T.C. YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 T.C. YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KESİCİ TAKIMLARIN FONKSİYONEL DERECELENDİRİLMİŞ TiCN ve TiBCN ile KAPLANMASININ KARAKTERİZASYONU CEM ERTEK DOKTORA TEZİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI İMAL USULLERİ PROGRAMI DANIŞMAN PROF. DR. AYŞEGÜL AKDOĞAN EKER İSTANBUL, 2013

2 T.C. YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KESİCİ TAKIMLARIN FONKSİYONEL DERECELENDİRİLMİŞ TiCN ve TiBCN ile KAPLANMASININ KARAKTERİZASYONU Cem ERTEK tarafından hazırlanan tez çalışması 12 / 08 /2013 tarihinde aşağıdaki jüri tarafından Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı nda DOKTORA TEZİ olarak kabul edilmiştir. Tez Danışmanı Prof. Dr. Ayşegül AKDOĞAN EKER Yıldız Teknik Üniversitesi Jüri Üyeleri Prof. Dr. Ayşegül AKDOĞAN EKER Yıldız Teknik Üniversitesi Prof. Dr. Niyazi ERUSLU İstanbul Teknik Üniversitesi Prof. Dr. Müzeyyen MARŞOĞLU Yıldız Teknik Üniversitesi Prof. Dr. Ahmet TOPUZ Yıldız Teknik Üniversitesi Prof. Dr. Hüseyin ÇİMENOĞLU İstanbul Teknik Üniversitesi

3 Bu çalışma, Yıldız Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü nün numaralı projesi ile desteklenmiştir.

4 ÖNSÖZ Doktora çalışmam süresince, gerek mesleki birikimiyle gerek sıkıntıya düştüğüm anlardaki moral desteği ile bana her zaman yardımcı olan, güler yüzünü esirgemeyen, değerli tez hocam Prof. Dr. Ayşegül AKDOĞAN EKER e teşekkürü borç bilirim. Tez izleme jürimde yer almalarından mutluluk duyduğum, görüş ve önerileriyle çalışmalarıma katkıda bulunan kıymetli hocalarım Prof. Dr. Müzeyyen MARŞOĞLU ve Prof. Dr. Niyazi ERUSLU ya da teşekkürlerimi sunarım. Kaplama çalışmalarımı yapabilmem için İ.T.Ü. Prof. Dr. Adnan Tekin Malzeme Bilimleri ve Üretim Teknolojileri Uygulama Araştırma Merkezi olanaklarından yaralanmamı sağlayan Merkez Müdürü Prof. Dr. Onuralp YÜCEL e ve kaplama cihazının kullanımını öğreten, çalışmalarım boyunca yardımcı olan, bilgisini ve hoşgörüyle odasını paylaşan, Arş. Gör. Dr. Tolga TAVŞANOĞLU na teşekkür ederim. Deneysel çalışmalarımda kullandığım yüksek hız çeliği numunelerinin hazırlanmasında hiçbir karşılık beklemeyen ve büyük özen gösteren HATKO Teknik Donanımlar Mümessillik ve Ticaret A.Ş. Genel Müdürü Ragıp KOTAN a, Kalıphane Sorumlusu Okçuhan ÖZÜARI ya ve emeği geçen çalışanlara teşekkür ederim. Ayrıca sert metal uç numunelerde ihtiyaç duyduğum elektro-erozyon işlemlerinde karşılıksız yardımcı olan Tor-Su Soğutma Malzemeleri Sanayi ve Tic. Ltd. Şti. Genel Müdürü Tahsin AYIK a teşekkür ederim. En büyük teşekkürü, haklarını ödeyemeyeceğimin bilinci içerisinde, büyük özverilerle beni bu günlere getiren annem Nevbahar ERTEK ve babam Fikri ERTEK e sunuyorum. Doktora çalışmam boyunca, yaşadığım olumlu olumsuz her şeyde yanımda olan, fedakârlığı, dostluğu, sevgisi ile gönülden desteğini her zaman hissettiğim sevgili eşim Seyhan ŞİMŞEK ERTEK e ve günün bütün yorgunluğunu, gerginliğini küçücük bir gülümseyişiyle bile silip atmamı sağlayan oğlum Çınar ERTEK e de sonsuz teşekkürlerimi sunuyorum. Temmuz, 2013 Cem ERTEK

5 İÇİNDEKİLER Sayfa SİMGE LİSTESİ... viii KISALTMA LİSTESİ... ix ŞEKİL LİSTESİ... x ÇİZELGE LİSTESİ... xiv ÖZET... xv ABSTRACT... xviii BÖLÜM 1 GİRİŞ... 1 BÖLÜM Literatür Özeti Tezin Amacı Orijinal Katkı... 6 KESİCİ TAKIMLAR Kesici Takımların Tarihsel Gelişimi Kesici Takım Malzemeleri Takım Çelikleri Sinter Karbürler Kaplamalı Karbür Takımlar Seramikler Sermetler Elmas Kübik Bor Nitrür (CBN) Süper Sert Kesiciler Çok Kristalli Elmas (PCD) v

6 BÖLÜM Çok Kristalli Kübik Bor Nitrür (PCBN) Kesici Takım Malzemelerinin Sınıflandırılması Kesici Takım Seçim Kriterleri Kesici Takımlardan Beklentiler KESİCİ TAKIM KAPLAMA YÖNTEMLERİ BÖLÜM Fiziksel Buhar Biriktirme (PVD) Yöntemi Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) Yöntemi PVD ve CVD Yöntemlerinin Genel Karşılaştırılması Kesici Takımların Kaplanmasında PVD ve CVD Yöntemleri İNCE FİLM KAPLAMA BÖLÜM İnce Filmlerde Çekirdeklenme ve Büyüme Mikro Yapı ve Yapısal Zonlar FONKSİYONEL DERECELENDİRİLMİŞ MALZEMELER VE KAPLAMALAR BÖLÜM Fonksiyonel Derecelendirilmiş Malzemeler Fonksiyonel Derecelendirilmiş Kaplamalar Fonksiyonel Derecelendirilmiş Malzemelerin Kullanım Alanları DENEYSEL ÇALIŞMALAR Altlık ve Kaplama Malzemeleri Numune Hazırlama Numunelerin Kaplanması Kaplama Analizleri SEM Görüntüleri ve Çizgisel Analiz XRD Analizleri Mikrosertlik Ölçümleri Aşınma (Ball-on-Plate) Testi Profilometre ile Aşınma İzi Ölçümleri Çizik Testi Talaş Kaldırma Çalışmaları Takım Tutucu Seçimi İş Parçası Malzemelerinin Belirlenmesi Kesme Parametrelerinin Belirlenmesi vi

7 BÖLÜM Takım Aşınması Ölçümleri İş Parçası Yüzey Pürüzlüğünün Ölçümleri DENEYSEL ÇALIŞMA SONUÇLARI BÖLÜM SEM Görüntüleri ve Çizgisel Analiz Sonuçları XRD Analizi Sonuçları Mikrosertlik Ölçümü Sonuçları Aşınma (Ball-on-Plate) Testi Sonuçları Aşınma İzinin Profilometre ile Ölçümü Sonuçları Çizik Testi Sonuçları Takım Aşınması Ölçümü Sonuçları İş Parçası Yüzey Pürüzlülüğünün Ölçüm Sonuçları SONUÇ VE ÖNERİLER KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ vii

8 SİMGE LİSTESİ a p ƒ L c1 L c2 L c3 T m T s V Kesme derinliği İlerleme hızı İlk çatlağın oluştuğu kritik yük Kaplamanın kırıldığı kritik yük Kaplamanın tabakalar halinde yüzeyden atıldığı kritik yük Kaplanan malzemenin ergime sıcaklığı Kaplama sıcaklığı Kesme hızı viii

9 KISALTMA LİSTESİ AES Auger Electron Spectroscopy APS Plazma Sprey CVD Chemical Vapour Deposition (Kimyasal Buhar Biriktirme) DC MS Direct Current Magnetron Sputtering (Doğru Akım Manyetik Sıçratma) DLC Diamond Like Carbon EDS Energy Dispersive Spectroscopy (Enerji Dağılımlı Spektrometresi) ER Kenar Yuvarlatma FDK Fonksiyonel Derecelendirilmiş Kaplama FDM Fonksiyonel Derecelendirilmiş Malzeme FGM Functionally Graded Material (Fonksiyonel Derecelendirilmiş Malzeme) HVOF Yüksek Hızlı Alev Püskürtme MCD Mono Crystalline Diamond (Tek Kristalli Elmas) PCD Poli Crystalline Diamond (Çok Kristalli Elmas) PVD Physical Vapour Deposition (Fiziksel Buhar Biriktirme) RF MS Radio Frequency Magnetron Sputtering (Radyo Frekansı Manyetik Sıçratma) SEM Scanning Electron Microscope (Taramalı Elektron Mikroskobu) TEM Transmission Electron Microscopy (Transmisyon Elektron Mikroskobu) TiBCN Titanyum Bor Karbonitrür TiCN Titanyum Karbonitrür XRD X-Ray Diffraction (X Işını Kırınımı) XPS X-Ray Photoelectron Spectroscopy (X Işını Fotoelektron Spektroskopisi) YHÇ Yüksek Hız Çeliği ix

10 ŞEKİL LİSTESİ Sayfa Şekil 2. 1 Kesici takımlar... 8 Şekil 2. 2 Sinter karbürlerin imalat aşamaları Şekil 2. 3 Kesici takım kaplaması Şekil 2. 4 Kesici takımların 2005 yılında dünyadaki tahmini kullanım oranları Şekil 2. 5 Tek kristalli blok yapıda elmas (a) ve çok kristalli çok yüzlü elmas (b) Şekil 2. 6 Takım malzemelerinin kesme sıcaklıklarındaki sertlik değişimleri Şekil 3. 1 Buharlaştırma temelli kaplama yöntemleri Şekil 3. 2 Fiziksel buhar biriktirme sistemi Şekil 3. 3 Kimyasal buhar biriktirme sistemi Şekil 3. 4 Fiziksel ve kimyasal buhar biriktirme yöntemleri Şekil 3. 5 Çok tabakalı kaplanmış sinter karbür kesici uç yapısı Şekil 4. 1 İnce film büyüme modelleri Şekil 4. 2 Movchan ve Demchishin yapısal bölgeler modeli Şekil 4. 3 Thornton yapısal bölgeler modeli Şekil 5. 1 Farklı malzeme yapıları a) Homojen b) Katmanlı c) Fonksiyonel dereceli.. 37 Şekil 5. 2 Uzay mekiği Şekil 5. 3 Türbin kanatları (a) ve motor bloğu (b) Şekil 5. 4 Citizien in Duratect-Titan Saati Şekil 5. 5 Plastik optik fiber Şekil 5. 6 İmplant Şekil 5. 7 Beyzbol ayakkabısı Şekil 5. 8 Tıraş makinesi bıçakları Şekil 5. 9 Kesici uçlar x

11 Şekil 6. 1 Kalınlığı 2 µm den ince kaplama Şekil 6. 2 Katmanlı yapıya sahip kaplama Şekil 6. 3 Altlık yüzeyine tutunamayan kaplama Şekil 6. 4 Yüksek hız çeliği deneysel çalışma numunesi Şekil 6. 5 Yüksek hız çeliği ön deneysel çalışma numunesi Şekil 6. 6 Sinterlenmiş karbür ön deneysel çalışma numunesi Şekil 6. 7 Deneysel çalışmalarda kullanılan kaplama cihazı Şekil 6. 8 Ultrasonik temizlik cihazı Şekil 6. 9 Doğru akım manyetik sıçratma (DC MS) yönteminin çalışma ilkesi Şekil Kaplama öncesi ve sonrası ön deneysel çalışma numuneleri Şekil Kaplama öncesi ve sonrası kesici takımlar Şekil Taramalı elektron mikroskobu (SEM)(JEOL JSM 7000F) Şekil Bruker D8 Advance XRD cihazı Şekil Mikrosertlik ölçüm cihazı Şekil Aşınma testi cihazı Şekil Veeco Dectak 8 Profilometre cihazı Şekil Çizik testi cihazı Şekil Talaş kaldırma çalışmalarında kullanılan CNC torna tezgâhı Şekil Takım tutucu Şekil Takım aşınması ölçümlerinde kullanılan makro büyütmeli mikroskop Şekil Tornalamada kullanılan kesici takımlarda aşınma Şekil İş parçası yüzey pürüzlülüğünün ölçüldüğü profilometre Şekil 7. 1 TiCN kaplamanın 7500x SEM görüntüsü Şekil 7. 2 TiBCN kaplamanın 7500x SEM görüntüsü Şekil 7. 3 TiCN kaplama için çizgisel analiz testi Şekil 7. 4 Kaplama kalınlığı boyunca a) Titanyum b) Karbon c) Azot dağılımları Şekil 7. 5 TiBCN kaplama için çizgisel analiz testi Şekil 7. 6 Kaplama kalınlığı boyunca a) Titanyum b) Bor c) Karbon d) Azot dağılım.. 69 Şekil 7. 7 Kaplamanın 7500x SEM görüntüleri 1. numune Şekil 7. 8 Kaplama bileşenlerinin fonksiyonel değişim grafikleri 1. numune Şekil 7. 9 Kaplamanın 7500x SEM görüntüleri 2. numune Şekil Kaplama bileşenlerinin fonksiyonel değişim grafikleri 2. numune Şekil Kaplamanın 7500x SEM görüntüleri 3. numune Şekil Kaplama bileşenlerinin fonksiyonel değişim grafikleri 3. numune Şekil Kaplamanın 7500x SEM görüntüleri 4. numune Şekil Kaplama bileşenlerinin fonksiyonel değişim grafikleri 4. numune Şekil Kaplamanın 7500x SEM görüntüleri 5. numune xi

12 Şekil Kaplama bileşenlerinin fonksiyonel değişim grafikleri 5. numune Şekil XRD paterni 1. numune Şekil XRD paterni 2. numune Şekil XRD paterni 3. numune Şekil XRD paterni 4. numune Şekil XRD paterni 5. numune Şekil TiCN kaplama sertlik aralığı Şekil TiBCN kaplama sertlik aralığı Şekil Sertlik değerleri 1. numune Şekil Sertlik değerleri 2. numune Şekil Sertlik değerleri 3. numune Şekil Sertlik değerleri 4. numune Şekil Sertlik değerleri 5. numune Şekil Sürtünme katsayısı grafiği 1. numune Şekil Sürtünme katsayısı grafiği 2. numune Şekil Sürtünme katsayısı grafiği 3. numune Şekil Sürtünme katsayısı grafiği 4. numune Şekil Sürtünme katsayısı grafiği 5. numune Şekil Kaplamada oluşan aşınma izi ölçümü 1. numune Şekil Kaplamada oluşan aşınma izi ölçümü 2. numune Şekil Kaplamada oluşan aşınma izi ölçümü 3. numune Şekil Kaplamada oluşan aşınma izi ölçümü 4. numune Şekil Kaplamada oluşan aşınma izi ölçümü 5. numune Şekil Çizik testi grafiği (--- Normal kuvvet, --- Sürtünme kuvveti) Şekil Kaplama deformasyon aşamalarının optik mikroskop görüntüleri Şekil Çizik testi grafiği (--- Normal kuvvet, --- Sürtünme kuvveti) - 1. numune. 89 Şekil Çizik testi sonucu optik mikroskop görüntüsü - 1. numune Şekil Çizik testi grafiği (--- Normal kuvvet, --- Sürtünme kuvveti) - 2. numune. 90 Şekil Çizik testi sonucu optik mikroskop görüntüsü - 2. numune Şekil Çizik testi grafiği (--- Normal kuvvet, --- Sürtünme kuvveti) - 3. numune. 91 Şekil Çizik testi sonucu optik mikroskop görüntüsü - 3. numune Şekil Çizik testi grafiği (--- Normal kuvvet, --- Sürtünme kuvveti) - 4. numune. 92 Şekil Çizik testi sonucu optik mikroskop görüntüsü - 4. numune Şekil Çizik testi grafiği (--- Normal kuvvet, --- Sürtünme kuvveti) - 5. numune. 93 Şekil Çizik testi sonucu optik mikroskop görüntüsü - 5. numune Şekil YHÇ takımların ömür çizelgeleri Şekil WC takımların ömür çizelgeleri xii

13 Şekil YHÇ kaplamasız takımın başlangıç görüntüleri Şekil YHÇ kaplamasız takımın orta düzey aşınma görüntüleri Şekil YHÇ kaplamasız takımın teorik sınır aşınma görüntüleri Şekil YHÇ katmanlı kaplamalı takımın başlangıç görüntüleri Şekil YHÇ katmanlı kaplamalı takımın orta düzey aşınma görüntüleri Şekil YHÇ katmanlı kaplamalı takımın teorik sınır aşınma görüntüleri Şekil YHÇ FD kaplamalı takımın başlangıç görüntüleri Şekil YHÇ FD kaplamalı takımın orta düzey aşınma görüntüleri Şekil YHÇ FD kaplamalı takımın teorik sınır aşınma görüntüleri Şekil WC kaplamasız takımın başlangıç görüntüleri Şekil WC kaplamasız takımın orta düzey aşınma görüntüleri Şekil WC kaplamasız takımın teorik sınır aşınma görüntüleri Şekil WC katmanlı kaplamalı takımın başlangıç görüntüleri Şekil WC katmanlı kaplamalı takımın orta düzey aşınma görüntüleri Şekil WC katmanlı kaplamalı takımın teorik sınır aşınma görüntüleri Şekil WC FD kaplamalı takımın başlangıç görüntüleri Şekil WC FD kaplamalı takımın orta düzey aşınma görüntüleri Şekil WC FD kaplamalı takımın teorik sınır aşınma görüntüleri Şekil YHÇ takımlarla işlenen parçanın yüzey pürüzlülüğü Şekil WC takımlarla işlenen parçanın yüzey pürüzlülüğü xiii

14 ÇİZELGE LİSTESİ Sayfa Çizelge 2. 1 Sert metal uçlu takımlar için ISO kalite sınıflandırması Çizelge 6. 1 Kalınlığı 2 µm den ince kaplama için kaplama koşulları Çizelge 6. 2 Katmanlı yapıya sahip kaplama için kaplama koşulları Çizelge 6. 3 Altlık yüzeyine tutunamayan kaplama için kaplama koşulları Çizelge 6. 4 Sinterlenmiş karbür deneysel çalışma ana numunesi Çizelge 6. 5 Sinterlenmiş karbür ön deneysel çalışma numunesi Çizelge 6. 6 Standart kesme koşulları Çizelge 6. 7 Kesme koşulu sınırları Çizelge 7. 1 TiCN kaplama için kaplama koşulları Çizelge 7. 2 TiBCN kaplama için kaplama koşulları Çizelge 7. 3 Kaplama koşulları 1. numune Çizelge 7. 4 Kaplama koşulları 2. numune Çizelge 7. 5 Kaplama koşulları 3. numune Çizelge 7. 6 Kaplama koşulları 4. numune Çizelge 7. 7 Kaplama koşulları 5. Numune xiv

15 ÖZET KESİCİ TAKIMLARIN FONKSİYONEL DERECELENDİRİLMİŞ TiCN ve TiBCN ile KAPLANMASININ KARAKTERİZASYONU Cem ERTEK Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Doktora Tezi Tez Danışmanı: Prof. Dr. Ayşegül AKDOĞAN EKER 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 (Al 2 O 3 ) 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. xv

16 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 (a p ) 2,5 mm, ilerleme hızı (ƒ) 0,25 mm/dev, kesme hızları ise yüksek hız çeliği takımlar için 40 m/dak, sinter karbür takım için 100 m/dak olarak belirlenmiştir. xvi

17 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. Anahtar Kelimeler: Yüksek hız çeliği, sinter karbür, titanyum karbonitrür, titanyum bor karbonitrür, manyetik sıçratma, fonksiyonel derecelendirilmiş kaplama, talaşlı işleme, takım ömrü, pürüzlülük YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ xvii

18 ABSTRACT CHARACTERIZATION OF FUNCTIONALLY GRADED TiCN AND TiBCN COATING OF CUTTING TOOLS Cem ERTEK Department of Mechanical Engineering Ph.D. Thesis Advisor: Prof. Dr. Ayşegül AKDOĞAN EKER Shortening the processing time and increasing the efficiency have been a need in machining at all times. The search for improving the properties of cutting tools in order to fulfill this need continues today. In addition to continuous developments in materials of cutting tools provided by the search every passing day, coating the surfaces of the existing cutting tools has been evaluated as more economical and more efficient solution. The purpose of coating the cutting tools is to improve the surface properties of the substrate material. Coating material must be compatible with substrate material and it must have a better high temperature, wear and friction resistance than substrate material. Thus, both the tool life is extended and the efficiency is increased. Studies deal with coating of cutting tools was started in the 1970s and coated tools were recognized as an important development in machining. Titanium carbide (TiC), titanium nitride (TiN), titanium carbonitride (TiCN), cubic boron nitride (CBN), chromium nitride (CrN) and aluminum oxide (Al 2 O 3 ) are among the most widely used coating materials. Coating studies focused on especially high-speed steel and sintered carbide cutting tools as they have wide application area. xviii

19 In traditional coating studies, ceramic based materials are coated in the form of layers on metal based substrate materials. In this type of coatings, having different thermal expansion coefficients of the layers is an important problem. As a result of occurring high temperatures during metal cutting, the different thermal expansions take place between the layers. Different expansions cause micro-cracks and this reduces the coating life. As a result of efforts to prevent the formation of the micro cracks, functional graded coatings (FGC) has been developed. These kinds of coatings are non-layered and properties of coating material vary functionally along the coating thickness. The different thermal expansions in layered coatings are not seen in non-layered coatings therefore micro-cracks caused by thermal expansion differences are not observed. As a result of literature reviews, it has been considered that there is not enough research on the functional graded (FG) TiCN and TiBCN coatings of cutting tools. In this study, two different substrate materials, which are high-speed steel and sintered carbide, to be coated as functionally graded with titanium carbonitride (TiCN) and titanium boron carbonitride (TiBCN) has been aimed. It has been seen that, in the literature research and search of commercial use of cutting tools the thicknesses of coating were in the range of 3-9 µm. Before coating of main substrate materials, the coating conditions needed for targeted thickness and structure have been determined by means of pre-experimental studies. Coatings have been made by magnetic sputtering method. Firstly, scanning electron microscopy (SEM) images have been taken and linear EDS analyses have been realized for the characterization of the coatings. As a result of the images and linear analyses, it has been seen that both titanium carbonitride (TiCN) and titanium boron carbonitride (TiBCN) coatings had targeted structure (FD) and thickness of 3-9 µm. Then, in order to determine characterization of coatings, XRD analysis, scratch test, wear test and hardness measurement have been performed. After the characterization of the coatings, machining lifes of high speed steel and sintered carbide tools have been tested without using any cutting fluid. Due to structural differences, usage areas and operational parameters of high speed steel and sintered carbide tools also differ from each other. Hence, performing of machining life tests of two different tools using two different materials have been preferred. The workpieces to be machined for both tools have also been noted to depict commonly using materials in manufacturing. AISI 1040 has been machined by using high speed steel, while AISI 4140 has been machined by using sinter carbide tools. For both tools, depth of cut (a p ) of 2.5 mm, feed rate (ƒ) of 0.25 mm/rev have been determined. Cutting speed for high-speed steel and sintered carbide tools have been selected to be 40 m/min and 100 m/min, respectively. xix

20 Uncoated, laminar TiBCN coated and functionally graded TiBCN coated highspeed steel and sinter carbide tools have been in machining. Thus, tool lifes of both uncoated and coated and laminar coated and functionally graded coated tools have been compared. At the end of machining, it has been seen that functionally graded coated tools have longer life than laminar coated tools. In addition, Wear Time graphs have been drawn for high speed steel and sinter carbide tools. The effects of worn tools on the workpiece surface roughness have also been investigated along with tool life determination. The roughness of the surface machined with functionally graded coated tools has been less than that of machined with laminar coated tools. Roughness-Time graphs have been drawn for AISI 1040 and AISI 4140 workpieces. Keywords: High-speed steel, sintered carbide, titanium carbonitride, titanium boron carbonitride, magnetic sputtering, functionally graded coating, machining, tool life, roughness. YILDIZ TECHNICAL UNIVERSITY GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES xx

21 BÖLÜM 1 GİRİŞ Teknolojinin ilerlemesi sonucunda malzemelerin maruz kaldıkları çalışma koşulları da ağırlaşmaktadır. Eskiye oranla daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilen, korozif ortamlara daha dayanıklı, daha az aşınarak daha uzun süre hizmet verebilen, daha düşük sürtünme direncine, daha sert yüzeye ve benzeri niteliklere sahip malzemelere gereksinim duyulmaktadır. Ortaya çıkan ihtiyacı, malzemenin tamamının niteliğini iyileştirerek karşılamak yerine, yüzey kaplama işlemleri ile karşılamak daha ekonomiktir. Bu şekilde hem yüzeyi sert, aşınma dayanımı artırılmış, hem de tokluğu yüksek malzemeler elde etmek mümkün olur. Otuz yıldan uzun bir süredir yüksek sertliğe ve aşınma direncine sahip kaplamalar üzerine çalışmalar sürdürülmektedir. TiN, TiAlN, TiC, SiC, WC, Al 2 O 3 ve elmas benzeri karbon (DLC) gibi seramik esaslı kaplamalardan; uzay sanayinde, otomotivde, makine parçalarında, kesici takımlarda, pres kalıplarında ve benzeri endüstriyel uygulamalarda yararlanılmaktadır. Geleneksel anlamda katmanlı yapıya sahip kaplamalarda, kaplama katmanları ve altlık malzemelerinin ısıl genleşme katsayıları farklıdır. Özellikle yüksek sıcaklıkların bulunduğu ortamlarda, ani ya da büyük sıcaklık değişimleri farklı ısıl genleşme katsayılarından ötürü yapıda farklı gerilme dağılımlarına neden olur. Bu durum, hem kaplama katmanları hem de altlık ile kaplama arasında çatlaklar meydana getirir. Dolayısıyla alışılageldik kaplama sistemleri ile karşılanamayan ihtiyaçların giderilmesine gereksinim duyulmuştur. Söz konusu ihtiyacın giderilmesine yönelik başlatılan çalışmalar sonucunda fonksiyonel derecelendirilmiş kaplamalar, mikro yapıları kalınlıkları boyunca sürekli değişen, yeni nesil kaplamalar olarak geliştirilmişlerdir. 1

22 1.1 Literatür Özeti Fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeler kavramı ilk kez 1984 yılında Japonya Sendai deki malzeme bilimciler tarafından termal bariyer malzemeleri hazırlama çalışmalarında gündeme gelmiştir. Metal-seramik bağlantısı için Derecelendirilmiş ara katman kavramı ise ilk kez Kawasaki ve Watanabe tarafından önerilmiştir. O zamandan beri, fonksiyonel derecelendirme teknolojisinden yararlanılarak yüksek performanslı ısıl dirence sahip malzemeler geliştirme çabası sürmektedir de ise Japon hükümeti Bilim ve Teknoloji Kurumu nun desteklediği Termal- Gerilim Boşalması için Fonksiyonel Derecelendirilmiş Malzemelerin Gelişimi Üzerine Temel Teknoloji Araştırmaları adlı bir proje başlatılmıştır. Bu projede, devlet araştırma enstitülerinden, üniversitelerden ve özel firmalardan 17 bilim adamı bir araya gelmiştir. Projenin amacı, uzay programı için ileri düzeyde ısıl kalkan niteliğinde malzeme yapısı geliştirmek olmuştur. Uzay araçlarının yüzey sıcaklığının 2100 K e kadar yükseldiği tahmin ediliyordu. Bu nedenle uzay mekiği dış malzemesinin 2100 K kadar yüksek sıcaklığa ve 1600 K lik sıcaklık farklılıklarına dayanabilmesi gerekiyordu. Japonya Sendai de başlatılan çalışmalarla temelleri atılan fonksiyonel derecelendirilmiş malzemelerden daha sonra farklı alanlarda da yararlanılmaya başlanmıştır [1]. Örneğin biomekanik, otomotiv, havacılık, inşaat, nükleer ve denizcilik alanlarında geniş uygulamaları vardır. Fonksiyonel derecelendirilmiş malzemelerle ilgili ya sürekli yeni uygulama alanları bulunmakta ya da var olanlarda yeni gelişmeler sağlanmaktadır [2]. Fonksiyonel derecelendirme kavramı, zaman içerisinde kaplama alanında da kendine yer edinmiş ve geleneksel çok katmanlı kaplamalar yerine farklı malzemeler ve yöntemler kullanılarak, fonksiyonel derecelendirilmiş kaplamalar üzerine çalışmalar yapılmaya başlanmıştır. Derecelendirilmiş kaplamaların aşınma, sürtünme gibi çeşitli tribolojik özelliklerinin yanı sıra yüksek sıcaklık dayanımları, kırılma mekanizmaları gibi farklı yönleri de çeşitli modellemelere ya da deneysel incelemelere konu olmuştur. M. Kashtalyan ve arkadaşları, çalışmalarında, yatay yüklemeye tabi tutulmuş kalınlığı belirli bir fonksiyonel derecelendirilmiş kaplama (FDK) ile altlık malzeme sistemini, üç boyutlu elastisite teorisi ile analiz etmişlerdir. Kaplamanın Young modülünün kalınlık 2

23 boyunca eksponansiyel değiştiğini, Poisson oranının ise sabit kaldığını kabul etmişlerdir. Homojen bir kaplama ile fonksiyonel derecelendirilmiş kaplamayı karşılaştırmışlar ve kaplama türü, geometrisi ve yükleme ile ilgili gerilime ve alan değişimine bağlı olarak kaplama-altlık ilişkisini incelemişlerdir [3]. L.A. Dobrzanski ve arkadaşları, katodik ark buharlaştırmalı PVD (CAE-PVD) yöntemi kullanılarak sinterlenmiş takımlar üzerine fonksiyonel derecelendirilerek yapılan Ti(C, N) ve (Ti, Al)N kaplamalar konusunda çalışmışlardır. Kaplamaların metalografik analizlerini, elementlerin kaplama yüzeyindeki dağılımlarının belirlenmesini SEM, XRD ve EDS kullanarak yapmışlardır. Ayrıca yapılan analizlere ek olarak, kaplamanın altlığa tutunma niteliğini belirlemek için çizik testi ve hem kaplama öncesi hem de PVD işlemi sonrasında yüzey pürüzlülükleri ölçüm yöntemleriyle kaplamanın mekanik özelliklerini de incelemişlerdir. Yapılan araştırma, incelenen malzemelerin, yoğun yapılarının karakteristik ve yüzey çatlak topografyalarının özellikle oksit seramik malzemeler için kırılganlığının kanıtı olduğunu göstermiştir [4]. D.V. Shtansky ve arkadaşları ise doğru akım manyetik sıçratma yönteminden yararlanarak, argon atmosferinde veya reaktif Ar+N 2 gaz karışımında, Ti 5 Si 3 +Ti ve Ti 5 Si 3 +TiN sitokiyometrisinde oluşturdukları Ti Si N filmlerin kıyaslaması üzerine bir araştırma yapmışlardır. Ti Si N filmlerin mikro yapıları, fazları ve kimyasal kompozisyonları, XRD, Transmisyon elektron mikroskobu (TEM), X ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ve Auger elektron spektroskopisi (AES) ile incelemişlerdir. Filmleri, sertlikleri, elastisite modülleri, elastik toparlanmaları ve yüzey topografileri açısından değerlendirmişlerdir [5]. D. Zhonga ve arkadaşları, TiB 2 TiC kompozit hedef malzemelerinin farklı argon-azot atmosferlerinde kullanıldığı radyo frekansı manyetik sıçratma (RF MS) yöntemi ile biriktirilen Ti B C N ince filmlerin tribolojik performanslarını, mekaniksel ve yapısal özelliklerini incelemişlerdir. Yaptıkları çalışmada, oluşturdukları kompozit filmlerin sertliklerini, Young modüllerini, film adezyonunu ve artık gerilmeleri içeren mekanik özellikleri ile filmin tribolojik davranışlarını birlikte vermişlerdir. En iyi özelliklere ve performansa 50nm kalınlığındaki titanyum ara katman ve 50V luk bias voltajında ulaşmışlardır. Kaplamanın yapıldığı atmosferin azot içeriğindeki değişim, film 3

24 özelliklerini ve performansını çok az etkilemiştir. %10 azot içeren argon-azot atmosferinde biriktirilen Ti B C ve Ti B C N filmler, altlık malzemeye en iyi tutunmayı, en düşük artık gerilmeyi ve en iyi tribolojik performansı sergileyen filmler olmuşlardır. Genelde, bu Ti B C N ince filmler, mühendislik aşınma uygulamaları için en uygun kompozit film sistemini vaat etmiştirler [6]. Fitzsimmons ve arkadaşları, titanyum ve alaşımlarının yüksek hızda işlenmelerindeki sorunları ele aldıkları çalışmalarında, yüksek sıcaklık deformasyonuna dayanıklı altlıklar üzerine WC-Co kaplamaların biriktirildiği bir CVD yöntemi geliştirmişlerdir. Sırasıyla WF 6 -CH 4 -H 2 ve CoCl 2 -H 2 sistemlerini WC ve Co fazların biriktirilmede kullanmışlardır. Taramalı elektron mikroskobu ile yapılan karakterizasyon, piyasada bulunan sinterlenmiş WC-Co ile benzer mikro yapı ortaya koymuştur. XRD analizi de beraber biriktirilmiş kaplamalar içerisinde iki farklı fazın varlığını doğrulamıştır. Her ne kadar sinter karbür altlık üzerine tutunma sorun olmasa da fonksiyonel derecelendirilmiş ara yüzey kaplaması sinter karbür üzerine tutunmayı iyileştirmek için kullanılmıştır. Bu kaplamaların talaşlı imalat karakteristiklerini değerlendirmek için Ti-6% Al-4% V alaşımı tornalanmıştır. Bu testler, kaplamaların, kimyasal aşınma direncini artırdığını bu nedenle de titanyum ve alaşımlarının yüksek hızda işlenmelerinde etkili bir şekilde kullanılabileceklerini göstermiştir [7]. Choy ve arkadaşları çalışmalarında, 304 paslanmaz çelik ve Ti 6Al 4V altlık üzerine elmas benzeri karbon (DLC) kaplamanın tutunmasını iyileştirmek için çeşitli fonksiyonel derecelendirilmiş DLC kaplamalar geliştirmişlerdir. Titanyum alaşımı altlıklar üzerine Ti/TiN/TiNC/DLC ve Ti/TiC/DLC; paslanmaz çelik altlıklar üzerine de Ti/TiN/TiNC/DLC fonksiyonel derecelendirilmiş kaplama sistemlerini araştırmışlardır. Kaplamaları, manyetik sıçratmalı iyon kaplama tekniği kullanılarak gerçekleştirmişlerdir. Kaplanmış altlıkların yapıları, kompozisyonları ve mekanik özelliklerinin karakterizasyonunda, XRD, Raman spektroskopisi, SEM, çizik testi ve pin-on-disk yöntemlerini kullanmışlardır. Biriktirilen fonksiyonel derecelendirilmiş DLC filmleri grafit ağırlıklı hidrojenlenmiş amorf karbondan oluşturmuşlardır. Fonksiyonel derecelendirilmiş yapılarla hem tutunmayı hem de metalik altlık üzerine uygulanan DLC kaplamaların aşınma direncini iyileştirmişlerdir [8]. 4

25 1.2 Tezin Amacı Günümüzde, kesici takımların niteliklerini iyileştirmeye yönelik kaplama çalışmalarına devam edilmektedir. Kaplamalar, kesici takımların zor koşullarda maruz kaldıkları yüksek sıcaklık, aşınma ve benzeri şartlarda da kullanılabilmelerini sağlamakta, sıcaklık dayanımını artırmakta, oluşturdukları yüksek sertlikler sayesinde takım aşınmasını geciktirmekte, dolayısıyla takım ömrünü artırmaktadırlar. Talaşlı imalatta en çok tercih edilen takım olmaları nedeniyle özellikle yüksek hız çeliği veya sinterlenmiş karbürden imal edilen kesici takımlar, ömürlerinin, performanslarının artırılması talaşlı imalat maliyetlerinin düşürülmesi amacıyla farklı yöntemler ve malzemelerle kaplanmaktadırlar. Esas olarak PVD (Fiziksel Buhar Yöntemi) ve CVD (Kimyasal Buhar Yöntemi) olmak üzere uygulanan iki farklı kaplama yöntemi vardır. Her iki yöntemde de geleneksel olarak çok katmanlı kaplama uygulamaları yapılmaktadır. Ancak, talaş kaldırma esnasında oluşan yüksek sıcaklıklarda, kaplama katmanlarının ısıl genleşme katsayıları farklı olduğundan, birbirlerine göre farklı genleşmeler sergilerler. Söz konusu bu durum, kaplama yapısında mikro çatlaklara neden olmaktadır. Oluşan bu çatlaklar, kaplama kalınlığınca devam eden, boyuna (dikey) çatlakları da meydana getirmektedir. Zamanla kaplamanın, çatlaklar sebebiyle mozaik yapı şekline dönüşmesine ve bir kısmının da dökülmesine, dolayısıyla beklenenden daha kısa sürede yitirilmesine yol açmaktadır. Çalışmanın amacı, geleneksel çok katmanlı yapıda değil, kesici takımla temas ettiği yüzeyde tok, ancak kaplama üst yüzeyine doğru istenilen aşınma dayanımını da sağlayacak şekilde giderek sertleşen yani fonksiyonel değişen yapıda, katmansız, yekpare bir kaplama yapmaktır. Böylece ısıl genleşme farklılıklarının neden olduğu mikro çatlakların da önüne geçerek kaplama ömrünü dolayısıyla takım ömrünü artırmanın ve talaşlı imalat maliyetlerini azaltmanın mümkün olacağı düşünülmüştür. 5

26 1.3 Orijinal Katkı Günümüzde, farklı malzemeler ve işlemler için farklı kaplamalar kullanılmaktadır. Genel olarak talaşlı imalat takımlarında TiN, TiC, TiAlN, Al 2 O 3, ZrN gibi sert seramik kaplamalar; şekil verme ve döküm kalıplarında ise CrN kaplamalar iyi sonuç vermektedir. TiNbN, TiBN, ZrB, ZrBN, MoN, TiCrN, HfN, AIN, Al 2 O 3, TiAIBN ve elmas benzeri karbon (DLC) gibi yeni tür sert seramik kaplamaların geliştirilmesine yönelik araştırmalar devam etmektedir. Ancak elmas, demir dışı metaller için iyi bir işleme verimi sağlamasına karşın, karbon içerikli malzemelerle kimyasal reaksiyona girme riski nedeniyle çeliği işlemek için hiç uygun değildir. Titanyum (Ti), karbon (C) ve azot (N), seramik kaplamaların tamamına yakın bir kısmında kullanılmaktadır. Titanyum ve azot kullanılarak oluşturulan TiN kaplamaların düşük sürtünme katsayıları, işlenen malzemenin, kesici takımın talaş yüzeyine yapışma eğilimini azaltır. Titanyum karbonitrürün (TiCN), karbon ilavesinden dolayı titanyum nitrüre (TiN) kıyasla % 30 daha yüksek yüzey sertliği vardır. Ayrıca, TiCN kaplamalarda yüzey pürüzlülüğü daha küçük, dolayısıyla sürtünme katsayıları daha düşüktür. Bu sayede işlenen malzemenin, kesici takımın talaş yüzeyine yapışma eğilimi de daha azdır. Bu özellikleri nedeniyle titanyum, karbon ve azot içerikli kaplamalar, pek çok malzemenin talaşlı imalatı için kullanılmaktadır. Kesici takım kaplamaları genellikle, metal esaslı altlık malzeme üzerine katmanlar halinde seramik esaslı malzemelerin kaplanmasıyla elde edilmektedir. Bu tür geleneksel kaplamalı takımlarda, talaş kaldırma esnasında açığa çıkan yüksek sıcaklığın etkisi ile kaplama katmanlarının ısıl genleşme katsayıları farklı olduğu için mikro çatlaklar meydana gelmektedir. Oluşan çatlaklar kesici takım kaplamasının ömrünü kısaltmaktadır. Kesici takım kaplamalarının nitelikleri değiştirilerek, ısıl genleşme faklılıklarından kaynaklanan mikro çatlakların oluşumunu engellemeye yönelik çalışmalar sonucunda fonksiyonel derecelendirilmiş kaplamalar geliştirilmiştir. Literatür taramalarında, kesici takımların fonksiyonel derecelendirilmiş olarak kaplanması ile ilgili araştırmaların az olduğu görülmüş; yüksek hız çeliği ve sinterlenmiş 6

27 karbür kesici takımların, manyetik sıçratma yöntemi kullanılarak fonksiyonel derecelendirilmiş olarak titanyum karbonitrür (TiCN) ve titanyum bor karbonitrür (TiBCN) kaplanmasına ise rastlanmamıştır. Çalışmada, talaşlı imalatta en çok tercih edilen takım olmaları nedeniyle yüksek hız çeliği ve sinterlenmiş karbür kesici takımlar üzerine titanyum karbonitrür (TiCN) ve titanyum bor karbonitrür (TiBCN) kaplama, manyetik sıçratma yöntemi kullanılarak fonksiyonel derecelendirilmiş olarak kaplanmış, ardından kaplama karakterizasyonları ve kaplanmış takımlarla talaş kaldırma uygulamaları yapılarak literatüre katkıda bulunulmaya çalışılmıştır. 7

28 BÖLÜM 2 KESİCİ TAKIMLAR Günümüzde kesici takımlar, kuru işleme, yüksek hızlı ya da yüksek performanslı işleme gibi modern talaşlı imalat tekniklerinde büyük gerilimlere, ağır çalışma koşullarına maruz kalmaktadır. Yeni yöntemlerin gelişmesi, yeni koşullara uyumlu takımları gerektirmektedir. İdeal bir kesici takım, yüksek sertlikle birlikte iyi bir tokluk ve kimyasal kararlılığı da yapısında bulundurmalıdır. Özellikle sertlik ve tokluk birbirine zıt niteliklerdir ve ikisini aynı anda sağlayan bir kesici takım yoktur [9]. Bu durum, tokluğu iyi altlık yüzeylerinin istenilen sertlik değerlerine sahip malzemelerle kaplanarak yeni koşullara uyumlu takımların geliştirilmesi çalışmalarını başlatmıştır. Şekil 2. 1 Kesici takımlar [10] 8

29 2.1 Kesici Takımların Tarihsel Gelişimi 19. yüzyılın başlarında çeliklere uygulanan çeşitli işlemler sonucunda takım çelikleri üretilmiştir. Ulaşılan bu noktada yüksek karbonlu çelikler ve alaşımlı çelikler zamanının en ideal takım malzemeleri haline gelmişlerdir. Ancak bu malzemeler, dakikada birkaç metrelik kesme hızlarında oluşan ısıda bile sertliklerini yitirmişlerdir. Dolayısıyla bu ilk takımların ömrü çok kısa olmuş, takımlar ısıl işlemlerin ve metalürji biliminin henüz gelişmemiş olması nedeniyle işlem esnasında niteliklerini koruyamamışlardır. Geliştirmiş ilk takım malzemesi hız çeliğine benzeyen Mushet çeliğidir ve bu çelik tesadüf eseri bulunmuştur. Mangan ile yapılan deneylerle çeliğin havada sertleştirilebildiği, bunun sonucunda da ortaya çıkan alaşımlı çeliğin karbon çeliğine göre çok daha iyi bir işleme kapasitesinin olduğu görülmüştür. Geliştirilen bu malzeme karbon çeliğine göre daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilmiş ve daha fazla sayıda iş parçasını yüksek hızlarda (Yaklaşık 10 m/dak) işleyebilir hale gelmiştir. 19. yüzyılın başlarında yaşanan en büyük gelişme ise Fredrick Taylor tarafından hız çeliğinin bulunmasıdır. Bu yeni takım ile 40 m/dak kesme hızı, 1,6 mm/dak ilerleme hızı ve 4,8 mm talaş derinliği gibi işlem değerlerine çıkılabilmiştir. Hız çeliklerinin talaşlı imalata büyük katkıları olmuştur. Bilenmesi son derece uygun bir takım olması özellikle torna tezgâhlarındaki işlemlerde yüksek hız çeliği takımların en fazla kullanılan takım olmasını sağlamıştır. Taylor un bulmuş olduğu takım ömrü bağıntısı, günümüzde hala geçerlidir. Elde edilen bu gelişmeler sayesinde 19. yüzyılın sonlarında, yüksek karbonlu çeliklerle 100 dakika süren bir tornalama işlemi, 20. yüzyılın başlarında yüksek hız çeliği takımlarla 26 dakikada, döküm alaşımlı takımlarla ise sadece 15 dakikada yapılabilir hale gelmiştir. Hız çeliklerinin bileşimine kobalt ilavesiyle 1930'lardan hemen önce süper yüksek hız çeliği takımlar bulunmuş ve 70 m/dak'lık kesme hızlarına ulaşılmıştır. Süper yüksek hız çelikleri takip eden dönemde, alüminyum ve magnezyum gibi geniş kullanım alanına sahip malzemelerin işlenmesinde tercih edilen takımlar olmuşlardır. 9

30 1930'larda takım malzemesi olarak tungsten karbür veya sert metal olarak da bilinen sinterlenmiş karbürler kullanılmaya başlanmıştır. Bu, yüzyıl için talaşlı imalat açısından yeni bir dönüm noktasıdır. Sinter karbürler, bağlayıcı metal içerisinde %90 karbür parçacıkları bulunduran tozun sinterlenmesiyle elde edilirler (Şekil 2. 2). Geçmişi biraz daha eskiye dayanan sinter karbürler ilk olarak 1920 lerde Almanya'da ortaya çıkmış, 1927'deki Leipzig Fuarı nda tanıtılmıştır. Yüksek hız çeliklerinin onlarca katı kesme hızı değerlerine ulaşmış ve bu nedenle 1930 larda birçok ülkede en gözde takım malzemesi olarak kullanılmaya başlanmıştır. YHÇ takımlarla 26 dakikada, döküm alaşımlı takımlarla 15 dakikada yapılan işlemler sinterlenmiş karbür takımlarla sadece 6 dakikada tamamlanır olmuştur. Şekil 2. 2 Sinter karbürlerin imalat aşamaları [11] Seramik kesici takımlar üzerine deneysel çalışmalara 1930'larda başlanmış, ancak kesici uç olarak kullanılmaları 1950'leri bulmuştur. Günümüzde bile sınırlı kullanım alanlarına sahip kübik bor nitrür (CBN) ve çok kristalli elmas (PCD) gibi çok sert takım malzemeleri ise ancak 1970 lerde elde edilebilmişlerdir. Başlangıçta değiştirilebilir kesici uçların kullanıldıktan sonra atılıyor olmaları israf olarak görülmüş, kabul edilmeleri ve yaygın kullanımları ise İkinci Dünya Savaşı sonrasında seri imalatın gelişimi ile gerçekleşmiştir. 10

31 Gelişen seri imalat yalnızca takım malzemelerinin değil takımların geometrilerinde ve takım tutucularda da iyileştirmeleri zorunlu kılmıştır. Kesici kenarın güçlendirilmesi amacıyla 1960'larda kenar yuvarlatma (ER) işlemi yapılmaya başlanmıştır. 1970'lerden sonra bilgisayar kontrollü tezgâhların kullanımı yaygınlık kazanmaya başlamıştır. Özellikle otomotiv, uçak ve benzeri endüstrilerde çubuk malzemeden çeşitli elemanların seri üretimi gerçekleştirilmiş ve bu tip üretim için uygun kesici takımlar geliştirilmiştir. Değişik firmalarca üretilen aynı özelliklere sahip değiştirilebilir kesici uçların seçiminde kolaylık sağlamak için yedi basamaklı kodlama sisteminden oluşan bir ISO standardı oluşturulmuştur. 1970'lerin başında kaplama işleminin gerçekleştirilmesiyle kesici takımlar açısından atılmış dev bir adım olmuştur. Yapılan ilk kaplama işlemi, sinterlenmiş karbür takım üzerine çok ince bir katman halinde saf titanyum ve onun üzerine de çok ince taneli titanyum karbür kaplanmasıdır (Şekil 2. 3). Şekil 2. 3 Kesici takım kaplaması [12] Böylece kesici uçta tokluk ve aşınma direnci bir araya getirilmiştir. Kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemiyle yapılan bu kaplama, sadece birkaç mikronluk kalınlığına rağmen kesme hızını %50 artırarak takım ömrünü iki katına çıkarmıştır (Şekil 2. 3). Bu kaplamanın kesme işlemine katkısı son derece büyük olmuştur ların başlarında, lehimli sinterlenmiş karbür uçlarla 80 m/dak kesme, 183 mm/dak ilerleme hızlarında tornalama işlemleri yapılabilirken, 1964'de KNUX tipi kesici ucun bulunmasıyla 110 m/dak kesme, 315 mm/dak ilerleme hızlarına; 1970'lerde kaplamalı kesici uçların geliştirilmesiyle de 200 m/dak kesme, 700 mm/dak ilerleme hızlarına çıkılmıştır. 11

32 1970'lerde geliştirilen presleme ve sinterleme teknikleri sayesinde kesici ucun taşlanmasına gerek kalmadan yeni dalgalı kenar ve talaş yüzeyi tasarımları yapılabilmiştir. Alüminyum ve titanyum alaşımları ile süper alaşımların dayanımları zamanla artırılmış, bu sayede kesme hızlarının azalmasını sağlamış, işleme verimi ise ilk kaplamalı kesici uçların kullanıldığı döneme kıyasla % 20 artış göstermiştir. 1980'lere gelindiğinde, kesici uçlarda elde edilen yeniliklerle talaşlı işleme maliyetleri daha da azaltılmıştır. Örneğin alaşımsız çelik çubuk için ilk takımlarla 100 dakika olan işleme zamanı kesici takımlardaki gelişmeler sayesinde 1 dakikaya kadar indirilebilmiştir. Takım ömrü açısından değerlendirilecek olursa başlangıçta hız çeliği ile 2,5 parça işlenebilirken 1980 lerde ulaşılan noktada kaplamalı sinterlenmiş karbür takımlarla yaklaşık 60 parça işlenebilir hale gelinmiştir [12]. 2.2 Kesici Takım Malzemeleri Kesici takımların, malzemelere şekil verme, kesme ve istenilen ölçüye getirme gibi talaşlı işlemlerde maruz kaldıkları değişik zorlamalara cevap verebilmeleri istenir. Teknolojinin ilerlemesiyle birlikte artan ihtiyaçları karşılamak için farklı malzemelere ve bu malzemelerin istenilen nitelikte ve aynı zamanda olabildiğince ekonomik işlenebilmesi için yeni kesici takımlara gereksinim duyulmuştur. Örneğin 1982 yılında İngiltere de yüksek hız çeliği imal eden 30 firma 205 farklı türde çeliği; 49 firma da 441 farklı sinter karbür takımı piyasaya sürmüştür 1. Günümüzde kesici takımlar, yüksek kaliteli, yüksek boyut hassasiyetli ve çoğu ileri teknoloji ürünü olan malzemelerden imal edilmektedirler. Takım malzemesinin seçimi hem işlenecek malzemenin özellikleri hem de takımın talaş kaldırma sırasında karşılaşacağı koşullara uygun olarak yapılmalıdır. Yüksek sıcaklıkta sertliğin, yüksek hızlarda aşınma dayanımının ve tokluğun korunması, farklı kesici takımlardan beklenen ortak özelliklerdir. Bu özelliklere sahip takımların ömrü uzun olacağından imalat maliyetlerini de düşüreceklerdir. 1 Verilen örnek, Şahin, Y., Talaş Kaldırma Prensipleri 1, Nobel Yayın Dağıtım, 2000, Ankara alınmıştır. 12

33 CVD % 5 % 1 % 5 % 4 % 4 % 11 % 17 % 15 % 38 PVD Sermet Alümina Sialon Elmas CBN Elmas Kaplı Kaplamasız Şekil 2. 4 Kesici takımların 2005 yılında dünyadaki tahmini kullanım oranları [13] Takım malzemeleri, metal esaslı, karbür esaslı ve seramik esaslı olmak üzere üç ana gruba ayrılabilir. Yüksek hız çelikleri ve sinter karbürler günümüzde yaygın olarak kullanılan takım malzemeleridir. Kübik bor nitrür (CBN) ve elmas takımlar da yüzey kalitesinin iyileştirilmesi ve takım ömrünü artırması amacıyla yapılan çalışmalar sonucunda kullanılmayaa başlanmıştır [14] Takım Çelikleri Endüstri devriminden, 1860 lı yıllara kadar talaşlı imalattaa büyük oranda kullanılmışlardır. Yapılarında ortalama % 0,9-1,3 karbon bulunduran takım çeliklerine manganez, silis, sülfür ve fosfor gibi diğer alaşım elementleri katılarak çelik yapımı kolaylaştırılır. Karbonlu takım çelikleri, 835 C ile 850 C sıcaklık aralığında kızıl sıcaklığa kadar ısıtılıp ardındann oda sıcaklığına kadar su içerisinde hızla soğutularak sertleştirilirler. Aşınma dayanımları, alaşımlı çeliklere kıyasla düşüktür. Wolfram (W), krom (Cr), vanadyum (V), kobalt (Co), nikel (Ni), molibden (Mo) ve manganez (Mn) gibi alaşım elementleri, karbonlu takım çeliklerinin kesme özelliklerini iyileştirmek, dayanımlarını artırmak ve yüksek sıcaklıklarda sertliklerini korumalarını sağlamak amacıyla eklenirler [12, 15]. 13

34 Takım çeliklerinden olan yüksek hız çelikleri (YHÇ) diğer takım malzemelerine oranla düşük maliyetleri ve kolay işlenebilirlikleri nedeniyle 20. yüzyılın başından beri matkap, broş, azdırma çakısı, parmak freze, kılavuz ve benzeri kesici takımlar olarak kullanılmaktadır. İstenilen boyutlarda sıcak haddelenebilir ve dövülebilirler. Oda sıcaklığında sahip oldukları sertlik ve tokluğu C ye kadar koruyabilir, m/dak lık kesme hızlarında çalışabilirler C de yapılan östenitleme ve ardından 550 C de üç kere yapılan menevişleme sonucunda kabul edilebilir derecede tokluğa ve yüksek sertliğe (3750 HV) sahip olurlar. W, Mo, V ve Cr gibi karbür yapıcı elementlerle alaşımlandırılmış olan yüksek hız çelikleri, içerdikleri ana refrakter elemente göre molibdenli (AISI M grubu: %0.8 C, %0.4 Cr, %5-8 Mo, %0-6 W ve % 1-2 V) ve tungstenli (AISI T grubu: %0.7 C, %4 Cr, %18 W ve %1 V) olmak üzere temelde iki gruba ayrılırlar. Hız çeliklerinin büyük kısmı maliyetleri yaklaşık %40 daha düşük olduğu, daha yüksek aşınma direnci gösterdikleri ve ısıl işleme tabi tutulduklarında daha az şekilsel çarpılmaya uğradıkları için M grubu (Molibdenli) olarak imal edilirler [14,15] Sinter Karbürler Yüksek hız çeliği takımlar normal koşullarda 50 m/dak dan düşük kesme hızlarında kullanılırlarken, 1930 larda geliştirilen ve semente edilmiş ya da sinterlenmiş karbürler olarak da bilinen karbür takımlar ise daha yüksek sertliğe sahiptirler ve daha yüksek kesme hızlarına çıkabilirler. Sinter karbür takımların günümüzde tungstenli ve titanyumlu olmak üzere iki çeşidi bulunmaktadır ve çeliği 200 m/dak ın üzerinde bir hızla işleyebilirler [16]. Karbür takımlar, daha düşük sürtünme ve takım-iş parçası malzemeleri arasındaki kimyasal etkileşime karşı direncin artırılması gibi mekanik ve termal özelliklerinin iyileştirilmesi için kaplanabilirler. Kaplanmış sinter karbür takımlar çeliği 400 m/dak ın üzerinde bir hızla işleyebilirler. Tungsten karbür takımlar üzerine genelde kullanılan kaplama malzemeleri titanyum karbür, alüminyum oksit (Al 2 O 3 )-seramik ve hatta sentetik elmastır. Kaplamalar, kimyasal ya da fiziksel buhar biriktirme yöntemleriyle yapılırlar [16]. 14

35 2.2.3 Kaplamalı Karbür Takımlar 1969 da TiC kaplanmış WC takımla başlayan kaplamalı takım kullanımı, kaplamanın takım ömrünü % hatta daha fazla artırmasıyla metal işleme endüstrisinin vazgeçilmezi olmuştur. Kesici takımlarda, kesme süresince iş parçası ile takım arasında kimyasal etkileşimi ve aşınmayı engelleyebilmek için takımım yüzey malzemesinden abrazif aşınmaya dayanıklılık, sertlik ve kimyasal inertlik beklenir. İnce bir TiC, TiN veya Al 2 O 3 kaplama bu beklentileri karşılayacak niteliktedir. Kaplama takım gövdesine iyi tutunmalı, talaşın talaş yüzeyine yapışmaması için düşük sürtünme katsayısına sahip ve takım ömrünü uzatacak kadar kalın, aynı zamanda gevrek, kırılgan olmayacak kadar da ince olmalıdır. Kaplamalı karbür takımlar, pek çok metal kesme uygulamasında geniş yer bulmuşlardır. Kaplamasız takımlara oranla iki ya da üç kat daha iyi aşınma direncine sahiptirler. Bu durum aynı takım ömrü için %50 ila %100 daha yüksek kesme hızı anlamına gelmektedir. Alüminyum oksit kaplamalar, takım-talaş ara yüzeyinde kimyasal/difüzyon bariyeri oluşmasını sağlayarak mükemmel krater aşınması dayanımı sergilerler [17]. Kesme işlemi sırasında talaşı iş parçasından ayırma işi ve talaşın kesme yüzeyinde sıkışmasıyla iç sürtünmeler; talaşın takım yüzeyine sürtünerek akmasıyla da dış sürtünmeler oluşur. Bütün bu sürtünmeler takımın ısınmasına bunun sonucunda da sertliğinin azalmasına, takım aşınmasının ve kesme kuvvetinin artmasına yol açar. Kesici takımların kaplanmasıyla hem talaşın kesme yüzeyinden daha kolay akmasıyla sürtünmenin ve açığa çıkan sıcaklığın azalması hem de yüzey sertliğinin artmasıyla takım aşınmasının ve gereken kesme kuvvetinin azalması dolayısıyla takım tezgâhının işleme veriminin artması sağlanmıştır [15]. 15

36 2.2.4 Seramikler İlk olarak 1950 lerde tanıtılan ve çeliği m/dak hızlarda işleyebilen seramikler, genellikle yüksek sıcaklıklarda yüksek sertlik gerektiren işlemlerde kullanılırlar [16]. Otuz yılı aşkın bir süredir Amerika da, motor uygulamalarında yüksek sıcaklık yapısal seramikleri üzerine hatırı sayılır miktarda temel araştırmalar yapılmaktadır. Yapılan bu araştırmalar sonucunda yapısal seramikler hakkında geniş bir veri tabanı oluşturulmuştur. Çalışmaların çoğu yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılma olasılıkları nedeniyle Al 2 O 3 ve SiC malzeme ailesi üzerine yoğunlaşmıştır. Alümina (Al 2 O 3 ) dayanımını ve sertliğini, az sayıda refrakter sinter karbürden daha iyi derecede korur. Alüminanın kesici takım olarak ticari kullanımına Ford Motor öncülük etmiştir ve alümina kesici takımlar, tercihen yüksek kesme hızlarında bitirme işleminde kullanılmış, böylece verimlilik artırılmıştır. Ford, 1970 lerin ilk yılları boyunca, imalatta verimliliği artırmayı amaçlamıştır. Yapısal seramikler üzerinde yapılan araştırmaların sonucu olarak, ileri seramiklerin kesici takım malzemesi olarak ileri seramiklerin kullanımı düşünülmüştür. İleri seramik kesici takımların, daha geleneksel tugsten karbür takımlara göre avantajı daha büyük sertlik ve kimyasal kararlılıkları sayesinde daha yüksek kesme hızlarında işlem yapabilmeleridir. Kesicilerdeki, makine ayarlarındaki ve benzeri ilişkili hasarlar, imalat maliyetini artırırken verimliliği de azaltır. Talaşlı imalatta verimi en üst seviyeye çıkarmak için kesme hızındaki artış ile takım ömründeki azalma olasılığı ve dayanıklılık arasındaki değişimi optimize etmek gerekir [18,19] Sermetler Sermetler, seramik ve metal malzemelerden oluşan kompozitlerdir. Seramiklerin sertliklerinin, yüksek sıcaklık dayanımlarının ve metallerin tokluklarının bir araya getirilmesiyle ideal yapıya sahip bir malzeme oluşturulmaya çalışılmıştır. Sermetlerde nikel, molibden, kobalt gibi metalik elementler, oksitleri, borürleri ve karbürleri bağlayıcı olarak kullanılırlar. Sermetler, fiziksel yapılarına bağlı olarak metal matrisli kompozit malzemeler gibi düşünülebilirler fakat hacimlerinin %20 den azı metalik içeriklidir [15]. 16

37 Sermetler, bitirme işlemine en uygun, yeni nesil takım malzemeleridir. Seramik titanyumkarbür (TiC), nikel, kobalt ve tantal nitrürdür. TiN ve diğer karbürler bağlayıcı olarak kullanılırlar. Sermetler üstün aşınma dayanımına, daha uzun takım ömrüne sahiptirler ve yüksek kesme hızlarında kullanılabilirler. Sermetler, sinter karbürlerden daha iyi bir yüksek sıcaklık sertliğine ve oksidasyon direncine sahiptirler. Sermetlerin demire afiniteleri düşük olduğundan demir esaslı malzemelerin bitirme işlemlerinde oldukça iyi sonuç verirler. Karbürlere kıyasla daha düşük tokluk, ısıl iletkenlik ve daha büyük ısıl genleşmeye sahiptirler [17]. Sermet kesici takımların genel özellikleri şöyle özetlenebilir: Yüksek kesme hızı Uzun takım ömrü boyunca sağladığı yüksek hassasiyet, Bitirme işlemi sonrasında düşük yüzey pürüzlülüğü Yüksek serbest yüzey ve krater aşınma direnci Yüksek kimyasal kararlılık ve kızıl sertlik Yığma ağız oluşumuna düşük eğilim, Yüksek oksidayson direnci Kesme hızları karbürlü takımlarda 160 m/dak, kaplamalı karbür takımlarda 240 m/dak iken Sermetlerde bu değer neredeyse %100 lük bir artışla 340 m/dak lık değerlere çıkabilmektedir. Isıl iletkenlikleri düşük, ısıl genleşmeleri ise büyük olduğu için sıcaklık değişimine duyarlıdırlar. Sermetlerle yapılan talaş kaldırma işlemlerinde soğutma sıvısı kullanılacaksa sıcaklık değişiminin çok büyük olmaması gerekir ve bu nedenle soğutma sıvısı yeterli miktarda kullanılmalıdır. Sinterlenmiş karbürlere oranla toklukları düşük olduğundan frezeleme işleminde olduğu gibi aralıklı talaş kaldırma işlemleri için uygun değillerdir [15]. 17

38 2.2.6 Elmas Doğal elmas karbondan oluşur. Tek kristalli elmas (MCD) en sert malzemedir. Bu sertlik, kristal içerisindeki özel atomik diziliş yapısından kaynaklanır. Elmas, düşük sürtünme ve ısıl genleşme katsayısı, yüksek dayanım, kimyasal korozyon direnci gibi özellikleri ile etkileyici bir fiziksel, kimyasal ve mekaniksel kombinasyon sergiler. Ancak aynı zamanda kullanılamadıkları durumlar da vardır. Oda koşullarında yarı karalı yapıdadır fakat 600 C in üzerindeki sıcaklıklarda orijinal grafit haline dönüşür. Karbon ve demirin kimyasal afinitesi nedeniyle demir esaslı malzemelerin işlenmesinde elmasta yüksek aşınma oranları görülür. Dolayısıyla elmas kesiciler sadece demir dışı metallerin ve metal olmayan malzemelerin işlenmesi için uygundurlar [9, 20] Kübik Bor Nitrür (CBN) Elmastan sonra en sert takım malzemesidir. Çok gevrek olduğu için çoğunlukla kaplama malzemesi olarak kullanılır. Elmasın aksine demir esaslı malzemelerin işlenmesi için uygundur [21]. Karbür gövdeye 0,5 1 mm kalınlığında polikristal kübik boron nitrürün basınç altında sinterlenmesiyle elde edilir. Kübik bor nitrür kompozit kesici takımlar, nikel ve kobalt esaslı süper alaşımları sementit karbürlerden çok daha yüksek hızlarda işlenebilmektedir [15,20]. Bor nitrürün farklı kristal biçimleri vardır: Daha yaygın olarak hegzagonal bor nitrür diye anılan grafit benzeri yapısının yumuşak ve yağlayıcı niteliklerinin aksine kübik yapıda olanı (CBN) sert ve aşındırıcı niteliktedir ve kesici takım olarak kullanılır. CBN, elmasla aynı yapıya sahiptir ve aynı özellikleri sergiler. Kübik bor nitrür tanecikler ve özel seramik bağlayıcıdan oluşan, 1400 C ye kadar yüksek sertlik ve düşük kimyasal aşınma direnci gibi mükemmel özelliklere sahip sentetik bir malzemedir. Gri dökme demir ve sertleştirilmiş malzemelerin yüksek hızlı işlenmesinde olağan üstü performans sergiler [9]. 18

39 Ticari anlamda ilk defa 1980 li yıllarda lehimlenebilir ve değiştirilebilir uçlar olarak kullanılmaya başlanmıştır. Günümüzde az sayıda firma tarafından imal edilmektedir. General Elektrik firması Borzan (BZN), De Beers firması Amborite ve Subitama firması da Sumiboron adı ile CBN kesici takım imalatı yapmaktadır [15] Süper Sert Kesiciler Süper sert kesici takım malzemelerinin gelişimi, 1970 lerin ilk yarısında çok kristalli elmas kesici takım malzemelerinin tanıtımıyla başlamıştır. Çok kristalli kübik bor nitrür (PCBN) ve çok kristalli elmas (PCD), bugüne kadar geliştirilen çok kristalli iki malzemedir. Her ne kadar pazar payları %1 olsa da geleneksel malzemelerle kıyaslamak pek doğru olmaz çünkü genel eğilimin, hem PCD nin hem de PCBN ün kullanımının artmasına yönelik olduğu açıktır. CBN takım kullanımı esas itibariyle ağır talaşlı imalattaki artış nedeniyle hâlihazırda yıllık %10-15 lik bir oranla büyümektedir. Her iki süper sert malzeme, ayrı ayrı elmas veya CBN parçacıklar, katı bir kütle içerisinde veya bir WC altlık üzerinde tanecik birleşimini destekleyen demir, nikel veya kobalt katalizörlerde birleştirilerek yüksek sıcaklık, yüksek basınç işlemlerinden yararlanarak imal edilir. CBN kesici takım malzemesinin özellikleri, kristal boyutu, içerik ve bağlayıcı türüne göre değişiklik gösterebilir. CBN, 1200 C ye kadar termal olarak kararlıdır ve 1400 C ye kadar da iyi bir kimyasal aşınma direncine sahiptir. Çelik dövme, sertleştirilmiş çelik ve dökme demir, yüzeyi sertleştirilmiş bileşenler, kobalt ve demir esaslı toz metalar, hadde merdaneleri, perlitik dökme demir ve ısıl dirençli alaşımlar, CBN ile yapılan ana uygulama türleri arasındadır. PCD, seçilen elmas parçacıkların, CBN sentezi için kullanılan tipik koşullar altında, birlikte sinterlenmesiyle imal edilir. PCD malzemelerin temel sorunları, 600 C in üzerindeki ısıl bariyerler, yüksek gerilimli iş parçaları, demir esaslı malzemelere kimyasal afiniteleri ve sertlik kayıplarıdır [13]. 19

40 Çok Kristalli Elmas (PCD) Çok kristalli elmas 1970 lerin başlarında bulunmuş, hemen hemen doğal tek kristalli elmas kadar sert bir malzemedir. Günümüzde PCD türleri yüzey bitirme işlemi ve hassasiyetin önemli teknolojik kriterler olduğu durumlarda kullanılmaktadır. Tornalama, delik büyütme, frezeleme ve özellikle keskin kesici kenarlar ve pozitif eğim açıları için gereken aşındırıcı silisyum-alüminyum alaşımlarının bitirme işlemlerinde de PCD lerden yararlanılmaktadır. PCD nin yapısının çok gevrek olması nedeniyle PCD nin kullanıldığı talaşlı imalatta, çok dengeli koşullar, yüksek hız, rijit takımlar ve makineler gereklidir. PCD ile yapılan talaş kaldırma işlemlerinde kesme sıvıları yağlama amaçlı olmaktan çok genellikle soğutma amaçlı kullanılır. Bugün, kesici takım uygulamaları için elmas malzemenin pek çok türü bulunmaktadır. Ayrıca bunlar, çeşitli yöntemlerle biriktirilmiş karbür altlığa lehimlenmiş kalın bir (250 µm-1 mm) saf elmas katmanı gibi elmas kaplamaları da içerir. Başka bir elmas ürünü daha yakın zamanda geliştirilen, oldukça yoğun, herhangi bir metal bağlayıcısı olmayan ve bu sayede sertlik ve ısıl kararlılık bakımından doğal elmasa yakın, kimyasal buhar biriktirme ile elde edilen elmastır [13]. Elmas, çok yüksek basınç ve sıcaklık altında sentezlenerek imal edilebilir. Kesme uygulamalarında çok kristalli elmas (PCD) takımlar, toklukları daha yüksek olduğundan tek kristalli elmas takımlara tercih edilirler [9]. Çok kristalli elmas yapay bir malzemedir ve tek kristalli elmasa göre daha iyi yüzey bitirme işlemi ve daha iyi talaş kaldırma oranı sağlar. PCD in bazı özellikleri ve avantajları şöyle sıralanabilir: Daha yüksek kesme talaş kaldırma oranı (Kendi kendini bileyen aşındırıcı), Çok düzgün bitirilmiş yüzey, Daha düzgün parçacık dağılımı, Hegzagonal mikrokristaller (Bütün yönlerde eşit sertlik), Son derece pürüzsüz yüzey (Daha fazla kesici nokta), Tek kristalli elmastan %300 daha büyük yüzey alanı [22]. 20

41 Şekil 2. 5 Tek kristalli blok yapıda elmas (a) ve çok kristalli çok yüzlü elmas (b)[22] Çok Kristalli Kübik Bor Nitrür (PCBN) Çok kristalli kübik bor nitrür (PCBN) takımlar, sertleştirilmiş çelikler ve süper alaşımların işlenmesinde geniş kullanım yeri olan insan yapımı takım malzemeleridir. PCD takımların imalatında kullanılan sinterleme yöntemine çok benzer bir yöntemle imal edilirler. Oda sıcaklığındaki sertliklerini (20 C de 4700 Knoop) yüksek sıcaklıklarda da (1000 C de 4000 Knoop) koruyabilirler ve takım-talaş ara yüzünde kimyasal reaktiflikleri düşüktür. Elmas kadar sert olamasalar da PCBN lerin demire afiniteleri düşük olduğundan sertleştirilmiş çeliklerin, yüzeyi sertleştirilmiş dökme demirlerin ve nikel ya da kobalt esaslı süper alaşımların işlenmesinde kullanılırlar. Sözü edilen bu malzemelerin daha yüksek hızlarda ve daha büyük talaş kaldırma oranlarında işlenmesinde sinter karbürlerden daha verimli ve ekonomiktirler. PCBN lerin elde edilme maliyetleri sinter karbür ve seramiklerinkinden bir miktar daha fazladır fakat takım ömürleri diğerlerinin beş ila yedi katı kadardır [17]. 2.3 Kesici Takım Malzemelerinin Sınıflandırılması Kesici takım malzemeleri, imalatçı firmaların kendilerine özgü kod sistemlerine göre sınıflandırılmaktadırlar ve bu konuda bütün dünyaca kabul edilmiş herhangi bir standart yoktur. ISO standartlarında var olan sınıflandırma ise iş parçası malzemeleri esas alınarak yapılmış, harfler ve sayılardan oluşan bir kodlama sistemidir. 21

42 P serisi (mavi): Çelikler, dökme çelikler, uzun talaş oluşturan temper dökümlerin işlenmesinde; M serisi (sarı): Östentik/ferritik/martenzitik/paslanmaz çelikler, dökme çelikler, manganlı çelikler, alaşımlı dökme demirler, temper dökümler, otomat çeliklerin işlenmesinde; K serisi (kırmızı): Dökme demirler, kokil dökme demirler, kısa talaş oluşturan temper dökümlerin işlenmesinde; N serisi (yeşil): Alüminyum, bakır ve alaşımları ile plastiklerin işlenmesinde; S serisi (turuncu): Isıl dirençli süper alaşımlar ve titanyum alaşımlarının işlenmesinde; H serisi (gri): Sertleştirilmiş çeliklerin işlenmesinde kullanılır. Çizelge 2. 1 de harfler ve sayılardan oluşan kodlama sistemi verilmiştir [23]. Çizelge 2. 1 Sert metal uçlu takımlar için ISO kalite sınıflandırması [23] 22

43 Şekil 2. 6 Takım malzemelerinin kesme sıcaklıklarındaki sertlik değişimleri [21] 2.4 Kesici Takım Seçim Kriterleri Herhangi bir talaşlı imalatın yapılacağı takım tezgâhından yüksek verim almak ve iş parçasının istenilen nitelikte işlenebilmesi için takım malzemesinin doğru seçilmesi çok önemlidir. Yapılacak doğru seçim imalatın ekonomik yönünde olumlu etkileyecektir. Daha yüksek ilerleme ve kesme hızlarında talaş kaldırabilmeleri için kesici takım malzemelerinin üç önemli özelliği taşımaları gerekir. Bunlar; Aşınma dayanımı (Aşınma Direnci WR) Kırılmaya karşı mukavemet (Tokluk-T) Yüksek sıcaklıklarda sertliği ve kimyasal kararlılığı koruma (Kızıl Sertlik-HH) Uygun kesici takımın seçimi, takım malzemesi ve geometrisinin yanı sıra aşağıdaki faktörlere de bağlıdır. İşlemin tipi, İş parçasının şekli ve malzemesi, Takım tezgâhı, Kesme verileri, İstenilen yüzey kalitesi, Genel rijitlik, İşleme maliyetleridir [12]. 23

44 2.5 Kesici Takımlardan Beklentiler Talaşlı imalatta, işleme veriminin yüksek olabilmesi için işlem sürelerinin kısa, birim zamanda kaldırılan talaş miktarının olabildiğince yüksek ve işlenen parçanın yüzey kalitesinin yeterince iyi olması gerekir. Bütün bu koşulların aynı anda gerçekleşmesi, işlem parametrelerinin doğru belirlenmesinin yanı sıra işlenecek malzeme için doğru takımın seçilmesi ile mümkün olabilir. Günümüzde artan ihtiyaçları karşılamaya yönelik çalışmalarla yüksek sıcaklıklarda sertliklerini ve kimyasal kararlılıklarını koruyabilen, korozif ortamlara dayanıklı malzemeler geliştirilmiştir. Yeni nesil bu malzemelerin yüksek verimlilikte işlenebilmeleri için kesici takım niteliklerinin de en az işlenecek malzemelerinki kadar iyi olması gerekir. Kesici takım malzemesinde aranan özellikler şöyle özetlenebilir: Sert olmalı serbest yüzey aşınmasına ve deformasyona dayanıklı olmalı, Oda sıcaklığındaki sertliğini yüksek sıcaklıklarda da koruyabilmeli, Yüksek tokluğa sahip olmalı, çatlamaya ve kırılmaya karşı direnç göstermeli, İş parçası ile kimyasal reaksiyona girmemeli, Kimyasal açıdan kararlı olmalı, oksidasyona mukavemeti yüksek olmalı, Isıl şoklara karşı iyi bir dirence sahip olmalıdır [12]. 24

45 BÖLÜM 3 KESİCİ TAKIM KAPLAMA YÖNTEMLERİ Günümüzde talaşlı imalatta ihtiyaç duyulan farklı işlemlere cevap verebilmek için kesici takımlar gerek şekilsel gerekse yapısal olarak oldukça geniş çeşitlilik sergilemektedirler. Talaşlı imalatta en çok kullanılan takımlar olan yüksek hız çelikleri ve sinterlenmiş karbürler, ömürlerinin, işleme verimlerinin artırılması amacıyla yüzey niteliklerini iyileştirmek için farklı yöntemler ve malzemelerle kaplanmaktadırlar. Kaplama yöntemi genelde takım malzemesine göre belirlenmekte ve kaplamalar tek ya da çok katmanlı olarak yapılmaktadır. Kesici takımların kaplanmasında fiziksel buhar biriktirme (PVD) ve kimyasal buhar biriktirme (CVD) olmak üzere temelde iki farklı yöntem vardır (Şekil 3. 1) [24]. Herhangi bir kaplamanın maruz kaldığı koşullara karşı dayanıklı olabilmesi için taban malzemeye iyi bir tutunma niteliği, iyi bir aşınma dayanımı, yüksek sertlik değeri sayesinde yüksek aşınma direnci, yüksek termal ve kimyasal kararlılık, yüksek yorulma tokluğu gibi belirli özelliklere sahip olması gerekir. Fiziksel buhar biriktirme (PVD) ve kimyasal buhar biriktirme (CVD) bu tür kaplamaların yapıldığı en yaygın yöntemlerdir[25]. 25

46 Şekil 3. 1 Buharlaştırma temelli kaplama yöntemleri [26] 3.1 Fiziksel Buhar Biriktirme (PVD) Yöntemi Fiziksel buhar biriktirme yönteminde işlem, kaplanacak malzeme (altlık) ile kaplayacak (hedef) malzeme, yüksek enerji ile iyonlaştırılmış, reaktif gazlarla oluşturulmuş plazma içerisinde gerçekleştirilir. PVD tekniğinden, günümüzde mikro elektronik, tıp, korozyondan koruma uygulamaları; kesici takımların, plastik kalıplama takımlarının, makine parçalarının, dişlilerin ve dekoratif parçaların kaplanmasında yaralanılmaktadır (Şekil 3. 2) [27]. Şekil 3. 2 Fiziksel buhar biriktirme sistemi [28] 26

47 3.2 Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) Yöntemi Yaygın kullanılan kimyasal buhar biriktirme (CVD) teknolojisinde, ince film kaplama, yüksek saflıkta kütlesel malzeme ve toz imalatı, en çok yapılan uygulamalar arasındadır. CVD işlemi ile yeni bir malzeme ya da kaplama elde etmek için buhar fazındaki malzemeler kimyasal tepkimelerden yararlanılarak, sıcak bir yüzey üzerine ince film halinde biriktirilirler (Şekil 3. 3). Şekil 3. 3 Kimyasal buhar biriktirme sistemi [29] Oluşturulan ince filmlerin karmaşık şekilli altlıklara da uygulanabiliyor olması CVD yönteminin olumlu yönlerindendir. Yüksek saflıkta kaplama oluşturulabilmesi, biriktirme oranlarının yüksek oluşu ve PVD yöntemindeki kadar yüksek vakum değerlerine ihtiyaç duyulmaması CVD yönteminin diğer artılarıdır [30]. Ayrıca bu yöntemle nispeten düşük sıcaklıklarda tek ya da çok katmanlı, kompozit yapılı ve nano boyutlu kaplama malzemelerinin elde edilmesi de mümkündür. CVD ile yapılabilen diğer temel uygulamalar arasında mikro elektronik ve optoelektronik çipler, enerji dönüştürücü gereçler, dielektrikler için refrakter seramikler (SiO 2, AlN, Si 3 N 4 ), sert kaplamalar, oksidasyonu engelleyen ve korozyon dayanımını artıran SiC, TiN, TiB 2, Al 2 O 3, BN, MoSi 2, Zr 2 O 2 kaplamalar da sayılabilir. Kimyasal buhar biriktirmenin farklı alanlarda uygulanabilir oluşu işlemin kısa sürede yaygınlaşmasını sağlamış ve ince film kaplamaların yapılmasında da temel yöntemlerden biri haline getirmiştir [31]. 27

48 3.3 PVD ve CVD Yöntemlerinin Genel Karşılaştırılması Fiziksel ve kimyasal buhar biriktirme yöntemleri ile genelde ince kaplamalar yapılır. PVD ile yapılan kaplamaların kalınlığı 1-10 µm; CVD ile yapılanların ise 4-20 µm arasında değişebilir. İki yöntem arasındaki başka bir farklılık da PVD de kaplama sıcaklığı C aralığındayken CVD de C aralığındadır. Uygulama sıcaklıklarındaki bu farklılık kaplanacak malzemeyi ve kaplamayı da farklı etkilemektedir. Örneğin PVD nin düşük sıcaklıklarda uygulanabiliyor oluşu hem daha çok malzemeye uygulanabilmesini hem de kaplanan malzemelerin termal hasara uğramamalarını sağlar. CVD de ise yüksek uygulama sıcaklığına uygun malzemelerde kaplama adezyonu yüksektir. Diğer bir farklılık da PVD ile yapılan kaplamalarda basma gerilmeleri oluşurken, CVD ile yapılan kaplamalarda gözlemlenen çekme gerilmeleri yüzeyinde çatlaklara neden olabilmektedir [27]. Şekil 3. 4 Fiziksel ve kimyasal buhar biriktirme yöntemleri [32] 28

49 3.4 Kesici Takımların Kaplanmasında PVD ve CVD Yöntemleri CVD ve PVD yöntemi ile kaplanmış takımların kullanıldığı tornalama işleminde, talaş kaldırma zamanı esas alınarak yapılan incelemede, kaplamasız ve CVD yöntemi ile kaplanmış takımlarda kesme ve ilerleme kuvvetleri hemen hemen aynı kalırken, PVD yöntemi ile kaplanmış takımlarda söz konusu kuvvetlerin azaldığı görülür, bu takımların ömürleri daha uzundur. Talaş kaldırma kuvvetleri, talaş kaldırma süreleri dikkate alınarak değerlendirildiğinde frezelemede de tornalamadakine paralel bir durum gözlemlenir ancak frezelemede kuvvetler zamana bağlı olarak artış göstermektedirler. PVD ve CVD yöntemleri ile kaplanmış takımların kullanıldığı frezeleme işleminde takım aşınma miktarı başlangıçta aynı seviyede seyrederken belirli bir kesme süresinden sonra serbest yüzey aşınmasının PVD yöntemi ile kaplanmış takımlarda CVD ile kaplanmış takımlara oranla daha az olduğu görülmüştür. Kaplamasız, CVD yöntemi ile kaplanmış ve PVD yöntemi ile kaplanmış takımlarla işlenen parçanın yüzey pürüzlülükleri karşılaştırıldığında: Kaplamasız takımda yüzey pürüzlülüğünün işlem başlangıcından kısa süre sonra oluşmaya başladığı; CVD yöntemi ile kaplanmış takımda yüzey pürüzlülüğünün belirli bir süre talaş kaldırdıktan sonra aşırı arttığı; PVD ile kaplanmış takımla işlenen parçada ise yüzey pürüzlülüğü değerinin en düşük düzeyde olduğu görülmüştür. CVD yönteminde yapılan kesici takım kaplamasında yüzey çatlakları oluşup mozaik görünümlü bir yapının ortaya çıkmasına ve kaplamanın kısa sürede dökülmesine neden olurken PVD yöntemiyle yapılan kesici takım kaplamasında yüzey çatlağı oluşmamaktadır. CVD yöntemiyle kaplanacak kesici takımların kesme kenarları, takımla kaplama arasında daha iyi bir tutunma sağlayabilmek için honlanmalıdır ancak PVD ile kaplama yapılacağı zaman buna gerek duyulmaz çünkü keskin kenarlarda da iyi bir tutunma elde edilir. 29

50 CVD yöntemiyle yapılan kaplamada gözenekler ve yüksek yüzey pürüzlülüğü görülebilirken, PVD ile yapılanda çok az miktarda gözenek ve yüzey pürüzlülüğü görülür. CVD yöntemiyle kaplanmış takımlarla belirli bir süre talaş kaldırıldığında, iş parçasının yüzey pürüzlülüğünde aşırı artış görülürken, PVD yöntemiyle kaplanmış takımlarla yapılan işlemlerde ise iş parçası yüzey pürüzlülüğünün en az seviyede olduğu saptanmıştır. Aynı koşullar altında yapılan talaş kaldırma işleminde, CVD yöntemiyle kaplanmış takımın kaldırdığı talaşın rengi mavimsidir ve işlem sırasında yüksek sıcaklığın oluştuğunu gösterir. PVD yöntemiyle kaplanmış takım yüzey pürüzlülüğü CVD ile kaplanmış takımınkine kıyasla daha düşük olduğu için işlem orta sıcaklıklarda gerçekleştirilebilir ve dolayısıyla talaşın rengi açık kahverengidir. Seramik esaslı kesici takım kaplama malzemeleri arasında yer alan alümina (Al 2 O 3 ) kaplama CVD yöntemi ile oldukça tatmin edici şekilde yapılabilirken, PVD yöntemi ile yapılamamaktadır [24]. CVD yönteminde çıkılan kaplama sıcaklıkları ( C) çeliklerin temperlenme sıcaklıklarının üzerindedir. Bu nedenle CVD yöntemi takım çeliklerinin kaplanmasında kullanılamaz. PVD yönteminin uygulanma sıcaklığının ( C) düşük oluşu ise kaplanacak malzemenin özelliklerini bozmaz [27]. Şekil 3. 5 Çok tabakalı kaplanmış sinter karbür kesici uç yapısı [21] 30

51 BÖLÜM 4 İNCE FİLM KAPLAMA İnce filmler, kalınlıkları 10 μm den az olan filmlerdir. Ancak örneğin haddelenerek folyo haline getirilmiş bir malzeme çok küçük kalınlığa sahip olmasına rağmen ince film değildir. İnce filmler, kimyasal ya da fiziksel kaplama yöntemleriyle bir altlık malzeme üzerine sıfırdan başlanarak büyütülen yapılardır. Günümüzde ince filmler, kesici takımlar, pres kalıpları, mikro elektronik uygulamaları, yarı iletkenler, manyetik kayıt ve algılama sistemleri, optik kaplamalar gibi pek çok alanda kullanılmaktadırlar. 4.1 İnce Filmlerde Çekirdeklenme ve Büyüme Film morfolojisi ile film dokusu ince filmlerin mikro yapılarını tanımlamada yararlanılan en önemli iki özelliktir. Kaplamanın oluşma hızı, sıcaklığı, altlık yüzeyine gelen atomların ve iyonların enerjileri ve geliş açıları gibi değişkenler film morfolojisini doğrudan etkiler. Kaplamaların pek çok özelliği de kaplama işleminin değişkenlerinden etkilenen ince film morfolojisine bağlıdır [33]. İnce film oluşumunun ilk aşaması, plazmadan gelen atomların altlık yüzeyine ulaşmaları ve yüzeyde soğurulmalarıdır. Soğurulan bu ilk atomlara, adatom denir. Adatomlar, sahip oldukları enerji seviyesine bağlı olarak, altlık yüzeyinde enerji bakımından denge haline gelene veya yüzeye ulaşmış diğer atomlarla bağ yaparak atom kümecikleri oluşturana kadar, yüzeyde hareket ederler. Adatomlar, difüzyona uğrayıp, gelen diğer atomlarla atom gruplarını ve ardından da adacıkları oluştururlar. Atomlar arası bağların 31

52 kurulmasıyla fazlar, fazların oluşmasından sonra enerji dengesinin kurulmasıyla da çekirdeklenme meydana gelir ve film, çekirdeklerin çevresinde büyür. Film büyümesi, kaplama koşullarına bağlı olarak değişir ve bu konuda önerilmiş üç ana model bulunmaktadır (Şekil 4. 1) [33,34]. Şekil 4. 1 İnce film büyüme modelleri [35] Oluşan film ile taban malzemesi arasında güçlü bir bağ varsa, film tabaka tabaka (Frank-van der Merwe modeli) gelişecektir. Eğer film ile taban malzemesi arasında güçlü bir bağ yoksa tabaka tabaka büyüme, toplam yüzey enerjisini artıracaktır. Bu durumda büyüme 3 boyutlu adacıklar modeline (Volmer-Weber modeli) uygun olarak gelişecektir. 3. büyüme modeli olan Stranski Krastanov modelinde ise büyüme önce tabaka tabaka, daha sonra enerji durumu değişerek 3 boyutlu adacıklar şeklinde gelişir[34]. 4.2 Mikro Yapı ve Yapısal Zonlar Kalın tek fazlı filmlerin mikro yapıları ve morfolojileri, metaller, alaşımlar ve refrakter bileşenler için büyük ölçüde çalışılmıştır. İlk kez Movchan ve Demchishin in önerdiği yapısal model (Şekil 4. 2), daha sonra Thornton tarafından iyileştirilmiştir (Şekil 4. 3). Movchan - Demchishin ve Thornton elde ettikleri deneysel verilerin ışığında, sıcaklığın etkisine bağlı olarak, kaplama morfolojisinin değişimini gösteren birer model geliştirmişlerdir [34]. 32

53 Şekil 4. 2 Movchan ve Demchishin yapısal bölgeler modeli [36] Movchan ve Demchishin in saf metallerin biriktirilmesi üzerine yaptıkları çalışmalarla oluşturdukları diyagramda, Thornton ın modelindeki geçiş bölgesi (Zon T) yoktur. Zon T, Zon 1 ile Zon 2 arasında bir ara geçiş bölgesidir ve tek kristal alaşım ya da saf metal biriktirmede belirgin değildir. Ancak, refrakter bileşiklerin veya buharlaştırma yoluyla üretilen karmaşık alaşımların biriktirilmesinde oldukça belirgindir. T bölgesine sadece sıçratma yönteminde değil, iyon kaplama tekniklerinin hepsinde rastlanılmıştır. Movchan ve Demchishin termal buharlaştırma ile elde edilen kaplamalar için önerdikleri modelde, film morfolojinin, Ts/Tm oranına göre değişimini göstermişlerdir. Burada Ts (K) kaplama sıcaklığını, Tm (K) ise kaplanan malzemenin ergime sıcaklığını ifade etmektedir. Thornton ise Movchan ve Demchishin in modelini, sıçratma yöntemi ile elde edilen filmler için geliştirmiş ve morfolojinin Ar+ basıncına olan bağımlılığını da içeren yeni bir model ortaya koymuştur [34]. 33

54 Şekil 4. 3 Thornton yapısal bölgeler modeli [36] Movchan ve Demchishin in modelinde Zon 1, Zon 2 ve Zon 3 olmak üzere üç ayrı bölge (zone) bulunmaktadır. Ts/Tm oranı, metaller için Zon 1 den Zon 2 ye geçişte 0,3; oksitler için ise 0,22 0,26 dır. Zon 2 den Zon 3 e geçişte ise Ts/Tm oranı 0,45 0,5 tir. Zon 1 yapısı çok düşük sıcaklıklarda oluştuğundan, yüzeye gelen atomların enerjileri düşük, hareket kabiliyetleri de azdır. Dolayısıyla atomların yüzeye çarptıkları noktalara yakın bölgelerde çekirdeklenme başlayacak ve çekirdeklenme yoğunlukları artacaktır. Bunun sonucunda da film, ince kolonlu yapıya sahip Zon 1 de büyüyecektir. Büyüyen filmin yüzeyi pürüzlüdür ve üç boyutlu adacıklar (Volmer-Weber) modeline uygundur. Filmin yapısı, birkaç nm lik boşluklarla birbirlerinden ayrılan nm çapında kolonsal kristallerden meydana gelir. Kolonlar hatalı kristallerden oluşur ve film büyüdükçe yüzey difüzyonu az olduğu için hatalar da büyüyerek kalıcı hale gelir [37]. Geçiş bölgesinde (Zon T) altlık üzerinde kristallenmeler görülür ve film yapısı kalınlık boyunca heterojendir. V şeklindeki taneler, filmin kalınlığı arttıkça kolonsal yapıya dönüşürler. Zon T de de, Zon 1 deki gibi hatalı kolon yapısı görülür ancak farklı olarak kolonlar arasında boşluk yoktur. İyon kaplamalarda Zon T ye sık rastlanır. Aslında iyon kaplamalarda sıcaklık düşüktür, dolayısıyla film büyümesinin Zon 1 deki gibi olması beklenir. Ancak iyon kaplamaların sahip oldukları kinetik enerji, film büyümesini Zon T ye uygun hale getirir [34]. 34

55 Zon 2 de sıcaklık, yüzey difüzyonunun ana etkeni olacak kadar yüksektir. Zon 2, tane sınırları birbirlerine sıkı sıkıya yapışmış kolonlardan oluşur. Bu kolonların, kristal yapısı Zon 1 ve Zon T ye göre daha az hatalıdır; kolon çapları, Ts/Tm oranı arttıkça artar ve Zon 1 dekilere göre daha büyüktür. Zon 3 te sıcaklık çok yüksektir ve bu nedenle kütlesel difüzyon hâkimdir. Yeniden kristalleşmeler görülür, kristaller büyüktür ve rast gele yönlenmiştir. Film yüzeyi düz ve parlaktır. Modellerde belirtilen zonlar hakkında dikkat edilmesi gereken noktalar şunlardır: Tanımlanan zonlar, kaplanan her malzemede görülemeyebilir. Örneğin, Zon 3 e çoğu malzemede rastlanılmamaktadır. Zonlar arasındaki geçiş, kesin bir sıcaklık oranında olmayabilir. Geçiş sıcaklık oranı, kaplama koşullarına ve malzemeye bağlı olarak değişebilir. Geçiş, film kalınlığın artması ile bazen Zon 3 ten Zon 2 ye ya da Zon T den Zon 1 e doğru olabilir. Zonların yüzey topografileri yüzey enerjisine ve atomların yüzeye geliş açılarına bağlı olarak değişebilir [34]. 35

56 BÖLÜM 5 FONKSİYONEL DERECELENDİRİLMİŞ MALZEMELER VE KAPLAMALAR Günümüzde kompozit malzemeler temelde iki faklı yapıya sahiptirler. Bunlardan ilki, farklı özelliklere sahip malzemelerin bir araya getirilerek oluşturulduğu çok katmanlı yapılar, ikincisi ise özellikleri fonksiyonel olarak derecelendirilmiş yapılardır. İkinci tür kompozitlerin özellikleri kalınlıkları boyunca kademesiz değiştiği için bünyelerinde gerilme yığılması oluşmaz. Fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeler bu özellikleri sayesinde pek çok alanda kendilerine yer bulmaktadır. 5.1 Fonksiyonel Derecelendirilmiş Malzemeler Fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeler ısıya dayanıklı seramiklerin yüksek sıcaklık tarafında, yüksek ısıl iletkenliğe sahip tok metallerin ise düşük sıcaklık tarafında kullanılarak, seramikten metale dereceli değişime sahip yeni bir kompozit hazırlamak için önerilmiştir. Bu nedenle fonksiyonel derecelendirilmiş malzemelerin mikro yapıları heterojen karakter sergiler. Sürekli değişen mikro yapıları nedeniyle geleneksel kompozit malzemelerden ayrılırlar (Şekil 5. 1) [1]. 36

57 Şekil 5. 1 Farklı malzeme yapıları a) Homojen b) Katmanlı c) Fonksiyonel dereceli [38] Fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeler, günümüzde tüm dünyada önde gelen malzeme araştırmalarında önemli bir yere sahiptir. Örneğin bu tür malzemelerin, otomotiv, havacılık, makine, inşaat, biyomekanik, nükleer ve deniz mühendisliği de dâhil olmak üzere geniş bir yelpazede uygulama alanı vardır. Her geçen gün var olanlara ilaveten yeni uygulama alanları bulunmakta ve geliştirilmektedir. Fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeler teknolojisinin temeli, Japonya da önerilen özgün bir malzeme üretim teknolojisi ile atılmış ve kronolojik gelişimi şöyle olmuştur: 1984 yılında, Sendai Grubu FDM kavramını önermiştir yılında, FDM kavramı kabul görmüştür yılında, FDM konusunda incelemeler ve araştırmalar yapılmıştır yılında, FDM Bölüm 1 isimli ulusal bir proje başlatılmıştır yılında, Birinci Fonksiyonel Derecelendirilmiş Malzemeler forumu kurulmuştur yılında, Birinci Uluslararası Fonksiyonel Derecelendirilmiş Malzemeler Sempozyumu Japonya Sendai de yapılmıştır [2]. Fonksiyonel derecelendirilmiş malzemelerle ilgili çalışmalara farklı uygulama alanlarında devam edilmektedir. 37

58 5.2 Fonksiyonel Derecelendirilmiş Kaplamalar Helsinki Teknoloji Üniversitesi ile Tohoku Üniversitesi fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeleri ve kaplamaları da ortaklaşa yürüttükleri sert metal takımlar, seramik bileşenler, biyomalzemeler, uzay araçları, otomotiv malzemeleri gibi araştırmalar arasına almışlardır. Bu ortaklığı takiben benzer çalışmalar diğer ülkelerde de başlatılmıştır. Araştırmaların amaçlarından biri, maliyet-etkin bir üretim teknolojisi oluşturmak ve birçok üretim aşamasından ve pahalı işlem yöntemlerinden kaçınmaktır. FDM uygulamalarının hedefi, yüksek sıcaklıklara, korozif ortamlara ve ısıl-mekaniksel döngülere dayanabilen malzemeler ve kaplamalar yapabilmektir. Çalışmalar ilk olarak, istenilen özelliklere sahip sanal kaplama yapmak ve uygun malzemeler ile imalat yöntemlerini bulmak için başlatılmıştır. Maliyetler açısından uygun yöntemin, plazma sprey (APS) ve yüksek hızlı alev püskürtme (HVOF) olduğu görülmüştür. İlk olarak, oksijen difüzyon bariyerinin özellikleri yeterince yüksek tutulup termoelastik gerilmeler en aza indirgenerek, sanal kaplama bileşeni en uygun hale getirilmiştir. Daha sonra, tabaka kalınlıkları ve derece parametreleri çalışma koşulları, bileşen geometrisi, metalik fazın plastik deformasyonu dikkate alınarak optimize edilmiştir. Finlandiya da yürütülen ve yüksek hızlı alev püskürtme yönteminin kullanıldığı tasarım başarılı bulunmuştur. Hazırlanan numuneler, Tohoku Üniversitesi nde geliştirilen standartlara göre test edilmişlerdir. Yeni termal bariyer kaplama tasarımı, benzer sıcaklık koşullarında öncekilere kıyasla önemli ölçüde uzun ömürlü olmuştur. Her ne kadar seramikçe zengin katmanda plaka içi mikro çatlaklar oluşsa da delaminasyon çatlakları gözlenmemiştir [39]. 5.3 Fonksiyonel Derecelendirilmiş Malzemelerin Kullanım Alanları Fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeler, ısıl, yapısal veya fonksiyonel özelliklerde kontrol edilen değişimlerin özel amacı için mikro yapısında ve kompozisyonunda bölgesel değişimler içeren çok fonksiyonlu malzemelerdir. Fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeler, son zamanlarda bütün dünyada malzeme araştırmalarının ön sıralarında yer almaktadır. Bu malzemelerin, örneğin biyomekanik, 38

59 otomotiv, havacılık, inşaat, nükleer ve denizcilik alanlarında geniş uygulamaları vardır. Sürekli yeni uygulamalar bulunuyor ya da geliştiriliyor [2]. Fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeler, başlangıçta her ne kadar mekik ve roket gibi uzay taşıtları için var olandan daha iyi bir ısıl kalkan geliştirme çabasıyla kullanılmaya başlanmışsa da sonraki yıllarda pek çok farklı alanda uygulama bulmuştur [39]. Uzay Taşıtları Fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeler ilkin uzay araçlarının yüzeyi için ısıl bariyer olarak tasarlanmış, Kibo uzay istasyonunda bir test cihazında fişek olarak ve geri kazanılabilir bir roket motoru olarak kullanılmıştır. Isıl kalkan olarak roket yapılarına ve motorun dış duvarına uygulanmıştır. Çalışmalar, sistemlerin geri kazanılması üzerinde yoğunlaşmıştır, ancak bu çalışmalar henüz model üzerinde sürdürülmektedir [40]. Şekil 5. 2 Uzay mekiği [41] Türbinler ve Dizel Motorlar Isıl bariyer kaplamalar olarak FDM ler, gaz türbinleri ve diğer enerji üreten elemanlarda kullanılmaktadır (Şekil 5. 3). Özellikle motorun çalışma sıcaklığını yükselterek enerji verimini iyileştirmek; motorun ısıya maruz bölümlerinin soğuma gereksinimlerini azaltmak ve parça ömrünü uzatmak için FDM lerden yararlanılmaktadır [40]. 39

60 a) b) Şekil 5. 3 Türbin kanatları (a) ve motor bloğu (b)[42,43] Yapılan araştırmalarda, enerji üreten gaz türbinleri ve dizel motorların, yüksek sıcaklıklarda daha yüksek verimlerle çalıştıkları saptanmıştır. Örneğin, bir gaz türbininin giriş sıcaklığı 100 C artırıldığında, güç çıkışı da % 8 den 13 e yükselmektedir. Bu durumun ekonomik getirileri de oldukça büyük olmaktadır. Sadece türbin yakıtları için yıllık 14 milyar dolar harcandığı göz önüne alınırsa, verimdeki % 1 lik artış, güç üretim maliyetlerinde 140 milyon dolarlık kazanç sağlamaktadır [40]. Titanyum Saatler Titanyum, hafifliği ve antialerjik özelliğinden ötürü kol saatlerinde kullanılmaktadır ancak sertliği ve darbe direnci düşüktür. Citizen, titanyum yüzey kalitesini iyileştirdiği ve Duratect Titan adını verdiği bir teknik geliştirmiştir. Bu teknikl sayesinde titanyum saatin parlatılmış yüzey tabakasına zarar vermeden yüzeyin sertleştirilmesi başarılmıştır. Yöntem, vakumlu fırın içerinde, uygulanan ısıl işlemle katı yüzeye µm kalınlığında azot ve oksijen difüze edilmesidir. Citizen, Aspec adı altında titanyumdan oluşturulmuş sert yüzeyli yeni bir marka saat satmaya başlamıştır (Şekil 5. 4) [44]. Şekil 5. 4 Citizien in Duratect-Titan Saati [39] 40

61 Optoelektronik FDM nin plastik optik fiberlerdeki uygulaması, iletimin hızını ayarlar. Günümüzde, Lucina TM 10 Gbps i aşan yüksek hızda bilgi iletim boyutu kullanmaktadır. Bu boyut telefon bağlantısına ve birkaç yüz metre iletim uzaklığına eşittir [40]. Şekil 5. 5 Plastik optik fiber [39] Biyomalzemeler Mükemmel sertlik ve korozyon direnci için yeterli olmasa da biyolojik bütünlük ve uyum için suni kemik, eklem, diş olarak FDM uygulanabilir. Şekil 5. 6 da deney tavşanında uygulanan FDM malzemesi görülmektedir [44]. Şekil 5. 6 İmplant [39] Beyzbol Ayakkabısı Fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeler kullanılmadan önce, beyzbol ayakkabıları (Şekil 5. 7) kil ve kumdan dolay aşınıyor ve tabanlarında kopmalar oluyordu. Bu sorunu çözebilmek için FDM uygulanmaya başlanmıştır. FDM tekniği beyzbol ayakkabısı için de kullanılmaktadır. Bu ayakkabılar, özel şekilli karbür uçların yapışmasından ve karbon çeliklerinden yapılır. Mizuno Ltd. bu ayakkabıları satmaktadır [40]. 41

62 Şekil 5. 7 Beyzbol ayakkabısı [39] Tıraş Makinesi Bıçağı Matsushita Elektrik firması, imal ettiği tıraş makinesi bıçağının sertliğini, dereceli değişecek şekilde yapmayı başarmıştır (Şekil 5. 8). Yüksek tokluk için bıçakların alt tabakalarını metal malzemeden, üst tabakalarını da yüksek sertlik için intermetalik malzemeden imal etmişlerdir [44]. Şekil 5. 8 Tıraş makinesi bıçakları [39] Endüstriyel Malzemeler Mukavemet ve ısıl dirençlerin artması nedeniyle kesici ve şekillendirici takımlar için FDM uygulanması başlatılmıştır (Şekil 5. 9). Bu çalışmalarda kendi kendini yağlama fonksiyonu ve yüksek ısıl dirençlerin takımlar için geliştirilmesinin yanı sıra, soğutucuyağlayıcı akışkan kullanmadan kuru kesim yapabilme kabiliyeti geliştirilmiştir [40,44]. Şekil 5. 9 Kesici uçlar [39] 42

63 BÖLÜM 6 DENEYSEL ÇALIŞMALAR Talaşlı imalatta kullanılan kesici takımlar, kaplamalı ve kaplamasız olmak üzere iki gruba ayrılabilirler. Kaplamalı kesici takımlarda kaplama kalınlığı 3-9 µm aralığında değişmektedir. Kaplamanın altlık yüzeyine tutunabilirliği ile aşınma dayanımının yüksekliği, kaplamanın ne derece iyi olduğunu gösteren en önemli kriterlerdir. Dolayısıyla tez çalışması süresince yapılan deneysel çalışmalarda kaplamaların kalınlıkları, altlık yüzeyine tutunabilirlikleri ve aşınma dayanımları da önemli ölçütler olarak dikkate alınmıştır. Günümüzde, farklı malzemeler ve işlemler için farklı kaplamalar kullanılmaktadır. Genel olarak TiN, TiC, TiAlN, Al 2 O 3, ZrN gibi sert seramik kaplamalar, talaşlı imalat takımlarında; CrN kaplamalar ise şekil verme ve döküm kalıplarında iyi sonuç vermektedir. TiNbN, TiBN, ZrB, ZrBN, MoN, TiCrN, HfN, AIN, Al 2 O 3, TiAIBN ve elmas benzeri karbon (DLC) gibi yeni tür sert seramik kaplamaların geliştirilmesine yönelik araştırmalara da devam edilmektedir. Titanyum (Ti), karbon (C) ve azotun (N), seramik kaplamaların tamamına yakın bir kısmında kullanıldığı görülmektedir. Titanyum ve azot kullanılarak oluşturulan titanyum nitrür (TiN) kaplamaların düşük sürtünme katsayıları, işlenen malzemenin, kesici takımın talaş yüzeyine yapışma eğilimini azaltır. Karbon ilavesiyle elde edilen titanyum karbonitrürün (TiCN) yüzey pürüzlülüğü ve dolayısıyla sürtünme katsayısı küçülür bunun sonucunda da yapışma eğilimi daha da azalır. Ayrıca, titanyum karbonitrürün (TiCN) yüzey sertliği de titanyum nitrüre (TiN) kıyasla % 30 daha yüksektir. 43

64 Sözü edilen özellikleri nedeniyle titanyum, karbon ve azot içerikli kaplamalar, pek çok malzemenin talaşlı imalatında kullanıldıkları için deneysel çalışmalarda kaplama malzemesi olarak seçilmişlerdir. Literatür taramalarında, kesici takımların geleneksel katmanlı yapıda kaplanması ile ilgili çok sayıda araştırmanın olduğu; fonksiyonel derecelendirilmiş yapıda kaplanması ile ilgili araştırmaların ise az olduğu görülmüştür. Yüksek hız çeliği ve sinterlenmiş karbür kesici takımların, manyetik sıçratma yöntemiyle fonksiyonel derecelendirilmiş olarak titanyum karbonitrür (TiCN) ve titanyum bor karbonitrür (TiBCN) kaplanmasına ise rastlanmamıştır. Yüksek hız çeliği ve sinterlenmiş karbür kesici takımlar talaşlı imalatta en çok tercih edilen takım olmaları nedeniyle deneysel çalışmalarda altlık malzeme olarak seçilmişlerdir. Bu takımların titanyum karbonitrür (TiCN) ve titanyum bor karbonitrür (TiBCN) kaplama malzemeleri ile fonksiyonel derecelendirilmiş olarak kaplanmaları çalışmanın asıl amacıdır. Ana altlık malzeme olarak seçilen kesici takımların (YHÇ ve WC) kaplanmasına yönelik asıl çalışmalardan önce en uygun kaplama koşullarının belirlenebilmesi amacıyla ön deneysel çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalarda ana malzemelerle aynı özelliklere sahip numuneler kullanılmıştır. Ön deneysel çalışmalarla hedeflenen kaplama kalınlığı (3-9 µm aralığı), fonksiyonel derecelendirilmiş kaplama yapısı ve kaplamanın altlık yüzeyine iyi tutunabilirliği için gereken kaplama koşulları tespit edilmiştir. Toplam yüz adet deneysel çalışma yapılmıştır. Bunların yetmiş beş adedini ön deneysel çalışmalar, geri kalan yirmi beş adedini ise ana altlık malzeme olarak seçilen kesici takımların kaplanması oluşturmaktadır. Başlangıçta 2 µm den ince (Çizelge 6. 1 Şekil 6. 1) ya da katmanlı yapıya sahip (Çizelge 6. 2 Şekil 6. 2) veya altlık yüzeyine tutunamayan (Çizelge 6. 3 Şekil 6. 3) kaplamalar elde edilmiştir. 44

65 Çizelge 6. 1 Kalınlığı 2 µm den ince kaplama için kaplama koşulları Ar Ti B C N Süre (dak) Gaz akışı (cm 3 /dak) BIAS (V) Yok Çalışma Basıncı (mbar) 3x10-3 Altlık malzemesi Yüksek hız çeliği Şekil 6. 1 Kalınlığı 2 µm den ince kaplama 45

66 Çizelge 6. 2 Katmanlı yapıya sahip kaplama için kaplama koşulları Ar Ti B C N Süre (dak) Gaz akışı (cm 3 /dak) BIAS (V) Yok Çalışma Basıncı (mbar) 3x10-3 Altlık malzemesi Yüksek hız çeliği Şekil 6. 2 Katmanlı yapıya sahip kaplama 46

67 Çizelge 6. 3 Altlık yüzeyine tutunamayan kaplama için kaplama koşulları Ar Ti B C N Süre (dak) Gaz akışı (cm 3 /dak) BIAS (V) 20 Çalışma Basıncı (mbar) 3x10-3 Altlık malzemesi Yüksek hız çeliği Şekil 6. 3 Altlık yüzeyine tutunamayan kaplama Kalınlığı artırılmış, fonksiyonel derecelendirilmiş yapıda ve altlık yüzeyine iyi tutunan kaplamalar elde edebilmek için işlem süreleri, bias voltajı, gaz akış miktarları değiştirilerek farklı çalışma kombinasyonları denenmiştir. Bu çalışmalar sonucunda istenilen kalınlıkta, fonksiyonel derecelendirilmiş yapıda ve altlık yüzeyine iyi tutunan kaplamalar başarılı bir şekilde elde edilebilmiş daha sonra ana malzemelerin kaplanmasına geçilmiştir. Uygun kaplama koşullarının belirlenmesi için yapılan ön deneysel çalışmalar ve ana malzemelerin kaplanması için yaklaşık yüz adet kaplama çalışması yapılmış ve analizleri gerçekleştirilmiştir. 47

68 6.1 Altlık ve Kaplama Malzemeleri Makine Takım Endüstrisi A.Ş. envanterinde bulunan, konvansiyonel torna, vargel ve otomat tezgâhlarında talaş kaldırmak için, çeşitli uç formları verilerek kesici takım olarak kullanılan, TS 95/1 standart numaralı, %10 Co alaşımlı HSS-E yüksek hız çeliği hem ön deneysel çalışmalarda hem de HATKO Teknik Donanımlar Mümessillik ve Ticaret A.Ş. de çeşitli talaşlı imalat işlemlerinden sonra SNMG kodlu sinter karbür takımla aynı ölçü ve şekle getirilerek asıl çalışmada kullanılmıştır (Şekil 6. 4). Şekil 6. 4 Yüksek hız çeliği deneysel çalışma numunesi Böhler Sert Maden A.Ş. envanterinde bulunan, SNMG geometri kodlu ve P40 bileşimli (%77 WC, %12 TiC ve TaC, %11 Co) sinterlenmiş karbür kesici uç ikinci ana altlık; SNUN geometri kodlu ve yine P40 bileşimli sinterlenmiş karbür uç da ön deneysel çalışmalar için kaplamasız olarak temin edilmişlerdir (Çizelge ). Çizelge 6. 4 Sinterlenmiş karbür deneysel çalışma ana numunesi Çizelge 6. 5 Sinterlenmiş karbür ön deneysel çalışma numunesi 48

69 Kaplama çalışmalarında altlık malzemelerin yanı sıra yüksek saflıkta (En az %99,5 saflıkta) olmaları gereken hedef malzemeler ve gazlara ihtiyaç duyulmaktadır. Kullanılacak kaplama cihazı için 150 mm çapında ve 7 mm kalınlığında disk şeklinde hedef malzemeler uygundur. TiCN kaplama için kullanılacak Ti (%99,9 saflıkta) hedef malzeme Almanya da bulunan EVOCHEM Advance Materials firmasından; TiBCN kaplama için kullanılacak TiB 2 (%99,640 saflıkta) hedef malzeme de Amerika Birleşik Devletleri nde bulunan Feldco International firmasından alınmıştır. Her iki kaplamada ortak kullanılacak olan CH 4 ve N 2 gazları ise (%99,9 saflıkta) Linde Group tan temin edilmiştir. 6.2 Numune Hazırlama Deneysel çalışmalarda yapılan kaplamaların, kalınlıklarının ve fonksiyonel derecelendirilmiş yapıda olup olmadıklarının belirli aralıklara taramalı elektron mikroskobu görüntüleri alınarak kontrol edilmesi öngörülmüştür. Kaplama kalınlıklarının doğru tespit edilebilmesi ve kalınlığı boyunca kaplamalardaki değişimin gözlemlenebilmesi için görüntülerin kırılma yüzeylerinden alınmasına karar verilmiştir. Dolayısıyla numunelerin kolayca kırılabilecek kalınlıkta olmaları gerekmektedir. Bu nedenle 200x20x20 mm boyutlarında temin edilen yüksek hız çeliği, özel bir şirketin (HATKO Teknik Donanımlar Mümessillik A.Ş.) bünyesindeki tel erozyon cihazıyla 2 mm kalınlığında kesilmiş, ardından yüzeyleri taşlanmış ve 20x20x2 mm boyutlarında numuneler elde edilmiştir (Şekil 6. 5). Şekil 6. 5 Yüksek hız çeliği ön deneysel çalışma numunesi 49

70 Ön deneysel çalışmalar için kaplamasız olarak temin edilen sinterlenmiş karbür numunelere ise kolay kırılmalarını sağlamak için (Tor-Su Soğutma Malzemeleri Sanayi ve Tic. Ltd. Şti. desteği ile) elektro erozyon cihazıyla 2x2 mm boyutunda kanal açılmıştır (Şekil 6. 6). 12x Şekil 6. 6 Sinterlenmiş karbür ön deneysel çalışma numunesi 6.3 Numunelerin Kaplanması Kaplama çalışmaları, İ.T.Ü. Prof. Dr. Adnan Tekin Malzeme Bilimleri ve Üretim Teknolojileri Uygulama Araştırma Merkezi bünyesinde bulunan Reaktif DC Manyetik Alanda Sıçratma / Plazma Destekli Kimyasal Buhar Biriktirme (PECVD) İnce Film Kaplama Sistemi HEF TSD-350 PECVD ile yapılmıştır (Şekil 6. 7). Şekil 6. 7 Deneysel çalışmalarda kullanılan kaplama cihazı 50

71 Kullanılan kaplama cihazının teknik özellikleri aşağıda verilmiştir. PVD ve PECVD modlarında çalışabilme Proses parametrelerinin sağlıklı kontrolü ile yüksek tekrar edilebilirlik imkânı Yeni kaplama türlerinin geliştirilebilmesi için önemli işlem parametrelerinin (hedef-taban malzeme mesafesi, bias voltajı, sıçratma gücü vs.) kolaylıkla değiştirilebilmesi DC güç kaynağı (2500 W) Harici ısıtma sistemi sayesinde hassas sıcaklık kontrolü Rotary ve turbomoleküler pompalar vasıtasıyla 10-7 mbar vakum seviyelerinde çalışabilme imkanı Şekil 6. 8 Ultrasonik temizlik cihazı Numuneler, kaplama cihazına yerleştirilmeden önce yüzeyleri etil alkol ve saf aseton kullanılarak 15 dakika ultrasonik yöntemle temizlenmişlerdir. Numuneler cihazın içerisine yerleştirildikten sonra, rotary ve turbo moleküler vakum pompaları çalıştırılarak, kaplama haznesi iç basıncı mbar değer aralığına kadar düşürülmüştür. Ardından hazne içerisine yüksek saflıkta argon gazı verilerek kaplama işlemine başlamadan önce, numune yüzeyleri bir kez de, iyon bombardımanı (Bias etching) ile temizlenmiştir. Temizlik işleminde V aralığı, 50 V luk artışlarla ve her adım iki dakika süreyle uygulanarak beş adımda tamamlanmıştır. Kaplama işlemleri doğru akım manyetik sıçratma (DC MS) yöntemi ile yapılmıştır. Sıçratma yöntemi, bir hedef malzemenin yüzey atomlarının, iyonize olmuş gaz atomları 51

72 (genellikle nötr bir gaz) tarafından koparılarak fırlatılması ve bu fırlatılan atomların, ince bir tabaka oluşturacak şekilde, kaplanması istenen taban malzeme üzerine biriktirilmesidir. Sistem içerisindeki iyonizasyon, hedef malzemenin arkasına yerleştirilmiş bir mıknatıs tasarımı vasıtasıyla artırılmaktadır (Şekil 6. 9). Şekil 6. 9 Doğru akım manyetik sıçratma (DC MS) yönteminin çalışma ilkesi [45] Çalışmalara Ti hedef malzeme kullanılarak, ön deneysel numuneler üzerine TiCN kaplama denemeleri yapılarak başlanmıştır. Kesici takım kaplama kalınlıklarının, literatür taramalarında ve ticari kullanımdaki takımlar incelendiğinde 3-9 µm kalınlık aralığında olduğu görülmüştür. Dolayısıyla çalışmalarda bu aralıktaki kaplama kalınlığına ulaşmak hedeflenmiştir. TiCN kaplamalar tamamlandıktan sonra, kaplama cihazına TiB 2 hedef malzeme takılarak TiBCN kaplamalara yönelik çalışmalara başlanmıştır. Hedeflenen nitelikte kaplamalar elde edebilmek için TiCN kaplamalardaki süreç bu aşamada da aynen tekrar edilmiştir. 52

73 a) Yüksek hız çeliği b) Sinterlenmiş karbür Şekil Kaplama öncesi ve sonrası ön deneysel çalışma numuneleri a) Yüksek hız çeliği b) Sinterlenmiş karbür Şekil Kaplama öncesi ve sonrası kesici takımlar 6.4 Kaplama Analizleri Ön deneysel çalışmalardan başlayarak, öncelikle kaplamaların kalınlıklarının ve yapısal özelliklerinin belirlenmesi amacıyla düzenli aralıklarla SEM görüntüleri alınmış, kaplama kalınlığı boyunca çizgisel analizleri yapılmıştır. Görüntü ve analiz sonuçları dikkate alınarak çalışmalara bu verilerin kılavuzluğunda devam edilmiştir. SEM görüntüleri ile çizgisel analizlerin yanı sıra kaplamaların karakterizasyonu için mikro sertlik, aşınma (Ball-on-Plate) ve çizik testleri, XRD analizleri yapılmıştır. 53

74 6.4.1 SEM Görüntüleri ve Çizgisel Analiz Kaplamaların SEM görüntüleri, İ.T.Ü. Biyomalzeme Araştırma ve Karakterizasyon Laboratuarı bünyesinde bulunan JEOL JSM 7000F cihazından alınmıştır (Şekil 6. 12). Görüntüler, sıvı azot içerisine atılıp bir süre beklendikten sonra kırılan numunelerin, kırılma yüzeylerinden elde edilmiştir. Elektron mikroskobu içerdiği geri saçılan elektron görüntüsü (BSI) ve ikincil elektron görüntüsü (SEI) teknikleriyle malzemelerin yüzey ve kesitlerinin, yüksek büyütmelerde morfolojik ve kimyasal analizi için kullanılmaktadır. Şekil Taramalı elektron mikroskobu (SEM)(JEOL JSM 7000F) Numunenin SEM ile incelenmesi sırasında numune üzerinde istenilen alana gönderilen elektron demeti ile numune yüzeyine veya kesitine enerji transferi sağlanır. Gönderilen bu elektron demeti birincil elektronlar olarak adlandırılır ve numuneden bazı elektronların yerinden oynamasına neden olur. İkincil elektron olarak adlandırılan bu elektronlar bir algılayıcı tarafından toplanır ve sinyale dönüştürülerek görüntü elde edilir. 54

75 6.4.2 XRD Analizleri Numunelerin XRD analizleri, Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Malzeme Bilimi ve Mühendisliği bünyesinde bulunan Bruker D8 Advance cihazıyla yapılmıştır (Şekil 6. 13). Karbon monokromotor ve Sol X olmak üzere iki adet detektöre sahip cihaz, metallerin, seramiklerin, inorganik maddelerin faz analizini yapmaktadır. Sol X detektörü numuneden gelen sinyalleri yüksek duyarlılıkta ve şiddette algılanması gereken hassas çekimlerde, karbon monokromotoru ise genel çekimlerde kullanılmaktadır. Kaplamaların arasında 2θ değerlerinde XRD paternleri alınarak, kaplamadaki mevcut fazlar tespit edilmiştir. Şekil Bruker D8 Advance XRD cihazı 55

76 6.4.3 Mikrosertlik Ölçümleri Numunelerin mikro sertlikleri, Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Malzeme Bilimi ve Mühendisliği bünyesinde bulunan Zeiss optik mikroskoba adapte edilmiş Vickers cihazıyla ölçülmüştür (Şekil 6. 14). Mikroskop, 50x, 100x, 200x, 400x, 500x ve 1000x büyütme oranlarında çalışabilmektedir. Mikroskoba adapte edilmiş Vickers sertlik cihazı gf aralığında yük uygulayabilmekte ve çok ince kaplamaların sertliklerini de rahatlıkla ölçebilmektedir. Şekil Mikrosertlik ölçüm cihazı Aşınma (Ball-on-Plate) Testi Aşınma testi, ball-on-plate/disc mekanizması ile çalışan CSM marka cihaz ile yapılmıştır (Şekil 6. 15). Aşındırma işlemi için iki farklı tipte kafa kullanılabilmektedir. Birincisi salınım hareketi ile (reciprocating) doğrusal hareket; ikincisi ise dönme hareketi (rotation) yapar. Aşınma deneyleri, 0,25N - 20N yük ve 0,5 cm/s - 50 cm/s hız aralığında, çelik (440C), Si 3 N 4, WC, Al 2 O 3 gibi farklı bilyelerle gerçekleştirilmektedir. Aşınma testi sonucunda numunenin ortalama sürtünme katsayısı ve aşınma oranı tespit edilir. 56

77 Şekil Aşınma testi cihazı Numuneler dikdörtgen geometride olduklarından, test için cihazın salınımlı doğrusal hareket (reciprocating) aparatı tercih edilmiştir. Kaplamalara aşınma testi uygulanmadan önce asetonla temizlenmişlerdir. Testler literatür taramaları esas alınarak belirlenen koşullar altında gerçekleştirilmiştir. 1 Test için 6 mm (Dimension) çapında, 440C (Substrate) çelik bilye kullanılmıştır. Her test, numune başına 13 dakikada tamamlanmıştır. Test koşulları, nem (Humidity)% 40, sıcaklık (Temperature) 25 C, doğrusal hareket için salınım mesafesi (1/2 amplitude) 8,5 mm, en büyük doğrusal hız (Max lin. speed) 20 cm/s, test yükü (Normal load) 5N ve alınacak toplam mesafe (Stop condit.) 100 m olarak grafiklerde görülmektedir. Test koşullarının yanı sıra grafiklerde ortalama sürtünme katsayısı (Friction coef. mean) ile numune aşınma oranı (Sample wear rate) değerleri de bulunmaktadır. 1 Test koşulları [49-57] aralığındaki kaynaklara göre belirlenmiştir. 57

78 6.4.5 Profilometre ile Aşınma İzi Ölçümleri Cihaz, numunelerin yüzey pürüzlülüğünü, numune yüzeyine temas halinde hareket eden (mekanik profilometre) ve 7 Å ile 1 mm arası hassasiyete sahip farklı çaplardaki elmas uçlar vasıtasıyla ölçer. Tepe ve yan olmak üzere iki tip kamerası vardır. Numunelerin yerleştirildiği döner tablası sayesinde incelenecek yüzey kolayca istenilen pozisyona getirilebilmektedir. Cihazın başlıca özellikleri şunlardır: 1. İki boyutta çizgisel yüzey pürüzlülüğü ölçme, 2. Üç boyutta yüzey topografyası yardımıyla ortalama yüzey pürüzlülüğü ölçme ve yüzey haritasını çıkarabilme, 3. İnce filmlerin kalınlığını, derinliğini ve gerilimlerini ölçme, 4. Aşınma, çizik testi ve GDOES izlerinin derinliklerinin alan ve hacim gibi hesaplarını yapabilme. Aşınma testi sonucunda, kaplama yüzeylerinde oluşan izlerin ölçümü, Veeco Dectak 8 profilometre cihazında (Şekil 6. 16), 5µm yarıçaplı ölçme ucu aracılığıyla 3mg kuvvet altında, 45 saniye süreyle 1000 µm lik mesafe taranarak yapılmıştır. Kaplamalardaki aşınma miktarı, elde edilen ölçümler kullanılarak, aşınma test cihazının bağlı olduğu bilgisayardaki yazılım ile mm 3 /N/m olarak hesaplanmıştır. Şekil Veeco Dectak 8 Profilometre cihazı 58

79 6.4.6 Çizik Testi Çizik testi, kaplamanın altlık malzemeye yapışma mukavemetini ölçmek amacıyla yapılmıştır. Test için Nanovea Scratch Tester cihazı kullanılmıştır (Şekil 6. 17). Cihaz, 0,4 N dan 200 N a kadar artan bir şekilde veya belirlenen bir yükte sabit bir şekilde yüzeye yük uygulayarak yüzeyi çizerek bozar. Cihaza ait farklı boyutlarda (0,1 μm ve 0,5 μm) Rockwell C uçlar ve çiziklerin görüntülenmesi için 50x, 200x ve 500x büyütmelerde optik lensler mevcuttur. Şekil Çizik testi cihazı 0,2 μm Rockwell C uç kullanılarak, kaplama yüzeyine, 10 mm/dak ilerleme hızı ve 100 N/dak yükleme hızı ile 0 dan 100 N a artan yük uygulanması, test koşulları olarak belirlenmiştir. 1 1 Test koşulları [58-66] aralığındaki kaynaklara göre belirlenmiştir. 59

80 6.5 Talaş Kaldırma Çalışmaları Takımların kaplanması ve yapılan kaplamaların farklı yöntemlerle analizleri tamamlandıktan sonra fonksiyonel derecelendirilmiş kaplamalı (FDK) takımların, talaş kaldırma performanslarının araştırılmasına geçilmiştir. Çalışmanın bu bölümünde, kaplamasız, katmanlı kaplamalı ve fonksiyonel derecelendirilmiş kaplamalı üç ayrı takımın, aynı kesme parametreleri ile kıyaslanarak değerlendirilmesi öngörülmüştür. Böylece hem kaplamasız ve kaplamalı takımların hem de katmanlı kaplamalı ve FDK takımların ömürlerinin karşılaştırmalı olarak değerlendirilmesi yapılabilecektir. Talaş kaldırma çalışmalarında herhangi bir kesme sıvısı kullanılmamış, işlemler GOODWAY GA-230 CNC torna tezgâhında gerçekleştirilmiştir (Şekil 6. 18). Şekil Talaş kaldırma çalışmalarında kullanılan CNC torna tezgâhı Takım Tutucu Seçimi Takım tutucular (katerler), kesici takımların bağlanış biçimleri (baskılı, levyeli, vidalı v.b.), iş parçasına yaklaşma açıları ( v.b.) ve yönleri (pozitif, negatif) bakımından farklılıklar göstermektedir. Kaplama çalışmalarında ana malzeme olarak SNMG kodlu (Çizelge 6. 4) geometriye sahip kesici takımlar kullanıldığı için talaş kaldırma çalışmalarında da bu takımlara uygun takım tutucuların kullanılması gerekmektedir. 60

81 Takım tutucu olarak, Takımsaş A.Ş. envanterinde bulunan PSBNR 3232 P19 kod numaralı, levyeli, 75 açılı ve pozitif yönlü kater seçilmiştir (Şekil 6. 19). Şekil Takım tutucu İş Parçası Malzemelerinin Belirlenmesi Talaş kaldırma çalışmalarında kullanılacak sinter karbür ve yüksek hız çeliği takımların yapısal farklılıkları nedeniyle kullanım alanları ve işlem parametreleri farklılık göstermektedir. Dolayısıyla iki farklı takımın ömür testlerinin de iki farklı malzeme kullanılarak yapılması ön görülmüştür. Ayrıca belirlenecek iş parçası malzemelerinin her iki takım için de imalatta sık kullanılan malzemeler olmasına dikkat edilmiştir. Sinter karbür takımlar için otomobil, motor konstrüksiyon, makine ve diğer imalat parçalarında kullanılan AISI 4140 alaşımlı ıslah çeliği; yüksek hız çeliği takımlar için de yine makine parçaları, dingil, cer kancası, mil ve benzeri parçaların imalatında kullanılan AISI 1040 orta karbonlu çelik, iş parçası olarak tercih edilmişlerdir. Her iki malzeme de çalışmada kullanılacak tezgâha uygun olarak 70 mm çap ve 300 mm boy ölçülerinde işletilmiş ve tezgâha bağlanabilmesi için alınlarından punta deliği açtırılmıştır. 61

82 6.5.3 Kesme Parametrelerinin Belirlenmesi Kesme parametrelerinden, kesme derinliği ve ilerleme ISO 3685 (Tek Noktadan Tornalama Takımları ile Takım Ömrü Testi Tool-life Testing with Single Poing Turning Tools / Second Edition ) standardına göre belirlenmiştir. Talaş kaldırma çalışmalarında kullanılan kesici takımların (SNMG ) köşe yarıçapı 1,2 mm dir. ISO 3685 te, en küçük kesme derinliğinin, köşe yarıçapının iki katından az olması halinde, takım aşınması ölçümlerinin zor ve hatalı olabileceği ifade edilmektedir. Ayrıca, Çizelge 6. 6 da verilen ilerleme ve kesme derinliği değerlerinin tablo içinden farklı kombinasyonlarla seçilebileceği belirtilmektedir. Edinilen bu bilgilere göre her iki takım için kesme derinliği (a p ) 2,5 mm, ilerleme hızı (ƒ) ise 0,25 mm/dev olarak belirlenmiştir. Çizelge 6. 6 Standart kesme koşulları 1 Kesme koşulları A B C D İlerleme ƒ, mm/dev 0,1 0,25 0,4 0,63 Kesme derinliği a p, mm 1 2,5 2,5 2,5 Köşe radüsü r ε, mm 0,4 0,8 0,8 1,2 Çizelge 6. 7 Kesme koşulu sınırları 2 En küçük kesme derinliği En büyük kesme derinliği En büyük ilerleme Köşe yarıçapının iki katı İlerlemenin on katı Köşe yarıçapının 0,8 katı Kesme hızları ise literatür ve uygulamalar dikkate alınarak, yüksek hız çeliği takımlar için 40 m/dak, sinter karbür takım için 100 m/dak olarak belirlenmiştir [90-95]. 1 ISO Tablo 2 2 ISO Tablo 3 62

83 6.5.4 Takım Aşınması Ölçümleri Takım aşınmaları, ScopePhoto 3.0 yazılımının bulunduğu bilgisayara bağlı makro büyütmeli mikroskopla (Şekil 6. 20) 20x büyütme oranında ölçülmüştür. Teoride, bir kesici takımın ömrünün, ISO 3685 standardında da belirtildiği gibi talaş yüzeyi aşınma bölgesindeki VB B max değerinin 0,3 mm ye ulaştığı an (Şekil 6. 21) tamamlandığı kabul edilmektedir. Kesici takımlara ait Aşınma miktarı Zaman grafikleri, ölçümlerinde 0,3 mm lik aşınma miktarı dikkate alınarak çizilmiştir. Şekil Takım aşınması ölçümlerinde kullanılan makro büyütmeli mikroskop 63

84 Şekil Tornalamada kullanılan kesici takımlarda aşınma 1 1 ISO Şekil 8 64

85 6.5.5 İş Parçası Yüzey Pürüzlüğünün Ölçümleri Şekil İş parçası yüzey pürüzlülüğünün ölçüldüğü profilometre İş parçası yüzey pürüzlülükleri TimeSurf TR 220 v 1.0 profilometresi ile ölçülmüştür (Şekil 6. 22). Ölçümler metrik sistemde, Gauss filitresi kullanılarak, 0,8 mm cutoff değerinde yapılmıştır. Sinter karbür takımlarla işlenen AISI 4140 parçaların yüzey pürüzlülükleri, takımda ölçülen her 10 µm lik aşınmada bir ölçülmüştür. Yüksek hız çeliği takımlarla işlenen AISI 1040 parçaların yüzey pürüzlülükleri ise takımların ömürleri, sinter karbür takımlarınkine göre daha kısa olduğu için her iki dakikalık talaş kaldırma işleminden sonra ölçülmüştür. 65

86 BÖLÜM 7 DENEYSEL ÇALIŞMA SONUÇLARI 7.1 SEM Görüntüleri ve Çizgisel Analiz Sonuçları Taramalı elektron mikroskobu görüntülerinde, TiCN kaplamaların kolonsu yapıda büyüdükleri ve Thornton ın ince film büyüme modelindeki Zon 1 e denk geldiği görülmüştür (Şekil 7. 1). Çizelge 7. 1 TiCN kaplama için kaplama koşulları Ar Ti B C N Süre (dak) Gaz akışı (cm 3 /dak) BIAS (V) Yok Çalışma Basıncı (mbar) 3x10-3 Altlık malzemesi Yüksek hız çeliği Şekil 7. 1 TiCN kaplamanın 7500x SEM görüntüsü 66

87 TiBCN kaplamaların ise kolonsuz yapıda büyüdükleri görülmüştür (Şekil 7. 2). Çizelge 7. 2 TiBCN kaplama için kaplama koşulları Ar Ti B C N Süre (dak) Gaz akışı (cm 3 /dak) BIAS (V) 10 Çalışma Basıncı (mbar) 2x10-3 Altlık malzemesi WC Şekil 7. 2 TiBCN kaplamanın 7500x SEM görüntüsü Görüntülerden, hem TiCN hem de TiBCN kaplamada başlangıçta hedeflenen 3-9 µm kalınlık aralığına ve katmansız yapıya ulaşıldığı anlaşılmaktadır. Kaplama koşulları Çizelge de verilmiştir. Kaplama kalınlığı boyunca kaplamayı oluşturan elementlerin dağılımı da JEOL JSM 7000F taramalı elektron mikroskobu ile bağlantılı çalışan Oxford/Inca marka EDS/WDS cihazı ile çizgisel analiz testi yapılarak incelenmiştir. Analiz sonucunda hem TiCN hem de TiBCN kaplamalardaki elementlerin dağılımlarının fonksiyonel olarak değiştiği görülmüştür (Şekil ). 67

88 Şekil 7. 3 TiCN kaplama için çizgisel analiz testi a) b) c) Şekil 7. 4 Kaplama kalınlığı boyunca a) Titanyum b) Karbon c) Azot dağılımları 68

89 Şekil 7. 5 TiBCN kaplama için çizgisel analiz testi a) b) c) d) Şekil 7. 6 Kaplama kalınlığı boyunca a) Titanyum b) Bor c) Karbon d) Azot dağılımları 69

90 Ön deneysel çalışmalardan alınan olumlu sonuçların ardından, ana malzemelerin kaplanma işlemleri ve kaplamaların analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizler neticesinde fonksiyonel derecelendirilmiş TiBCN kaplamalardan olumlu sonuçlar alınmıştır. En iyi sonuçların alındığı beş numunenin kaplama koşulları Çizelge aralığında; kaplama kalınlıklarının ve çizgisel analizlerinin SEM görüntüleri ile fonksiyonel değişim grafikleri de Şekil aralığında verilmiştir. Çizelge 7. 3 Kaplama koşulları 1. numune Ar Ti B C N Süre (dak) Gaz akışı (cm 3 /dak) BIAS (V) 10 Çalışma Basıncı (mbar) 3x10-3 Altlık malzemesi Yüksek hız çeliği a) Kalınlık b) Çizgisel analiz Şekil 7. 7 Kaplamanın 7500x SEM görüntüleri 1. Numune a) Titanyum b) Bor c) Karbon d) Azot Şekil 7. 8 Kaplama bileşenlerinin fonksiyonel değişim grafikleri 1. numune 70

91 Çizelge 7. 4 Kaplama koşulları 2. numune Ar Ti B C N Süre (dak) Gaz akışı (cm 3 /dak) BIAS (V) 10 Çalışma Basıncı (mbar) 3x10-3 Altlık malzemesi Yüksek hız çeliği a) Kalınlık b) Çizgisel analiz Şekil 7. 9 Kaplamanın 7500x SEM görüntüleri 2. numune a) Titanyum b) Bor c) Karbon d) Azot Şekil Kaplama bileşenlerinin fonksiyonel değişim grafikleri 2. numune 71

92 Çizelge 7. 5 Kaplama koşulları 3. numune Ar Ti B C N Süre (dak) Gaz akışı (cm 3 /dak) BIAS (V) 20 Çalışma Basıncı (mbar) 3x10-3 Altlık malzemesi Yüksek hız çeliği a) Kalınlık b) Çizgisel analiz Şekil Kaplamanın 7500x SEM görüntüleri 3. numune a) Titanyum b) Bor c) Karbon d) Azot Şekil Kaplama bileşenlerinin fonksiyonel değişim grafikleri 3. Numune 72

93 Çizelge 7. 6 Kaplama koşulları 4. numune Ar Ti B C N Süre (dak) Gaz akışı (cm 3 /dak) BIAS (V) 10 Çalışma Basıncı (mbar) 3x10-3 Altlık malzemesi WC a) Kalınlık b) Çizgisel analiz Şekil Kaplamanın 7500x SEM görüntüleri 4. numune a) Titanyum b) Bor c) Karbon d) Azot Şekil Kaplama bileşenlerinin fonksiyonel değişim grafikleri 4. numune 73

94 Çizelge 7. 7 Kaplama koşulları 5. numune Ar Ti B C N Süre (dak) Gaz akışı (cm 3 /dak) BIAS (V) 10 Çalışma Basıncı (mbar) 3x10-3 Altlık malzemesi Yüksek hız çeliği a) Kalınlık b) Çizgisel analiz Şekil Kaplamanın 7500x SEM görüntüleri 5. numune a) Titanyum b) Bor c) Karbon d) Azot Şekil Kaplama bileşenlerinin fonksiyonel değişim grafikleri 5. numune 74

95 7.2 XRD Analizi Sonuçları Yapılan XRD analizlerine göre TiB 2, TiN, BN, B 10 C fazlarına ait piklerin oluştuğu belirlenmiş, sonuçlar Şekil aralığında verilmiştir. Şekil XRD paterni 1. Numune Şekil XRD paterni 2. numune 75

96 Şekil XRD paterni 3. numune Şekil XRD paterni 4. Numune Şekil XRD paterni 5. numune 76

97 7.3 Mikrosertlik Ölçümü Sonuçları Yapılan sertlik ölçümleri sonucunda genel itibariyle TiCN kaplamaların sertlik aralığı Şekil de; TiBCN kaplamaların sertlik aralığı da Şekil de verilmiştir. a) 1192 HV b) 2405 HV Şekil TiCN kaplama sertlik aralığı a) 1982 HV b) 2150 HV Şekil TiBCN kaplama sertlik aralığı Analizler neticesinde en iyi sonuçların alındığı beş numunenin sertlik değerleri de Şekil aralığında verilmiştir. 77