SICAK PRES TASARIMI VE ELMASLI KESİCİ TAKIM ÜRETİMİ

2. Ulusal Tasarım İmalat ve Analiz Kongresi 11-12 Kasım 2010- Balıkesir SICAK PRES TASARIMI VE ELMASLI KESİCİ TAKIM ÜRETİMİ Ertuğrul ÇELİK*, Ömer ÇELİK**, Şevki Y. GÜVEN*** * ecelik@tunceli.edu.tr Tunceli Üniversitesi, Makine Müh. Bölümü-Tunceli ** omercelik@tunceli.edu.tr Tunceli Üniversitesi, Elektrik Müh. Bölümü- Tunceli *** syguven@mmf.sdu.edu.tr Süleyman Demirel Üniversitesi, Makine Müh. Bölümü-Isparta ÖZET Bu çalışmada doğal taş kesme işlemlerinde kullanılmak üzere çeşitli kompozisyonlarda farklı elmaslı kesici takım matrisleri üretilmiştir. Bu takımları en mükemmel şekilde üretebilmek ve üretim parametrelerini kontrol edebilmek amacıyla bilgisayar kontrollü, otomasyon sistemine sahip laboratuar tipi bir sıcak pres makinesi imal edilmiştir. Daha sonra bu makine yardımıyla sıcaklık ve basınç zamana göre kontrol edilerek elmaslı kesici takımlar en ideal tarzda üretilmiştir. Üretimde grafit kalıplar kullanılmış ve sinterleme işlemleri koruyucu argon gazı ortamında gerçekleştirilmiştir. Kesici takımlar toz metalurjisi yöntemiyle 68Fe-20Cu-10Co-2Sn matris bileşiminde 750-800-850 o C sıcaklıkları arasında ve 110MPa basınç altında 4-5 dakika süreyle sinterlenerek üç numune üretilmiştir. Üretilen matris numunelerinin mikroyapı ve mekanik özelliklerini anlayabilmek amacıyla sertlik, yoğunluk, üç noktalı eğme ve SEM çalışmaları yapılmıştır. Çalışmalar sonucunda en mükemmel özelliklerin 850 o C de üretilen numuneye ait olduğu tespit edilmiştir. Anahtar Sözcükler: Sıcak pres, Kesici takım, Sinterleme ABSTRACT In this study, matrix of diamond cutting tools are manufactured which used in cutting of natural stones. In order to produce and control to produce parameters have been produced having automation systems type of laboratory a hot pressing machine. Then with the help of these machines are manufactured diamond cutting tools in the most ideal way via according to time controlling temperature and pressure. Graphite molds are used in production and sintering processes were carried out in protective argon gas atmosphere. Three cutting tools were produced via powder metallurgy, in composition 65Fe-20Cu- 10Co-2Sn, in sintering temperature 750-800-850 o C and under pressure 110MPa and for 4-5 minutes. In order to understand the microstructure and mechanical properties of produced specimens their hardness, density, three-point bending tests and SEM and EDS analysis have been investigated. As a result have been identified that belong to 850 C, samples of the great features. Keywords: Hot pres, cutting tools, sintering 281

1. GİRİŞ Doğal taş işleme aletlerinin geçmişi milattan sonra 350 yılına gitmesine karşın elmaslı kesici takımların teknik uygulamaları 100 yıllık bir geçmişe sahiptir [1]. Takım üretimindeki ilerlemeler toz metalurjisinin geliştirilmesiyle 1940 lı yıllarda elmas parçacıkları ile takviye edilmiş testerelerin doğal taş kesimi uygulamalarında kullanılmasını sağlamıştır [2]. Elmaslı kesici takımların kullanım alanları hızlı bir şekilde büyümeye devam etmektedir. Günümüzde Avrupa en geniş pazar olmakla birlikte elmaslı aşındırıcılara olan talep 1997 yılında 700 milyon karata ulaşmıştır [3]. Bunun yanı sıra imalat işlemleri ve doğal taş kesimi için üretilen testereler tüm Avrupa da endüstriyel elmas tüketiminin % 50 sini oluşturmaktadır [3]. Elmaslı takımlarla yapılan uygulamalar doğal taş, mermer, granit kesimi ve yüzey finiş işlemleri olmakla beraber yeni tasarım testereler ve aparatların geliştirilmesi yönündeki çalışmalar devam etmektedir [4]. Sıcak presleme işlemi, ısı ve basıncın bir araya gelerek neredeyse tamamen iç gözeneklilikten arınmış bir ürün elde etme işlemidir. Geleneksel soğuk pres-sinterleme işlemleriyle karşılaştırıldığında sıcak presleme tekniği daha az güç, daha kısa süre (genellikle 2 3 dakika) ve daha düşük sıcaklıklara ihtiyaç duyar. Ayrıca bu teknikte soğuk presleme-sinterleme işlemine göre, daha yüksek yoğunluklara ulaşılır. Ticari olarak satılan sentetik elmasların yüksek sıcaklılara karşı olan dayanımı az olduğu için ve matrisin mükemmel mekanik özelliklerine karşı olan talebin artması nedeniyle, doğal olarak hızlı sıcak presleme tekniğinin elmaslı kesici takımlarda çok geniş bir kullanım alanı vardır. Sıcak presleme işleminde üç ayrı ısıtma tekniği kullanılmaktadır. Bunlar indüksiyon ile ısıtma, endirekt dirençli ısıtma ve doğrudan dirençli ısıtmadır. İndüksiyon ile ısıtma işleminde, yüksek frekanslı akım ile kalıp içerisindeki tozların ısıtılması esasına dayanır. Endirekt dirençli ısıtma tekniğinde, kalıp ısı bölmesine konumlandırılır. Isı bölmesi elektrik akımı ile ısıtılan grafit ısıtma elemanlarıyla ısıtılır. Doğrudan dirençli ısıtma tekniğinde, kalıp doğrudan olarak elektrik gücü ile ısıtılır. Kalıp ve toz parçanın direnci ile ısı tam olarak kalıpta oluşur. Sonuç olarak ısıtma hızı çok yüksektir. Önceki iki teknik ısı iletimi ile ilişkili iken doğrudan dirençli ısıtma teknolojisinde ısı ihtiyaç duyulan yerde üretilmektedir. Şekil 1.1 de şematik olarak doğrudan ısıtma tekniği gösterilmiştir [5]. Şekil 1.1. Doğrudan ısıtma tekniği. 1. Grafit yan tutucular, 2. Baskı grafitleri, 3. Preslenecek malzeme, 4.Grafit elektrot, 5. Bronz plaka, 6. Bakır elektrot, 7. Güç kaynağı 282

2. METARYEL VE YÖNTEM Çalışmalara öncelikle Şekil 2.1 de şematik resmi verilen doğrudan direnç ısıtmalı sıcak pres makinesinin tasarlanarak imal edilmesi ile başlanmıştır. Bu makinede basınç bir hidrolik ünite vasıtasıyla sağlanmaktadır. Makinenin üniteleri; bakır elektrod, grafit elektrod, sıcak pres kalıbı, hidrolik silindir ve tutucu tabladan ibarettir. Bunlara ek olarak, 25 Kw lik trafo, hidrolik pompa, motor sistemi ve otomasyon sistemi makineye ilave edilmiştir. Şekil 2.1. İmal edilen sıcak pres makinesinin şematik görünüşü İmal edilen sıcak pres laboratuar tipindedir ve piyasada satılmakta olan endüstriyel tip sıcak preslerin tüm özelliklerine sahip olup ayrıca bir otomasyon sistemine sahiptir. Sahip olduğu özellikler, koruyucu gaz atmosferinde çalışma, basınç kontrolü, sıcaklık kontrolü, sıcaklık-zaman kontrolü, üretim parametrelerini ve basamaklarını önceden belirleyebilme, işlem sıcaklığı ve basıncını çalışma süresi boyunca sabit tutabilme, anlık sıcaklığı gösterebilme ve 1400 o C sıcaklığa kadar çıkabilmedir. 283

Ayrıca yapılan kapalı tasarım ile koruyucu gaz atmosferinde sinterleme işlemi yapılabilmektedir. Sıcak pres su soğutmalı bakır elektrotlar sayesinde sürekli olarak çalışmaya uygundur. Cihazın trafosu 25 kw gücündedir. Sıcaklık ölçümü için termokupl uygun bir yere entegre edilerek belirtilen sıcaklıklarda ve sürelerde ısıtma gücünün kontrol edilmesi sağlanmıştır. Otomasyon yazılımı sayesinde bilgisayar ekranından manometre, ampermetre, voltmetre ve sıcaklık ile sistemdeki tüm değişkenlerin görülmekte ve makinenin tüm kontrolü bilgisayardan yapılabilmektedir. Şekil 2.2 a ve b de sıcak presin fotoğrafları verilmiştir. Otomasyon sistemi panosu Hidrolik pompa sistemi a) Sinterleme Kabini b) Şekil 2.2. Üretilen sıcak presin fotoğrafları 2.1. Numunelerin Üretimi ve Deneylerin Yapılışı Deneylerde kullanılmak üzere Tablo 2.1 de verilen bileşimdeki malzemeler, toz metalurjisi yöntemi ile sıcak preste, üç farklı sıcaklıkta üretilmiştir. Saf haldeki metal tozlarının birbiriyle iyice karışarak homojen bir karışım elde edilmesi amacıyla 88 tipi, kapalı toz hazneli, iki kg toz kapasiteli, üç boyutlu dönebilen bir karışım mikseri kullanılmıştır. Metal tozları 1,2 litre hacmindeki sızdırmaz bir paslanmaz çelik kutuya 284

bırakılmış 20 dakika süre ile 20 dev/dak hızda karıştırılmıştır. İkinci aşamada ağırlıkça % 1 oranında Polietilen Glikol (PEG) karışıma eklenerek Cr ile kaplanmış çelik bilyeler ile birlikte 20 dakika daha karıştırılmıştır. Karıştırılan tozlar sinterleme işlemi için her bir alaşım numunesinden 30 gr olacak şekilde hazırlanan toz karışımı elektronik bir terazide 0.01 gr hassasiyetinde tartılarak daha önceden hazırlanan grafit kalıp odacıklarına dökülmüştür. Daha sonra toz dökülen kalıp odacıkları üst baskı grafitleriyle kapatılmıştır. Bütün bu işlemlerden sonra sinterlenmeye hazır hale getirilen toz karışımı yüklenmiş grafit kalıp bloğu sıcak pres bölmesine yarleştirilmiştir. Sinterleme basıncı 110Mpa seçilmiştir. Alaşımların üretimlerinde % 99,9 saflıkta ve tane iriliği 0.26 µm olan Fe, Cu, Co, Sn tozları kullanılmıştır. Sinterleme sıcaklığının maksimum 850 C seçilmesinin nedeni ise elmasların bu sıcaklıktan sonra özelliklerini kaybederek grafite dönüşmesi sebebiyledir. Şekil 2.1 de sinterleme için önceden belirlenen ve bilgisayar yardımı ile makinenin yazılımına girilen sıcaklık, basınç ve zaman değerleri grafik olarak verilmiştir. Tablo 2.1. Üretilen deney malzemelerinin bileşimi ve sinterleme sıcaklıkları Alaşımların hazırlanmasında kullanılan malzemeler (Ağ. %) Fe Cu Mo Sn A1 68 20 10 2 750 A2 68 20 10 2 800 A3 68 20 10 2 850 Alaşım Adı Sinterleme sıcaklığı ( o C) Sıcaklık ( C). 900 800 700 600 500 400 300 200 100 A1 No'lu Alaşım (Sıcaklık-Zaman) A2 No'lu Alaşım (Sıcaklık-Zaman) A3 No'lu Alaşım (Sıcaklık-Zaman) Basınç (Mpa) - Zaman (Sn) 140 120 100 80 60 40 20 Basınç (MPa) 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Zaman (Sn) Şekil 2.1. Sıcak preste seçilen sinterleme sıcaklığı-zaman-basınç değerleri Daha sonra sinterleme sıcaklığının numuneler üzerindeki etkisini anlayabilmek amacıyla Archimed prensibine göre yoğunluk, Brinell sertliği, üç noktalı eğme deneyleri yapılmış ve ayrıca kırık yüzeylerden SEM fotoğrafları alınmıştır. 0 3. DENEY SONUÇLARI VE TARTIŞMA Sinterleme sıcaklığının alaşım yoğunluğuna etkisinin anlaşılması amacıyla üretilen tüm numunelerin yoğunlukları 1mg lık hassas terazi ile ASTM B311 92 standardında belirtildiği gibi Archimed prensibi ile ölçülmüştür. Elde edilen değerler Şekil 3.1 de verilmiştir. Buna göre sinterleme sıcaklığının artışı ile numunelerin yoğunluğunun arttığı 285

sonucuna varılmıştır. 750 C de sinterlenen numunede %93 civarında teorik yoğunluğa ulaşılmışken; 800 C de sinterlenen numunede %95 ve 850 C de sinterlenen numunede ise %98 teorik yoğunluğa ulaşılmıştır. Buna göre; mermer kesici takım soketlerinin verimli olabilmesi için yoğunluğunun minimum % 96 olması gerektiği dikkate alındığında en uygun sinterleme sıcaklığının 850 C de yapılan olduğuna karar verilmiştir. 8 7.9 Yoğunluk (gr/cm3) 7.8 7.7 7.6 7.5 7.4 Ölçülen Yoğunluk Teorik Yoğunluk 7.3 730 740 750 760 770 780 790 800 810 820 830 840 850 860 870 Sinterleme Sıcaklığı ( C) Şekil 3.1. Yoğunluk ölçüm sonuçları Sıcak presleme yoluyla elde edilen tüm numunelerin sertliği, Brinell sertlik ölçüm yöntemiyle (62,5 kg yük ve 2.5 mm çapında bilye) ölçülmüştür. Elde edilen veriler Şekil 3.2 de grafik olarak verilmiştir. 180 160 Brinel Sertliği (62,5Kg yük; 2,5mm bilya) Sertlik (HB) 140 120 100 80 740 750 760 770 780 790 800 810 820 830 840 850 860 Sinterleme Sıcaklığı ( C) Şekil 3.2. Sertlik ölçüm sonuçları Sertliğin tam olarak belirlenmesi için numunelerin çeşitli bölgelerinden sertlik değerleri ölçülmüş ve her bir numunenin tüm yüzeylerinden en az 6 adet sertlik değeri alınmıştır. Ölçülen sertlik değerlerinin daha sonra ortalaması alınarak numunelerin ortalama sertlik değerleri bulunmuştur. Şekilden de anlaşılacağı üzere sinterleme sıcaklığının artışı ile sertlik de artmıştır. Bu sonuçlara göre 750 C de sinterlenen numunenin sertliği 94 HB civarında iken; 800 C de sinterlenen numuneninki 130 HB ve 850 C de sinterlenen numunenin ise 160 HB civarında çıkmıştır. Şekil 3.3 de üretilen numunelerin üç noktalı eğme deneyleri ile elde edilen eğme mukavemeti sonuçları verilmiştir. Şekilden de anlaşılacağı gibi sinterleme sıcaklığının 286

artışı ile eğme mukavemetinde bir artış olduğu gözlenmiştir. Ayrıca uzama miktarları da sinterleme sıcaklığının artışı ile artmaktadır. Maksimum gerilme 850 C de sinterlenmiş numunede 1090MPa iken; 800 ve 750 C de sinterlenen numunelerde sırasıyla 1000 ve 850 MPa civarında ölçülmüştür. 1200 Gerilme (MPa) 1000 800 600 850 C'de sinterleme 400 700 C'de sinterleme 750 C'de sinterleme 200 0 0 1 2 3 4 5 Yüzde Uzama (%) 6 7 8 9 Şekil 3.3. Üç noktalı eğme deneyi sonuçları Şekil 3.4, 3.5 ve 3.6 da sırasıyla 750, 800 ve 850 C de sinterlenmiş numunelerinin kırık yüzeylerinden alınan SEM (Taramalı Elektron Mikroskubu) fotoğrafları verilmiştir. Şekil 3.4. 750 C de sinterlenen numunenin kırık yüzey SEM fotoğrafı Şekil 3.5. 800 C de sinterlenen numunenin kırık yüzey SEM fotoğrafı 287

Şekil 3.6. 850 C de sinterlenen numunenin kırık yüzey SEM fotoğrafı Fotoğraflardan sinterleme sıcaklığının artışıyla gevrek kırılmadan sünek kırılmaya geçildiği görülmektedir. Çünkü 750 C de sinterlenen numunenin fotoğrafına bakıldığında yüzeyde fazla pürüz olamadığı bileşimi oluşturan malzemelerin tane sınırlarından kırıldığı görülmektedir. 800 C de sinterlenen numune fotoğrafında ise görüntünün biraz daha süngerimsi bir hal aldığı ve 850 C de sinterlenen numunede ise bu süngerimsi yapının tüm numune boyunca yayıldığı görülmektedir. 4. SONUÇ Sıcak Pres Tasarımı Ve Elmaslı Kesici Takım Üretimi konulu bu çalışmadan elde edilen önemli sonuçlar aşağıda özetlenmiştir; i. Genel olarak sıcak preste sinterleme işleminin başarılı olduğu ve sinterleme sıcaklığının kesici takım matrislerinin mekanik özellikleri üzerinde çok büyük etkisi olduğu sonucuna varılmıştır. ii. Üretilen sıcak presin otomasyonunun başarılı bir şekilde çalıştığı anlaşılmıştır. Sıcaklığın basınç ve zamana göre kontrol edilmesi ve deney süresince istenilen değerlerde sabit tutulması işlemlerinin otomasyon sayesinde başarıya ulaştığı görülmüştür. iii. Kesilecek mermerin mekanik özelliğine bağlı olarak üretilecek kesici takım matrisinin de belirli bir mekanik özelliğe sahip olması istenmektedir. Örneğin sert bir mermerin kesimi için yumuşak matris istenirken aksine yumuşak mermer için sert matris istenmektedir. Bunun için sert, yoğun ve tok bir matris üretmek için sinterleme sıcaklığının daha yüksek seçilmesi gerektiği anlaşılmıştır. Yani en iyi mekanik özellikler yüksek sıcaklıkta sinterlemeyle elde edilmiştir. iv. Sinterleme sıcaklığının artışının mikroyapı üzerinde de bir değişikliğe yol açtığı kırık yüzey analizlerinden görülmüştür. Özellikle sinterleme sıcaklığının artışı ile numune bileşimindeki tozlar birbirleriyle daha iyi bağ yapmış ve gevrek kırılma izleri azalmıştır. 288

4. KAYNAKLAR [1] HUGHES, F. H., The early history of diamond tools, Industrial Diamond Review, November, pp 405 407, (1980). [2] LUNDBLAD, H., Swedish synthetic diamond scooped the world 37 years ago, Indiaqua, No. 55 /1 17 23, (1990). [3] TILLMANN, W., Trends and market perspectives for diamond fools in the construction industry, Proc European Conference on Advances in Hard Materials Production, Turin, Italy, November 8-10, 3-14, (1999). [4] Diamond tools for the new millennium, Marmo Macchine International, No. 9, 376 3911, (1995). [5] ÇELİK, E., Elmaslı kesici takımlarda alternatif bağlayıcılar, Doktora Tezi, Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ, (2009). [6] The metallurgy of diamond tools, Industrial Diamond Review, No. 5, 248-250, (1985). [7] RIMLIEGER, S., Cobalt and cobalt-containing binders for the diamond tools industry, Proc. The Cobalt Conference, London, England, May 26 27, 1/6 6/6, (1999). [8] Union Miniere, Metal matrix powders for diamond tools, Diamond Tool Brochure- DT/AlI Products, (2008). [9] WEBER G., A new process for diamond tool producers, Proc. international Workshop on Diamond Tool Production, Turin, Italy, 73-82, (1999). [10] ÇELİK, E., GÖK, M. G., ÇELİK, H., Doğal taş Kesici Takımların Aşınma Performansına Al 2 O 3 in Etkisi, 1. Uluslar Arası Katılımlı Kamu Üniversite-Sanayi İşbirliği Sempozyumu ve Mermercilik Şurası, pp110-113, (2010). 289