Kesici takımların fonksiyonel derecelendirilmiş TİCN ve TİBCN ile kaplanmasının karakterizasyonu

Abstract

Talaşlı imalatta işlem sürelerinin kısaltılması ve verimliliğin artırılması her zaman bir ihtiyaç olmuştur. Bu ihtiyacı karşılamak amacıyla kesici takımların niteliklerini iyileştirme arayışları günümüzde de devam etmektedir. Yapılan çalışmalarla her geçen gün kesici takım malzemelerinde sağlanan gelişmelerin yanı sıra var olan takımların yüzeylerinin kaplanması da daha ekonomik ve daha verimli bir çözüm olarak görülmüştür. Kesici takımların kaplanmasının amacı altlık malzemenin yüzey özelliklerini iyileştirmektir. Kaplama malzemesinin, altlık malzeme ile uyumlu, yüksek sıcaklık, aşınma ve sürtünme dayanımlarının altlık malzemeden daha iyi olması gerekir. Böylece hem takımın ömrü uzatılmış hem de verimi yükseltilmiş olur. Kesici takımların kaplanması ile ilgili çalışmalara 1970"lerde başlanmış ve kaplanmış takımlar, talaşlı imalatta önemli bir gelişme olarak kabul edilmiştir. Titanyum karbür (TiC), titanyum nitrür (TiN), titanyum karbonitrür (TiCN), kübik bor nitrür (CBN), krom nitrür (CrN) ve alüminyum oksit (Al2O3) yaygın olarak kullanılan kaplama malzemelerindendir. Özellikle yüksek hız çeliği ve sinterlenmiş karbür kesici takımlar geniş kullanım alanına sahip olduklarından, kaplama çalışmaları bu takımlar üzerine yoğunlaşmıştır. Geleneksel kaplama çalışmalarında, genellikle metal esaslı altlık malzeme üzerine seramik esaslı malzemeler, katmanlar halinde uygulanmaktadır. Bu tür kaplamalarda, katmanların farklı ısıl genleşme katsayılarına sahip olmaları önemli bir sorundur. Talaş kaldırma esnasında oluşan yüksek sıcaklık sonucunda, katmanlar arasında farklı genleşmeler meydana gelmektedir. Oluşan farklı genleşmeler mikro çatlaklara neden olmakta ve kaplama ömrünü kısaltmaktadır. Mikro çatlakların oluşumunu engellemeye yönelik çalışmalar neticesinde fonksiyonel derecelendirilmiş kaplamalar (FDK) geliştirilmiştir. Bu tür kaplamalar katmansızdır ve kaplama malzemesinin özelliği kaplama kalınlığı boyunca fonksiyonel olarak değişmektedir. Katmanlı kaplamalarda görülen farklı ısıl genleşmelerin olmaması nedeniyle kaplamada ısıl genleşme farklılıklarından kaynaklanan mikro çatlaklara rastlanmamaktadır. Yapılan literatür taramaları sonucunda kesici takımların, TiCN ve TiBCN ile fonksiyonel derecelendirilmiş (FD) olarak kaplanması ile ilgili yeterince araştırma olmadığı görülmüştür. Çalışmada, biri yüksek hız çeliği diğeri sinterlenmiş karbür olmak üzere iki farklı altlık malzemesinin, titanyum karbonitrür (TiCN) ve titanyum bor karbonitrür (TiBCN) kaplama malzemeleri ile fonksiyonel derecelendirilmiş olarak kaplanması amaçlanmıştır. Literatür taramalarında ve ticari kullanımdaki takımlar incelendiğinde kesici takım kaplama kalınlıklarının, 3-9 µm aralığında olduğu görülmüştür. Ana altlık malzemelerin kaplanmasından önce ön deneysel çalışmalarla kaplamanın hedeflenen kalınlık ve yapıda olması için gereken kaplama koşulları tespit edilmiştir. Kaplamalar, manyetik sıçratma yöntemi ile yapılmıştır. Kaplamaların karakterizasyonu için öncelikle taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri alınmış, çizgisel EDS analizleri yapılmıştır. Alınan görüntüler ve yapılan çizgisel analizler sonucunda hem titanyum karbonitrür (TiCN) hem de titanyum bor karbonitrür (TiBCN) kaplamaların hedeflenen yapıda (FD) ve 3-9 µm kalınlığında elde edildiği görülmüştür. Ardından, kaplamaların karakterizasyonu için XRD analizleri, çizik testleri, aşınma testleri, sertlik ölçümleri yapılmıştır. Kaplamaların karakterizasyonundan sonra, herhangi bir kesme sıvısı kullanılmadan yüksek hız çeliği ve sinter karbür takımların talaşlı işleme ömürleri test edilmiştir. Sinter karbür ve yüksek hız çeliği takımların yapısal farklılıkları nedeniyle kullanım alanları ve işlem parametreleri de birbirinden faklıdır. Dolayısıyla iki farklı takımın ömür testlerinin de iki farklı malzeme kullanılarak yapılması tercih edilmiştir. Talaşlı işlenecek parçaların her iki takım için de imalatta sık kullanılan malzemeler olmasına da dikkat edilmiştir. Yüksek hız çeliği takımlarla AISI 1040, sinter karbür takımlarla ise AISI 4140 malzemeleri talaşlı işlenmiştir. Her iki takım için kesme derinliği (ap) 2,5 mm, ilerleme hızı (") 0,25 mm/dev, kesme hızları ise yüksek hız çeliği takımlar için 40 m/dak, sinter karbür takım için 100 m/dak olarak belirlenmiştir. Talaşlı işleme çalışmalarında, "kaplamasız", "katmanlı TiBCN kaplamalı" ve "fonksiyonel derecelendirilmiş TiBCN kaplamalı" yüksek hız çeliği ve sinter karbür takımlar kullanılmıştır. Böylece hem "kaplamasız" ve "kaplamalı" takımların hem de "katmanlı kaplamalı" ve "FDK" takımların ömürleri karşılaştırılmıştır. Çalışma sonucunda, fonksiyonel derecelendirilmiş kaplamalı takımların, katmanlı kaplamalı takımlara göre daha uzun ömürlü oldukları görülmüş, yüksek hız çeliği ve sinter karbür takımlar için "Aşınma " Zaman" grafikleri de çizilmiştir. Takım ömrü belirleme çalışmaları ile birlikte, aşınan takımların iş parçası yüzey pürüzlülüğüne etkileri de incelenmiştir. Fonksiyonel derecelendirilmiş kaplamalı takımlarla işlenen yüzeyin, katmanlı kaplamalı takımlarla işleneneden daha düşük pürüzlülüğe sahip olduğu görülmüştür. AISI 1040 ve AISI 4140 iş parçalarına ait "Pürüzlülük " Zaman" grafikleri de çizilmiştir.