Nikel Esaslı Süperalaşımların ve Titanyum Alaşımlarının İşlenebilirliği, II.Bölüm: Seramik Kesici Takımların Performanslarının Değerlendirilmesi

Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 7, No: 2, 2010 (1-17) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 7, No: 2, 2010 (1-17) TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR www.teknolojikarastirmalar.com e-issn:1304-4141 Tarama Makalesi (Review) Nikel Esaslı Süperalaşımların ve Titanyum Alaşımlarının İşlenebilirliği, II.Bölüm: Seramik Kesici Takımların Performanslarının Değerlendirilmesi Ali Riza MOTORCU * * Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi, Çanakkale M.Y.O., 17100 Çanakkale/TÜRKĐYE armotorcu@comu.edu.tr Özet Bu çalışmada, nikel esaslı süperalaşımların ve titanyum alaşımlarının farklı operasyonlarla işlenmesinde seramik takımların performansları literatürde yapılan çalışmalar incelenerek değerlendirilmiştir. Çalışmanın amacı artan oranlarla kullanım alanı bulan bu malzemelerin seramik takımlarla işlenebilirliğini incelemek, seramik takımda oluşan aşınma mekanizmalarını ve bu mekanizmalar sonucu oluşan aşınma tiplerini değerlendirmektir. Varılan değerlendirmelerin ve sonuçların bu alanda yapılacak bilimsel çalışmalara katkı sağlayacağı ve aynı zamanda, doğru kesici takım, işleme operasyonu ve kesme parametrelerinin seçiminde yardımcı olacağı düşünülmektedir. Bu çalışma ayrıca, aynı süperalaşımların işlenmesinde karbür kesici takımların performansının değerlendirilmesiyle alakalı bir önceki çalışmayı tamamlamaktadır. Anahtar Kelimeler: Đşlenebilirlik, Nikel esaslı süperalaşım, Titanyum alaşımı, Seramik kesici takım Machinability of Nickel-Based Superalloys and Titanium Alloys, Part II: Evaluation of Ceramic Cutting Tools Performances Abstract In this study, the performance of ceramic tools in the machining of nickel-based superalloys and titanium alloys with different operations was assessed through examination of the studies in the literature. The aim of the study, to evaluate the machinability of these materials, finding usage areas with increasing rates, with ceramic tools, and to assess the type of wear that occur as a result of wear mechanisms. Evaluations and conclusions reached in this area will contribute to the scientific study and at the same time, is expected to assist in the selection of the right cutting tools, machining operations and cutting parameters. This study also complements previous work relevant to evaluating the performance of carbide cutting tools in the machining same superalloys. Keywords: Machinability, Nickel-based superalloy, Titanium alloy, Ceramic cutting tool. Bu makaleye atıf yapmak için Motorcu A.R. *, Nikel Esaslı Süperalaşımların ve Titanyum Alaşımlarının Đşlenebilirliği, II.Bölüm: Seramik Kesici Takımların Performanslarının Değerlendirilmesii Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2010, (7) 1-17 How to cite this article Motorcu A.R. *, Machinability of Nickel-Based Superalloys and Titanium Alloys, Part.II: Evaluation of Ceramic Cutting Tools Performances Electronic Journal of Machine Technologies, 2010, (7) 1-17

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 1-17 Nikel Esaslı Süperalaşımların ve Titanyum Alaşımlarının 1. GĐRĐŞ Nikel esaslı süper alaşımlar, % 50 kullanım oranı ile uzay aracı motorları ve gaz türbini kompartımanlarının üretiminde süperalaşımlar içerisinde en fazla kullanılanıdır. Çeliklerle karşılaştırıldığında daha yüksek dayanım-ağırlık oranı sağlamaktadırlar. Diğer uygulama alanları ise, nükleer reaktörler, petrokimya fabrikaları ve gıda üretim donanımlarıdır. Nikel esaslı süperalaşımların daha zor ve güç ortamlarda kullanılması bu alaşımların yüksek sıcaklıklarda korozyona, mekaniksel ve ısıl yorgunluğa, mekaniksel ve termal şoklara, sürünme ve erozyona karşı yüksek dayanımından kaynaklanmaktadır. Nikel esaslı süperalaşımlar bir katı çözelti olan nikel matrisi içerisinde ara metal bileşiği Ni 3 (Al,Ta) ile katı çözelti güçlendirme elementleri olan krom (Cr), tungsten (W) ve renyumdan (Re) oluşmaktadır. Tantalyum (Ta) ara metal bileşiği yüksek sıcaklık dayanımını ve oksidasyon direncini arttırmaktadır. Bu atomik element, alaşımın oksidasyon direncini ve sıcaklığı düşürmek için titanyum (Ti) ile yer değiştirebilmektedir. Inconel, Nimonic, Rene, Udimet, Pyromet ticari olarak kullanılan nikel esaslı süperalaşımlardır. Inconel 718, nikel alaşımlar içerisinde en çok kullanılandır. Son 30 yıl içerisinde Inconel 718 in işlenebilirliği üzerine yapılan çalışmaların sayısı oldukça fazladır [1]. Nikel esaslı süperalaşımların birçok karakteristik özelikleri yüksek sıcaklıklarda onları oldukça dayanıklı kıldığından işlenmeleri oldukça zordur. Nikel esaslı süperalaşımların bu özellikleri yüksek işlenebilirlik maliyetleri ile sonuçlanan düşük işleme oranlarına ve düşük takım ömürlerine sebep olmaktadır. Tüm bu olumsuzluklara rağmen tornalama, frezeleme, delme ve taşlama işlemleri bu alaşımların işlenmesinde kullanılan genel operasyonlardır. Örneğin; tornalama, gaz türbinleri için disklerin üretiminde kullanılan bir işleme operasyonu iken frezeleme ise jet motoru kanadı ve pervanelerinin işlenmesinde kullanılmaktadır [2]. Titanyum alaşımları da havacılık, biomedikal, otomotiv ve petrol endüstrisinde oldukça yüksek dayanım ve korozyon direnci nedeniyle tercih edilmektedirler [1, 3]. Titanyum alaşımları, saf alaşımlar, α- alaşımları, β-alaşımlar ve α/β-alaşımlar olmak üzere 4 gruba ayrılırlar. Uzay araçlarının yapımında kullanılan TiAl6V4 alaşımı bir α/β-alaşımdır ve en popüler olandır. Titanyum alaşımları aşınmama özelliğine sahip olup, ρ=4.5 g/cm 3 gibi düşük yoğunlukları nedeniyle hafif metallerdir. E=110.000 N/mm 2 elastikiyet modülüne sahip çelik ile karşılaştırıldığında deformasyon miktarı daha yüksektir. Yüksek sıcaklık dayanımına sahiptir ve içeriğe de bağlı olarak 600 C sıcaklıklarda kullanılabilmektedir. Titanyum alaşımları, λ=4-16 W/m.K düşük termal iletkenlikleri ve c p =520 J/kg.K yüksek termal kapasiteleri ile karakterize edilirler. Düşük atomik elementler ve özellikle atmosferik gazlar olan oksijen, nitrojen ve hidrojen ile yüksek oranda etkileşime geçmektedirler. Ayrıca, seramik, CBN (Kübik Bor Nitrür) ve PCD (Çok Kristalli Elmas) takımlarla da reaksiyona girmektedirler [4]. Titanyum alaşımları da nikel esaslı süper alaşımlar gibi düşük işlenebilirliğe sahip olduğu için bu alaşımları işlemek oldukça zordur. Geleneksel takımlarla titanyum alaşımlarının işlenmesi sırasında, düşük termal iletkenlik yüksek kesme sıcaklıklarına, takım ve iş parçası arasında güçlü adhezyona sebep olduğu için takım hızlıca aşınmaktadır. Örneğin; Ti6Al4V titanyum alaşımının geleneksel takımlarla işlenmesinde takım performansları oldukça zayıftır. Titanyum alaşımlarının oldukça düşük işlenebilirlik oranları nedeniyle birçok büyük ölçekli işletmeyi ve araştırmacıları bu iş parçası malzemesinin işlenebilirlik maliyetlerini azaltmak amacıyla çalışma ve araştırma yapmaya sevk etmiştir [1, 3]. Bu çalışmada, nikel esaslı süperalaşımların ve titanyum alaşımlarının farklı operasyonlarla işlenmesinde seramik kesici takımların performansları literatürde yapılan çalışmalar incelenerek değerlendirilmiştir. Çalışmanın amacı, yukarıda bahsedilen sektörlerde artan oranlarla kullanım alanı bulan bu malzemelerin seramik takımlarla işlenebilirliğini değerlendirmek, takımlardaki aşınma mekanizmalarını ve mekanizmalar sonucu oluşan aşınma tiplerini değerlendirmektir. Literatürde farklı araştırmacılar tarafından yapılmış çalışmaların incelenmesi ile varılan değerlendirmelerin ve sonuçların bu alanda yapılacak bilimsel çalışmalara katkı sağlayacağı ve özellikle imalat sektöründe doğru takım, doğru işleme operasyonu ve doğru kesme parametresi seçiminde yardımcı olacağı düşünülmektedir. Bu çalışma 2

Motorcu, A.R. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 1-17 ayrıca, aynı malzemeler üzerinde karbür takımların performansının değerlendirildiği bir önceki literatür değerlendirmesi çalışmasının tamamlayıcısıdır. 2. NĐKEL ESASLI SÜPERALAŞIMLARIN SERAMĐK TAKIMLARLA ĐŞLENEBĐLĐRLĐĞĐ Kesici takım olarak kullanılan seramikler metalik elementlerle inorganik, metalik olmayan elementlerin bileşiminden oluşmakta ve iyi bir atomik bağ özelliğine sahiptirler. Bu anlamda, seramikler üç kategoride sınıflandırılabilirler: 1. Alumina esaslı seramikler: Temel olarak oksit esaslı malzemeler içermekte ve sıcak ve soğuk preslenmektedirler. Örneğin; Alumina (Al 2 O 3 +ZrO 2 ), karma alumina (Al 2 O 3 +TiC+ZrO 2 ) gibi. 2. Silikon esaslı seramikler: Oksit olmayan malzemeleri içermekte ve sıcak ve soğuk preslenmektedirler. Örneğin; Silikon nitrit (Si 3 N 4 ), Sialon (Si 3 N 4 +Al 2 O 3 +Y 2 O 3 ) gibi. 3. Elyaf takviyeli seramikler: Son yıllarda silikon karbür (SiC) parçacık takviyeli kompozit gibi. SiC parçacık takviyeli alumina [2]. Seramik takımlarla talaş kaldırmanın en büyük dezavantajı işleme sırasında oluşan mekanik şoklar karşısında sağlanan düşük dayanımdır. Saf seramik (Al 2 O 3 +ZrO 2 ) takımlar iyi kimyasal kararlılığa, yüksek sıcak sertliğe ve yüksek aşınma dayanımına sahip olmasına rağmen nikel esaslı alaşımların işlenmesinde kullanılmazlar. Çünkü yüksek kesme sıcaklıklarında, zayıf termal şok dayanımı, düşük kırılma tokluğu ve oldukça düşük mekanik şok dayanımı bu takımları kullanmada engel teşkil etmektedir [5]. Yüksek sıcaklık alaşımlarının işlenmesinde seramik kesici takımların iki genel tipi silikon nitrür (Si 3 N 4 ) ve alüminyum oksit (Al 2 O 3 ) seramik kesici takımlar tercih edilmektedir. Đşlenmiş parçaların yüzey şekilleri üzerinde seramik kesici takımların etkisi nedeniyle, seramikler genellikle kaba işleme uygulamalarıyla sınırlandırılmıştır. Fakat seramiklerin daha tok bazı kaliteleri yarı bitirme operasyonlarında kullanılabilmektedir [1, 5, 6]. 2.1.Nikel Esaslı Süperalaşımların Đşlenmesinde Oluşan Problemler Seramik kesici takımlar, karbür kesici takımlara göre sağlamış oldukları yüksek kesme şartları nedeniyle nikel esaslı süperalaşımların işlenmesinde oldukça büyük popülariteye sahiptirler. Aynı zamanda CBN takımlara göre daha ucuz oldukları için tercih edilmektedirler. Kesme sırasında oluşan sıcaklıklara karşı yüksek sıcaklık sertlikleri sağlamalarına rağmen, nikel esaslı süperalaşımların işlenmesinde abrasyon mekanizması etkin olmaktadır. Đş parçasından kopan sert karbür parçacıkları takım iş parçası arayüzeyine yapışmaktadırlar. Takım-talaş arayüzeyindeki sıcaklıklar nedeniyle süperalaşımın ergime derecesine ulaşılabildiği kesme hızı aralıklarında nikel esaslı alaşımların seramik takımlarla işlenmesi sıcaklık dayanımı nedeniyle sınırlı değildir (Şekil 1). Kesme hızının 510 m/dak lara çıkarılmasıyla kesme sıcaklıkları düşmekte ve artan kesme hızlarında ise sıcaklıklar da artmaktadır. Yüksek hızlarda kesme kenarındaki sıcaklık artışı iş parçası malzemesinin takım kesme kenarına basınçla kaynak olmasına neden olur [7]. Kaynak olmuş malzemede sonraki rastgele kopmalar takım parçacıkları birikintilerini hareket ettirir bu da seramik takımın nı arttırır. Đş parçası malzemesinin basınçla kaynağı da mümkün olmaktadır. Çünkü, yüksek kesme şartlarında iş parçası ve takım arasındaki arayüzey sıcaklığı nikel esaslı süperalaşımın ergime noktası aralığına ulaşmaktadır. Nikel esaslı süperalaşımların uzun süre yüksek kesme şartlarında işlenmesi yeni oluşturulmuş yüzeylerin yumuşaması ile sonuçlanmakta ve iş parçası malzemesinin takıma adhezyonu ile birlikte takımda aşınma oluşmaya başlamaktadır [7]. Şekil 2, nikel esaslı süperalaşımların ve titanyum alaşımlarının artan sıcaklıklara bağlı olarak eğilme dayanımını göstermektedir. Bu şekil, kesme (makaslama) kuvvetleri daha azaldığı için artan hızıyla kesme kuvvetlerinin nasıl düştüğünü de açıklamaktadır. Bu olağanüstü durum, aynı zamanda, kesme hızının azalmasına bağlı olarak kayma açısının azalması, daha uzun bir kayma düzleminin küçük bir kayma açısıyla oluşması, sabit bir kayma dayanımı için kayma düzlemi alanındaki bir artışın deformasyon için gerekli olan gerinimi oluşturmak için ihtiyaç duyulan kayma kuvvetlerinin arttırılması 3

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 1-17 Nikel Esaslı Süperalaşımların ve Titanyum Alaşımlarının olarak açıklanabilir. Ayrıca, düşük kesme hızlarında sürtünme katsayısı artar bu da kesme kuvvetlerinin artmasına neden olur. Şekil 1. Al 2 O 3 takım Inconel 718 in işlenmesinde kesme hızının kesme sıcaklığı üzerindeki etkisi [7] Şekil 2. Havacılık alaşımlarının yüksek sıcaklık dayanımları [7]. Seramik takımlar gevrek kırılma özelliğine sahip olduğundan iş parçası malzemesi darbesinin etkisiyle mikro seramik parçacıkları ayrılmaya başlar ve takım yüzeyinde çatlak oluşumu ile sonuçlanır. Alumina esaslı seramik kesici takımlarda çentik oluşmakta iken elyaf takviyeli seramik takımlarda çentik artan kesme hızlarıyla azalmaktadır. Nikel esaslı süperalaşımların işlenmesinde Al 2 O 3 /SiC w takviyeli seramik takımların performansının saf ve karma oksit seramik takımların performansından daha üstün olması SiC w elyaflarının sertlik mekanizmasından kaynaklanmaktadır. Yüksek hızlardaki işleme şartlarında difüzyon en etkin aşınma mekanizmasıdır. Elyaf takviyeli alumina esaslı seramik takımlarla işlemede iş parçası malzemesi (Cr, Ni) takım malzemesi içerisine difüze olmaktadır. NiSi ve CrSi oluşumu takım malzemesini zayıflatmaktadır. Elyaf oryantasyonu da nikel esaslı süperalaşımların işlenmesinde takım performansını etkilemektedir. En iyi aşınma dayanımı talaş akışı talaş açısı yüzeyinden geçerken ya da iş parçası malzemesi akışı yan kenar yüzeyinden geçerken elyaf eksenleri dik olduğunda elde edilmektedir. En fazla aşınma elyaf oryantasyonu malzeme akış düzlemi içerisinde ve malzeme akış yönüne dik olduğunda oluşmaktadır. TiB 2 nin alumina içerisine ilave edilmesi kırılma tokluğunu, sertliği ve dayanımı geliştirir, böylece işleme sırasında kırılma davranışlarının ve aşınma dayanımının geliştirilmesinde avantajlar sağlar. Elyaf formunun (Al 2 O 3 / TiB 2 /SiCw) değiştirilmesiyle Inconel 718 in işlenmesinde geliştirilmiş yan kenar aşınma dayanımları elde edilmiştir [7]. 4

Motorcu, A.R. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 1-17 Nitrit esaslı seramik takımlar 500 m/dak a kadar kesme hızlarında kullanılmaktadır. Yüksek sıcaklık şartlarındaki kesme arayüzeyinde, takım malzemesinin plastik deformasyonu sonucu olarak nitrit esaslı seramik takımlarda abrasif aşınma oluşmaktadır. SIALON takımlar, talaş derinliğindeki çentikten alumina esaslı seramiklere göre daha az duyarlıdırlar. Kesme arayüzeyinde işlenmiş yüzey ve kesici takım arasında iş parçası malzemesi (sert karbür fazı) ve kesici takımdan aşınmış sert döküntülerin sandviç olması sebebiyle abrasyon oluşmaktadır. Bu sert parçacıklar, oluklar halinde takımdan küçük parçacıların yada yığınlar halinde takım parçacıkların mekanik olarak kaldırılmasına yol açmaktadırlar [7]. SIALON seramik takım 1200 C kesme sıcaklığında, ergimiş kompleks silikatlar (Cr 3 Ni 2 Si, Al 2 O 3 ve Ni 31 Si 12 ) için biçimlendirilir. Silikat parçacıkları çok serttir ve iş parçası ile takım arasında yer aldığında abrasyon mekanizması ile SIALON takımın nı arttırırlar. Seramik-metal ara yüzeyinde koruyucu titanyum nitrit katmanı sebebiyle, Nimonic 105 in işlenmesinde kimyasal reaksiyon azaltılmıştır [7]. 2.2. Nikel Esaslı Süperalaşımların Đşlenmesinde Seramik Takımların Performansı Nikel esaslı süperalaşımların işlenmesinde seramik takımların performansı değerlendirilirken kesici takım olarak kullanılan seramik takımlarla ilgili yukarıda yapılan sınıflandırma göz önünde bulundurularak değerlendirilecektir. 2.2.1. Alumina Esaslı Seramikler Alumina seramikler tek başlarına zayıf mekaniksel ve ısıl şok dayanımları sağlamaktadırlar. Alumina esaslı seramik takımların sertlikleri ve şok dayanımları % 30-40 oranında TiC ve TiN katkısıyla artmaktadır. Bu modifiye edilmiş alumina seramikler karma, siyah ya da sıcak preslenmiş seramik olarak adlandırılırlar. Bu karma seramiklerin TiC ve TiN katkısıyla sertlikleri artmasına karşın toklukları alumina seramiklerden daha düşüktür, dolayısıyla bu özellik onları sadece bitirme operasyonlarında kullanıma elverişli kılmaktadır. Al 2 O 3 -TiC yüksek işleme hızlarına müsaade etmektedir [6]. TiC karma seramikler ile Incoloy 901 ve Inconel 718 in işlenmesi üzerine yapılan çalışmalarda deney sonuçları TiC esaslı karma seramiklerin bu süperalaşımları 230 m/dak da işlemede elverişli olduğunu göstermektedir [2]. Diğer taraftan, karma alumina takımlar nikel esaslı süperalaşımların işlenmesinde SiC parçacık takviyeli alumina ya da SIALON takımlar kadar elverişli değildirler. Çünkü, bu takımlarla yüksek hızlarda işlemelerde şiddetli çentik ve talaşlanma (çıtlama) problemleri oluşmaktadır. Talaşlanmayı en aza indirmeye yardım etmek için, dayanıklı geometriler (yuvarlak geometrili uçlar) ve verimli bir şekilde uygulanabilecek soğutma işlemleri tercih edilmelidir [1]. Tipik olarak, sıcak preslenmiş Al 2 O 3 -TiC takımlar bitirme uygulamaları için tercih edilmektedir [2]. SiC parçacık takviyeli alumina ve SIALON daha iyi mekaniksel dayanım sağladığı için geleneksel ya da karma alumina takımlara göre daha iyi performans göstermektedirler [2]. Al 2 O 3 -TiC ve karma seramikler kullanıldığında kesme hızları 120-240 m/dak aralığındadır [1, 5, 6]. Nikel esaslı süperalaşımların işlenmesinde bu kesme hızı aralığında dahi takım ömürleri sınırlıdır. Çünkü, düşük mekaniksel tokluğa sahip olduklarından talaş derinliğinin bittiği yerde oluşan talaşlanma ve kaplama katmanındaki kırılma ve ayrılmalar takım ömrünün kısa sürede yitirilmesine neden olmaktadır. Fakat, Inconel 901 in karma seramik takımlarla işlenmesinde 300 m/dak kesme hızında tatmin edici takım ömrü değerleri elde edilmiştir [5]. Nikel esaslı süperalaşımların işlenmesinde seramik takımların sınırlı olan takım ömürlerini geliştirmek ve aşınma dayanımlarını arttırmak birçok araştırmacının çalışma konusu olmuştur. Li ve diğerleri tarafından yapılan çalışmada, nikel esaslı süperalaşımların işlenmesinde karbür ve seramik takımların takım ömrü ve takım aşınma özellikleri araştırılmıştır. Çalışmada, 120 m/dak kesme hızında talaş derinliğinin bittiği yerde çentiklenme görülmüş ve takım uç yarıçapında çok düşük değerlerde takım görülmüştür. 5

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 1-17 Nikel Esaslı Süperalaşımların ve Titanyum Alaşımlarının Kesme hızının 300 m/dak a çıkarılmasıyla talaş derinliğinin bittiği yerde çentiklenmenin azaldığı, kesici takım uç yarıçapı ile yan kesme kenarındaki aşınmanın ise arttığı belirtilmiştir [8]. Inconel 718 süperalaşımın yüksek kesme hızlarında işlenmesinde Kennametal firmasına ait, süperalaşım malzemelerin işlenmesi için kullanımı tavsiye edilen KY4300 kalitesi aluminyum oksit seramik kesici takımın kullanıldığı farklı bir çalışmada ise, bir önceki çalışmanın aksine yüksek kesme hızlarının kesici takım üzerinde çentik aşınma oluşumuna yol açtığı rapor edilmiştir [9]. Şekil 3.a da Inconel 718 in 500 m/dak kesme hızı, 1 mm kesme derinliği ve 0.1 mm/dev ilerleme hızında işlenmesi sonucunda seramik kesici takım üzerinde oluşan çentik nın SEM görüntüsü verilmiştir. Bu çalışmada, aynı zamanda kesme hızının 500 m/dak ya çıkarılmasıyla esas kesme kuvvetin arttığı da belirtilmiştir. Kesme hızı miktarının (400 m/dak) % 25 artırılmasıyla (500 m/dak) ise esas kesme kuvveti değerinde % 4.2 artış elde edilmiştir. Bu durum, seramik kesici takımların, yüksek kesme hızlarında kullanılmasında, Inconel 718 süperalaşım malzemesine bağlı olarak kesme bölgesinde oluşan yüksek sıcaklıkların kesici takım üzerinde oluşturduğu serbest kenar ve çentik aşınmalarıyla ilişkilendirmiştir. Bu çalışmadan elde edilen diğer önemli bir bulgu ise, yine aynı yüksek kesme hızında işlemede, Şekil 3.b de görüldüğü gibi seramik kesici takım üzerinde Inconel 718 iş parçasının yapıştığıdır. a) b) Şekil 3. Inconel 718 in 500 m/dak kesme hızı, 1 mm kesme derinliği ve 0.1 mm/dev ilerleme hızında işlenmesi sonucunda seramik kesici takım üzerinde oluşan çentik ve takım üzerine yapışmış Inconel 718 malzeme SEM görüntüsü, a) Kesici takım talaş yüzeyi SEM görüntüsü, b)yapışmış Inconel 718 malzeme görüntüsü [9]. 2.2.2. Silikon Esaslı Seramikler (SIALON) SIALON lar, silikon nitrit (Si 3 N 4 ), alümina (Al 2 O 3 ), yitria (Y 2 O 3 ) ve silika (SiO 2 ) içermektedir. Si 3 N 4 oldukça düşük ısıl genleşme katsayısına sahiptir ve bu nedenle mükemmel ısıl şok dayanımı sağlamaktadır. SIALON lar daha çok nikel esaslı süperalaşımların kaba işleme operasyonları için uygun olmakla birlikte, Inconel 718, Waspaloy ve Incoloy 901 gibi nikel esaslı süperalaşımların tornalama ve frezeleme operasyonlarında da kullanılmaktadır. Talaş derinliğinde oluşan çentik dayanımına karşı SiC parçacık takviyeli alüminadan daha iyi dayanım sağlamaktadırlar. Çünkü, Si 3 N 4, SIALON ve silikon karbür takviyeli seramiklerin tamamı çentiklenmeye ve talaşlanmaya karşı daha tokturlar. Bu olumlu özelliklerine karşın bu takımlar daha yumuşaktırlar ve kimyasal reaksiyona daha çabuk girerler. SIALON lar, Incoloy 901 den yapılan uzay aracı motoru kompresör disklerinin 310 m/dak ve 0.16 mm/dev de tornalanmasında kullanılmaktadır [2]. SIALON lar için kesme hızı aralığının 120-300 m/dak olduğu genel olarak söylenebilir [2]. Incoloy 901 in işlenmesinde silikon nitrit esaslı takımların kullanılmasıyla çentik oluşumu % 70 oranında azalmıştır [5]. Yine, SIALON takımla nikel esaslı süperalaşım olan Waspalloy un soğutma sıvısı kullanılarak işlenmesinde oldukça iyi performanslar elde edilmiştir [5]. 6

Motorcu, A.R. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 1-17 Inconel 718 in işlenebilirliği üzerine yapılan bir çalışmada, negatif talaş açılı, yuvarlak uçlu Kennametal firmasına ait KY2000 SIALON seramik bu malzemenin işlenmesinde en iyi seçim olarak belirtilmiştir. Yine bu çalışmada, aynı malzemenin işlenmesinde abrasif aşınma, adhezyon, mikro kırılmalar ve talaşlanma etkin aşınma mekanizması ve tipleri olarak görülmüştür [8]. Altın ve diğerleri tarafından yapılan çalışmada, Inconel 718 süperalaşımın işlenmesinde kesme hızının takım ömrü ve takım üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Farklı geometrilere sahip silikon nitrit esaslı ve parçacık takviyeli seramik kesici takımlarla işlenebilirlik deneyleri gerçekleştirilmiştir [10]. Bu çalışmadaki incelemeler sonucu elde edilen aşınma tipleri ve yan kenar değerleri Tablo 1 de verilmektedir. Şekil 4 te ise Tablo 1 deki bulguları desteklemek üzere aynı araştırmaya ait SIALON esaslı seramik takımla V=150 m/dak ve V=300 m/dak işlemede, uç tipine bağlı olarak aşınma ve talaş tipleri görülmektedir. Tablo 1 ve Şekil 4 ten görüleceği üzere, kare uçlu seramik takımlar için krater ve yan kenar nın en etkin aşınma tipi olduğu, yuvarlak uçlu seramik takımlar için ise yan kenar ve çentik nın en etkin aşınma tipi olduğu görülmüştür. Minimum yan kenar kare uçlu takımlarda, düşük kesme hızlarıyla elde edilmiş iken yuvarlak uçlu takımlarda ise yüksek kesme hızlarında elde edilmiştir [10]. Tablo 1. Aşınma tipleri ve yan kenar değerleri [10] Takım Malzemesi Sialon Seramik KY2000 RNGN Sialon Seramik KY2100 SNGN V B (mm) 0.60 0.28 V=150 m/dak V=200 m/dak V=250 m/dak V=300 m/dak Aşınma Tipi Plastik deformasyon Çentik Aşınması Termal çatlaklar V B (mm) 0.15 0.26 Aşınma Tipi Çentik Adhezyon Yapışma (BUE) V B (mm) 0.30 0.26 Aşınma Tipi V B (mm) 1.21 Krater 1.47 Aşınma Tipi Kenar deformasyonu Çentik Adhezyon Yan kenar, Çentik, Termal çatlaklar. Yan kenar, Plastik deformasyon a) Kare SIALON uç (2100 SNGN), V=150 m/dak b) Yuvarlak SIALON uç (2000 RNGN), V=150 m/dak Yan kenar, Çentik, Adhezyon Yan kenar, Kenar deformasyonu c) Kare SIALON uç (2100 SNGN), V=300 m/dak d) Yuvarlak SIALON uç (2000 RNGN), V=300 m/dak Şekil 4. Sialon esaslı seramik takımla V=150 m/dak ve V=300 m/dak işlemede uç tipine bağlı olarak aşınma tipleri ve talaş tipleri [10]. 7

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 1-17 Nikel Esaslı Süperalaşımların ve Titanyum Alaşımlarının 2.2.3. Elyaf Takviyeli Seramikler 1970 yılından beri seramik kesici takımlar çok hızlı bir şekilde gelişmektedir. Bu gelişmeler genel olarak şunlardır: (i) Geliştirilmiş üretim süreçleri ve kontrolleri ile mikro yapının daha ince olması sağlanmış, (ii) Tokluk mekanizmaları geliştirilmiştir. Örneğin; parçacık tokluğu ve dönüşüm tokluğu gibi. Seramik takımların kırılma toklukları geliştirildiği gibi termal şoklara karşı hassasiyetler de düşürülmüştür. (iii) Özellikle yüksek kesme hızlarında işleme gibi kesici takım uygulamalarına uygun olacak şekilde seramik kesici takımların kompozisyonları geliştirilmiştir. (iv) Takım yüzeyleri, kalıcı gerilmelere, çatlamalara ve yüzey düzgünsüzlüklerine karşı geliştirilmiştir. Bu tür gelişmeler yüksek kesme hızlarında nikel esaslı süperalaşımların işlenmesinde seramik kesici takımların kullanımına olanak sağlamıştır. Seramik kesici takımlarda takviye elemanı olarak kullanılan bileşenler genellikle parçacık şeklindedir. Seramik takım malzemelerinde Al 2 O 3 oksit matrisi artan oranlarda kullanılmaktadır. Al 2 O 3 parçacıklarının ya da sert katkı elemanlarının kullanılması mekanik özellikleri arttırmaktadır. Al 2 O 3 parçacıkları ile birlikte TiB 2 ve SiC parçacıkları da takviye elemanı olarak kullanılmakta ve seramik kesici takımın performansları geliştirilmektedir. Farklı hacimsel parçacık içeriğine sahip sıcak presleme yöntemiyle üretilmiş TiB 2 ve SiC parçacık takviyeli seramik kesici takımlar ile Inconel 718 nikel esaslı süperalaşımın işlenmesinde SiC parçacıkları iyi aşınma dayanımı sergilemişlerdir [11]. Kırılma tokluğu ve sertlik, % 30 SiC hacimsel içerik oranına sahip Al 2 O 3 /TiB 2 /SiC w kompozit seramik kesici takımda artmıştır. Buna bağlı olarak artan SiC parçacık içerik oranı ile yoğunluk düşmüştür. Aynı şekilde, takımın bükülme dayanımı da yoğunlukla aynı eğilimi göstermiştir (Tablo 2). Bu seramik takımlar, düşük kesme hızlarında küçük yan kenar ve krater aşınmaları sergilerken, kesme hızının arttırılmasıyla yan kenar ve krater da artmaktadır (Şekil 5). 100 m/dak dan daha düşük kesme hızları bu seramik kesici takımlar için en iyi seçim aralığıdır. Abrasif aşınma mekanizması yan kenar nın oluşumunda en etkin aşınma mekanizmasıdır. Oluşan krater ise yüksek kesme sıcaklıklarında oluşan adhezyon ve difüzyon aşınma mekanizmalarından kaynaklanmaktadır [11]. Tablo 2. Al 2 O 3 /TiB 2 /SiC w seramik takımların hacimsel içerik oranları ve mekaniksel özellikleri [11]. Takım Hacimsel Đçerik (%) Al 2 O 3 TiB 2 SiC w Bağıl Yoğunluk (g/cm 3 ) Sertlik (GPa) Bükülme Dayanımı (MPa) Kırılma Tokluğu (MPa.m 1/2 ) ABW05 76 19 5 99.90 21.4 778 5.90 ABW10 72 18 10 99.84 21.6 750 7.60 ABW20 64 16 20 99.42 21.7 726 7.97 ABW30 56 14 30 98.93 22.0 670 8.42 Şekil 5. Inconel 718 nikel esaslı süperalaşımının farklı TiB 2 ve SiCw içerik oranına sahip Al 2 O 3 /TiB 2 /SiC w seramik takımlarla işlenmesinde yan kenar aşınmaları (Deney şartları; V=100 m/dak, a p =0.3 mm ve f=0.15 mm/dev) [11]. 8

Motorcu, A.R. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 1-17 Al 2 O 3 +SiC w elyaf takviyeli, kare (KY4300 SNGN) ve yuvarlak (KY4300 RNGN) olmak üzere iki farklı geometrili seramik kesici takımın Inconel 718 in işlenmesinde kullanıldığı bir başka çalışmada ise geometrinin etkisi araştırılmıştır. Çalışmada, kare geometrili takımda kesme hızının artışına bağlı olarak yan kenar değerlerinin de arttığı görülmüştür (Tablo 3). Aynı tablodan görüleceği üzere, yan kenar değerlerindeki bu düzenli artış yuvarlak geometrili takımda elde edilmemiştir. Aynı çalışma kapsamında, SIALON seramiklerle yapılan deneysel sonuçlarıyla karşılaştırıldıklarında, elyaf takviyeli seramik takımlarında literatürde yapılan diğer çalışmaları destekler şekilde iyi performans sergilediği belirtilmiştir. Kesme hızı 200 m/dak dan 250 m/dak ya arttırıldığında, yuvarlak geometrili takımın yan kenar yan kenar referans değeri olan V B =0.3 mm nin altında kalmakta iken, kare geometrili takımla işlemede bu değer aşılmıştır. 300 m/dak da ise farklı geometrili her iki takımda da referans alınan V B değerinin oldukça üzerinde değerler elde edilmiştir. Kare ve yuvarlak geometrili, Al 2 O 3 +SiC w elyaf takviyeli seramik kesici takımla Inconel 718 in işlenmesinde elde edilen aşınma ve talaş tipleri Şekil 6 da gösterilmektedir [10]. Şekil 6 da gösterilen talaş aşınma ve tipleri Tablo 3 te verilen bilgileri desteklemektedir. Takım Malzemesi Elyaf takviyeli Al 2 O 3 +SiC w KY4300 SNGN Elyaf takviyeli Al 2 O 3 +SiC w KY4300 RNGN V B (mm) 0.13 0.43 Tablo 3. Aşınma tipleri ve yan kenar değerleri [10] V=150 m/dak V=200 m/dak V=250 m/dak V=300 m/dak Aşınma Tipi Kenar Aşınması Çentik Aşınması Termal çatlaklar V B (mm) 0.28 0.17 Aşınma Tipi Krater Plastik deformasyon Adhezyon Yapışma (BUE) V B (mm) 0.69 0.17 Aşınma Tipi V B (mm) Krater 1.82 Termal çatlaklar Plastik deformasyon Krater 1.21 Aşınma Tipi Burunda çatlaklar Çentik Yan kenar Krater, Yan kenar, Termal çatlaklar a) Kare uç (4300 SNGN), V=150 m/dak b) Yuvarlak uç (4300 RNGN), V=150 m/dak Burunda çatlaklar 9 Yan kenar, Çentik alınması c) Kare uç (4300 SNGN), V=300 m/dak d) Yuvarlak uç (4300 RNGN), V=300 m/dak Şekil 6. Al 2 O 3 +SiC w elyaf takviyeli seramik takımla V=150 m/dak ve V=300 m/dak işlemede uç tipine bağlı olarak aşınma ve talaş tipleri [10].

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 1-17 Nikel Esaslı Süperalaşımların ve Titanyum Alaşımlarının Soğutma ve yağlama teknikleri birinci kesme bölgesinde ve talaş-takım ile takım-iş parçası ara yüzeyindeki ısıyı minimize ettiği için nikel esaslı süperalaşımların işlenmesinde kesici takımların performansını arttırmada kullanılmaktadır. Özellikle yüksek basınçlarda uygulanan soğutma teknikleri imalat endüstrisinde oldukça kabul görmüştür. Yüksek basınçlarda soğutma tekniği çeliklerin işlenmesinde takım performansını yaklaşık 7-8 kat artırmaktadır. Yüksek basınçlarda soğutma teknolojisinin avantajı verimli bir şekilde segmentli talaş oluşumu sağlama, soğutma ve yağlama sağlamak suretiyle takım ömrünün artmasını sağlamasıdır. Ezugwu ve diğerleri tarafından yapılan çalışmada, Inconel 718 in bitirme yüzeyi işlenmesinde, farklı soğutma basıncı uygulanarak takviyeli seramik kesici takımların performansları değerlendirilmiştir. Geleneksel soğutma uygulamalarıyla kıyaslandığında 15 MPa yüksek basınç altında yapılan işlemelerde, parçacık takviyeli seramik takımlar daha iyi performans sergilemişlerdir (Şekil 7). 15 MPa basınç soğutma basıncı uygulandığında işleme esnasında çentik oluşumu engellenmekte iken, 20.3 MPa gibi daha yüksek basınçlarda sıvı basıncı vurma/çarpma etkisi yaparak erozyona neden olduğundan çentik oluşumunu arttırmakta ve takım ömrü daha düşük çıkmaktadır (Şekil 8. a ve b). Kesme kuvvetleri de artan soğutma basıncı uygulamasıyla düşmüştür çünkü soğutma ve yağlamanın gerçekleşmesiyle kesme ara yüzeyinde verimli bir talaş kırılması oluşmuştur [12]. Şekil 7. 0.1 mm/dev ilerleme miktarında parçacık takviyeli alumina seramik takımlarla bitirme yüzeyi işlemede kaydedilen takım ömürleri [12]. a) b) Şekil 8. Inconel 718 in işlenmesinden sonra oluşan yan kenar ve burun. a) 300 m/dak kesme hızında ve 0.2 mm/dev ilerleme miktarında 20.3 MPa basınçta soğutma uygulaması ile, (b) 270 m/dak kesme hızında ve 0.2 mm/dev ilerleme miktarında geleneksel soğutma uygulaması ile [12]. Kesici takım geometrisi ve geometrinin hazırlığı da, işlenmesi güç olan malzemelerin kesilmesinde önemli bir rol oynamaktadır, çünkü takım ömrü ve işlenmiş yüzeyin yüzey kalitesini etkilemektedir. Coelho ve diğerleri tarafından yapılan çalışmada, Inconel 718 in işlenmesinde Al 2 O 3 esaslı seramik ve çok kristalli kübik bor nitrür (PCBN) takımların yanı sıra üçgen, kare ve yuvarlak uçlu, Al 2 O 3 +SiC w takviyeli seramik takımlar performansları da araştırılmıştır. Bu çalışmada, üçgen geometrili seramik 10

Motorcu, A.R. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 1-17 takımlar nikel esaslı süperalaşımların işlenmesinde, yuvarlak uçlu ve kare takımlara göre daha düşük performans sergilemişlerdir. Yüzey pürüzlük ölçümleri karşılaştırıldığında, Inconel 718 süperalaşımının aynı kesme şartlarında, Al 2 O 3 esaslı seramik takımlarla işlenmesinde, üçgen geometrili takımlar kare ve yuvarlak uçlu takımlara göre daha büyük yüzey pürüzlülük değerleri vermiş iken, Al 2 O 3 +SiC w takviyeli seramik takımlarla işlemede en büyük yüzey pürüzlülük değerleri kare forma sahip takımlarla elde edilmiştir (Şekil 9). Diğer taraftan, kare ve yuvarlak uçlar talaş açısını arttırdığından, temas alanını ve kenarın mekaniksel dayanımı arttırmış ve gerilimin de azalmasıyla kesme kenarındaki ısı daha iyi bir şekilde dağılmıştır. Aynı çalışmada, üçgen, kare ve yuvarlak uçlu takımlardaki talaş açısı değişiminin takım ömrünü de etkilediği belirtilmiştir. Üçgen geometrili takımlarla daha büyük yaklaşma açıları elde edildiğinden işleme sırasında talaş kıvrımları artmıştır [13]. Talaş açısı -5 ile -45 arasında değiştiğinde takım ömrü en yüksek çıkmıştır. Kesici takım kesme kenarı formu kenarın korunmasını sağlamakta iken krater nın oluşumunu engelleyememiştir. Genellikle nikel esaslı süperalaşımların işlenmesinde görülen çentik bu çalışmada bahsedilen takımlar için de görülmüştür. Test edilen takımların tamamında, yan kenar nda anlamlı farklılıklar gözlenmemiş, fakat kesme kenarı modifiye edilmiş takımda daha üniform ve verimli bir aşınma gözlenmiştir. Yine, genellikle modifiye edilmiş yuvarlak uçlu takımda daha az çentik oluşmuştur [13]. a) Al 2 O 3 esaslı seramik takım b) Al 2 O 3 esaslı + SiCw takviyeli seramik takım Şekil 9. Inconel 718 süperalaşımının d=0.35 mm, f=0.1 mm/dev ve V=500 dev/dak da işlenmesinde her pasoda oluşan Ra yüzey pürüzlülüğü, C= Geleneksel, M=Modifiye edilmiş [13]. Seramik kesici takımlarla nikel esaslı alaşımların işlenmesinde kesici takım malzemesi ve kesme kenar konfigürasyonu (geometrisi) kadar kesici takım kesme kenarının sıkma yöntemi de önemlidir. Başarılı bir seramik kesici takım uygulaması için, takım kenar sıkma metodunun rijitliği, iş parçası ve kesici takımın sıkılmasında takım sıkma metodunun desteklenmesi oldukça kritiktir. Kesme hızları karbürlerde kullanılan kesme hızı değerlerinden 10 kez daha fazla olduğu için güvenlik tedbirlerine de ayrıca ihtiyaç duyulmaktadır. Yukarıda nikel esaslı süperalaşımların seramik kesici takımlarla işlenebilirliği ve takımların performansı değerlendirilmeye çalışılmıştır. Arunachalam ve Mannan tarafından yapılan çalışmada verilen bazı öneriler de seramik takımların performansının artmasına ayrıca katkı sağlayacaktır [14]: 1. Çift negatif uç geometrisi daha güçlü bir uç kenarı sağlayacağından özellikle kırılgan olan seramik takımlar için bir gerekliliktir. Bu aynı zamanda, tüm kenarlar kullanıldığı için daha fazla kesme kenarı/kesme ucu demektir. 2. Yuvarlak uçlar en güçlüdür ve bu nedenle tercih edilen uç şeklidir. Aynı zamanda yuvarlak uçlu takımların fiyatı diğer uçların fiyatından daha ucuzdur. Yuvarlak uçlu seramikler daha iyi yüzey pürüzlülük değerleri sağlamakta ve Inconel 718 in işlenmesinde baklava dilimli takımlara göre iş parçası üzerinde daha az işleme kusurlarına sebep olduğu için tercih edilmektedir. 3. Daha büyük köşe radüsleri daha güçlü uç köşesi sağlamakta bu da özellikle kaba işleme operasyonları için oldukça önemlidir. 11

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 1-17 Nikel Esaslı Süperalaşımların ve Titanyum Alaşımlarının 4. Kalın uçlar daha iyi darbe dayanımı ve daha iyi ısı dağılımı sağlamakta ve böylece kaba işleme operasyonlarında daha uzun takım ömürleri elde edilmektedir. Uç kalınlıları işleme için seçilen ilerleme miktarı değerlerinden en az 4 kat büyük olmalıdır. 5. Uç kenarı hazırlığı seramik takım uygulamalarında takım ömrü ve yüzey pürüzlülüğü açısından oldukça önemlidir. Uygulamaya da bağlı olarak, nikel esaslı alaşımların kaba frezelenmesinde honlanmış ve negatif açılar kullanılmaktadır. Özellikle honlanmış ve 0.5 mm ye kadar negatif bir alan oluşturulan takımlar tercih edilmektedir. Şekil 10 da farklı uygulamalar için tipik kenar hazırlıkları gösterilmektedir [14]. 6. Özellikle seramik kesici takımlar için takım tutucu sistemleri tasarlanmalıdır. Örneğin; frezeleme operasyonları için denge ayarı yapılmış kesiciler kullanılmalıdır. 7. Đş parçasının girişine ve çıkışına ön pah kırma işlemi yapılmalıdır. Aynı zamanda girişte yüksek kesme hızı fakat düşük ilerleme miktarları kullanılmalıdır. Kesici takım tamamıyla iş parçasına girdiğinde yani giriş aşamasını geçtiğinde ilerleme miktarı arttırılabilir. Benzer şekilde çıkışta da ilerleme miktarı ve kesme hızı değerleri düşürülmelidir. Böylelikle termal şoklar minimize edilecektir. 8. Rijit ve güvenli bağlantı cihazları titreşim ve boşluklu hareketleri engelleyecektir. Çünkü titreşim ve boşluklu hareketler takım ömrünü oldukça hızlı bir şekilde düşürmektedir. 9. Nikel esaslı süperalaşımların işlenmesinde iş parçası sertliğinin etkisi azaltıldığı için aynı yönlü frezeleme işlemi tercih edilmelidir [14]. Operasyon Talaş Açısı Pah (Genişlik ve açı) Uç yarıçapı (Honlama) a. Genel amaçlı Negatif 0.20mm x 20 Evet b. Genel amaçlı ve Negatif 0.15mm x 30 Hayır frezeleme c. Çok kaba işleme Negatif 0.38mm x 25 Hayır Şekil 10. Farklı tipte seramik kenar hazırlıkları ile tavsiye edilen uygulamalar [14]. 3. TĐTANYUM ALAŞIMLARININ SERAMĐK TAKIMLARLA ĐŞLENEBĐLĐRLĐĞĐ Talaş kaldırma endüstrisinde titanyum alaşımları işlenmesi zor olan malzemeler olarak bilinmektedirler. Oldukça düşük termal iletkenlik ve yüksek sıcaklıklardaki kimyasal reaktivite titanyum alaşımlarının işlenmesindeki temel sorundur. Buna rağmen havacılık uygulamalarında malzeme olarak popülerliğini korumaktadır. Malzemenin düşük yoğunluğu ve yüksek ergime noktası kütlesel azaltmalara referans olmaktadır. Diğer taraftan kütle azaltma tekrardan havacılık uygulamalarında odaklanılan bir alan olmuştur [15]. Seramik kesici takımlar titanyum alaşımlarının işlenmesinde kullanılmamakla birlikte kaba işlemelerde tercih edilebilirler. Bu uygulamalarda, sinterlenmiş karbür uçlar seramikler ile yer değiştirildiğinde izin verilen kesme hızı % 75 oranı kadar artmaktadır [1]. 12

Motorcu, A.R. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 1-17 3.1. Titanyum Alaşımlarının Đşlenmesinde Oluşan Problemler Titanyumun termal iletkenliği çelikten 10 kata kadar daha düşüktür. Bu da kesme bölgesinde, takım na yol açan oldukça yüksek ısıların oluşmasına sebep olur. Oluşan ısının % 80 i takım içerisinde kalmakta iken yalnızca % 20 lik bir kısmı talaş ile atılabilmektedir [15]. Titanyumu işlemede diğer bir sorun ise takım yüzeyi ve talaş arasında oluşan sıra dışı oldukça küçük temas alanıdır. Karbon çeliğini aynı ilerleme miktarında işlemeyle karşılaştırıldığında bu alan tipik olarak üçüncü temas alanıdır. Küçük temas alanı ile birlikte düşük termal iletkenlik oldukça yüksek sıcaklıklar ve takım kesme kenarına yakın bir yerde aşınmanın oluşmasına sebep olmaktadır [15]. Bu problem çok büyük bir sıkıntıdır, çünkü titanyum 500 C sıcaklıkta kimyasal olarak reaktif hale gelmektedir. Şu bir gerçektir ki; titanyum alaşımın işlenmesinde gerekli başarıyı elde etmek için kesme bölgesindeki ısının kontrolü oldukça önemlidir. Kesme hızındaki artışlar titanyum alaşımın erimesine neden olacaktır [15]. Yağlama, soğutma oranını anlamlı bir şekilde arttırmaktadır. Titanyumun işlenmesinde oluşan yüksek sıcaklıklar takım ve talaş malzemesi arasında güçlü bir adhezyonun oluşmasına neden olur. Buna titanyumun düşük termal iletkenliği ve kimyasal reaktivitesi sebep olur. Yüksek kesme hızlarında ve sıcaklıklarda difüzyon takım nın temel sebebi olmakta iken, düşük kesme hızlarında abrasyon en etkin aşınma mekanizmasıdır. Difüzyon sırasında malzeme fiziksel olarak takım yüzeyinden kalkarken takım talaş yüzeyinde krater oluşturur. Đkincil etkiler ise adhezyon katmanının oluşumu ve sıvanmadır. Adhezyon geniş bir ısı aralığında görülebilmektedir. Adhezyon ayrıca dolaylı (endirekt) adhezyon olarak bilinen, iş parçası malzemesinden takımın içerisine doğru parçaların bütünleşmesini de içermektedir [15]. Endirekt adhezyon, takım ve iş parçası elementlerinin kimyasal reaksiyonu sonucu olarak sıvanma (BUE) oluşumu içerisinde ya da sıvanma katmanında yer almaktadır. Talaş yüzeyindeki çıtlama mekanik yükleme ya da termal şokların sonucudur. Bu aşınma mekanizmaları yüksek enine kopma mukavemetine, yüksek termal iletkenliğe, düşük elastikiyet modülüne ve düşük ısıl genleşme katsayısına sahip bir takım kullanılarak azaltılabilir. Kesme sıvılarının kullanımı da işleme şartlarının tamamına daha geniş bir perspektiften bakılmasını sağlamaktadır. Fakat, kesme sıvısının kullanılması diğer malzemelerde olduğu gibi titanyumun işlenmesinde de yüksek üretim hızı açısından belirgin bir artış sağlamamıştır [15]. Soğutma uygulamaları, elle, püskürtme yöntemiyle, fener milinden doğrudan ve minimal miktarda yağlama yöntemlerini içermektedir. Birkaç araştırmacı, titanyumun sıvı azot ve azot gazının kullanılmasıyla olumlu sonuçların alındığını rapor etmişlerdir. Yine farklı araştırmacılar tarafından, yüksek basınçta su jeti ile soğutma teknikleri ve hava ile soğutma teknikleri uygulanmıştır. Ti6Al4V alaşımının yüksek hızlarda frezelenmesinde yağlayıcı püskürtmesi tercih edilmemiş, sıkıştırılmış soğuk azot gazı ve yağ buharı ile soğutma tercih edilmiştir [15]. 3.2. Titanyum Alaşımlarının Đşlenmesinde Seramik Takımların Performansı Titanyum alaşımlarının işlenmesinde yüksek sıcaklıkların oluştuğu yukarıda bahsedilmişti. Takımın kesme kenarına yakın bir yerde oluşan bu yüksek sıcaklık takımın hızlıca nın başlıca sebebidir. Ti-6Al-4V alaşımın farklı takımlarla işlenebilirliği üzerine yapılan bir çalışmada oluşan ısı dağılımı incelenmiş ve bu çalışma sonuçlarından yola çıkarak ısı dağılım eğrisi elde edilmiştir. Çeliğin işlenmesinden elde edilen değerler de karşılaştırma amacıyla yine bu çalışmada kullanılmıştır. Şekil 11 de bu çalışmadan elde edilen eğriler görülmektedir. Bu şekilden de görüleceği üzere çeliğin işlenmesinde oluşan ısının maksimum % 50 ile % 60 ı takım tarafından absorbe edilmekte iken titanyum alaşımın işlenmesinde % 80 i takım tarafından absorbe edilmektedir. Diğer taraftan, Ti-6Al-4V alaşımın oksit seramik takımla işlenmesinde bu takımın termal iletkenliğinin düşük olması sebebiyle oluşan ısının yaklaşık % 50 sinin talaşla uzaklaştırıldığı da aynı şekilden görülmektedir. Bu durum, seramik takımlar için bir avantajdır [15]. 13

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 1-17 Nikel Esaslı Süperalaşımların ve Titanyum Alaşımlarının Şekil 11. Titanyum ve çeliğin işlenmesinde oluşan ısının dağılımı [15]. Dearnley ve Grearsen [16] tarafından yapılan bir başka çalışmada ise, Ti-6Al-4V alaşımın faklı takımlarla ve farklı kesme şartlarında sürekli tornalanmasında takımların aşınma oranları araştırılmıştır. Tablo 4 te bu araştırmanın bulguları yer almaktadır. Takım Tipi Sinterlenmiş Karbür (-5 talaş açısı) Beyaz Seramik Al 2 O 3-30ZrO 2 Karma Seramik Sialon Uzatılmış Büyük Pahlı Sialon Kesme Hızı, m/dak Tablo 4. Farklı takım malzemeleri için aşınma oranları [16]. Đlerleme Miktarı, mm/dev Test Süresi, sn 75 0.25 30 Atmosfer Maksimum Yan kenar Aşınma, mm Maksimum Krater Derinliği, µm Maksimum Krater Aşınması Oranı, µm/dak Çentik Derinliği, mm A 0.04 12 24 0 N 0.04 10 20 0 75 0.25 30 A 0.40 230 460 1.45 75 0.25 30 N 0.40 210 420 1.00 75 0.25 20 A 0.28 161 483 0.80 75 0.25 20 N 0.40 150 450 0.92 35 0.16 30 A 0.12 65 130 0.40 35 0.16 30 N 0.10 78 156 0.48 75 0.25 5 A 0.20 150 1800 0.84 75 0.25 5 N 0.20 136 1632 1.20 75 0.25 5 A 0.20 165 1980 1.80 75 0.25 5 N 0.20 192 2304 1.80 35 0.16 30 A 0.04 32 64 0.08 35 0.16 30 N 0.12 38 76 0.72 75 0.25 30 A 0.20 350 700 1.20 75 0.25 30 N 0.20 57 114 0.80 75 0.25 30 A 0.20 58 116 0.80 75 0.25 30 N 0.24 44 88 0.88 14

Motorcu, A.R. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 1-17 Bu çalışmada, (Al 2 O 3 -ZrO 2, Al 2 O 3 -TiC, Al 2 O 3 -TiC-ZrO 2, Sialon) seramik takımların titanyumun tornalanmasında kullanımının uygun olmadığı belirtilmiştir. Araştırmacılar, Sialon takımlar için sürtünerek yıpranma nın, sinterlenmiş karbürler ve seramikler için ise talaş yüzeyindeki çözünme ve difüzyon aşınmanın en etkin aşınma olduğunu belirlemişlerdir. Yan kenar yüzeyinde sürtünerek aşınma seramiğin aşınma oranını kontrol etmektedir. Yorulma sebebiyle oluşan küçük kırılma işleminin sebep olduğu çentik da şiddetli bir şekilde seramik takımları etkilemektedir. Sialon takımlar için de daha düz çentik aşınma yüzeylerinin oluştuğu ve bunun muhtemel sebebinin ise atmosfer ile olan reaksiyon olabileceği yine aynı çalışmada belirtilmiştir [16]. Narutaki ve diğerleri tarafından tungsten karbür, sermet, seramik ve elmas takımlarla yapılan bir takım çalışmasında doğal elmasın titanyum alaşımlarının işlenmesinde mükemmel bir performans sergilediği sonucuna ulaşılmıştır. Yine, yukarıda yapılan çalışmaları doğrular şekilde seramik kesici takımların titanyum alaşımlarının işlenmesinde elverişli olmadığını da belirtmişlerdir [17, 18]. 4. SONUÇLAR Seramik kesici takımlar, karbür kesici takımlara göre sağlamış oldukları yüksek kesme şartları nedeniyle nikel esaslı süperalaşımların işlenmesinde büyük kullanım oranlarına sahiptirler. CBN takımlara göre daha ucuz olmaları sebebiyle de ayrıca tercih edilmektedirler. Diğer taraftan, seramik kesici takımlar titanyum alaşımlarının işlenmesinde kullanılmamakla birlikte sadece kaba işlemeler için tercih edilmektedirler. Bu derleme çalışmasının amacı, nikel esaslı süperalaşımların ve titanyum alaşımlarının seramik kesici takımlarla işlenebilirliği üzerine yapılan çalışmaları incelemek ve değerlendirmek, bu alanda yapılacak yeni çalışmalara ve işlenebilirlik odaklı faaliyet gösteren işletmelere teknik bilgi sunmaktır. Bu çalışma ayrıca, aynı süperalaşım malzemelerinin karbür takımlarla işlenebilirliğinin değerlendirildiği, Nikel Esaslı Süperalaşımların ve Titanyum Alaşımlarının Đşlenebilirliği, 1.Bölüm: Sinterlenmiş Karbür Takımların Performanslarının Değerlendirilmesi başlıklı bir önceki çalışmanın tamamlayıcısıdır. Bu derleme çalışması sonucu ulaşılan sonuçlar şu şekilde sıralanabilir: 1. Nikel esaslı süperalaşımların seramik kesici takımlarla işlenmesinde iş parçasından kopan sert karbür parçacıkları takım iş parçası ara yüzeyinden geçerken takımda abrasyon aşınma mekanizmasının oluşmasına neden olmaktadırlar. Uzun süre yüksek kesme şartlarında işlemede, iş parçası malzemesinin takıma adhezyonu ile birlikte takım oluşmaya başlamaktadır. Kesme hızı arttırıldığında kesme kuvvetleri düşmekte iken, düşük kesme hızlarında sürtünme katsayısı artacağı için kesme kuvvetleri de artmaktadır. 2. Al 2 O 3 /TiC alumina esaslı ve karma seramiklerle 120-240 m/dak kesme hızı aralığında bitirme operasyonları gerçekleştirilebilmektedir. Fakat, karma alumina seramik takımların nikel esaslı süperalaşımların işlenmesinde SIALON seramikler kadar başarılı olduğu söylenemez. 3. Al 2 O 3 /SiCw takviyeli seramik takımlar, saf ve karma esaslı seramik takımlardan daha iyi takım ömrü performansı sergilemektedirler. 4. Alumina esaslı seramik ve elyaf takviyeli seramik takımlarla işlemede çentik oluşmakta iken elyaf takviyeli seramiklerde kesme hızının arttırılmasıyla çentik boyu azalmaktadır. Talaş kaldırma sırasında oluşan talaşlanma da bu takımları güçsüz kılmaktadır. 5. Elyaf takviyeli seramiklerde elyaf oryantasyonu nikel esaslı süperalaşımların işlenmesinde takım performansını etkilemektedir. En iyi aşınma dayanımı iş parçası malzemesi yan kenar yüzeyinden akarken elyaf eksenleri dik olduğunda elde edilmektedir. 6. Parçacık takviyeli seramiklerde SiC parçacıkların ilave edilmesiyle kırılma tokluğu ve sertlikle birlikte takımın aşınma dayanımı arttırılmaktadır. Diğer taraftan yoğunluk düşmektedir. 15

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 1-17 Nikel Esaslı Süperalaşımların ve Titanyum Alaşımlarının 7. Parçacık takviyeli seramiklerle düşük kesme hızlarında işlemelerde küçük yan kenar ve krater elde edilmekte iken kesme hızının arttırılmasıyla aşınma artmaktadır. Yan kenar nın oluşumunda abrasif aşınma mekanizması etkili olmakta iken krater nın oluşumunda ise adhezyon ve difüzyon aşınma mekanizması etkili olmaktadır. Dolayısıyla 100 m/dak dan daha küçük kesme hızlarının seçimi doğru tercih olacaktır. 8. Nitrit esaslı seramik takımlar 500 m/dak ya kadar olan kesme hızlarında kullanılabilmektedirler. Nitrit esaslı seramik takımlarda plastik deformasyon ile birlikte abrasif aşınma da oluşmaktadır. 9. SIALON seramik takımlarda oluşan çentik alumina esaslı seramiklere göre daha azdır. Kesme arayüzeyinde, işlenmiş yüzey ve kesici takım arasında iş parçası malzemesi ve kesici takımdan aşınan parçacıklar sebebiyle abrasyon oluşmaktadır. 10. SIALON seramik takımlar nikel esaslı süperalaşımların kaba işleme operasyonları için uygundur ve kesme hızı aralığı 120-300 m/dak dır. Bu takımlarla talaş kaldırma sırasında soğutma sıvısı uygulamaları aşınma dayanımı ve takım ömrü performansını arttırmaktadır. 11. Nikel esaslı süperalaşımların işlenmesinde negatif açılı yuvarlak SIALON uçlar en iyi seçimdir. 12. Kare geometrili SIALON seramik takımlarda krater ve yan kenar, yuvarlak uçlu seramiklerde ise yan kenar ve çentik oluşmaktadır. 13. Geleneksel soğutma sıvısı uygulama tekniklerinin yanı sıra yüksek basınçlarda uygulanan soğutma teknikleri nikel esaslı süperalaşımların işlenmesinde seramik takımların performansını arttırmaktadır. Yüksek basınçlarda uygulanan soğutma uygulamalarının bir önemli katkısı ise talaşın kırılmasını ve segmentli tip talaş oluşumunu sağlamasıdır. Özellikle çentik oluşumu da engellenmektedir. 14. Kesici takım geometrisine bağlı olarak elde edilen yüzey pürüzlülük değerleri açısından değerlendirildiğinde üçgen geometrili takımlar kare ve yuvarlak geometrili takımlardan daha kötü yüzeyler oluşturmaktadırlar. 15. Titanyum alaşımının düşük termal iletkenliği nedeniyle kesme bölgesinde yüksek ısılar oluşmakta ve bu ısının kontrolü oldukça büyük sorunlar yaratmaktadır. Yağlama soğutma oranını arttırmaktadır. 16. Yüksek ısı difüzyon aşınma mekanizmasını, düşük kesme hızları ise abrasyon aşınma mekanizmasını doğurmaktadır. Adhezyon ise oluşan diğer bir aşınma mekanizmasıdır. Termal ve mekanik yükler sonucu takımda talaşlanma oluşmaktadır. 17. Yan kenar yüzeyindeki sürtünerek aşınma takımın aşınma oranını belirlemektedir. 18. Seramik takımlarla titanyum alaşımlarının işlenmesinde görülen çentik SIALON seramik takımlarda daha düz çentik yüzeyleri şeklinde görülmektedir. 19. Kesme sıvısının kullanılması seramik takımlarla işlemede takım performansına ve işlenebilirliğin geliştirilmesine katkı sağlamamaktadır. 20. Genel olarak tüm seramik kesici takım çeşitlerinin titanyum alaşımlarının işlenmesi için uygun olmadığı söylenebilir. 6. KAYNAKLAR 1. http://findarticles.com/p/articles/mi_m3101/is_2_75/ai_88760486, Turning difficult-to-machine alloys: the special properties of superalloys and titanium alloys call for special machining considerations - Emphasis: Cutting Tools. 2. Pawade, R.S., Joshi, S. S., Brahmankar, P.K., Rahman, M., 2007, An investigation of cutting forces and surface damage in high-speed turning of Inconel 718, Journal of Materials Processing Technology, 192 193; 139 146. 16

Motorcu, A.R. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 1-17 3. Gu, J., Barber, G., Tung, S., Gu, R.J., 1999, Tool life and wear mechanism of uncoated and coated milling inserts, Wear, 225 229; 273 84. 4. Arunachalam, R.M., Mannan, M.A., Spowage, A.C., 2004, Residual stress and surface roughness when facing age hardened Inconel 718 with CBN and ceramic cutting tools, Int. J. Mach. Tools Manuf. 44; 879 887. 5. Ezugwu, E.O., Wang, Z.M., Machado, A.R., 1999, The machinability of nickel-based alloys: a review, Journal of Materials Processing Technology, 86; 1-16. 6. Arunachalam, R.M., 2007, Wear of mixed alumina ceramic tools in high speed facing of Inconel 718, International Journal of Machining and Machinability of Materials, 2 (3-4);433-450. 7. Ezugwu, E.O., Bonney, J., Yamane, Y., 2003, An overview of the machinability of aeroengine alloys, Journal of Materials Processing Technology, 134:233-253. 8. Li, L., He, N., Wang, M., Wang, Z.G., 2002, High speed cutting of Inconel 718 with coated carbide and ceramic inserts, Journal of Processing Technology, 129; 127-130. 9. Taşlıyan, A., Acarer, M., Şeker, U., Gökkaya, H., Demir, B., 2007, Inconel 718 Süper Alaşımının Đşlenmesinde Kesme Parametrelerinin Kesme Kuvveti Üzerindeki Etkisi, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., 22 (1); 1-5. 10. Altin,A., Nalbant, M., Taskesen, A., 2007, The effects of cutting speed on tool wear and tool life when machining Inconel 718 with ceramic tools, Materials and Design, 28;2518 2522. 11. Jianxin, D., Lili, L., Jianhua, L., Jinlong, Z., Xuefeng, Y., 2005, Failure mechanisms of TiB 2 particle and SiC whisker reinforced Al 2 O 3 ceramic cutting tools when machining nickel-based alloys, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 45;1393 1401. 12. Ezugwu, E.O., Bonney, J., Fadare, D.A., Sales, W.F., 2005, Machining of nickel-base, Inconel 718, alloy with ceramic tools under finishing conditions with various coolant supply pressures, Journal of Materials Processing Technology, 162 163; 609 614. 13. R.T. Coelho, R.T., Silva, L.R., Braghini, A., Bezerra, A.A., 2004, Some effects of cutting edge preparation and geometric modifications when turning INCONEL 718 TM at high cutting speeds, Journal of Materials Processing Technology, 148; 147 153. 14. Arunachalam, R., Mannan, M.A., 2000, Machinability of nickel-based high temperature alloys, Machining Science and Technology, 4 (1); 127-168. 15. Joubert, H.J., Treurnicht, N.F., 2008, An experimental investigation of cooling and cutting strategies for face milling of Ti6Al4V, 2nd SAIAS Symposium, 14-16 September, Stellenbosch, South Africa, 1-11. 16. Dearnley, P. A., Grearson, A. N., 1986, Evaluation of principal wear mechanisms of cemented carbides and ceramics used for machining titanium alloy IMI 318, Mater. Sci. Technol. 2; 47. 17. Narutaki, N., Murakoshi, A., Motonishi, S., 1983, Study on machining of titanium alloys, Ann. CIRP, 32 ; 1, 65 69. 18. Lee,M., 1981, Proceedings of symposium on advances in processing methods for titanium, AIME, Louisville, Kentucky, 13-15 October, 275-287. 17