için yeniden döndürülebilir takım parçaları. Yüksek hız çelikleri, düşük kesme hızlarına sınırlandırılmıştır. Yüksek hızlar, yumuşatma noktasının üstüne yükseltmek için kesme kenarı sıcaklığı içerecek.
2. STELLITE Stellite, doğal olarak sert ve kesici özelliklerine erişmek için ısıl işlem gerektirmeyen kobalt esaslı alaşımların ticari ismidir. Aslında iki stellite kompozisyonu metal kesmek için tedarik edilmiştir. Şimdi sadece bir cinsi önerilmektedir ve Stellite alaşımı No. 100 diye bilinmektedir. Krom, tungsten, karbon içeren kobalt alaşımıdır. Eritme ve fırlatma ile üretilmektedir ve en sert yüksek hız çeliği kadar serttir fakat sönük kırmızı ateşte sıcak sertliği, yüksek hız çelikleri için 175 VDH ile karşılaştırılan 535 VDH’dır. Dönme çalışmalarında kullanılmakta, stellite alaşımlarıyla dökülmüş katı takım matkapları ve dönme takımları olarak sağlanıyor. Stellite takımları, işlemesi aşırı zor yüzeyleri sert metallerle kesmek için kullanılır. Kaynak 7
www.koumakina2001.8m.com
üretimi tipik bir örnektir. Kaynaklar sertleşmeye yönelirler ve yüzeylerine dahil olurlar. Düzgün değildirler ve bozuk kesme artışı verirler. Stellite, pozitif tarama geometrisi ile bu şartlarla başa çıkabilecek tokluğa sahiptirler. Kesme hızı sırası, sert metaller için daha düşüktür fakat yüksek hız çelikleri için bir parça fazladır. Özellikler Stellite Alaşımı No. 100: Kompozisyon
34% Cr, 19% W, 2% C, az miktarda Co.
Sertlik
ca. 950VDH.
Sıcak sertlik
535VDH 700 0 C ’de.
Yoğunluk
8,75 g cm-3.
ÖZET Orta hızdan düşük hıza doğru ağır kesme çalışmalarında stellite rol oynar. Önemli kesme malzemelerinden biri değil ve dar uzmanlaşmış alan uygulamalarına sahiptir.
3. SERT METALLER Sert metaller yüksek derecede sert ve bu nedenle aşınmaya dayanıklı toz metalurjik malzemelerdir. Temel mikroyapı, tungstenkarbür (WC) ve (yüksek ıslatma özelliği nedeniyle karbür tanelerini bağlayıcı görevini üstlenen) kobalttan oluşur. Tungstenkarbür ile beraber titankarbür (TiC), tantalkarbür (TaC) ve niobyumkarbür (NbC) de karışık karbür olarak mikroyapıda yer alabileceği gibi, bazı özel sert metallerde kromkarbür, molibdenkarbür ve bağlayıcı metal olarak nikel bulunabilir. DİN 4990'a göre sert-metal sınıflandırılması ile ilgili evre miktarları aşağıda gösterilmiştir. K-tipi sertmetal: % 0-5 TiC + TaC (NbC) gerisi WC-Co M-tipi sertmetal: % 6-10 TiC + TaC (NbC) gerisi WC-Co P-tipi sertmetal: % l MÖ TiC + TaC (NbC) gerisi WC-Co K, M, P tiplerinin yanında belirtilen seri numarası (01-50 arası), sertmetal kompozisyonu için artan kobalt miktarını (ortalama %3-30) gösterir. Bu alaşım ailesi, bugün kullanılan bütün kesme malzemelerinin çekirdeğidir. Kompozisyona dayalı uluslararası bir standart ve sert metaller için mekanik özellikler yoktur. Üretim uygulamaları için bir ISO standardı vardır. Sert metal üreticileri, ISO uygulamalarını tamamlamak için önerdikleri alaşımları türlerinden tayin ederler. Alaşımlar genelde derece ile isimlendirilir. Bu uygulama standardı, ISO R513’tür ve iş parçalarını üç önemli grupla sınıflandırmaktadır. Her gruba teşhis edebilmek için bir harf ve renk verilmiştir. Dökme demir ve demir içermeyen metaller uygulamalarına K harfi verilmiştir ve renkleri kırmızıdır. Çelik grubu P harfine sahiptir ve rengi mavidir. Üçüncü grup ısıya dayanıklı alaşımlar gibi daha zor malzemeler barındırır ve M 8
www.koumakina2001.8m.com
harfine sahip olup rengi sarıdır. Gruplar, gerekli uygulama çeşitlerine tekrar bölünmüştür. Yükü hafif kolay olan, kesme bitirme grubun en üstündedir ve ağır pürüzlü kesim aşağıdadır. Her çeşit uygulamaya bir numara verilmiştir. Kolay kesmeler küçük numaralarla ilişkilendirilmiş ve yüksek numaralar pürüzlü uygulamaları tanımlamaktadır.
SERT METALLERİN İMALİ Sert metaller, toz metalurjisi yöntemi ile ve de ard arda gelen adımlar sonucu üretilmektedir. Her bir adım, sonuçta elde edilecek olan ürünün, arzu edilen özelliklere, mikroyapıya ve performansa sahip olması için dikkatlice kontrol edilerek atılmalıdır. Bu adımlar şunlardır: 1.Tungsten karbür tozunun hazırlanması ve maden cevherinin işlenmesi 2. Diğer karbür tozlarının hazırlanması 3. Derece derece tozların öğütülerek üretilmesi 4. Tozların sıkıştırılarak birleştirilmesi 5. Sinterleme 6. Sinterleme sonrası şekillendirme TUNGSTEN SERT METAL TOZUNUN HAZIRLANMASI KARBON İLE BİRLEŞTİRME (KARBÜRİZASYON) Her ne kadar tungsten sert metal tozunu, doğrudan madenden, amonyum paratungstate’den veya gaz karbürizasyonu ile üretmek mümkün ise de tercih edilen yöntem, tungsten metal tozlarına, kontrollü bir şekilde karbonun ilave edilmesidir. Bu ilave, partikül boyutlarını kontrol eder ve sinterlenmiş sert metalin sonuç özelliklerini belirler. İlk olarak tungsten tozu “siyah karışım” arzu edilen boyutlarda dağıtılır ve yüksek kaliteli (düşük kül ve sülfür içerikli) siyah karbon hazırlanır. Çünkü iki farklı toz önemli yoğunlukta, karbonun dağılımı garanti edilerek büyük bir dikkatle karıştırılmalıdır. Karıştırma, bilyalı değirmenler veya özel karıştırıcılar içinde yapılır. Bilyalı değirmenlerde, uygun karıştırma için 24 saat veya daha fazla zaman gerekebilir. Özel tasarlanmış karıştırıcılar ile ise, 6 saat gibi daha hızlı karıştırma yapmak mümkündür. Karbon ile birleştirme (karbürizasyon) işleminin amacı, ağırlık olarak % 6,13 C oranlı veya % 0,01-0,03 gibi düşük miktarlarda karbon içeren tungsten karbür üretmektir. Siyah karışımdaki, siyah karbonun ilavesi, karbürizasyon şartlarına bağlıdır. Daha ince tozlar, daha fazla oksijen veya 9
www.koumakina2001.8m.com
su buharı içerir. Karbürizasyon fırınındaki gaz akışı ve siyah karışımın miktarı, karbon kompozisyonundan ayrıca etkilenebilir. Karbürizasyon 1400 oC’den 2650 oC’ye varan sıcaklık aralığında hidrojenin varlığında yapılır. Hidrojen atmosferinde, siyah karbon ile gaz hidrokarbonların reaksiyonları (öncelikle metan, CH4), tungsten karbürü oluşturur. W + CH4 → WC + 2H2
(Denklem 1)
Tane büyümesini önlemek için sıklıkla, vanadyum tantalyum veya krom karbürün küçük miktarları ilave edilir. Bu ilaveler oksitler veya metaller şeklinde olabilir ve tungsten veya siyah karbon karışımına uygun miktarlarda ilave edilir. Onlar ayrıca saf sert metaller olarak tungsten karbür tozları ile karıştırılabilir. Tipik bir ilave oranı % 0,5 – 2,0 arasındadır.
ALTERNATİF ÜRETİM YÖNTEMLERİ Her ne kadar karbürizasyon, tungsten karbür üretimi için çok yaygın olarak kullanılan bir işlem ve de yöntem ise de iki ilave işlemde ayrıca ticari olarak uygulanabilir. Birincisi Menstruum Yöntemi olarak adlandırılır. Örneğin nikel veya kobalt gibi yardımcı metallerin ergimesi ile tungsten karbürün oluşumunu içerir. Tungsten veya tungsten madeni ve karbon, yaklaşık 2000 o
C’de ki ergimiş şekilde bulunan ortama ilave edilir. Tungstene yardımcı metalin yaklaşık olarak
oranı 2’ye 1’dir ve eriyiğin soğuması ağır (yavaş) bir şekilde olur. Oldukça kaba karbür taneleri (1 mm’den 0,04 in aralığında) çökelir. İnce taneler, sıvılaştırma ve daha hızlı soğutma ile elde edilebilir. Katılaştırılmış yardımcı metal, oldukça saf ve stoichiometrik karbür özünü çıkarmak için sıcak hidroklorik asit içinde çözünür. İkinci alternatif yöntem de, bir ekzotermik reaksiyon içinde, ayrıca yardımcı metaller kullanılır. Bu yöntem, tungsten maden konsantrasyonu ve alüminyum madeni ile demir oksitin indirgenmesini içerir. Kalsiyum karbür ve karbonun ilavesi ile karbürizasyon eş zamanlıdır. Yaklaşık 2500 oC’de ekzotermik olarak gerçekleşen reaksiyon aşağıdaki gibidir. 2Al + 3FeO ↔ Al2O3 + 3Fe
(Denklem 2)
Reaksiyon geniş ölçekte (65 – metrik ton veya 72 – ton) meydana getirilir. Al torbalara yükleme yapılır ve reaksiyon sürdürülür. Bir yüklemede elde edilen makrokristal tungsten karbür 10
www.koumakina2001.8m.com
20 metrik ton (22 ton)’dur. Soğumuş kütle eziliyor ve yıkanıyor. Alüminyum matrisli demir manganez asit ile damıtılıp temizleniyor. KARIŞIK KARBÜR KRİSTALLERİN HAZIRLANMASI Tungsten-titanyum-tantalyum (niyobyum) karbürler, tantalyum, titanyum ve niyobyumun metal oksitlerinden üretilirler ve krater veya kimyasal aşınmaya karşı oldukça dirençli olup çelik kesimi için kullanılır. Bu oksitler metalik tungsten tozları ile karıştırılır ve tungsten karbür tozunun hazırlanmasına benzerdir. Bu karışım, hidrojen atmosferi veya vakum altında oksitlerden indirgenir ve katı çözelti karbürleri örneğin WC-TiC, WC-TiC-TaC veya WC-TiC-(Ta,Nb)C şeklindedir. Menstruum işlemi, karışık karbürlerin üretimi için ayrıca etkilidir. Karışık karbür kristalleri çok homojen olarak üretilir. TOZUN DERECE DERECE ÜRETİMİ Sert metal tozlar WC karışımından meydana gelebilir. Sonuç olarak metalik bağlayıcılar (kobalt, nikel veya demir) veya diğer kübik karbürlerin ilaveleri (bunlar TiC, TaC veya NbC olabilir) ile takımın uygulama ve gerekli özellikleri üzerine etki eder. Karbür kristallerini başlangıçta parçalamak için şiddetli (güçlü) öğütücülere ihtiyaç vardır. Değişik elemanların karıştırılması sonucu her karbür partikülü bağlayıcı malzeme ile kaplanır. Tozun ısısını minimize etmek ve onun oksidasyonunu önlemek için heptan ve aseton gibi organik sıvılar içinde öğütücünün performansı iyidir. Öğütme işleminin son safhasında veya karıştırma işlemi sonrası, parafin gibi katı yağlayıcılar toz karışımına ilave edilir. Yağlama işlemi, tozun oksidasyonunu büyük çapta indirger ve karbür partiküllerini kaplayarak önemli bir koruma sağlar. Toz karışımının birleşmesi veya büyük bir kuvvetle preslenmesi sonucu yağ ayrıca açığa çıkarılır. Öğütmeden sonra organik yağlayıcı kuruyarak uzaklaşır. Sert metal endüstrisinde sprey kurutma işlemi yaygın olarak kullanılır. Sıcak inert (hareketsiz) bir gaz (buna örnek nitrojen verilebilir) karbür partiküllerinin üzerine gönderilerek çarptırılır. TOZUN BİRLEŞTİRİLMESİ Arzu edilen şekilde, sert metal tozlarının sıkıştırılmasında oldukça çeşitli teknikler kullanılabilir. Sert metal takımlar öğütme işleminden sonra konstrüksiyon uygulamaları için, yarı otomatik veya tam otomatik preslerde 50 MPa’dan 150 MPa’a kadarki bir basınç aralığında plaket 11
www.koumakina2001.8m.com
veya hap şeklinde preslenir. Metal kesme için plaket şeklinde presleniyor fakat sinterlemeden sonra ek işlemler gerekebilir. Çubuklar ve teller ekstrüzyon işlemi ile şekillendirilir. Sert metaller her ne kadar enjeksiyon kalıp yöntemi ile üretilebilirse de, bu metod daha önce ifade edilen birleştirme işlemlerinden daha az kullanılır Diğer çoğu metal tozlarından farklı olarak, sert metal tozları sıkıştırma işlemi sırasında şeklini bozmaz. Genellikle onlar, teorik olarak yoğunluklarının % 65’inden daha fazla sıkıştırılamaz. Bu yoğunluk değerlerine rağmen sert metal üretiminde ve sinterlenmiş üründe iyi boyutsal toleranslar elde etmek ve başarılı olmak için teknolojiler geliştirilmiştir. SİNTERLEME Sert metallerin sinterlenmesi için iki temel ve basit yöntem kullanılır. Parça bileşenlerinin
dinamik olarak kontrol edildiği ve atmosfer basıncında, hidrojen kullanılarak gerçekleştirilen hidrojen sinterleme ve yavaş işleyen kinetik reaksiyonlar vasıtasıyla vakum sinterlemedir. Vakum yönteminin ticari kullanım alanı yaygındır. Sert metalin sinterlenmesi, mikroyapının geliştirilmesi, ve yağlayıcının uzaklaştırılmasından ibarettir. YAĞIN UZAKLAŞTIRILMASI Sert metaller için, düşük seviyelerde (ağırlık olarak %1-2 oranında) presleme yağları kullanılır. Isıtma oranı yağın uzaklaştırılması için kullanılır. Preslenen parçaların şekli hidrojen atmosferine bağlıdır. 500 oC sıcaklıkta ve sıcaklık oranı 15 ile 20 oC/dak. da, % 1-2 oranında parafin içerirse, presleme için kullanılabilir. Vakumda, 100 ile 250 oC’de kolayca buharlaşan, örneğin parafin gibi yaygın kullanılan yağlayıcılar kullanılır. Sonuç olarak, ısıtma oranı bu sıcaklıkta kontrol altında tutulmalıdır. Yaklaşık 10 ile 90 oC’de yoğunlaşan yağlayıcı buharlarının taşınmasında vakum hattında bir yoğuşturucu kullanılır. Fırının iç duvarları bazen parafinin yoğuşması için kullanılır. Daha sonra ise ana kondensere girmek için fırının dibine süzülür. KARBON KONTROLÜ Sert metalin karbon içeriği çok dar sınırlarda kontrol altında tutulmalıdır. Tipik olarak bu oran sert metalin gevrek kırılma oluşumunu önlemek için ağırlığın % 0,04’dür. Buna örnek olarak, tungsten karbür alaşım sistemlerinde η fazını verebiliriz. Karbon içeriği, gerçekte sinterleme reaksiyonları ile değişebildiği için toz içindeki oksijen 12
www.koumakina2001.8m.com
ve karbon değişim reaksiyonları fırın atmosferinde reaksiyondadır. Yüksek kaliteli sinterlenmiş parçaların üretimi için fırın atmosferinin kontrolü, tozun karbon potansiyeli ve oksijen içeriğinin kontrolü gereklidir. Hidrojenin ön sinterlenmesi sırasında,
hidrojen ve sert metal arasındaki reaksiyonlar
o
oldukça cansızdır. Sıcaklık dereceleri 400 C ile 600 oC arasındaki düşük değerlerdedir. Fakat 600 o
C’nin üzerinde ki sıcaklıklar, eğer atmosfer uygun olarak ayarlanmazsa karbon içeriğinde önemli
değişikliklere neden olur.
TUNGSTEN KARBÜR-KOBALT ALAŞIMLARI (WC-Co)
İlk ticari ve kullanışlı sert metaller tungsten karbür partiküllerinin kobalt ile bağlanması sonucu elde edilmiştir. Bu alaşımlar basit abraziv aşınmaya karşı mükemmel bir direnç gösterirler ve böylece bir çok metal kesme uygulamasında kullanılırlar. Ticari olarak oldukça önemli olan bu alaşımların içerdikleri kobalt oranları ağırlık olarak %3-25 aralığında değişmektedir. Alaşımların karbürlerinin boyutları ise 0,5’den 5µm’ye kadar olan aralıkta yaygın olarak kullanılır. WC-Co alaşımlarının ideal mikroyapıları, köşeli veya açısal WC taneleri ve Co bağlayıcı fazı olmak üzere yalnızca iki fazda gösterilir. Karbon miktarı dar aralıklar içinde kontrol altında 13
www.koumakina2001.8m.com
tutulmalıdır. Karbondaki eksiklik ayrıca çift karbür dizisinin oluşumu ile sonuçlanır (örneğin Co3W3C veya Co6W6C) ve η fazı olarak bilinir. Bu faz kırılgan bir yapının oluşumuna neden olur. η fazının oluşumu orijinal karbürlerin kobalt bağlayıcı içinde erimesi ile oluşur. MİKRONALTI (SUBMICRON) WC-Co ALAŞIMLARI
Son yıllarda WC-Co alaşımları, mikron altı tane boyutu ile geliştirilmiştir. Burada amaç, uygulamalar için gerekli olan daha fazla dayanım ve tokluğu sağlamaktır. Bu alaşımlardaki tane inceliği tantalyum karbür, niobyum karbür, vanadyum karbür veya krom karbürün ağırlık olarak 0,25 – 3,0 aralığındaki küçük ilaveleri ile elde edilir. Toz karıştırıcı içine tungstenin karbürizasyonundan önce veya sonra ilaveler yapılabilir. Vanadyum karbür tane büyümesini engellemede oldukça etkilidir. Krom karbür ilavesi de tane büyümesine karşı oldukça etkilidir ve bunun yanında mükemmel mekanik özellikler kazandırır. Tantalyum karbür ise tane incelmesinde vanadyum karbür ve krom karbür kadar etkili değildir. ALAŞIMLARIN İÇERDİĞİ TUNGSTEN KARBÜR, TİTANYUM KARBÜR VE KOBALT
WC-Co alaşımları 1920’lerden önce geliştirildi ve bunlar demir dışı alaşımların ve de dökme demirin işlenmesinde oldukça başarılı olmuştur. Ayrıca, yüksek hız takım çelikleri ile mümkün olandan daha yüksek hızlarda çalışma imkanı vermiştir. Fakat çelik işlendiği zaman difüzyon aşınmasına maruz kalırlar. Bu durum WC-TiC-Co alaşımlarının geliştirilmesini doğurmuştur. Tungsten karbür çelik yüzeyindeki çentikten içeri kolayca difüze olur. Fakat tungsten karbür ve titanyum karbürün katı çözeltisi kimyasal etkiye karşı dirençlidir. Maalesef titanyum karbür ve WC-TiC katı çözeltleri daha kırılgandır ve tungsten karbürden daha az abrazyon direncine sahiptir. WC-Co alaşımlarının titanyum karbür ilavesinin miktarı ağarlık olarak %15’inden fazla değildir. Karbon miktarı ise WC-TiC-Co alaşımlarında, WC-Co alaşımlarından daha az kritiktir ve mikroyapıda η fazı ortaya çıkmaz. İlave olarak, bu alaşımlarda nadiren serbest grafit meydana gelir. SERT METAL ALAŞIMLARININ ÇELİK KESİM DERECELERİ
WC-TiC-Co alaşımları, tungsten karbür, kobalt, titanyum karbür, tantalyum karbür ve niyobyum karbür içermektedir ve karmaşık dereceler, çoklu dereceler veya çelik kesim dereceleri olarak adlandırılır. WC-TiC-Co alaşımlarına tantalyum karbür ilavesi, WC-Co alaşımlarının 14
www.koumakina2001.8m.com
dayanımı üzerine titanyum karbürün zararlı etkilerini kısmi olarak ortadan kaldırır. Tantalyum karbür, termal şok direncine ve ayrıca krater oluşumuna karşı direnç kazandırır. Tantalyum karbür sık sık (Ta, Nb) C olarak ilave edilir. Çünkü tantalyum karbür ve niyobyum karbür arasındaki kimyasal benzerlik, onların ayrılmasını oldukça masraflı hale sokar. Neyse ki niyobyum karbür, birçok durumda tantalyum karbürle benzer etkilere sahiptir. WC-TiC-(Ta,Nb)C-Co alaşımlarının mikro yapıları WC-Co alaşımlarına benzemez ve üç faz görülür. Bunlar; köşeli veya açılı tungsten karbür taneleri, yuvarlak WC-TiC-(Ta,Nb)C katı çözelti taneleri ve kobalt bağlayıcıdır. Sinterleme işlemi sırasında kusurlu difüzyona sebep olan katı çözelti karbür fazı bir çekirdek yapıda sık sık görülebilir.
KESME HIZLARI VE İLERLERME DERECELERİ Sinterlenmiş karbürlü kesici takımlarda birçok değişken hız, ilerleme ve talaş derinliğine etki eder. Bunlardan en önemli faktörler; iş parçası sertliği ve cinsi, kesici takım şekli ve derecesi, kesici takımın rijitliği, iş parçası ve tezgah rijitliği ve tezgah gücü olarak özetlenebilir. Karbür kesici için tavsiye edilen kesme hızları ve ilerleme miktarları aşağıda gösterilmektedir. Bunlar rehber olarak kullanılmalı, işleme operasyonlarına uyumluluk sağlamak için ufak değişiklikler yapılabilmektedir.
15
www.kou makina20 01.8m.co m
Karbürler için uygun kesme hızı ve ilerleme değerleri.
Yüksek oranda TiC içeren karbürlü takımlara sert lehim yapmak zor olduğu için kullan-at tipli (insert) uçlarla, difizyon aşınmasına karşı mukavemetinden dolayı TiC-bazlı takımlara önem verilmektedir. En kullanışlı bağlama metali nikel olup gözeneksiz ince dokuludur. Sinterlemeyi kolaylaştırmak için genelde %10 molibden karbür katılmaktadır. TİC-bazlı karbürler, klasik sinterlenmiş karbürle aynı sertliğe sahip fakat hem laboratuar hem de endüstriyel tecrübeler çeliklerin yüksek kesme hızlarında TiC ile işlenmesinde aşınma miktarlarının daha düşük olduğunu göstermiştir. Ancak artan talaş miktarına göre avantaj, klasik çelik derecelilerden TiCbazlı takımlara geçişteki kadar başarı sağlanmamıştır. Aşınmadaki avantajına rağmen piyasada kullanım itibariyle hale az oranda tercih edilmektedir. Bu muhtemelen yapılan türlerde gerekli tokluğa sahip olunmamasından kaynaklanmaktadır. Bu yönüyle WC-bazlı takımların yerini alacak bir alaşım için daha çok çalışmayı gerektirmektedir. 16
www.koumakina2001.8m.com
4. SERMETLER Sermetler. metalik bir fazla bağlanmış seramikler olup esasen semente karbürlerin bir alt sınıfıdır. Çelik kesimi için, Ni ve Mo ile bağlanmış TiC tercih edilmektedir. Tipik bileşimi; %8-25 Ni, %15-8 Mo2C, ve %60-80 TiC şeklindedir. Ayrıca küçük miktarlarda WC, Co ve TiN içerebilir. Ti(C,N) SERMETLERİN TARİHİ GELİŞİMİ: Ti(C,N) (Titanyum karbonitrür) sermetler 1950' lerde TiC kesici takımların gelişiminden sonra ortaya çıkarılmıştır. İlk olarak, sermet kesici takım malzemeleri %70 TiC, %12 Ni ve %18 Mo2C içermekteydi. Bu sinterlenmiş kompozisyonlar 6,08 g/cm3 yoğunluğa, 92 HRA rockwell sertliği ve 860 Mpa (125 ksi) eğme mukavemetine sahiptir. Çünkü onlar yüksek sertlik, dayanıklı mukavemet ve düşük termal iletkenlik özelliklerini bir araya getirmiş ve özellikle yüksek hız ve hafif kesme makine uygulamaları için, uygun olmasını göz önünde bulundurmuşlardır. Büyük endüstriyel ülkelerdeki daha sonraki gelişmeler, TiC bazlı yeni kompleks sermet kesici takım kompozisyonlarına ve Ni-Mo sermet takım malzemelerine yol göstermiştir. TiC sermetler ile Ni-Mo bağlayıcıları yüksek hız takım malzemeleri olarak kullanılmıştır, fakat bunlar tokluk ve termal şok direnci gibi konularda yetersiz gelmiştir. Bu da, bağlayıcı faz takviyesi ve karbür fazının ıslahı ile kesme performansının arttırılması gibi iki koldan inceleme çalışmalarını harekete geçirmiştir. Şekillendiriciler için, bağlayıcı metal alaşım elementi olarak alüminyumun bunu en çok sağlayan element olduğu görülmüştür. 0,075 mm (0,003 inç) maksimum burun deformasyonu gibi takım aşınması kriteri için, matrikse %7 Al ilavesi ile optimum kesme hızları elde edilebilmiştir. Alaşımın maksimum mukavemet, %7 (Al+Ti) içeriği ile meydana gelmiştir. Yapılan deneysel yaklaşım ile ulaşılan matriksin optimum takviye etkisinden sonra, karbür fazının takviye edilmesi yollarının araştırılmasında benzer yaklaşımlar kullanılmıştır. Takım burun deformasyon direnci, TiC sert evresi içeren katı çözeltide VC (vanadyumkarbür) ilavesi ile temiz bir artış göstermiştir. %5 VC seviyesinde, eşit (homojen) deformasyon için kesme hızı, ilavesiz malzemeden daha fazladır. Daha yüksek VC ilaveleri negatif etkiye sahiptir. Bununla beraber, deformasyon direncindeki daha elle tutulur gelişmeler, TiN içeriğinin arttırılması ile mümkün olmuştur. Bu da, TiN malzemesinin tane boyutu inceliğinden ve katı çözelti sertleşmesi 17
www.koumakina2001.8m.com
etkisinden dolayıdır. TiN ilavesi, Al ve VC içeren sermet alaşımları için, elemanın ayrı ayrı ilave edilmesine oranla deformasyon direncinde daha büyük gelişmelere yol açmıştır. Deformasyon direncindeki artış ile beraber, TiN ile modifıye edilmiş kesici alaşımları termal çatlaklara karşı daha büyük direnç göstermiştir. Uygulamalar için, önemli bir faktör kesilmiş dilimler/parçacıklar içermesidir. Örneğin; freze operasyonlarında bunlar meydana gelebilir. Sonuç analizinde şunu belirtmek önemlidir. TiC-Ni-Mo orijinal kompozisyonuna farklı takviye elementleri ilavesi ile kaydedilen gelişmelerin hiç birisi için çok fazla Al' a gerek yoktur. TiC-VC-TiN-Ni-Mo içeren kompozisyonlar ve özel makine uygulamaları için, ihtiyaç duyulan özelliklerin tespitinde her elemanın değeri optimize edilebilmiştir. Bu kompleks sermetler ile daha sert iş parçaları, yüksek kesme hızlarında ve freze gibi kesintili kesme uygulamalarında bile işlenebilmiştir. Orijinal TiC-Ni-Mo gelişimindeki problem için yapılan teorik yaklaşımların bazıları Ti(C,N) sermetlerin önemli alternatif kompozisyonlarını geliştirmektir. Bu malzemeler için, 1976 yılında patent alınmıştır. Ti(C,N) SERMETLERİN ÖZELLİKLERİ MİKROYAPI Sermetlerin mikroyapısı geleneksel semente karbürlerden farklıdır. Çünkü sinterleme sıcaklığında karbürün, bağlayıcı Ni içerisindeki çözünürlüğü Co' a göre fazladır. Bu nedenle, sermetler, semente karbürlerden daha gevrek karakterdedir.Tİ(C,N) bazlı sermetlerin mikroyapı sonuçlan, karbürlerin tipine, miktarına ve metalik bağlayıcılara bağlıdır. Bundan başka, bağlayıcı ve sert fazların sonuç karakteristikleri başlangıç karışımın kompozisyonu ve proses şartlarından büyük ölçüde etkilenmektedir. Fazların sinterlenmesi sırasındaki karşılıklı çözünebilirlik mikroyapı gelişiminde kesin bir rol oynar. MEKANİK ÖZELLİKLER: Semente karbürlere dayanarak genel görüş Ti(C,N) sermetlerin eğme mukavemetinin bütün kompozisyon içerisindeki bağlayıcı metal oram ile değişmesi beklenmektedir. Sermetler, yüksek krater ve oksidasyon direnci, düşük sürtünme katsayısı ve termal iletkenlik ile nispeten düşük yoğunluğa sahiptir. Bununla birlikte, sertlik derinliği yüksek, abrasif direnci Co ile bağlanmış WC den daha düşüktür.
AŞINMA DİRENCİNE SERTLİĞİN ETKİSİ: Oda ve yüksek sıcaklıklarda bu malzemelerin sertlikleri geleneksel semente karbürler ile karşılaştırılabilir. Şimdiye kadar Ti(C,N) kompozisyonun mukavemet ve tokluk seviyelerinin ağır 18
www.koumakina2001.8m.com
kaba işleme uygulamalarında kesme derinliği ve ilerleme oranı limitlerinde geleneksel semente karbürlerden daha az olduğu biliniyordu. Kesici kenarın aşınma direnci, düşük sıcaklıklarda yığıntı köşesi oluşumuna göre, kesme sıcaklığı ile anlatılmıştır. Halbuki, difuzyon ve oksidasyon prosesleri yüksek kesme sıcaklıklarında meydana gelmektedir. Yığıntı köşesi, pullanma ve krater oluşumu direnci ile Ti(C,N)' ün nispeten yüksek serbest oluşum entalpisi artış gösterir. Nispeten yüksek kesme hızlarında tok bir çeliğin kesimi esnasında, elverişli serbest yüzey aşınması, takım ömrünü uzatmaya ve takım değiştirmeden toplam talaş kaldırmada artışa imkan veren sermetlerin bir özelliğidir.
UYGULAMALAR Kesici takım olarak sermetler %20' den daha az bağlayıcı içermektedir. Bu malzemeler çelik ve dökme demirler için özellikle orta ve hafif yükler altında yüksek hızda yüzey operasyonlarında kullanılmaktadır. Buna karşın, kaba ve darbeli işlemlerde, boşluklu ve gözenekli yüzeylerde, sert dökümlerde, grafit ve sıcak iş takım çeliklerinde, demir dışı malzemelerde (Al, Cu gibi) ve yüksek oranda Ni içeren malzemelerde (Malzemelerdeki Ni ile sermetteki Ni birleşme eğilimi gösterir.) kullanılması iyi sonuçlar vermemektedir. Sermet kesici takımlar, çelikler, dökme demirler ve demir dışı otomat alaşımlarının işlenmesi için uygundur. Sermet kesici takımların uygulama kabiliyetleri, yüksek kesme hızlarında semente karbür veya kaplanmış karbürlerden daha iyidir. Bu yüzden, sermet kesici takımlar ile daha iyi yüzey bitişleri sağlanabilir. SERMET KESİCİ TAKIMLAR Sermet kesici takımlar genellikle indekslenebilir plaketler formunda kullanılmaktadır. Katı sermet kesici takımlar, küçük son frezeler ve delik delme takınılan gibi bazı spesifik uygulamalar için ticari olarak sunulmaktadır. Sermet indekslenebilir plaketler, semente karbür indekslenebilir plaketlere ait temel üretim adımlarının uygulanması ile imal edilmektedir. Kaplama yapılmamış semente karbürler için üretim değerlerinde benzer sonuçlar karşılaştırılabilir ve bu da semente karbür kesici takımlar için bilinen şekil ve boyutlarda plaketlerin imaline imkan sağlamaktadır. Kesici takım üreticileri aynı zamanda çeşitli talaş kaldırma geometrileri sağlarlar. Ayrıca, sermetler, PVD (Fiziksel Buhar Çöktürme) prosesi yardımıyla TiN kaplanabilir. TORNALAMA: Tornalamada, sermet kesici takımların uygulanmasında en büyük neden; uzun ve birbirine uyumlu ömür yanında geniş bir kesme hızlan aralığı sağlamasıdır. Yumuşak malzemelerin 19
www.koumakina2001.8m.com
tornalanmasında, talaş kaldırma geometrisinin doğru seçimi güvenli ve emniyetli bir tornalama operasyonu için temel teşkil eder. KANAL AÇMA: Kanal açma operasyonları, kesici köşede yüksek sıcaklık ve kesme basıncı oluşumu ile gerçekleşebilir. Sermet kesici takımlar; yüksek plastik deformasyon direnci ve termokimyasal kararlılıktan dolayı, semente karbürlerden daha uzun takım ömrü sunarlar. Sermet indekslenebilir plaketler, kanal açma operasyonlarında işlenmiş yüzeyde son boyut kontrolü ve iyi yüzey bitişi sağlamak için uygulanabilir. Soğutucu kullanımı, yüzey bitişi ve takım ömrünü iyileştirir. VİDA DİŞİ ÇEKME: Tokluk arttırıcı sermet kesici malzemelerin gelişimi, sermet kesici takımların ekonomik uygulaması olan kalemle vida dişi çekme tornalaması ile sonuçlanmıştır. Vida dişi çekme işleminde, daha fazla standart diş formlarının küçük takım burun radyüslerinden, kesme işleminin parçaya giriş ve çıkışında kesme kuvvetlerinin hızlı bir şekilde değişmesinden dolayı tokluk artırıcı kesme malzemelerine ihtiyaç duyulmaktadır.
20
www.koumakina2001.8m.com
5. SERAMİKLER 5.1 SİYALON Bu kesme malzemeleri, seramik esaslı silikon nitrit olarak sınıflandırılabilir. Silika tozları (SiO2), alimüna (Al2O3) ve silikon nitrit (Si3N4) az miktarda yttria (Y2O3) ilavesiyle karıştırılıp soğuk preslenir ve sinterlenir. Y2O3, sinterlemeye yardımcı olur, MgO da alternatif olarak 21
www.koumakina2001.8m.com
kullanılabilir. Sinterleme boyunca silika, sıvı hale geçmek için alimüna ve yttria ile reaksiyona girer. Silikon nitrit, sonra bu sıvıyla sialonu(silikon alimünyum oksinitrit) ve soğutarak camı oluşturmak için reaksiyona giriyor. Mikroyapıları, camsı matriksde kristal nitrit fazı taneleri içermektedir. Siyalonun sertliği 1700 VDH’dır ve yoğunlukları 3,3 g cm-3 tür. Kesme tabakalarının sıcak ve soğuk bölgeleri arasında gerilmeyi düşüren düşük ısı genleşme katsayısına sahiptirler ve termal şok dirençleri mükemmeldir. Siyalon, 800’den 1000 0 C ’ye kadar olan sıcaklıklarda sertliklerini alimünaya göre daha iyi korurlar. Bu göze çarpan bir özelliğidir. Bununla birlikte sert metallerle aynı tokluğa sahip değildirler. Güçlendirilmiş seramiklerin bu alanda engelleme yapmasına rağmen özellikleri onları ısı direnç üretimi için çok uygun yapar. Siyalonlar, hızlı çözelti aşınması nedeniyle yüksek hızlarda genel çelik üretimi için kullanılamazlar. Sertleştirilmiş çelikler üretilirken çok etkili rol alabilirler. Dökme demirler, kaplamasız ve kaplamalı sert metallerden daha yüksek hızlarda üretilebilirler ve yüksek beslemeler, konvansiyonel alimüna esaslı seramikler ile kullanılabilir. ÖZET Siyalonların özellikleri, ısı direnç alaşımları üretimi için onarlı çok uygun kılar. Yüksek kesme hızlarında dökme demir üzerinde büyük rol oynarlar fakat genel çelik üretimi için uygun değildirler. 5.2. ALÜMİNYUM OKSİT ESASLI SERAMİKLER Metal kesiminde başlıca başa çıkılması gereken faktör, üretim işlemi sırasında oluşan ısıdır. 800 0 C civarında Al2O3 seramikleri, özellikle sıkıştırma altında sert metallerden daha iyi özellikler göstermeye başlarlar. 800 0 C ’nin altında sert metaller, seramiklerle karşılaştırıldığında yüksek güce sahiptirler. Seramikler, geniş seri üretimde özellikle gri dökme demir üretimi için iyidirler. Otomotiv endüstrisi bunun daha önemli örneğidir. Almanya’da seramik takımlar, birçok fren diski, fren silindiri(gömleği) ve uçuş tekerleği üretimi için kullanılmaktadır. Üç tip Al2O3 seramik kitapta anlatılmıştır. En basit seramik, beyaz renkli ve 2%’den 5%’e kadar zirkonya (Al2O3 + ZrO2) ilavesiyle alimünadan oluşmaktadır. Zirkonya, aşınma direncine etkisi olmadan sürtünme tokluğunu arttırır. Bu seramik, onu termal şoka dayanıksız yapan düşük 22
www.koumakina2001.8m.com
termal iletkenliğe sahiptir bu nedenle soğutucu kullanımında kaçınılmalıdır. Sıcak preslenmiş tozlardan yapılmıştır ve bu, üretilebilecek şekilde bir sınırlama takdim eder. Yoğunluğu, sunulan ZrO2 miktarına bağlı olarak 4 g cm-3 tür. Sertlik değeri çeşitlilik bildirir fakat kesinlikle sert metal serisinin en yüksek noktasında sağlam durmaktadır. Bu alimüna/zirkonya beyaz seramiği, dökme demir ve çelik üretimi için tok grade olarak görülebilir ve seramiğin uygulandığı konularda ağır iş yapacaktır. Alimüna sertliği, 30% ve 40% arasında TiC veya TiN (TiC en popüler ilave olarak görülüyor) ilavesiyle arttırılabilir. Bazı ilaveler, oda sıcaklığı sertliğini beyaz seramikten 200 VDH daha yukarı çıkarır ve sıcak sertlik üzerinde benzer etkisi vardır, tokluğu arttırırlar.Artan sertlik, onu son işlemler ve daha sert çelik üretimi için daha uygun yapmaktadır. Bu ikinci tip seramiğin rengi, TiC veya TiN eklenip eklenmediğine göre siyah veya koyu kahverengidir. Alimüna/zirkonya esaslı seramiklerin üçüncü kategorisi, yapısını güçlendirmede rol oynayan ve tokluğunu arttıran silikon karbit(SiC), 25% veya daha fazlasını içermektedir. Bu favori güçlendirilmiş seramikler, özellikle yüksek kesme hızlarında nikel esaslı süper alaşımların yarı bitiş işlemi ve bitiş işlemi için önerilmektedir. Sertlikleri 2000 VDH düzeyindedir. ÖZET Alimüna esaslı seramikler sert metallerden daha yüksek sıcak sertliğe sahiptirler ve bu yüzden yüksek hızlarda kesme kenarı plastik deformasyona uğramadan işleyebilir. Yüksek sertlikleri, onları darbeye karşı daha hassas yapar ve uygulama serileri, genellikle temiz kesme, yarı bitiş işlemi ve bitiş işlemleri ile sınırlandırılmıştır. Sert metaller üzerinde öğütme ile normal elde edilebilir yüzey bitirmesi üretebilirler, sert çelik rulosu çok iyi bir örnektir. 5.3 SİLİKON NİTRİT Silikon nitrit (Si3N4) kesme malzemesi olarak kullanılan bir seramiktir. Toz metalürjisi ile şekle sokulmaktadır fakat dolu yoğunluğa isteyerek sinterlemez. Bazı üreticiler sinterlemeye yardımcı olacak küçük ilaveler yapmaktadırlar fakat sıcak presleme tekniği iyi dayanıklılığı elde etmek için kullanılıyor olmalı. Bu kesici malzemenin sertliği 1800 VDH ve yoğunluğu 3,2 g cm-3 tür. Tane boyutu 2-3 mikrometre aralığındadır. İyi aşınma direnci ve kesme kenar kuvvetine sahiptir, termal darbeye yüksek dirençlidir. Ana uygulama alanı, dökme demiri döndürme ve işleme için grade pürüzlendirmek gibidir. Si3N4 , çözelti aşınması için WC’den daha kötüdür ve çelik üretimi için uygun değildir. Termal şoka iyi direnci, soğutuculu ve soğutucusuz üretimine izin verir. 23
www.koumakina2001.8m.com
Seramik kesici takımlar için uygun kesme hızları
6.AŞIRI SERT TAKIM MALZEMELERİ Elmas ve Kübik Bor Nitrür (CBN) bilinen en sert iki malzemedir. Her ikisinin de sanayide aşırı sert aşındırıcı ve kesici takım olarak pek çok uygulaması vardır. Bu makale, bu malzemelerin yüksek - ve düşük - basınç altındaki birleşimini, kesici takım şekillerini ve işleme tezgahlarında kesici takım olarak uygulamalarının bazı örneklerini incelemektedir.
24
www.koumakina2001.8m.com
Şekil 4. Sert/abrasif malzemeler ve bazı iş parçası malzemelerinin sertlik değerleri
Kübik Bor Nitrür ve Elmasın Karşılaştırılması Elmas ve CBN bir çok yönden benzerlik gösterirler; bunlar bilinen en sert iki malzemedir, aynı kristal yapıya sahiptirler ve oldukça yüksek ısıl iletkenlik değerine sahiptirler. Diğer yönlerden çok da farklılık gösterirler. Mesela; elmas havada oksitlenir, oda sıcaklığında demir esaslı iş parçası malzemesi ile reaksiyona girer ve grafitleşmeye eğilim gösterir. Diğer taraftan kübik bor nitrür ısıl olarak, havada ve demir esaslı iş parçası malzemesi ile temasta iken oldukça kararlıdır. Bu temel özelliklerin farklılığı sonucu olarak elmas ve kübik bor nitrürün kullanımında temel ve basit bir ayrım vardır. Elmas demir dışı malzemelerin işlenmesinde kullanılır. Mesela; •
Alüminyum ve alaşımları
•
Hacimce %10 - %30 kadar silikon karpit (SIC) veya alüminyum oksit (Al2O3) içeren alüminyum matrisli kompozitler.
•
Bakır ve alaşımları
•
Aşındırıcı plastikler
•
Cam ve karbon fiber kompozitler
•
Ham seramikler
•
Tungsten karbür
•
Aşındırıcı ahşap/plastik kompozitler
•
Doğal taş
•
Beton
25
www.koumakina2001.8m.com
Kübik bor nitrür demir esaslı malzemelerin işlenmesinde kullanılır. Mesela; •
Takım çelikleri
•
Sert çelikler
•
Perlitik gri dökme demir
•
Yüzey sertleştirilmiş çelikler ve demirler
Tablo 4. Aşırı sert takım malzemeleri ile işlenen malzemeler
Polikristalin Elmas Kesici Takımlar Polikristalin elmas kesici takımlar, tek parça veya tabakalı şekilde kullanılabilir. Tabakalı şekildeki polikristalin elmas kesici takımların genel olarak tungsten karpit altlığı vardır. Standart bütün ürün kalınlıkları 1.6 mm, 3.18 mm ve 8.0 mm aralığında belirlenmiştir. Ayrıca çapı 70 mm’ yi aşan takım plaketleri ticari olarak mümkündür. Elmas tabakasının kalınlığı üreticiden üreticiye değişir fakat, genelde 0.3 mm ve 1.5 mm arasındadır. Yıllardır, PCD katmanında kullanılan elmasın, farklı ortalama parça/tanecik boyutlarında değişik türleri geliştirilmiştir. Genel olarak ortalama tanecik veya parça büyüklüğü üç kategoriye ayrılmıştır; iyi (ortalama tanecik büyüklüğü 2-4 µm), orta (5 µm) ve kaba (25 µm). Tanecik boyutundaki farklılıklar aşınma direncinde, aşınmada, iş parçası son işlem yüzeyinde 26
www.koumakina2001.8m.com
değişikliklere neden olur. Bu farklılıkların sonucu olarak üç tanecik için tercih edilen kullanım alanları farklıdır.
Şekil 5. Elmas tane büyüklüğünün a) abrasyon aşınma direnci b) taşlanabilirlik c) bitirme yüzeyi üzerine etkisi. Bitirme yüzeyi ayrıca, ilerleme hızı, takım geometrisi, iş parçası gibi faktörlere bağlıdır.
PCD sınıfı
Uygulamalar
İnce tane
Güzel yüzey son işlemi gerektiren uygulamalar
Orta tane
Genel amaçlı uygulamalar (%16’dan az Si içeren alüminyum alaşımlar)
Kaba tane
Ağır işlemelerde, freze işlemelerinde, aralıklı kesmelerde (%16’dan çok Si içeren alüminyum alaşımları)
Özel Sınıfların Aşınma Direnci Bağıl aşınma karakteristikleri 3 gruba ayrılarak (2 µm,10 µm ve 25 µm) ticari amaçlı üretilen katmanlı PCD için aşağıda tanımlanmıştır. PCD’ nin farklı tanecik büyüklükleri için bağıl aşınma direnci, daha önce de bahsedildiği gibi silis tozlarla kuvvetlendirilen epoksi reçineli kompozit ağır yüklü iş parçası üzerinde tornalama testleri ile kolayca tayin edilebilir. Şekil6 belirlenen işleme şartları altında yüzey aşınmasının zamanla değişimini göstermektedir. İşleme parametreleri: kesme hızı= 400m/dak, ilerleme hızı= 0.10mm/dev, kesme derinliği= 1.00 m, takım burun yarıçapı= 0.8mm, kuru, soğutucu yok, iş parçası; silis tozlarla kuvvetlendirilen epoksi reçineli kompozit.
27
www.koumakina2001.8m.com
Şekil 6. Üç sınıf PCD için takım ömrü karşılaştırılması. Görülüyor ki PCD’ nin tanecik boyutu arttıkça aşınma oranı azalmaktadır. Benzer bir davranış yüksek silikonlu alüminyum alaşımlar işlendiği zaman gözlenir ( Şekil 7). Burada işleme parametreleri; kesme hızı= 1000 m/dak, ilerleme hızı= 0.10 mm/dev, kesme derinliği= 0.25 mm, takım yarıçapı= 0.8 mm, kuru, soğutucu yok. İş parçası; Al-18Si. Bununla beraber burada tanecikler arasındaki farklar daha azdır.
Şekil 7. Üç sınıf PCD için takım ömrü karşılaştırılması PCD’ nin iri taneleri daha uzun bir takım ömrü sağlar fakat, sonraki taneler daha iyi bir kenar kalitesine sahiptir ve homojen iş parçası malzemesinin daha kaliteli yüzeyle işlenmesine olanak sağlar. Eğer uzun ömür gerekliyse iri taneli PCD seçilmelidir. Bununla beraber daha iyi bir son işlem yüzeyi gerekliyse uzun takım ömründen fedakarlık etmek zorunda kalınabilir. Bir çok uygulama için 10 µm ortalama tanecik boyu genel amaçlı takım için düşünülecektir. Metal Dışı Malzemeleri İşleme Aşındırıcı plastikler içeren yumuşak, fibersiz malzemeler ve sert cam fiberle kuvvetlendirilmiş plastikler gibi fiberli malzemeler düzgün bir kesme işlemine gerek duymazlar ve 0° üst talaş açısı, 5-6 ° boşluk açıları kullanılır. Bu geometri, fazla pozitif geometriyle karşılaştırıldığında daha kuvvetli kesme kenarı ve gelişmiş aşınma karakteristikleri verir. Yumuşak fiberli malzemeler için, karbon fiber veya kevlar gibi, pozitif talaş açısı işleme gerekir.(üst talaş açısı 5°-6°, boşluk açısı 5°-6°) çünkü kesilen yüzeyin bozulmasını engellemek için fiberleri temizce kesmek gereklidir. Sert malzemeler, taş veya sinterlenmiş tungsten karbür gibi, negatif boşluk açılı kesme geometrileriyle (üst talaş açısı -6°, boşluk açısı -6°) işlenmelidir. Burada meydana gelen kesme kuvvetlerini karşılamak için kenar mukavemetinin yüksek olması gerekir ve burnu geniş radyuslü takımlar kullanılmalıdır. 28
www.koumakina2001.8m.com
İşleme Parametreleri Bir çok durumda PCD ile işleme sert metal kesici takımlarla işlemenin yerine kullanılabilir. PCD kesici takımlar daha uzun takım ömrü sağlayabilir, daha temiz son işlem yüzeyleri elde edebilir ve sert metal kesici takımlardan daha yüksek devir ve ilerleme hızlarına ulaşabilir. Devir, İlerleme hızı ve kesme derinliği. Sert metal kesici takımlar için işleme parametreleri genel olarak PCD kesme hızı ve ilerleme hızı için kullanışlı bir başlama noktasıdır. Bu şartlar altında takım ömrü 50 – 200 kat gibi bir katsayıyla artacaktır. PCD için tipik tornalama ve frezeleme işlemlerinin parametrelerinin detayları Tablo 5’te verilmiştir.
Tablo 5. PCD ile işleme için tipik işleme parametreleri Soğutucular kesme işlemini kolaylaştırmak, düzgün sıcaklık dağılımı sağlamak için kullanılır ve talaş birikintisinin uzaklaşmasına yardımcı olur. Alüminyum alaşımlar sert takımlarla işlendiği zaman, alüminyum ve sert takım arasındaki ilgiden dolayı şeklin kenarında yeniden yapılanma eğilimi meydana gelir. PCD takımlarda takımın alüminyuma ilgisi varsa bu çok azdır ve bundan dolayı basit beyaz su (yağ- su emülsiyonu) kullanmak mümkündür. Yağlayıcılarla yapılan deneyler soğutuculardan çok az olmak üzere daha iyi bir performans göstermiştir. PCD’ nin kullanıldığı metal olmayan malzemelerin çoğu boşlukludur bunlar kesici sıvı tarafından zarar görecektir. Bu durumlarda işlemi kuru yapmak gerekir. Bununla beraber böyle yalıtkan malzemelerin bütün ısıyı takım malzemesinde oluşturması engellenmelidir. Bu ısı sarı kaynağın erimesine neden olabilir. Uygulamalar Polikristalin elmas kesici takımlar sadece demir olmayan malzemeleri işlemekte kullanılabilir fakat, endüstride sertleştirilmiş tungsten karbür takımlarının yerini PCD’nin aldığı bir çok durum vardır. Alüminyum ve plastik parçalarda çok temiz (ayna gibi) son işlem yüzeyi için tek kristalli 29
www.koumakina2001.8m.com
elmas takım gerekli olabilir. Çünkü PCD ile yeteri kadar yüksek kalitede kenar elde etmek mümkün olmayabilir. PCD takımların başlıca uygulamaları; •
Alüminyum ve alaşımları, özellikle otomotiv endüstrisinde kullanılan alüminyum- silikon alaşımları
•
Hacimce %10 - %30 SiC, döküm kompozit içeren alüminyum matrisli kompozitler
•
Bakır ve pirinçler
•
Granitler, sentetik mermer ve sentetik taş
•
Karbon fiber gibi fiberle kuvvetlendirilmiş plastikler, cam fiberle kuvvetlendirilmiş plastikler
•
Ağaç ve ağaç bazlı ürünler
•
Seramikler, yeşil seramikler, yanmayan killer ve bazı yanan seramikler
•
Tungsten karpit mesela yeşil tungsten karpit ve yüksek oranda kobalt içeren (>%12) sertleştirilmiş tungsten karpit
Bütün bu uygulamalarda PCD takımlarının takım ömrü sert metal kesici takımlarının ömründen yaklaşık 50 – 100 defa daha büyüktür. POLİKRİSTALİN KÜBİK BOR NİTRÜR KESİCİ TAKIMLAR Farklı üreticilerin ürettiği polikristalin elmas kesici takımlar, aynı kullanım alanlarına sahip olsalar da bazıları diğerlerinden daha iyi performans gösterir. Benzer olarak piyasada birçok PCBN kesici takım mevcuttur. Bununla beraber PCBN’ le ilgili daha fazla sayıda farklı formülasyon vardır. Her üretici farklı ikincil faz malzemeler kullanılır. Parçacık büyüklük dağılımı farklılık gösterir. Bundan dolayı mekanik özellikleri, takım imal teknikleri ve işleme performansları hakkında bir genelleme yapmak kolay değildir. Bununla beraber iki genel uygulama alanı tanımlanabilir. •
Sert demirli malzemelerin kaba işlemleri. Özellikle sertliği 45 – 65 arası değişen ve kesme derinliği 0.5mm ile 8 mm arasında olan sert dökme demirler.
•
Sertleştirilmiş elemanların son yüzey işlemesi. Genel olarak takım çelikleri veya yüzey sertleştirilmiş çelikler.(kesme derinliği 0.5 mm olan, genelde 0.2 mm) 30
www.koumakina2001.8m.com
Sert demirli malzemelerin kaba işlemesinde yüksek CBN içeren takımlar gerekir. Son işlemlerinde ise PCBN kesici takımları daha az CBN içeriğine sahip olmalıdır. Yüksek CBN içeren takımlar 0.5mm’ den küçük kesme derinlikleri için uygun değillerdir. Takım İmalatı PCD gibi PCBN de büyük plaket şeklinde üretilir ve sonra istenilen şekle getirilmeden önce küçük plaketler halinde kesilir. Bununla beraber katı PCBN i daha küçük plaketler haline getirmek için lazer ile kesme gerekir. PCBN nin elektrik iletkenliği çok küçük olduğu için tel erozyon kesme kullanılmaz. Katmanlı PCBN şekli elektriksel olarak iletkendir ve tel erozyon ile kesilebilir. PCD ler gibi PCBN kesici takımlar da katmanlı veya tek parça şeklinde olabilir. Katmanlı şekildeki PCBN plaketlerinin kalınlıkları 4.8 mm’ ye kadar olabilir ve sertleştirilmiş takım sapına sarı kaynak ile tutturulabilir veya içine yerleştirilebilir. Tek parça PCBN ürünün standart bir kalınlığı vardır; 3.18 mm ve tutucunun içine yerleştirilir. Tek Parça PCBN ler İçin Takım Tutucular Tek parça PCBN uçlarla beraber yüksek kaliteli takım tutucular kullanmak önemlidir. Özel olarak gereksiz uç kırılmasını engellemek için destekleyici sert metal plakalar kullanılması önerilir. Ayrıca PCBN uçların düzgün ve titreşimsiz çalışacak şekilde yerleştirilmesine dikkat edilmelidir. Uygun mekanik ve termal destek ancak ara sac düzgün ve temiz olduğunda sağlanabilir ve mümkün olduğunca temas yüzeyi büyük tutulmalıdır. Bazı takım tutucu tasarımlarında mümkün olan en büyük temas alanını sağlayabilmek amacıyla çelik alt saclara kaynakla birleştirilen sertleştirilmiş saclar kullanılır. Çelik alt saclar takım tutucuya sabitlemek için delinir ve kılavuz çekilir. Böylece genel olarak sabitleme vidası kullanılmaksızın alttan takım tutucuya montaj edilebilir. Ayrıca takım tutucular zor çalışma şartlarıyla baş edecek yeterli kuvvette üst tutuculara sahip olmalıdır. Burada meydana gelebilecek bir problem, tutucunun talaş birikintisi tarafından aşındırılmasıdır. Böyle bir problemin üstesinden, tutucu tungsten karpit ile kaplanarak veya alaşımla sertleştirilerek gelinebilir.
31
www.koumakina2001.8m.com
Şekil 8. PCBN uçlar için takım tutucu Aşınma Direnci Takımın CBN içeriği azaltılarak, PCBN takımlarının son yüzey işlemleri süresince aşınma direnci arttırılabilir. Şekil 19, kaba sınıf ve finiş sınıfı PCBN takımının yüzey aşınmalarını karşılaştırmaktadır.
Şekil 9. Amborite ve DBC50’nin bağıl aşınma direnci.a) 60 HRC’de D3 soğuk iş takım çeliği b) 62 HRC’de yataklama çeliği c) 62 HRC’de M2 yüksek hız çeliği d) 50 HRC’de sıcak iş takım çeliği. İşleme parametreleri: kesme hızı= 120 m/dak, kesme derinliği= 0.25 mm, ilerleme oranı= 0.1 mm/dev,kuru, soğutucu yok CBN içeriği düşük olan finiş sınıfı takım (DBC50), daha fazla CBN içeriğine sahip olan kaba sınıfından (Amborite) 3-5 kat fazla aşınma direncine sahiptir. Bazı iş parçalarında kesme hızının artması, takım ömrünün artmasına neden olur. Diğer malzemeler için sert martenzitik dökme demirler gibi, kesme hızının artması takım ömrünün düşmesine neden olur (Şekil 10)
32
www.koumakina2001.8m.com
Şekil.10. PCBN ve tungsten karbür kesme hızına karşı takım ömrü. İşleme parametreleri; kesme derinliği= 2.0 mm, ilerleme hızı= 0.3 mm/dev, kuru, soğutucu yok. İş parçası; Ni-HARD 2C İşleme Parametreleri PCBN ile fniş işlemi yapıldığı zaman kesme hızı, kaba ileme hızından daha yüksek olmalıdır. Tablo 6 çeşitli malzemelerin, finiş sınıfı PCBN takımı (DBC50) için bazı işleme şartlarını önermektedir.
Tablo 6. Finiş sınıfı PCBN kesici takımlarla (DBC50) önerilen işleme şartları Tablo 7 de kaba taneli PCBN takımının (Amborite) başlıca uygulamalar için bazı işleme parametreleri özetlenmiştir.
33
www.koumakina2001.8m.com
Tablo 7. Kaba sınıf PCBN takımı ile işleme için tipik işleme parametreleri Soğutuculara, kaba işlemede genelde ihtiyaç duyulmaz ve frezeleme için de tavsiye edilmezler. Finiş işlemleri kuru yapılabildiği gibi, bir sıvı soğutucu kullanımı önerilebilir. Finiş işlemlerinde kullanılan soğutucu biraz da olsa takım ömrünü artırır.(Şekil 11)
Şekil11. PCBN takımı ile 20 dak. kesme işlemi sonrası serbest yüzey aşınmasına soğutucunun etkisi. İşleme parametreleri: kesme hızı = 50 m/dak, ilerleme oranı = 0.7 mm/dev, kesme derinliği = 8 mm Kaba İşleme Uygulamaları Martenzitik Dökme Demirin Tornalanması : Sert martenzitik dökme demirler döküm sırasındaki soğuma ile ve nikel ve\veya krom alaşımları ile üretilebilir. Bu tip malzemeler genelde 50-60 HRC sertliğe sahiptir ve sert katı taşıyıcılarda mastar olarak, maden parçalayıcı eleman olarak ve hadde silindiri olarak kullanılırlar. PCBN kesici takımlardan önce bu tip malzeme, taşlama ile veya sert metal kesici takımlar kullanarak çok küçük kesme hızları ile işlenebiliyordu. PCBN kesici takımlar , talaş kaldırma oranında ve üretim oranlarında çok büyük gelişmeler sağlamıştır. Geometrik yapılarının daha büyük olmasından dolayı, sert dökme demir işleneceği zaman yuvarlak pahlı uçlar kullanılmalıdır. Bu özellikle siyah dökümler işlendiği zaman 34
www.koumakina2001.8m.com
önemlidir, çünkü döküm kabuğu boyunca işleme gereklidir. Şekil 10, Ni-HARD2C malzemesini 0.3 mm/dev ilerleme hızı, 2 mm kesme derinliği için işleyen amborite PCBN takımı (RNMN120300T uçlar) ve tungsten karpit (K10) takımlarının karşılaştırılmasını göstermektedir. Görüldüğü gibi amborite 40 – 55 m/dak arası hızlarda 30 – 60 dakika takım ömrü verirken, sertleştirilmiş karpit aynı ömrü daha düşük hızlar olan 10- 20 m/dak aralığında sağlayabilmektedir. 20 m/dak ‘nın üzerinde karpit takımın ömrü hızlıca azalır, artan kesme hızı takımın hızlıca yumuşamasına neden olur. Beyaz dökme demirin kaba işlemelerinde talaş kaldırılmasına literatürde sıkça rastlanır. RNMN120300T uçlar ile zorlanmadan 40 -50 mm3.103/dak talaş kaldırma oranlarına ulaşılabilir. Bu talaş kaldırma oranı sert metal kesicilerle elde edilenden yaklaşık 5 kat daha hızlıdır ve sonuçta üretim miktarındaki artış, artan takım maliyetini telafi eden başlıca faktördür. Sağladığı ikinci fayda, daha uzun işleme takım ömrü ve yakın toleranslardır, çünkü kesme kuvvetleri sert kesme takımları ile işlemeden önemli derece daha düşüktür. Sertleştirilmiş Takım Çeliklerinin İşlenmesi Sertleştirilmiş takım çeliklerinin (45-65 HRC) kaba işlenmesi PCBN kesme takımlarının pek kullanıldığı bir uygulama değildir. Çünkü takım çelikleri genelde sertleştirme işlemi uygulanmadan önce yumuşak halde iken kaba işlenir. Bununla beraber bazı durumlarda, mesela elemanları tekrar parlatmak ve hatayı düzeltmenin gerekli olduğu durumlar gibi, kaba işleme yapmak uygun olur. Çelik veya kağıt endüstrisindeki haddelerin yeniden işlenmesi de bir başka örnektir. Yakın zamanda özellikle rulman endüstrisinde, PCBN kesici takımlarının sertleştirilmiş haldeki elemanların kaba ve finiş işlemede üretim ekonomisindeki değeri hakkında bazı çalışmalar yapılmıştır. Sert demirlerin kaba işlemesinde yuvarlak pahlı standartlaştırılabilir uçlar, mümkün olduğunca kullanılmalıdır. Kesme hızları genel olarak 50 – 100 m/ dak aralığında düzenlenir ve 60 HRC üzerindeki takım çeliklerinde yuvarlak uçla 3 mm kesme derinliği ve 0.3 mm/dev ilerleme hızı mümkündür. Yüzey Sertleştirilmiş Alaşımların İşlenmesi Sert demir ve çelikler için kullanılan kesme hızlarından daha fazlası yüzey sertleştirilmiş alaşımlar için gereklidir. Bu özellikle daha ısıl dirençli kobalt bazlı malzemeler için geçerlidir. Bu alaşımlar için 200- 250 m/dak kesme hızları genel olarak tavsiye edilir. İlerleme hızları da 0.2 mm/ rev’ den küçük olmamalıdır. Mümkün olduğunca yuvarlak, pahlı PCBN uçlar kullanılmalı ve takımın kesme derinliği içteki malzemenin içine girecek kadar 35
www.koumakina2001.8m.com
yeterli olmalı. Nikel bazlı malzemelerin işlenmesindeki kesintiler daha dayanıklı bir bileşen ve katı işleme takımı verilerek tolere edilebilir. Bununla beraber kobalt yapının frezelenmesi daha zordur, çünkü bu alaşımlar özellikle ısı dirençlidir. Yüzey sertleştirilmiş alaşımların kaba işlenmesi tipik olarak kuru yapılır. Gri Dökme Demirin İşlenmesi Sert demirli malzemelerde sertlik işlenebilirlik için bir ölçü olarak ele alınır. Bununla beraber gri dökme demirlerde mikro yapı daha genel bir göstergedir. Serbest ferrit yapısındaki bir azalma veya perlit boşluklarının artması gri dökme demirin işlenebilirliğini azaltır. Maalesef otomotiv endüstrisindeki kritik elemanların özellikleri için fren diski gibi, genelde en az seviyede ferrit içerikli ve oldukça iyi perlit boşluklu demir gerekir. Bundan dolayı da işleme bir problem olabilir ve sık takım değişimine bağlı olarak ürün kaybı ve yüksek imalat maliyeti önemli bir sorun olabilir. İki önemli kriterin sağlanması durumunda PCBN kesici takımlarının gri dökme demirin işlenmesinde iyi bir performans gösterdikleri görülmüştür. •
Mikro-yapı az oranda serbest ferrit içermelidir, yani bu tam perlit olmalıdır.
•
kesme hızı 500 m/dak’ dan çok fazla olmalıdır.
CVD Elmas Kesici Takımlar Kimyasal buhar çökelmesi ürünleri artık büyük parçaların ekonomik üretimine ve ticari orak kullanımına sentetik elmasın 1000 ºC gibi sıcaklıklarda ve oldukça düşük basınçlarda (<1000 Kpa ve 1atm) üretimine olanak sağlar. CVD elması teflon gibi küçük sürtünme katsayısına sahiptir, doğal elmas kadar serttir ve bakırdan 4- 5 kat büyük ısıl iletkenlik gösterir. Elmasla kaplanmış takımlar çok çeşitli demir dışı malzemeler işleyebilir. Kaplama yüksek kayganlık gösterir, düşük kesme kuvvetleri meydana getiri, yavaş aşınır ve iş parçasını ısı ile bozmaz. Tek kristalli elmas, CVD elmas ve PCD ‘ nin özellikleri Tablo 9’da karşılaştırılmıştır.
36
www.koumakina2001.8m.com
Tablo 9. Elmas takım malzemelerinin karşılaştırılması CVD’nin Özellikleri CVD işlemi, katının buhardan veya gaz fazından kimyasal reaksiyon oylu ile ısıtılmış yüzey üzerine çökelmesi olarak tanımlanabilir. Doğada atomik olarak gerçekleşen kobalt, buhar-taşınım sınıfına aittir. Çökelen elemanlar atomlar, moleküller veya bunların kombinasyonudur. CVD elmas atomik hidrojenin varlığına ihtiyaç duyar, hidrojen grafitten elmas yapıyı oluşturur v e dengede kalmasın sağlar. Hidrojeni ayırmak için yüksek enerji kaynağı gerekir. Ek olarak atomik hidrojen ihtiyacı için, diğer faktörler, enerji çıkışı, oksijenin varlığı gibi oldukça önemlidir. Elmasın CVD ile çökelme mekanizması her ne kadar karışık görünse de, temel reaksiyon hidrokarbonun, metal şeklinde ayrışması şeklindedir. CH4 → C(elmas) + 2H2 (g) Reaksiyon mikro dalga plazma ile veya doğru akım plazma arkı ile aktive edilebilir. Kalın ve İnce Filmler CVD elmas, kalın (>50µm) ve ince (<50 µm) film şeklinde elde edilebilir. Kalın tabaka CVD elmas takımlar da plazma arkı yöntemi ile üretilebilir. Kesici takım uçları büyük disklerden bir lazerle kesilir, birleştirilir, parlatılır ve sert metal takıma sarı kaynakla birleştirilir. Kesici takıma direkt çökeltilen ince filmler, oldukça düşük artma hızı ile karakterize edilirler ve aşırı derecede yüksek saflığa sahiptirler. İnce filmli elmasın, kalın filmli elmas ve PCD plaketine üstünlüğü kompleks takım geometrilerine uygulanabilir olmasıdır. PCD plaketi ve kalın filmler kesici takım kenarı üzerine veya köşesine sarı kaynak yapılır. İnce Film Altlıklar Elmas film bir altlık üzerine kaplama olarak direkt çökeltildiği zaman, ısıl yayılma hızları özellikle önemlidir. Çökelme işlemi tipik olarak 700°C-1000°C aralığında gerçekleşir. Bu yüksek sıcaklık film kaplanacak malzemeleri sınırlar. Ayrıca düşük ısıl iletkenlik de 37
www.koumakina2001.8m.com
kullanılabilecek altlıkları sınırlar. Elmasın, kesici takımlar için üzerine çökertildiği mühendislik malzemeleri; silikon nitrit (Si3N4), silikon karpit (SiC), ve düşük kobalt içerikli tungsten karpittir (<6%Co) Uygulamalar CVD ve PCD elmas bir çok benzer uygulamada kullanılabilir fakat PCD kaba işleme uygulamalarına ve yüksek kırılma tokluğu gerektiren malzemelerde daha uygundur. CVD elmasın üstün olduğu uygulamalar finiş, yarı finiş, sürekli-torna uygulamalarıdır ve sertliği kusursuz parçaların üretimine olanak sağlar. CVD elmas ile işlenen malzemeler; alüminyum, döküm alaşımlar, yüksek silikon içeren alüminyum matriksli kompozitler, grafit, fiber takviyeli plastikler ve diğer homojen olmayan malzemeler, karbon- karbon kompozitler, polivinil florid, cam fiberi, kevlar, inconel ve bakır alaşımlarıdır. ÖZET Elmasların haricinde kübik bor nitrit, bugün kullanılan en sert kesme malzemesidir. Sert malzeme üretiminde göze çarpar fakat yumuşak iş parçaları malzemelerinde avantaj sunmaz.PCD, son derece sert ve mükemmel aşınma direncine sahip elmas kesici malzeme olarak üretilmektedir. Yumuşak demir içermeyen iş parçası malzemeleri üzerinde çok yüksek hızlarda kesme yapabilmektedir. Konu çarpma ise çakıl taşına dayanıksızdır. Çelikler ve dökme demirler üzerinde kullanılmamalıdır. Otomotiv endüstrisinde yüksek kesme hızlarında mükemmel yüzey elde edilen alüminyum alaşımlarda kullanılmaktadır. Doğru koşullar altında sert metal üretiminde kullanılabilirler.
38