Bir Mermer Kesici Takımında Co Katkısının Mikroyapı ve Mekanik Özelliklere Etkisi

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 2011, Elazığ, Turkey Bir Mermer Kesici Takımında Co Katkısının Mikroyapı ve Mekanik Özelliklere Etkisi M. Kaplan 1 ve S. Budak 2 1 Fırat Üniversitesi, Elazığ/Türkiye, mkaplan@firat.edu.tr 2 Gümüşhane Üniversitesi, Gümüşhane/Türkiye, sbudak@gumushane.edu.tr The Effect of Co Addition on the Microstructure and Mechanical Properties in A Marble Cutting Tool Abstract The matrix materials, which holds diamonds in their proper places during cutting process and it is necessary for the efficient use of the diamonds cutting tools. In this study, it has been produced four different kinds of marble cutting matrix composition by adding Co element. The sintering process carried out at 850 C, and under the pressure of 35 MPa for 4 minutes. The mechanical and microstructure properties of the matrix material have been determined by means of OM, SEM, three point bending and hardness measurement techniques. It has showed that the addition of Co particulate to the matrix material improved the hardness and microstructural properties and decreased their brittleness. Keywords Mermer kesici takımlar, matris malzemesi, sıcak presleme, OM, SEM. M I. GİRİŞ ERMER kesici takım üreticileri kesilen kayacın özelliklerini doğru tespit ederek kesici takım dizaynı ve üretimi yapmaları kaçınılmaz bir işlemdir. Mermer kesici takımların yaklaşık % 62 si Toz Metalurjsi (TM) yöntemiyle üretilmektedir [1]. Taş kesme uygulamaları için testere ve delici takım soketlerinin üretiminde yaklaşık olarak % 20 dolaylarında endüstriyel elmas kullanılmaktadır. Bu nedenle endüstriyel elmas, Avrupa da % 61 ile dünya çapında en büyük pazar payına sahiptir [2]. Kesim hızı her kesici takım ve doğal taş için farklıdır ve uygun hız belirlenmelidir. Çok düşük bir kesim hızı ise elmas tanelerinin iş görmeden yanmasına ve yuvalarından işlevini yerine getiremeden ayrılmasına neden olur. Her iki durumda da, kesici takım ömrü normalin birkaç katına düşer. Ülkemizde mermer işleme tesislerinde yapılan kesim işlemlerinde en önemli konu, kesilen kayaca göre uygun testere soketlerinin seçimidir. Mermer üreticilerinin uygun soket seçimi yapabilmeleri için kesecekleri kayaçları yeterince iyi tanımaları gerekmektedir. Mermer kesme işleminde esas kesme işlemini veya aşındırma işlemini elmas tanecikleri yapmaktadır. Bu itibarla granit ve Elazığ vişnesi gibi sert mermerlerin işlenmesinde daha küçük elmas tanecikleri, yumuşak mermerler için daha büyük elmas tanecikleri kullanılmaktadır. Ancak elmas taneciklerinin bulundukları matriste aşınıncaya kadar kalabilmeleri de çok önemlidir. Başka bir ifadeyle elmas tanecikleri ile bu tanecikleri bir arada tutan matris malzemesi birbirine paralel aşınması gerekmektedir. Çünkü matris geç aşınırsa elmas tanecikleri kesilecek olan mermere temas edemeyeceğinden aşınma ya da kesme işlemi gerçekleşmez. Matris malzemesinin çabuk aşınması halinde ise elmas tanecikleri kesme işlemini gerçekleştiremeden yerlerinden düşerler. Burada kayaçların fiziki ve mekanik özelliklerinin de kesim sırasında elmaslı soketlerde meydana gelen aşınmalar üzerinde çok etkili olduğunu vurgulamak gerekir. Bu yüzden kesilecek kayacın fiziki ve mekanik özelliklerinin elmaslı soketlerdeki aşınma davranışlarına etkilerinin bilinmesi takım dizaynı açısından çok önemlidir. Bununla birlikte, soketlerdeki aşınmalar üzerinde etkili olan diğer bir önemli etken de kesim parametrelerinin en uygun biçimde düzenlenmesidir [3,4]. Yarı şekilli veya şekilsiz doğal taş bloklarının levhalara/plakalara ayrılması işleminde, çeşitli kesim sistemleriyle çalışan makineler kullanılmaktadır. Kesim işlemi, makinenin kesme donanımına göre; a) Düz testere (katrak lama) sistemiyle, b) Dairesel testere sistemiyle, c) Çoklu elmaslı tel sistemiyle, d) Elmas kemerli bant kesim sistemiyle yapılmaktadır [5]: Elmaslı testere ağzı soketleri imalatında kullanılan en yaygın üretim tekniği, toz metalurjisi (TM) üretim yöntemidir. Bu yöntem sayesinde genellikle elmas taneleri ve metal tozları birlikte karıştırılarak kesici takım üretimi için kullanılırlar. Sıcak presleme çok yaygın bir üretim tekniği olmasına rağmen, tozlar basınçsız sinterleme [6-10] sıcak izostatik presleme [11] veya bu ikisinin kombinasyonu [12], ekstrüzyon [13], lazer ergitme [14], sıcak presleme ve lazer kesimin kombinasyonu [15,16] veya kişiye özel başka birçok teknikle de üretilebilmektedir. Elmaslı kesici takım veya soket olarak kullanılan kesici takım biçimleri Şekil 1 de görülmektedir. Bu tür soketler endüstride çok yaygın olarak kullanılmaktadır [17]. Soketin şekli ve bileşimi ne kadar karmaşık olursa üretim maliyetleri de o derecede artar. Bununla birlikte, testere ağzı, üretim gereksinimleri, kullanım özellikleri ve ekonomik nedenlerden dolayı genellikle karmaşık şekillerin seçilmesine neden olur [17]. Şekil 2 de kullanıma hazır elmaslı soketler verilmiştir. 183

2 M. Kaplan, S. Budak Şekil 1: Çeşitli soket şekilleri. Şekil 2: Elmaslı soketler. II. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Deneysel çalışmalarda kullanılmak üzere dört çeşit soket alaşımı, toz metalurjisi yöntemi ile üretilmiştir. Numunelerin üretiminde % 99,9 saflıkta ve tane iriliği 1,1 200 µm aralığında olan Fe, Cu, Co ve Sn tozları kullanılmıştır. Öncelikle saf Fe, Cu ve Sn dan meydana gelen S1 malzemesi üretilmiştir. Daha sonra bu malzemeye belirli miktarlarda Co ilaveleri yapılarak S2, S3 ve S4 deney malzemeleri üretilmiştir (Tablo 1). Tablo 1. Deneysel çalışmalarda kullanılan soket alaşımlarının % bileşimleri Alaşım Elementleri, Numune % Ağırlığı Fe Cu Co Sn S S S S Piyasadan hazır olarak alınan metal tozları 10-5 g hassasiyetindeki SCALTEC SBC 22 tipi terazi ile daha önceden belirlenen mermer kesici takım soketi toz malzemesine uygun olarak tartılarak karıştırılmaya hazır hale getirilmiştir. Saf haldeki metal tozlarının birbiriyle iyice karıştırılarak üretilecek mermer kesici takım soketi matrisinde homojen bir şekilde dağılmasını sağlamak amacıyla karıştırma işlemi için Furbula ( tipi); kapalı toz hazneli, iki kg toz kapasiteli, üç boyutlu dönebilen bir mikser kullanılmıştır. İlk aşamada alaşım tozları uygun kaplara bırakılmış halde 15 dakika süre ile 20 dev/dak hızda karıştırılmıştır. İkinci aşamada ise çapı 8 mm olan dışı krom kaplı çelik bilyelerle birlikte numunelere % 1 Polietilen Glikol (PEG) eklenerek 30 dakika süre ve 20 dev/dak hızda karıştırılmıştır. Metal kaplı bilye kullanımındaki amaç karışıma katılan PEG in topaklanma oluşumunu engellemek ve karışımın homojen olmasını sağlamaktır. Karıştırma işlemi bittikten sonra deney numunelerinin üretimi için her bir alaşım numunesinden 20 gr olacak şekilde, metal toz karışımı 10-5 g hassasiyetindeki bir terazide tartılarak sıcak presleme işlemine hazır hale getirildi. Hazırlanan bu metal toz alaşımı grafit plakalar kullanılarak hazırlanan boş odacıklara döküldü. Daha sonra metal tozu dökülen kalıp odacıkları üst baskı grafitleriyle kapatıldı. Grafit kalıplar çelik bir çekirdek etrafında tork anahtarı ile baskı pimlerinden kuvvetlice sıkıştırıldı. Grafit kalıpları tutacak olan çelik çekirdek kalıp gövdesi ile grafit kalıplar arasına yalıtım amaçlı malzemeler konuldu. Sıcaklığın doğru olarak okunması için kalıp merkezindeki grafit parçaya 3,5 mm çapında delik delinerek termokopulun ucu tam merkeze yerleştirildi. Bütün bu işlemlerden sonra sinterlenmeye hazır hale getirilen metal toz alaşımı doldurulmuş çelik-grafit kalıp bloğu koruyucu gaz atmosferi altında sıcak presleme işleminin yapılacağı bölüme yerleştirildi. Bu işlemin ardından toz karışımının birim alanı üzerine yaklaşık 5 MPa basınçtan başlayıp sıcaklık 850 o C ye ulaştığında basınç 35 Mpa olacak şekilde baskı yapılarak sabit sıcaklık ve basınçta dört dakika bekletilerek numunelerin sinterlenmesi sağlandı. Daha sonra ısıtma ünitesi devreden çıkarak numunelerin kalıp içerisinde 35 MPa basınçta oda sıcaklığına ulaşıncaya kadar soğuması beklendi. Kalıp soğuduktan sonra çözülerek içindeki sinterlenmiş numuneler çıkartılmıştır. Sıcak presleme yoluyla elde edilen numunelerin sertliklerinin belirlenmesi amacıyla sertlik ölçme cihazında 62,5 kg yük ve 2,5 mm çapında bilye ile numunelerin sertliği Brinell cinsinden ölçülmüştür. Sertliğin tam olarak belirlenmesi için numunelerin orta, uç, ara ve arka bölgelerinden toplam 5 sertlik ölçümü yapılmış ve ortalamaları alınarak her bir numunenin sertlik değeri belirlenmiştir (Şekil 3). Şekil 3: Sertlik ölçüm krokisi 184

3 Bir Mermer Kesici Takımında Co Katkısının Mikroyapı ve Mekanik Özelliklere Etkisi Üretilen deney numunelerinin (mermer kesici soketlerin) mukavemeti, çekme deney numunesi şekil ve boyutlarında olmadığından üç noktalı eğme deneyi ile ölçülmüştür. Eğme deneyleri SCHIMATZU tipi üniversal deney makinesi ile ASTM B a standardına göre gerçekleştirilmiştir. Şekil 4 de gösterilen özel bir aparat yapılarak numunelerin eğilme dayanımları TRAPEZIUMX yazılımı kullanılarak ölçülmüştür. Mikroyapı incelemeleri için numuneler 80, 220, 400, 600, 800, 1000 ve 1200 mesh lik su zımparalarıyla yüzeyleri düzgün hale getirilmiştir. Daha sonra elmas yağlayıcı ve 1 mikronluk elmas pasta kullanılarak numunelerin yüzeyleri çuha ile ayna gibi parlatılmıştır. Parlatma esnasında saf alkol kullanılarak numune yüzeyleri temiz tutulmuştur. Temizlenen yüzeyler uygun kimyasal maddeler (HNO3 ve saf alkol) ile dağlanarak farklı renk tonlarındaki bölgelerin ortaya çıkması sağlanmıştır. gibi artan Co miktarı ile numunelerde belirgin bir sertlik artışı gözlenmiştir. S1 numunesinin sertlik sonucu 120 HB iken % 20 Co ilaveli S4 numunesinin sertlik değeri yaklaşık 145 HB olarak ölçülmüştür. Şekil 5: Artan Co oranına bağlı sertlik ölçüm sonuçları. Şekil 6 incelendiğinde numuneler, üç noktalı eğme testinde teorik olarak kopma noktasına ulaşmışlardır. Ancak deney devam ettirilmediği için gözle görülen bir ayrılma kırılması meydana gelmemiştir Bu sonuçlardan, metal toz karıştırma işleminde önemli derecede bir homojenlik sağlandığı ve sinterleme işleminde de optimum değerlere ulaşıldığı söylenebilir. Özellikle matriste bulunan Cu ve Sn elementlerinin de numunelerin kırılmamasında çok büyük etkisinin olduğu bilinmektedir. Bu nedenle daha önceden planlanan kırık yüzey incelemeleri yapılamamıştır. Şekil 4: Üç noktalı eğme deneyinin şematik görünümü [17]. Numunelerin mikroyapı özelliklerini belirlemek ve sinterleme işleminin başarılı olup olmadığını anlamak amacıyla optik mikroskobu (OM) ve elektron mikroskobu (SEM) incelemeleri yapılmıştır. Bu amaçla F.Ü. Teknik Bilimler Meslek Yüksek Okulu Makine ve Metal Teknolojileri Bölümü ne ait optik mikroskoptan yararlanıldı. Ayrıca Fırat Üniversitesi Elektron Mikroskobu laboratuarında bulunan JEOL JSM 7001F FE-SEM taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile detaylı mikroyapı incelemeleri yapılmıştır. Şekil 6: Üç noktalı eğme deneyi sonuçları. III. DENEY SONUÇLARININ IRDELENMESI Şekil 5 de deney numunelerine ait Co oranına bağlı sertlik ölçüm sonuçları grafiği görülmektedir. Üç nokta eğme deneyi ve sertlik ölçümleri gibi Mekanik deneyler Fe, Cu ve Sn tozuna Co partikül (tozu) ilave edilerek sinterlendiğinde malzemenin sertlik ve mukavemetinde artış olduğunu açıkça ortaya koymuştur. [18]. Şekil 5 te görüldüğü Deney numunelerine ait üç noktalı eğme deneyi grafiği incelendiğinde; S1 numunesinin eğilme mukavemeti 850 MPa olmuştur. S1 numunesi yaklaşık % 45 ile en fazla uzama gösteren numunedir. Deney sonucunda S1 numunesinde kopma/kırılma görülmemiştir. S1 numunesi sonuçları diğer numune sonuçlarıyla karşılaştırıldığında; Co katkılı S2, S3 ve 185

4 M. Kaplan, S. Budak S4 numunelerinin uzama miktarları belirgin bir şekilde azalmıştır. Şekil 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 ve 14 de S1, S2, S3 ve S4 deney numunelerine ait optik mikroskop ve SEM resimleri görülmektedir. Şekil 9: S2 numunesinin optik mikroskop görüntüsü, X 400. Şekil 7: S1 numunesinin optik mikroskop görüntüsü, X 400. Şekil 10: S2 numunesinin SEM görüntüsü, X 500. Şekil 8: S1 numunesinin SEM görüntüsü, X 500. S1 numunesine ait OM ve SEM resimlerine ve yer darlığından burada verilemeyen EDS sonuçlarına bakıldığında diğer numunelerden farklı olarak bu numunede kobalt katkısı olmadığından yapı sadece ile αfe+βcu dan oluşmuş olduğu anlaşılmaktadır. Koyu kısımlar αfe ni açık renkli kısımlar ise αfe+βcu nı temsil etmektedir [19]. Şekil 11: S3 numunesinin optik mikroskop görüntüsü, X

5 Bir Mermer Kesici Takımında Co Katkısının Mikroyapı ve Mekanik Özelliklere Etkisi Şekil 12: S3 numunesinin SEM görüntüsü, X 500. S2 numunesinde, ilgili OM ve SEM resimlerinde görüldüğü gibi kobalt ilavesiyle farklı kontrasta yeni bölgeler meydana gelmiştir. Aynı zamanda diğer numunelerle karşılılaştırıldığında OM resimlerinde siyah renkte görülen boşluklu (porozite) kısımların daha azaldığı fark edilmektedir. S2, S3 ve S4 numunelerinde sırasıyla % kobalt katkılarının ana matrisde çözüldüğü ve bu matrisin Cu esaslı CoSn ile αco+ βcu bileşiklerinden oluştuğu [19] yine OM ve SEM resimleriyle EDS sonuçlarından açıkça anlaşılmaktadır. Tüm numunelere ait OM ve SEM resimleriyle EDS sonuçları incelendiğinde matrisi oluşturan Fe, Cu, Sn ve Co faz ve bileşiklerinin homojen bir dağılım gösterdiği rahatlıkla ifade edilebilir. Bu sonuçlar dikkate alındığında numunelerin sıcak preslenme öncesi yapılan iki aşamalı karıştırma işlemlerinde belirlenen sürelerin yeterli olduğu düşünülmektedir. Burada özellikle matris içerisinde Co ve Cu elementlerinin ikili denge diyagramında görüldüğü gibi birbiri içerisinde katı fazda tamamen karışabilmesinde özellikle 850 C sinterleme sıcaklığının etkili olduğunu da belirtmek gerekir. Deney sonuçları dikkate alındığında sıcak presleme sinterleme sıcaklığı seçiminin de doğru ve yeterli olduğu anlaşılmaktadır. Ayrıca matris içerisinde bulunan Sn elementinin ergime sıcaklığının (232 C) çok üzerinde gerçekleşen sinterleme işlemi sırasında bu elementin matristen ayrılmayarak olumsuz bir etkisi olmamıştır. Çünkü Co-Sn ikili denge diyagramında da görüldüğü gibi αco Sn ile, 500 ile 1121 C arasındaki sıcaklıklarda kararlı bir yapı oluşturmaktadır [19]. Sonuç olarak; Co-Cu-Sn üçlü bir bileşiminden oluşan dengeli bir matris yapısının oluştuğu OM, SEM ve EDS sonuçlarından tespit edilmiştir. Şekil 13: S4 numunesinin optik mikroskop görüntüsü, X 400. IV. SONUÇLAR Bir mermer kesici takım matrisi olan ve Fe, Cu ve Sn tozlarından oluşan alaşımın % Co ilave edilerek sinterlendikten sonra OM ve SEM teknikleriyle mikroyapı değişimi, sertlik ve üç nokta eğme deneyi ile de mekanik özelikleri incelenmiştir. Artan Co katkı miktarına bağlı olarak numunelerin sertliğinin arttığı ve en yüksek sertlik artışının 145 HB ile % 20 kobalt içeren S4 numunesinde olduğu tespit edilmiştir. Numunelerin enine kırılma mukavemetlerinin belirlenmesi amacıyla yapılan üç noktalı eğme deneylerinde; matris malzemesine Co ilave edilmesiyle eğilme mukavemetinin arttığı buna karşın yüzde uzama miktarının önemli miktarda azaldığı sonucu elde edilmiştir. Numunelerin OM ve SEM resimlerinden 850 C sıcaklıkta yapılan sinterleme işleminde boşluk ve bileşenlerin dağılımı açısından yeterli olduğu yani matriste çok fazla miktarda boşlukların bulunmadığı gözlenmiştir. Bu nedenle çalışmamıza konu olan ve metal tozlarından üretilen alaşımın bir mermer kesici takım matris malzemesi olarak denenmeye değer nitelikte olduğu düşünülmektedir. Şekil 14: S4 numunesinin SEM görüntüsü, X

6 M. Kaplan, S. Budak TEŞEKKÜR Yazarlar, bu çalışmanın yürütülmesi ve sonuçlandırılması ile ilgili konularda 1913 nolu proje ile maddi destek sağlayan Fırat Üniversitesi Bilimsel Araştırmalar Projeleri Birimine (FÜBAP), teşekkür etmeyi bir borç bilir. KAYNAKLAR [1] K. Przyklenk, Diamond impregnated tools uses and production. Industrial Diamond Review, 53(4), , [2] W. Tillmann, Trends and market perspectives for diamond tools in the construction industry, International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, 18, , [3] F. Bayram, Elmas lamalı katraklarda kesme verimliliğinin incelenmesi, Yüksek Mühendislik Tezi, Hacettepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 131 s., [4] S. Kulaksız, Y. Özçelik, F. Bayram, N.E. Yaşıtlı, ve K. Atasoy, Elmas lamalı katraklarda kesme verimliliğinin incelenmesi, Hacettepe Üniversitesi Bilimsel Araştırmalar Birimi, Proje No: , 149 s., [5] P. Primavori, Technological developments and the state-of-the art in machinery and installations for extracting and processing stone materials, Marmomacchine Directory, Associazione Italiana Marmomacchine, pp , [6] R.R. Burgess, Man-made diamond for stone processing, Proc. 1st Technical Symposium, Bucharest, Romania, October 5 6, [7] U.N. Thakur, The role of metal powders in manufacturing diamond tools, Proc. Superabrasives'85, Chicago, Illinois, USAS MR85-307, April 22-25, [8] J.D. Dwan, Production of diamond impregnated cutting tools, Powder Metallurgy, vol. 41, No. 2, 84-86, [9] S. Hamar-Thibault, C.H. Allibert, and W. Tillman, Phase constitution of Cu77Sn8Ti14Zr1 as a binder for diamond tools, Proc. International Workshop on Diamond Tool Production, Turin, Italy,, 57-64, November 8-10, [10] M.M. Gasik, Po. Kervinen, M. Kaskiala, and P. Graf, In situ sintering studies of cobalt powders for diamond tools, Prac, International Workshop on Diamond Tool Production, Turin, Italy, , November 8-10, [11] A.S.D. Cram, Hot isostatic pressing, Proc. Seminar on PM Diamond Tools, Lausanne, Switzerland, November 2 3, [12] R.G. Ojeda, M. del Villar, P. Muro, L. Iturriza, and F. Castro, Densification of diamond tools with Co, Ni and Fe based metallic binders, Proc. PM World Congress & Exhibition, Granada, Spain, vol. 49, , [13] R.V. Samvelion, and N.V. Manoukion, Extrusion for diamond tool production, Proc. Seminar on PM Diamond Tools, Lausanne, Switzerland, November 2 3, [14] H.&T. Grüneis, Sintering and brazing all in one, Industrial Diamond" Review, No. 25, 45-47, [15] H.G. Schmid, Diamond tool production using the DIAPLATE process, Proc. Seminar on PM Diamond Tools, Lausanne, Switzerland,, November, 2-3, [16] A. Fiechter, Schneiden und Schweissen mit gepulsten Nd:YAG Laser, Proc. Seminar on PM Diamond Tools, Lausanne, Switzerland,, November, 2-39, [17] E. Çelik, Elmaslı kesici takımlarda alternatif bağlayıcılar, Doktora Tezi, F.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ, 91s, [18] B.S. Ünlü, E. Atik, ve C. Çöllü, Partikül takviyeli demir esaslı Fe-Cu-C malzemenin aşınma ve mekanik özellikleri, C.B.Ü. Soma MYO Teknik Bilimler Dergisi, Cilt:2, Sayı:6, s.1-9, [19] ASM Handbook, Volume 3, Alloy Phase Diagrams. 188