FARKLI MİKROYAPILARA SAHİP AISI 4140 ÇELİĞİNİN İŞLENMESİNDE YÜZEY PÜRÜZLÜLÜĞÜ VE TALAŞ ATILABİLİRLİĞİNİN DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ Volkan KILIÇLI, vkilicli@gazi.edu.tr Gazi Üniversitesi, 06500, Ankara Ali Rıza MOTORCU, aliriza@gazi.edu.tr Gazi Üniversitesi, 06500, Ankara Mehmet ERDOĞAN, mehmeter@gazi.edu.tr Gazi Üniversitesi, 06500, Ankara Yusuf ŞAHİN, ysahin@gazi.edu.tr Gazi Üniversitesi, 06500, Ankara ÖZET Bu çalışmada, tam tavlama, su verme+temperleme ve küreselleştirme ısıl işlemi uygulanmış AISI 4140 çeliğinin yüzey pürüzlülükleri ve talaş atılabilirlik davranışları incelenmiştir. Numuneler, talaş derinliği sabit tutularak kuru kesme şartları altında farklı kesme hızı ve ilerleme miktarlarında işlenmiştir. Deneysel sonuçlara göre, en düşük yüzey pürüzlülüğü daha düşük kesme hızı ve ilerleme miktarlarında su verilmiş+temperlenmiş numunelerde elde edilmiştir. Küreselleştirilmiş numunelerde küreselleştirme süresinin artmasıyla yüzey pürüzlülüğü artmıştır. Numunelerin tamamında, ilerleme miktarının artmasıyla yüzey pürüzlülüğü artmıştır. Isıl işlemlerin talaş atılabilirlik üzerine belirgin bir etkisi gözlenmez iken; tüm kesme hızlarında ve en yüksek ilerleme miktarında daha iyi talaş atılabilirlik gözlenmiştir. Anahtar Kelimeler: AISI 4140 çeliği, Isıl işlem, Kesme parametreleri, Yüzey pürüzlülüğü, Talaş atılabilirlik.
AN EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF SURFACE ROUGHNESS AND CHIP DISPOSABILITY OF AISI 4140 STEEL HAVING VARIOUS MICROSTRUCTURES ABSTRACT In this study, the surface roughness and chip disposability behavior of AISI 4140 steel subjected to full annealing, quenching+tempering and spheoridized heat treatments were examined. By keeping depth of cut constant specimens were machined at various cutting speeds and feed rate, under dry cutting condition. Experimental results showed that, minimum surface roughness were obtained at lower cutting speed and feed rate in quenched+tempered specimens. Surface roughness was increased with increasing spheroidizing times in spheoridized specimens. In all specimens, surface roughness were increased with increasing feed rate. While heat treatment didn t have obvious effect on chip disposability, the best chip disposability was obtained at all cutting speeds and maximum feed rate for all specimens. Keywords: AISI 4140 steel, Heat treatment, Cutting parameters, Surface roughness, Chip disposability. 1. GİRİŞ İleri teknolojik gelişmelerin bir sonucu olan yeni talaş kaldırma teknikleri klasik talaşlı üretim yöntemlerini hiçbir zaman ikinci plana atamamıştır. Yatırım maliyetlerinin düşüklüğü, kullanılan makine ve tezgahların uzun ömürlü oluşu ve en önemlisi de elde edilen ürünlerin ölçü ve yüzey kalitesinin iyi olması, işleme parametrelerinin optimizasyona uygunluğu, talaşlı üretimin diğer üretim yöntemlerine göre tercih sebeplerinden bazılarıdır. Dövme, dökme, haddeleme vb. yöntemlerle üretilen metal parçaların % 80 ninden fazlası son biçim ve boyutlarına talaşlı üretim yöntemleriyle getirilirler. Talaşlı üretim esnasında uygun seçilmeyen işleme parametreleri; kesici takımların kırılması, hızlı aşınması ve deformasyonu gibi sebeplerle kısa sürede kullanılamaz duruma gelmelerine neden olmaktadır. Bu durum; tezgah boş zamanının artması, iş parçası boyutlarının bozulması veya işin yüzey kalitesinin ikinci bir işlem gerektirecek derecede yetersizliği gibi bir dizi ekonomik kayıplara sebep olmaktadır. Malzemenin işlenebilirlik özellikleri önceden iyi tespit edilmemişse yukarıdaki kayıplar kaçınılmazdır.
Sertleştirilmiş çeliklerin yüksek kesme hızında tornalanması, 60-65 HRc sertliğindeki çeliklerde, yüksek kalitede bitirme işlemlerinin elde edilmesi taşlamaya göre daha ekonomik olmasından dolayı, son yıllarda tercih edilmektedir. Taşlamayla karşılaştırıldığında, yüksek kalitedeki tornalama işlemleriyle kompleks iş parçaları bir adımda işlenebilmekte ve taşlama kalitesine yaklaşan bitirme yüzeyleri elde edilmektedir. Ortalama yüzey pürüzlülük değerleri Ra genel olarak 0.2-0.6 µm olabilmektedir. Yüksek kesme hızındaki tornalama işlemlerinde işleme çevrimleri taşlamadan 3 kat daha hızlı olmakta ve belli bir enerji sarfiyatında kaldırılan hacimsel talaş miktarı incelendiğinde enerji sarfiyatı 5 kat daha az olmaktadır. Örneğin; kesme ve hacim kalıpları genellikle sertliklerinin arttırılması için önce sertleştirilmekte ve daha sonra istenilen şekil ve ölçülerde işlenmektedirler. Bu nedenle sertleştirilmiş çeliklerin işlenebilirlikleri bir çok araştırmacı tarafından araştırılmaktadır. Jang ve Hsiao, [Jang and Hsiao, 2000] AISI M2 takım çeliğine ısıl işlem uygulayarak 60 HRC sertlik elde etmiş ve işlenebilirlik testleri ile kesme parametrelerinin takım aşınması, yüzey pürüzlülüğü, kesme sıcaklığı ve kesme kuvvetleri üzerindeki etkilerini araştırmışlardır. Benzer diğer bir çalışmada [Kumar and et al., 2003]; AISI 1040 a denk EN 24 çeliğine ısıl işlem uygulanarak sertlik 40-45 HRC ye çıkartılmış ve yapılan işlenebilirlik deneylerinde, takım aşınması, kesme kuvvetleri ve iş parçasının yüzey pürüzlülüğü ölçülmüştür. Kesici takım olarak alümina ve zirkona takviyeli alümina seramiklerin kullanıldığı bu çalışmada, her iki seramik kesici türünde de kesme hızının artmasıyla yüzey pürüzlülüğünün iyileştiği tespit edilmiştir. İş parçası malzemesinin; sertlik, dayanım, süneklik, termal iletkenlik ve sıcak sertlik gibi özellikleri demir dışı inklüzyonların miktarı ve iş parçası malzemesinin kimyasal bileşimi işlenebilirliği etkilemektedir. Katayama ve Toda [Katayama and Toda, 1996] orta karbonlu çeliğin (0.54 C) CVD ile kaplı Al 2 O 3 +TiCN+TiC karbür uçla işlenebilirliğini incelemişler ve yumuşak ferrit fazının sünek kopma ile ayrılması sonucu yüzey pürüzlülüğünün arttığını tespit etmişlerdir. Özçatalbaş ve arkadaşları [Özçatalbaş ve diğ.,1997] sıcak haddelenmiş Ç1050 çeliğine uygulanan tam tavlama ve normalleştirme ısıl işlemeleriyle değiştirilen mikro yapı ve mekanik özelliklerin talaş kökü morfolojisi, yüzey pürüzlülüğü ve kesme kuvvetleri üzerine etkilerini araştırmıştır. Yapılan çalışmada minimum sertliğe sahip tavlanmış numunenin yığıntı talaş yüksekliği ve çıkıntı uzunluğunda artış belirlenmiş bu ise yüzey pürüzlülüğünün artışına sebep olmuştur. En düşük yüzey pürüzlülüğü normalleştirilmiş numunede elde edilmiştir. En düşük kesme hızında maksimum yüzey pürüzlülüğü tam tavlanmış numunede, minimum yüzey pürüzlülüğü ise normalleştirilmiş numunede elde edilmiştir. Artan kesme hızıyla birlikte tüm numunelerde yüzey pürüzlülüğü iyileşmiştir. En yüksek kesme hızında minimum yüzey pürüzlülüğü haddelenmiş numunede elde edilmiştir. Benzer diğer bir çalışmada [Özçatalbaş,
1998], SAE 8620 çeliğinin tornalanmasında talaş oluşum mekanizmasını ve talaş morfolojisinin yüzey pürüzlülüğü ve kesme kuvvetleri üzerine etkisini araştırmıştır. Sıcak haddelenmiş çeliğin normalleştirme ve tam tavlama ısıl işlemleri ile mekanik özellikleri değiştirilmiştir. Kesme hızının artmasıyla yığıntı talaş boyutu azalmış ve buna bağlı olarak yüzey pürüzlülüğü iyileşmiştir. Kopač ve Bahor [Kopač and Bahor, 1999] iş parçası özellikleri ve kesme parametrelerinin yüzey pürüzlülüğü üzerinde etkilerini araştırmak amacıyla, iki iş parçası malzemesi; C60 E4 ve 42CrMo4 çeliğinin işlenmesinde kaplamalı sinterlenmiş karbür kesici takımlar kullanmışlardır. İlerleme miktarının düşmesi ve uç yarıçapının artmasıyla yüzey pürüzlülük değerinin azaldığı rapor edilmiştir. İş parçasının mekanik özelliklerinin ve kesici takım aşınmasının yüzey pürüzlülüğü üzerine etkisini araştırmak amacıyla, Özçatalbaş [Özçatalbaş, 2002] tarafından yapılan çalışmada, talaş kaldırma öncesi haddelenmiş durumdaki AISI 4140 çeliğine iki farklı soğuma hızında tavlama işlemleri uygulanarak mekanik özellikler değiştirilmiştir. Yapılan talaş kaldırma deneyleri sonucunda yüksek sertlikteki malzemelerde yüzey pürüzlülüğü iyileşmekte iken daha az sertlikteki malzemelerde ise yüzey pürüzlülüğünün kötüleştiği gözlemlenmiştir. Yine yan kenar aşınması ile birlikte yüzeyin kötüleştiği; bu durumdan sertliği fazla olan malzemelerin daha çok etkilendiği rapor edilmiştir. Aynı malzeme üzerinde yapılan diğer bir çalışmada [Özçatalbaş, 2000], ısıl işlemler ile değiştirilen mikroyapı ve mekanik özelliklerinin işlenebilirlik üzerine etkisi araştırılmıştır. Tam tavlama sonrası oluşturulan mikroyapı yığıntı talaş boyutlarını arttırmış bu durum ise yüzey pürüzlülüğünün artmasına sebep olmuştur. Minimum yüzey pürüzlülüğü haddelenmiş numunede elde edilmiştir. 278 Brinell sertliğinde, AISI 4140 a denk 42CrMo4 çeliğin işlenebilirliğini araştırmak için karbür, Si 3 N 4 takımlar kullanılmış ve yapılan işlenebilirlik testlerinde, 42CrMo4 çeliğin işlenmesinde uzun sürekli talaşlar oluşmuştur. Bu istenmeyen talaş oluşumunun optimize edilmeyen kesme kenarı geometrisinden dolayı yüksek kesme kuvveti ve bunun sonucunda oluşan daha yüksek kesme kenarı sıcaklığından kaynaklandığı tespit edilmiştir [Vluegels and Biest, 1999]. Brandon [Brandon,1970] tarafından yapılan çalışmada, AISI 4140 çeliği üzerinde farklı küreselleştirme ısıl işlemi ve soğuk deformasyonun işlenebilirlik üzerine etkisi araştırılmıştır. Yüksek kesme hızı ve ilerlemelerde, yüzey pürüzlülüğü ve takım aşınması hızlı bir şekilde artmıştır. Takım ucunun körelmesi ve talaş kırıcı formunun deforme olması sonucu uzun ve sürekli talaş oluşmuş, çıkan talaşların atılması için tezgah durdurulmuştur. Tüm kesme hızı ve ilerleme miktarlarında, küreselleştirilmiş+%10 soğuk deforme edilmiş malzemede iyi yüzey pürüzlülük değerleri elde edilmiştir. Kürselleştirilmiş+%5 soğuk çekilmiş malzemede en iyi
yüzey pürüzlülüğü elde edilmiş ve çıkan talaşlar kesik ve kırıklı olduğu için talaş kırıcılı takım kullanımı önerilmemiştir. Yan ve diğerleri [Yan and et al., 1995] tarafından yapılan çalışmada karbür, PCD, seramik ve CBN kesici takımların düşük karbonlu çeliklerin işlenmesindeki performansları araştırılmıştır. Kesme hızının artmasıyla yüzey pürüzlülüğü iyileşmiştir. Daha düşük ilerleme oranlarında daha iyi yüzey pürüzlülüğü elde edilmiştir. Buna ek olarak, daha düşük talaş derinliklerinde daha iyi yüzey kalitesinin elde edildiği rapor edilmiştir. Araki ve Yamamoto [Araki and Yamamoto, 1979] tarafından yapılan çalışmada, sertlik değerleri farklı, normalize edilmiş, tavlanmış, küreselleştirilmiş ve haddelenmiş durumdaki AISI 4120 çeliğinin farklı kesme şartları altındaki işlenebilirlik davranışları arasındaki ilişkiler araştırılmıştır. Ferritik+beynitik yapıya sahip haddelenmiş numune talaşın atılabilirliği bakımından en iyi işlenebilirliği sergilemiştir. Düşük kesme hızında ferritik+perlitik mikro yapıdaki numuneler ısıl işlem görmemiş ferritik+beynitik numunelerle karşılaştırıldığında genellikle düşük işlenebilirlik göstermiş, ancak yüksek kesme hızı aralıklarında bu fark az olmuştur. Ayrıca araştırmacılar, bu çeliklerde ısıl işlem görmemiş perlitik+beynitik yapıda daha iyi bir işlenebilirliğin elde edilebileceğini rapor etmişlerdir. Bu çalışmada, AISI/SAE 4140 çeliğinde mikroyapının yüzey pürüzlülüğü üzerine etkisini incelemek amacıyla tam tavlama, normalleştirme, su verme+temperleme ve küreselleştirme ısıl işlemleri yapılmış ve talaş kaldırma deneyleri sonrası işlenmiş yüzeylerin pürüzlülükleri ölçülmüştür. Seçilen kesme parametreleri aralığında talaşın atılabilirlik özelliklerini belirlemek amacıyla talaş şekilleri de incelenmiştir. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Malzeme AISI/SAE 4140 çeliği endüstride, makine ve takım imalatında, oto akslarında, aks mafsallarında ve basınçlı kaplarda en fazla kullanılan imalat çeliğidir. Bu çalışmada kullanılan 4140 çeliğinin kimyasal kompozisyonu Tablo 1 de verilmiştir. Deneylerde, metalografik çalışma için Ø12x5 mm boyutlarındaki numuneler kullanılarak ısıl işlem sırasındaki merkez ile yüzey arasındaki sıcaklık farkı elimine edilmiştir. Tornalamada ise Ø26x150 mm boyutlarındaki numuneler kullanılmıştır. Isıl işlem sırasında oluşabilecek dekarbürizasyonun metalografik çalışmalarda ve yüzey pürüzlülüğü çalışmalarında ölçüm sonuçlarını etkilememesi için yüzeyden 0,5 mm talaş kaldırılmıştır.
Tablo 1. AISI 4140 çeliğinin kimyasal kompozisyonu (Ağırlıkça %) C Si Mn P S Cr Nb 0.449 0,269 0,802 0,0033 0,0035 0,996 0.0339 Ti Co Mo Ni Cu Mo Fe 0.003 0.0113 0,163 0,0939 0.192 0,163 Kalan Isıl İşlemler Şekil 1 de numunelere uygulanan ısıl işlemlerin aşamaları gösterilmektedir. Isıl işlemler atmosfer kontrolü olmayan elektrik direnci ile çalışan bir fırında yapılmıştır. Numuneler belirlenen sıcaklıklarda 1 saat tavlamadan sonra normalleştirme için havada, tam tavlama için fırında, su verme için de oda sıcaklığındaki yağda soğutulmuşlardır. Küreselleştirme ısıl işlemi ise A 1 sıcaklığının altında (713 C) 2, 4 ve 8 saat tavlama sonrası fırında soğutma yapılarak gerçekleştirilmiştir. Tam Tavlama Normalleştirme Su Verme+ Temperleme Küreselleştirme 820 C/ 1saat 870 C/ 1saat 850 C/ 1saat γ A 3 A 1 713 C/ 2,4 ve 8 saat α+γ Sıcaklık ( C) 425 C/ 1saat α+ Fe 3 C Fırında Soğutma Havada Soğutma Yağda Su Verme Havada Soğutma Fırında Soğutma Zaman (saat) Şekil 1. Uygulanan ısıl işlemlerin şematik gösterimi. Kesici Takım CNC torna tezgahında testlerinde tek kaplama katmanına sahip kaplamalı karbür uç kullanılmıştır. STELLRAM firması tarafından üretilmiş olan kaplamalı karbür uçlar ISO tanımlamasına göre SCMT 120408 takım geometrisine ve MF2 talaş kırıcı geometrisine sahiptir. Uçlar rijit bir şekilde ISO ya göre SSBCR 2525M12 şekilde ifade edilen takım tutucuya tutturulmuştur.
Kesme Şartları Tornalama testleri, Tablo 2 de verilen kesme şartları altında kuru olarak gerçekleştirilmiştir. Tablo 2. Kesme şartları Kesme Parametreleri Kaplamalı Karbür Kesme Hızı, V (m/dk) 110, 145, 180 İlerleme Miktarı (mm/dev) 0.10, 0.16, 0.25 Talaş Derinliği (mm) 1 Deneysel Teknikler Talaş kaldırma deneyleri Johnford TC35 sanayi tipi BSD (CNC) torna tezgahında gerçekleştirilmiştir. Tezgah gücü 10 KW, devir sayısı maksimum 3500 dev/dk olup kademesiz olarak devir kontrolü yapılmaktadır.testler öncesi parça üzerideki merkez kaçıklığından kesici takımların etkilenmemesi amacıyla testlerde kullanılmayacak uçlarla ön talaş kaldırma işlemi yapılmıştır. Yüzey pürüzlülük ölçümleri MAHR-Perthometer-M1 taşınabilir yüzey pürüzlülük ölçüm cihazı ile yapılmıştır. Ölçümler iş parçası eksenine paralel olacak şekilde, 10 mm ölçüm aralığı seçilmiş; iş parçası kendi ekseni etrafında yaklaşık 120 döndürülerek her yüzeyde 3 ölçüm yapılmıştır. Sertlik ölçümlerinde ise Instron Wolpert marka DIATESTOR 7551 tipi sertlik ölçüm cihazı kullanılmıştır. Sertlik ölçüm metodu olarak Vickers (5 kgf yükte) yöntemi kullanılmıştır. Cihaz kalibrasyon bloku ile kalibre edildikten sonra numunelerin sertlikleri ölçülmüştür. Aynı numune için 10 değişik noktadan ölçülen sertlik değerlerinin ortalaması alınmıştır. 3. DENEYSEL SONUÇLAR VE TARTIŞMA Isıl İşlemlerin Mikroyapı ve Sertlik Üzerine Etkisi Mikroyapılarda Resim 1.a-g de gösterildiği gibi sırasıyla normalleştirme sonrası ince perlit, su verme + temperleme sonrası temperlenmiş martensit ve tam tavlama sonrası kaba perlitik yapı elde edilmiştir. Küreselleştirmede ise zamana bağlı olarak sementitin parçalanarak küreselleşme miktarının arttığı gözlenmiştir.
50 µm 50 µm a b 50 µm 25 µm c d 25 µm 25 µm e f
25 µm g Resim 1. Farklı ısıl işlemler uygulanmış 4140 çeliğinin mikroyapıları. a) Isıl işlemsiz, b) Normalleştirme, c) Su verme+temperleme, d) Tam Tavlama, e) 713 C de 2 saat Küreselleştirme, f) 713 C de 4 saat Küreselleştirme, g) 713 C de 8 saat Küreselleştirme, (Dağlama: % 2 Nital). Tablo 3 te görüldüğü gibi normalleştirme ısıl işlemi sonrası ince perlitik yapıdan dolayı sertlik az miktarda artarken, su verme+temperleme işlemi sonrası martensit fazının etkisiyle sertlik belirgin bir şekilde artmıştır. Artan küreselleşme süresiyle sertlik değerleri düşmüştür. Tablo 3. Mikroyapıya bağlı olarak sertlik değişimi Numune Adı Sertlik (Hv 5) Isıl İşlemsiz 338 Normalleştirme 346 Tam Tavlama 229 Su verme+temperleme 499 Küreselleştirme (2 saat) 220 Küreselleştirme (4 saat) 211 Küreselleştirme (8 saat) 199 Farklı Mikroyapıların Yüzey Pürüzlülüğü Üzerine Etkisi Şekil 2 de V=110 m/dk, f=0.10 mm/dev kesme şartlarında mikroyapıya bağlı olarak yüzey pürüzlülüğünün değişimi; Tablo 3 te ise işlenen numunelerin sertlik değerleri verilmiştir. Resim 1 de görüldüğü gibi perlitik kolonileri arasındaki mesafe arttıkça yüzey pürüzlülüğü Şekil 2 deki gibi artmıştır. Tam tavlama ısıl işlemi sonrası elde edilen kaba perlitik (Resim 1.d) yapının işlenmesinde yüzey pürüzlülüğü en yüksek çıkmıştır. Bu yapıda, sertlik değerinin düşük çıkmasıyla yüzey pürüzlülük değeri artmıştır. Perlit kolonileri arasındaki mesafesinin artması sonucu işleme sırasında kesilme yumuşak fazda olduğu için koparak
talaş akmakta ve yüzey pürüzlülük değeri artmaktadır. Benzer şekilde, tam tavlanmış numunelerde yumuşak ferrit fazının sünek kopma ile ayrılması sonucu yüzey pürüzlülüğünün arttığı Katayama ve Toda [Katayama and Toda,1996] tarafından tespit edilmiştir. Yumuşak olan tam tavlanmış Ç4140 malzemede kesilme ferrit fazında gerçekleştiğinden yığıntı talaş (BUE) uzunluğu malzeme yüzeyinde kalmış ve yüzey pürüzlülüğü kötüleşmiştir [Özçatalbaş, 2000]. Normalleştirme ısıl işlemi yapılmış numunelerin mikroyapısı ince perlitik (Resim 1.b) yapıda olması nedeniyle talaş kaldırma sırasında yakın olan perlit koloni mesafesinin etkisiyle kesilme daha çok sert olan perlitte gerçekleşmektedir. Dolayısıyla BUE yüksekliği az olduğu için yüzey pürüzlülüğü daha az çıkmıştır [Özçatalbaş, 1997,1998]. Su verilmiş numunede ise; oldukça sert olan (Tablo 3) martensit fazının (Resim 1.c) kesme kenarından düzenli akışı ve yüzey pürüzlülüğünü en aza indirgemiştir. Küreselleştirilmiş numunelerde (Resim 1.e-g) ise; aynı küreselleştirme sıcaklığında küreselleştirme süresi arttıkça yüzey pürüzlülüğü artmıştır. Bunun nedeni; perlitin zamana bağlı olarak bozunması sonucu sementit lamelleri küreselleşerek yumuşak olan ferritik matriste dağılmışlardır. Küreselleştirme ısıl işlemi uygulanmış numunelerde; yüzey pürüzlülüğü en fazla çıkan 8 saat küreselleştirme işlemi uygulanmış numunede sementit küreleri tamamen ferritik matriste dağılmışlardır. Kesme sırasında ferrit fazının daha fazla deforme olarak kesilmesi sonucu sünek kopma sergileyen ferrit fazından dolayı yüzey pürüzlülüğü artmıştır. 1,0 V=110 m/dk, f=0,10 mm/dev 0,8 Yüzey Pürüzlülüğü (Ra, µm) 0,6 0,4 0,2 0,0 Isıl İşlemsiz Normalleştirme Tam Tavlama Su Verme+ Temperleme Küreselleştirme (2 saat) Küreselleştirme (4 saat) Küreselleştirme (8 saat) Şekil 2. Mikroyapıya bağlı olarak yüzey pürüzlülüğünün değişimi
İlerleme Miktarının Yüzey Pürüzlülüğü Üzerine Etkisi Şekil 3.a-c de görüldüğü gibi farklı kesme hızlarında ilerleme miktarına bağlı olarak yüzey pürüzlülüğünün değişimi gösterilmektedir.tüm numunelerde ilerleme miktarı arttıkça yüzey pürüzlülüğü değerinin arttığı görülmüştür. Şekil 3.a da görüldüğü gibi, tüm numunelerde, 110 m/dk kesme hızı ve 0.10-0.16 mm/dev ilerleme miktarında; ilerleme miktarının yüzey pürüzlülüğü üzerinde etkisinin az olduğu gözlenmekte iken; ilerleme miktarının 0.25 mm/dev değerine çıkmasıyla yüzey pürüzlülüğü artmıştır. Bunun nedeninin artan ilerleme miktarı olup teorik ilişkiyi de doğrulamaktadır [Sahin and Motorcu, 2004]. 110 m/dk kesme hızı ve 0.10 mm/dev ilerleme miktarında mikroyapı değişiminin yüzey pürüzlülüğü üzerinde fazla etkisi görülmezken; aynı kesme hızında 0.16 ve 0.25 mm/dev ilerleme aralığında yüzey pürüzlülüğü değişimi belirgin olarak görülmektedir.. 0.10-0.16 ilerleme miktarı aralığında tam tavlama ve normalleştirme ısıl işlemi uygulanmış numunelerin yüzey pürüzlülüğünde ilerleme miktarı etkili olmaz iken; diğer tüm numunelerde artan ilerleme miktarı ile yüzey pürüzlülüğü lineer olarak artmıştır. 145 m/dk kesme hızında ve 0.10-0.16 ilerleme miktarı aralığında yapılan deneylerde ise, ilerleme miktarının en etkili olduğu numune 4 saat küreselleştirme ısıl işlemi uygulanmış numune olmuştur (Şekil 3.b). Aynı kesme hızı ve ilerleme miktarı aralığında tam tavlanmış ve 8 saat küreselleştirmiş numunelerde ilerleme miktarının yüzey pürüzlülüğü üzerinde etkisi belirgin değildir. Su verme+temperleme ısıl işlemi uygulanmış numunede 180 m/dk kesme hızında ilerleme miktarının 0.16 mm/dev den 0.25 mm/dev e çıkarılması ile yüzey pürüzlülüğü belirgin bir şekilde artmıştır (Şekil 3.c). Tam tavlanmış numunede diğer kesme hızlarında olduğu gibi, 0.10-0.16 ilerleme miktarı aralığında, ilerleme miktarı artışı ile yüzey pürüzlülüğünde belirgin bir iyileşme gözlemlenmemiştir. 110 m/dk kesme hızında en iyi yüzey pürüzlülüğü su verme+temperleme ısıl işlemi uygulanmış numunede 0.10 mm/dev ilerlemede elde edilmiştir. Bunun nedeni, artan sertlik nedeniyle takım talaş ara yüzeyinde BUE oluşumu eğilimi sert martensit fazının kesme kenarında yığılmaması ve uzaklaşmasıdır. 145 m/dk da ise ısıl işlemsiz numunenin aynı ilerleme hızında işlenmesinde en iyi yüzey pürüzlülüğü elde edilmiştir. 180 m/dk da aynı ilerleme miktarında ısıl işlemsiz, normalleştirilmiş ve su verme+temperleme işlemi uygulanmış numunelerin yüzey pürüzlülük değerleri eşit ve en az değerde elde edilmiştir.
Yüzey Pürüzlülüğü (µm) 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 İşlemsiz Normalleştirme Tam Tavlama Su Verme+Temperleme Küreselleştirme (2 saat) Küreselleştirme (4 saat) Küreselleştirme (8 saat) V =110 m/dk 0,5 0,0 0,10 0,15 0,20 0,25 İlerleme (mm/dev) (a) Yüzey Pürüzlülüğü (Ra, µm) 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 İşlemsiz Normalleştirme Tam Tavlama Su Verme+Temperleme Küreselleştirme (2 saat) Küreselleştirme (4 saat) Küreselleştirme (8 saat) V=145 m/dk 0,0 0,10 0,15 0,20 0,25 İlerleme (mm/dev) (b)
Yüzey Pürüzlülüğü (Ra, µm) 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Isıl işlemsiz Normalleştirme Tam Tavlama Su Verme+Temperleme Küreselleştirme (2 saat) Küreselleştirme (4 saat) Küreselleştirme (8 saat) V=180 m/dk 0,0 0,10 0,15 0,20 0,25 İlerleme (mm/dk) (c) Şekil 3. İlerleme hızına bağlı olarak yüzey pürüzlülüğünün değişimi a) V=110 m/dk, b) V=145 m/dk, c) V=180 m/dk. Kesme Hızının Yüzey Pürüzlülüğü Üzerine Etkisi Yapılan deneysel çalışmalarda, artan kesme hızı ile yüzey pürüzlülüğünün azaldığı tespit edilmiştir. Ancak kesme hızı artışının düşük ilerleme miktarlarında etkisinin fazla olduğu gözlemlenmiş iken; artan ilerleme miktarında ise kesme hızının yüzey pürüzlülüğü üzerinde etkisi azalmıştır. Benzer şekilde, değişik ısıl işlemler uygulanmış 4140 çeliğinde düşük kesme hızlarında yüzey pürüzlülük değerleri yüksek iken artan kesme hızlarıyla numunelerin yüzey pürüzlülüğü iyileşmiştir [Özçatalbaş, 2000]. Şekil 3 te 0.25 mm/dev ilerleme miktarında kesme hızına bağlı olarak yüzey pürüzlülüğünün değişimi verilmiştir. 110-145 m/dk kesme hızı aralığında 8 saat küreselleştirme işlemi uygulanmış numunelerde yüzey pürüzlülüğünün iyileşmesi kesme hızının artışına bağlı olarak belirgin olarak gözlenmekte iken; aynı eğilim 145-180 m/dk kesme hızı aralığında ısıl işlemsiz ve 8 saat küreselleştirilmiş numunelerde de gözlemlenmiştir. Tam tavlama ve 2 saat küreselleştirme ısıl işlemi görmüş numunelerde kesme hızı değişimi yüzey pürüzlülüğü üzerinde etkili olmamıştır. 180 m/dk kesme hızında en iyi yüzey pürüzlülük değeri normalleştirilmiş numune de elde edilmiştir. Normalleştirilmiş numunede perlit kolonileri arasındaki mesafenin tam tavlanmış numuneye göre daha az olmasından dolayı kesme sırasında BUE oluşumu eğilimi daha azdır.
Yüzey Pürüzlülüğü (Ra, µm) 4,0 3,6 3,2 2,8 2,4 2,0 f=0,25 mm/dev Isıl İşlemsiz Tam Tavlama Normalleştirme Su Verme+Temperleme Küreselleştirme(2 saat) Küreselleştirme(4 saat) Küreselleştirme(8 saat) 100 120 140 160 180 Kesme Hızı (m/dk) Şekil 3. Kesme hızına bağlı olarak yüzey pürüzlülüğünün değişimi Talaş Atılabilirliğinin Değerlendirilmesi İşlenmiş tüm numunelerde artan ilerleme miktarı ile talaş yarıçapının küçüldüğü ve talaş kalınlığının arttığı gözlemlenmiştir. Talaş kıvrım yarıçapı üzerinde kesme hızının belirgin bir etkisi gözlenmez iken yine de artan kesme hızlarında talaş kıvrım yarıçapı azalmıştır. Talaş kaldırmada iş parçası yüzeyinin bozulmaması ve CNC tezgah üzerinde çalışan aksamlara zarar vermemesi açısından arzu edilen kıvrım yarıçapı küçük, boyu kısa ve kırıklı talaş bütün kesme hızları ve ilerleme miktarlarında su verme+temperleme ısıl işlemi uygulanmış numunede elde edilmiştir. Yine numunelerin tamamında bütün kesme hızlarında ve 0.25 mm/dev ilerleme değerinde iyi talaş atılabilirlik gözlenmiştir. (a) (b) (c)
10 mm (d) (e) (f) Şekil 4. Tam tavlanmış numuneye ait talaş şekilleri (a. V=110 m/dk, f=0.10 mm/dev, b. V=110 m/dk, f=0.16 mm/dev, c. V=110 m/dk, f=0.25 mm/dev, d. V=145 m/dk, f=0.10 mm/dev, e. V=145 m/dk, f=0.16 mm/dev, f. V=145 m/dk, f=0.25 mm/dev) 4.SONUÇLAR Farklı ısıl işlemler uygulanarak farklı mikroyapıların oluşturulduğu AISI 4140 çeliğinde, mikroyapı ile yüzeylerin pürüzlülükleri ve talaş atılabilirlikleri arasında ilişki incelenmiş ve şu sonuçlar elde edilmiştir: 1. Bütün kesme hızlarında ilerleme miktarı arttıkça yüzey pürüzlülüğü de artmıştır. 2. Kesme hızı artışının düşük ilerleme miktarlarında yüzey pürüzlülüğü üzerine etkisinin fazla olduğu gözlemlenmiş iken; artan ilerleme miktarında ise kesme hızının yüzey pürüzlülüğü üzerinde etkisi azalmıştır. 3. Tüm numunelerde bütün kesme hızlarında ve 0.25 mm/dev ilerlemede iyi talaş atılabilirlik gözlenmiştir. 4. Düşük kesme hızı (110 m/dk) ve düşük ilerleme miktarlarında (0.10 mm/dev ve 0.16 mm/dev) mikroyapı değişiminin yüzey pürüzlülüğü üzerine etkisi pek belirgin değilken, artan kesme hızları (145 m/dk ve 180 m/dk) ve artan ilerleme miktarında (0.25 mm/dev) yüzey pürüzlülüğü değişimi belirginleşmiştir. 5. Isıl işlem uygulanmış numuneler arasında en iyi yüzey pürüzlülük değerleri 0.10 mm/dev ilerlemede su verme+temperleme ısıl işlemi uygulanmış numunede elde edilmiştir. TEŞEKKÜR Bu deneysel çalışmanın TEF-07/2003-27 ve TEF-07/2003-38 nolu projeler ile finansal desteğini sağlayan Gazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri ne teşekkür ederiz.
KAYNAKÇA 1. D.Y., Jang and Y.T., Hsiao, (2000), Use of Ceramic Tools in Hard Turning of Hardened AISI M2 Steel, Tribology Transactions, Vol. 43 No. 4, pp.641-646. 2. A.S., Kumar, A.R., Durai, T, Sornakumar, (2003), Machinability of Hardened Steel Using Alumina Based Ceramic Cutting Tools, Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials, (Article in press). 3. Katayama, S., Toda, M., (1996), Machinability of Medium Carbon Graphitic Steel, Journal of Materials Processing Technology, Vol.62, pp.358-362. 4. Özçatalbaş, Y., Ercan, F., Türker, M., (1997), Ç1050 Çeliğinde Mikroyapı ve Mekanik Özelliklerin Talaş Morfolojisi ile İşleme Özelliklerine Etkisi, 9. Uluslararası Metalurji ve Malzeme Kongresi Bildiriler Kitabı, İstanbul, sf. 319-326. 5. Özçatalbaş, Y., (1998), Düşük Alaşımlı Çelikte Yığıntı Talaş Oluşumunun İşleme Özelliklerine Etkisi, 8. Uluslararası Makine Tasarım ve İmalat Kongresi Bildiriler Kitabı, Ankara, sf. 25-33. 6. Kopac, J., Bahor, M., (1999), Interaction of the Technological History of a Workpiece Material and Machining Parameters on the Desired Quality of the Surface Roughness of a Product, Vol.92-93, pp.381-387 7. Özçatalbaş, Y., (2002), Kesici Takım Aşınması ve İş Malzemesi Mekanik Özelliklerinin Yüzey Pürüzlülüğü ve Kesme Kuvvetlerine Etkisi, Politeknik Dergisi, Cilt. 4, sf.47-52. 8. Vluegels, J., O., Biest, (1999), Chemical Wear Mechanisms of Innovative Ceramic Cutting Tools in the Machining of Steels, Wear, Vol. 225, pp. 285-294. 9. Özçatalbaş, Y., (2000), Isıl İşlemlerin Cr-Mo Esaslı Bir Çeliğin İşlenebilirliğine Etkisi, 10. Uluslararası Metalurji ve Malzeme Kongresi Bildiriler Kitabı, İstanbul, sf.759-765. 10. Brandon, F.C., (1970), Annealing Aids Machinability of AISI 4140, Metal Progress, Vol. 9, pp.103-106. 11. Yan, B.H., Huang, F. Y., Chow, H. M., (1995), Study on The Turning Characteristics of Alumina-Ceramics, Journal of Materials Processing Technology, Vol.54, pp.341-347. 12. Araki, T., and Yamamoto, S., (1979), An Evaluation of Machinability of Low Alloy Steel Materials with or without Heat Treatment, Machinability Testing and Utilization of Machining Data (Prod. Conf.), p. 117 131, ASM 13. Sahin, Y. and Motorcu, A.R., (2004), Surface Roughness Prediction Model in Machining of Carbon Steel by PVD Coated Cutting Tools, American Journal of Applied Sciences Vol. 1, (1), pp.12-17.