AISI 4140 ÇELİĞİNİN FARKLI KAPLAMALI KARBÜR VE SERMET KESİCİ TAKIMLARLA İŞLENEBİLİRLİĞİ Ali Rıza MOTORCU, aliriza@gazi.edu.tr Gazi Üniversitesi, 06500, Ankara Yusuf ŞAHİN, ysahin@gazi.edu.tr Gazi Üniversitesi, 06500, Ankara ÖZET Aşınma davranışlarını incelemek amacıyla, iki kaplamalı karbür takım malzemesi; TP100 ve TP1000 ve sermet kesici takımlarla AISI 4140 çeliği üzerinde işlenebilirlik deneyleri yapılmıştır. İşleme testleri, ilerleme miktarı ve talaş derinliği sabit tutularak değişik kesme hızlarında kuru kesme şartlarında yapılmıştır. Aşınmış kenarların yüzeyleri verniyer bölüntülü optik mikroskop ile incelenmiştir. Tüm takımlar için, kesme hızının düşmesiyle, takım ömrü belirgin bir şekilde artmıştır. Sermet takımlar kaplamalı karbür takımlardan daha iyi takım ömrü performansı sergilemiştir. Anahtar Kelimeler: Yan kenar aşınması, Takım ömrü, Kaplamalı karbür takımlar, Sermet takımlar, Tornalama ABSTRACT The performance of two coated carbide tools and cermets was investigated when turning AISI 4140 alloy steels. Machining tests were performed under dry cutting condition at various cutting speeds, while the feed rate and depth of were kept constant. Flank wear surfaces were examined using optical microscope. For all tools used, the tool life increased with decreasing the cutting speed. The cermet tools gave a better performance than the coated carbide tools. Keywords: Flank wear, Tool life, Coated carbide tools, Cermet tools, Turning
1. GİRİŞ Talaşlı imalatta yüksek kesme hızlarında daha uzun takım ömrü ile daha fazla üretim artışı sağlama isteği kesici takımlar üzerine yapılan çalışmaların önemini arttırmıştır. Yeni takım malzemeleri araştırılırken sadece takımların iyileştirilmesi değil; hassas yüzey kalitesi, az güç sarfiyatı ve ekonomiklik göz önünde bulundurulmalıdır. Ancak bunları geliştirirken, kesici takımda oluşan aşınma tipleri ve mekanizmaların, kesme sırasında oluşan problemlerin bilinmesi, anlaşılması ve buna göre gerekli tedbirlerin alınması gerekir. Kaplamasız karbür, kaplamalı karbür ve sermet kesici takımlar imalat endüstrisinde sağladıkları avantajlarla geniş kullanım alanı bulmaktadır. Karbür kesici takımlar; daha uzun takım ömrü, daha yüksek kesme hızlarında çalışma olanağı ve daha yüksek üretim artışı sağlamak amacıyla TiC, TiN ve Al 2 O 3 gibi malzemelerle değişik metotlarla kaplanmaktadırlar. Kaplama; kesme kuvvetlerini, oluşan ısıyı ve aşınmayı büyük oranda azaltarak geçici bir yağlayıcı görevi yapmaktadır. Döküm ve çeliklerin yüksek hızlarda kaplamalı karbür kesici takımlarla işlenmesinde kesici takımın aşınma dayanımı kaplamasız takımlara göre takım ömrü 2-3 kat artmaktadır. Birçok araştırmacı, TiC, TiN ve Al 2 O 3 kaplamalı karbür kesici takımların aşınmaya karşı dirençli olmasının nedenini, kesici yüzeyde yapışmanın olduğu yerde difüzyon aşınmasına karşı gösterilen dirençten kaynaklandığını savunmaktadır. Ancak çelik malzemeler yüksek kesme hızlarında işlendiklerinde kaplama yüzeyindeki yapışmalar önlenememekte; fakat düşük kesme hızlarında talaş yığılması elimine edilmektedir. Son yıllarda, imalat sanayinde yüksek hızlarda kesme işlemi için sermet kesici takımlar da tercih sebebi olmuştur. Sermet kesici takımlar iyi aşınma direnci dolayısıyla daha uzun takım ömrü, minimum talaş sıvanması ve iyi yüzey kalitesi vermesi nedeniyle aynı zamanda daha ekonomik olması nedeniyle tercih edilmektedirler. Bu çalışmada, AISI 4140 düşük alaşımlı çeliğin farklı kaplama katmanına sahip karbür kesici ve sermet kesici takımlarla, kuru şartlarda torna tezgahı aracılığı ile, farklı kesme hızlarında işlenebilirlik deneyleri yapılmıştır. Yan kenar aşınması optik mikroskopla incelenmiştir. 2. LİTERATÜRÜN DEĞERLENDİRİLMESİ Çelik türü malzemelerin işlenebilirliği ile ilgili olarak literatürde yapılan çalışmalar kısaca gözden geçirilmiştir. P10 kalitesinde WC-TiC-Co içerikli sinterlenmiş karbür, silisyum nitrür, alumina esaslı seramik, karma esaslı alumina seramik, SiCw takviyeli alumina, zirkona esaslı alumina ve CBN kesici uçlar Casto ve diğerleri tarafından [Casto and et. all, 1991] AISI 1040 çeliğinin tornalanmasında kullanılmıştır. Yapılan çalışmada, alumina esaslı, ve karma esaslı alumina seramik kesici takımlar en iyi performans sergilemişken P10 kalitesine sahip
sinterlenmiş karbür ucun yüksek aşınma oranına sahip olduğu belirlenmiştir. Bu çalışmayı destekler diğer bir çalışmalarında Casto ve diğerleri [Casto and et all.,1997], zirkona ile güçleştirilmiş alumina, karma esaslı alumina, SiC takviyeli alumina ve P10 kalitesindeki sinterlenmiş karbür kesici takımlar kullanarak işlenebilirlik testleri yapmışlar ve kesme anındaki talaş yan yüzeylerini bilgisayar ortamına eş zamanlı olarak kaydetmişlerdir. Adhezyon ve plastik deformasyonun zirkona ile toklaştırılmış aluminada, karma esaslı aluminada ve sinterlenmiş karbür P10 da hakim aşınma mekanizması olduğunu ve her birinde kesme kenarında kraterlerin oluştuğunu tespit etmişlerdir. Alumina esaslı seramiklerin işlenebilirlik performanslarını belirlemek amacıyla yapılan diğer bir çalışmada, ticari karbür (K10) kesici takımlar da kullanılmış ve seçilen kesme şartlarında kesme süresinin çok kısa bir süresinde belirlenen takım aşınması seviyesine ulaşılmıştır [Yan and et all., 1995]. AISI 1045 e denk iş parçasının işlenmesinde kaplamasız sinterlenmiş karbür kesici takımlar kullanılmış ve iki tip tezgah gövdesinin takım aşınması üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Demir sementit gövdeye sahip torna tezgahının dökme demir gövdeye sahip tezgaha göre titreşimi azalttığı için takım ömrü üzerinde daha etkili olduğu tespit edilmiştir [Rahman and et all., 2003]. X5CrMnN1818 östenistik paslanmaz çeliğin, TiN kaplı sinterlenmiş karbür takımla işlenmesinde oluşan aşınma ve kırılma mekanizmaları Paro ve diğerleri [Paro and et all., 2001] tarafından açıklanmıştır. Kesme hızı arttırıldığında talaş oluşumunun zorlaştığı ve takım malzemesi üzerinde talaşlanma hataların oluştuğu rapor edilmiştir. Yine yapılan mikrosertlik ölçümleri ile BUE oluştuğu ve işlenmiş yüzeyde mikro çatlakların olduğu belirlenmiştir. İş parçası malzemesi olarak paslanmaz çeliğin seçildiği bir çalışmada Astakhov ve Osman [Astakhov and Osman,1996] kesme hızının geniş bir aralığında takım ömrünün değişimine neden olan etkileri araştırmak amacıyla karbür kesici takımları kullanmışlardır. Araştırmacılar aynı zamanda, su bazlı ve yağ bazlı kesme sıvılarının da kesme işlemi üzerindeki etkilerinin araştırmışlardır. Bir diğer çalışmada [Zhuang and et all, 1997] 1Cr18Ni9Ti paslanmaz çeliği, Si 3 N 4 ve TiC(CN) esaslı seramik kesici takımlarla işlenmiştir. Aşınma mekanizması, mikro kırılmalar ve adhezyon-kaplama katmanın kırılması olarak tespit edilmiş ve katmanın ayrılmasının seramik yapıştırıcı maddesinin yüksek sıcaklıklarda erimesinden kaynaklandığı tespit edilmiştir. Aynı malzeme üzerinde Si 3 N 4 esaslı seramik takımlarla yapılan benzer çalışmada da [Yourong and et all, 1997], esas aşınma mekanizması olan difüzyon ve adhezyon yüksek kesme sıcaklığı ile ilişkilendirilmiştir. D errico ve diğerleri [D errico and et all., 1999], seramik, sermet ve karbür kesici takımların (WC/TiC/TaC/Co, WC/TaC/Co) aşınma davranışlarını, ötektiküstü bir alaşımın sürekli ve kuru olarak tornalanmasında değerlendirmiştir. Yapılan tornalama testleri sonucunda seçilen kesme şartları aynı kalmak şartıyla, yan kenar aşınması VB max değerleri karşılaştırılmış ve
karbür uç ikinci sırada en düşük VB max değeri sağlamıştır. Bölgesel aşınma dayanımı performansının daha çok ucun sertliğine bağlı olduğu belirlenmiştir. Ramanujachar ve Subramanian [Ramanujachar and Subramanian, 1996] tarafından yapılan çalışmada, otomat çeliklerinin işlenmesinde sinterlenmiş tungsten karbür kesici takımlar kullanılmış ve talaşın içerisindeki tungsten karbür miktarı tanımlanarak krater aşınmasının oluştuğu rapor edilmiştir. Çeliklerin seramik ve karbür esaslı kesici takımlarla yüksek hızlarda işlenmesinde kesici takımların aşınma davranışlarını belirlemek amacıyla yapılan diğer bir çalışmada (WC) esaslı karbür takımlarda benzer şekilde aşırı krater aşınması gözlenmiştir [Chakraborty and Bhaduri, 2000]. Özler ve diğerleri tarafından yapılan çalışmada [Özler and et all., 2001], östenitik manganezli çeliklerin sinterlenmiş karbür kesici takımlarla sıcak çalışma ortamında ve kuru kesme şartlarında işlenmesinde takım ömrü araştırılmış ve kesme hızının artmasıyla takım ömrünün düştüğü diğer taraftan sıcak çalışma ortamında daha yüksek kesme hızının kullanılabileceği rapor edilmiştir. Masuda ve diğerleri [Masuda and et all., 1996] tarafından yapılan çalışmada K10 kalitesinde sinterlenmiş karbür üzerindeki takım aşınması desenleri ve aşınma oranlarının, üretim şartlarındaki termal ısı dağılımının oluşumuyla güçlü bir şekilde etkilendiği rapor edilmiştir. Termal sıcaklığın artmasıyla aşınma oranı artmıştır. Takım aşınması oranını etkileyen önemli faktörlerin mekanik özelliklerden daha çok, termal iletkenlik ve porozite olduğu tespit edilmiştir. Bu nedenle, takım ömrü sinterlenmiş karbürün termal iletkenliği ile iyi bir ilişki göstermiştir. Tay ve diğerleri [Tay and et all., 2002] tarafından yapılan çalışma, yan kenar aşınma yüzeyinin topoğrafisini tanımlamakta ve aynı zamanda maksimum yan kenar aşınması ile tornalama operasyonu sırasında yan kenar yüzeyinin topoğrafi parametreleri arasındaki ilişkiyi açıklamaktadır. Takım aşınmasının matematiksel modellenmesi, işleme operasyonlarında geometri tipinin tayin edilmesinde önemli bir rol oynamaktadır. Lee ve Lee [Lee and Lee, 1999] S45C iş parçasının P20 kalitesindeki kaplamasız karbür takımla işlenmesinde oluşan yan kenar aşınmasını % 8 ve % 11.9 hata ile modellemişlerdir. Chien ve Chou [Chien and Chou, 2001], 304 paslanmaz çeliğinin işlenmesinde, iş parçasının yüzey pürüzlülük değerini, kesme kuvvetlerini ve takım ömrünü tahmin etmek için, Yapay Sınır Ağları (ANN) teorisini geliştirdikleri modelde kullanmışlardır. Yüzey pürüzlülüğü, kesme kuvveti ve takım ömrü sırasıyla % 4.4, % 5.3 ve % 4.2 hata oranlarıyla tahmin edilmiştir. Suresh ve diğerleri [Suresh and et. all, 2002], yüzey cevap tekniğini kullanarak (RSM), orta karbonlu çeliğin TiN kaplı tungsten karbür kesici takımlarla işlenmesinde yüzey pürüzlülüğünün tahminsel
modelini geliştirmişlerdir. Yine S45 çelik malzemenin karbür kesici takımlarla işlenmesinde işlenebilirlik verilerini oluşturmak amacıyla Lee ve diğerleri tarafından [Lee and et all., 2000] yapay sinir ağları tekniği, Yang ve Tarng [Yang, and Tarng, 1998] tarafından ise optimal kesme parametrelerini belirlemek amacıyla Taguchi metodu kullanılmıştır. Sertleştirilmiş çeliklerin yüksek kesme hızında tornalanması, 60-65 HRC sertliğindeki çeliklerde, yüksek kalitede bitirme işlemlerinin elde edilmesi ekonomik bir yol olduğundan dolayı son yıllarda tercih edilmektedir. 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. Bundan dolayı, Jang ve Hsiao [Jang and Hsiao, 2000] tarafından yapılan çalışmada AISI M2 takım çeliğinin sertliği ısıl işlemlerle 65 HRC ye çıkarılmış ve seramik kesici takımlarla soğutma sıvısız kesme testleri yapılmıştır. Yüksek hızlardaki tornalama işlemlerinde yan yüzey kenar aşınmasının seramik takım ucu üzerinde etkin aşınma mekanizması olduğu belirlenmiştir. Buna zıt olarak, yüksek sıcaklıklarda kimyasal reaksiyonlara karşı seramiğin yüksek direncinden dolayı krater aşınması çok küçük değerlerde oluşmuştur. Diğer bir çalışmada, 62-64 HRC sertliğindeki molibden esaslı takım çeliği M50 nin işlenmesinde tane boyutları farklı üç çeşit CBN uç kullanılmıştır. Yapılan çalışmada karbür tane boyutlarının takım aşınmasını belirgin şekilde etkilediği ve yan kenar aşınması oranının karbür parçacıklarının çapıyla doğrudan etkili olduğu rapor edilmiştir. Parçacık boyutu düştükçe aşınma direnci artmıştır [Chou and Evans,1997]. Yine SUJ2 tip sertleştirilmiş çeliğin (66-67 HRC) işlenmesinde seramik, sermet ve CBN uçlar kullanılmıştır [Oishi and Nishida,1992]. İşleme zamanının ilk dakikalarında kırılma oluşmuştur. Al 2 O 3 esaslı seramik kesiciler ve sermet takımlar normal takım aşınması göstermiş ve düşük kesme hızlarında daha uzun takım ömrüne sahip olmuştur. Seramik kesici takımların erken kırılmasının soğutmanın düzenli bir şekilde uygulanmasıyla azaltılabileceği saptanmıştır. Sertliği 40-42 HRC olan sertleştirilmiş % 0.45 C orta karbonlu çelik iş parçasının işlenmesinde karbon takviyeli ve takviyesiz seramik kesici takımlar kullanılmış ve karbon takviyesinin takım performansını iyileştirildiği rapor edilmiştir [Chonghai and et all.,2001]. Kesici takımların performanslarının araştırılması ve geliştirilmesi amacıyla yapılan deneysel çalışmalar incelendiğinde, çelik malzemelerin işlenmesinde karbür kesici takımlarda; ani, hızlı ve aşırı aşınma, çentik oluşturarak uç kırılması ve talaş yüzeyinin oyulması problemlerinin oluştuğu gözlemlenmektedir. Çelik malzemelerin işlenmesinde sermet takımların perfomansı açık olarak tanımlanmamıştır. AISI 4140 alaşımlı çelik imalat endüstrisinde çok sık kullanılan malzeme olduğu için seçilen kesici takımların performanslarının değerlendirilmesinde tercih sebebi olmuştur.
2. DENEYSEL DETAYLAR İş Parçası Malzemesi Bu çalışmada ISO tanımlamasına göre düşük alaşımlı çelik olarak adlandırılan AISI 4140 iş parçası malzemesi olarak seçilmiştir. AISI 4140 çeliği endüstride, makine ve takım imalatında, oto akslarında, aks mafsallarında ve basınçlı kaplarda en fazla kullanılan imalat çeliğidir (Erdoğan, 2000). İş parçası malzemesi silindirik şekilli olup, 230 mm boya ve 150 mm çapa sahiptir. İş parçası malzemesi ISO 3685 göz önünde bulundurularak boy/çap oranı 10/1 den küçük olacak şekilde hazırlanmıştır [ISO 3685,1993]. Tornalanan her çapta ölçülen sertliklerin ortalaması 20 HRC olarak belirlenmiştir. İş parçasının kimyasal kompozisyonunu Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. AISI 4140 çeliğinin kimyasal içeriği (Ağırlıkça %) C Si Mn P S Cr Mo Ni Al Co 0.416 0.236 0.817 0.0158 0.00725 0.989 0.16 0.144 0.0196 0.0271 Cu Nb Ti V W Pb Sn Mg Sb Fe 0.180 <0.002 <0.001 <0.001 <0.005 <0.002 0.00688 - <0.002 96.97 Kesici Takımlar ve Takım Geometrileri Tornalama testlerinde farklı kaplama katmanlarına sahip kaplamalı karbür ve sermet uçlar kullanılmıştır. SECO ticari firması tarafından üretilmiş olan kaplamalı karbür ve sermet uçlar ISO tanımlamasına göre TNMG 160408 takım geometrisine ve MF2 talaş kırıcı geometrisine sahiptir. Kaplamalı karbür uçlar TP100 ve TP1000 kalitesinde mevcut olup ana maddeleri aynıdır. TP100 kalitesi kimyasal buhar biriktirme metodu (CVD) ile üretilmiş ve Ti(C,N) alt katman, Al 2 O 3 orta katman ve TiN üst katmandan oluşur. TP1000 kalitesi, kimyasal buhar biriktirme (CVD) ve düşük sıcaklıkta kimyasal buharlaştırma (MTCVD) teknikleri ile üretilmiş olup; Ti(C,N) alt katman, Al 2 O 3 ve Ti(C,N) orta katmanları ve TiN üst katmanlarından oluşmuştur [Seco, 2003]. Kesme Şartları Tornalama testleri, Tablo 2 de verilen kesme şartları altında kuru olarak gerçekleştirilmiştir.
Kesme Parametreleri Tablo 2. Kesme şartları Kaplamalı Karbür Kesici Takımlar (TP 100, TP 1000) Sermet Kesici Takımlar Kesme Hızı, V (m/dak) 320, 360, 400 240, 280, 320 İlerleme Miktarı (mm/dev) 0.25 0.25 Talaş Derinliği (mm) 1 1 Deneysel Teknikler Talaş kaldırma deneyleri Johnford TC35 marka sanayi tipi BSD (CNC) torna tezgahında gerçekleştirilmiştir. Tezgah gücü 10 KW, devir sayısı maksimum 3500 dev/dak olup kademesiz olarak devir kontrolü yapılmaktadır. Deneylerden daha iyi sonuç elde etmek için deney numunelerinin dış yüzeylerindeki kabuklanmalar alınarak deneysel çalışmalara başlanmıştır. Takım aşınmaları Mitutoyo nun verniyer bölüntülü, 5-10 büyütme yapabilen 0.001 hassasiyette ölçme yapabilen optik mikroskobu ile incelenmiş ve ölçülmüştür. ISO 3685 göz önünde bulundurularak seçilen uçların aşınma kriterlerini belirlemek amacıyla bazı pilot deneysel çalışmalar yapılmıştır. Yapılan ön testlerde yan kenar aşınmasının genelde C bölgesinde oluştuğu gözlenmiş ve takım ömürlerinin tanımlanmasında VB=0.3 mm olarak alınmıştır. Testler öncesi parça üzerideki merkez kaçıklığından kesici takımların etkilenmemesi amacıyla testlerde kullanılmayacak uçlarla ön talaş kaldırma işlemi yapılmıştır. 4. DENEYSEL BULGULAR VE TARTIŞMA Kesme Hızı-Yan Kenar Aşınması İlişkileri AISI 4140 düşük alaşımlı karbon çeliğinin kaplamalı karbürler TP100, TP1000 ve sermet kesici takımlarla işlenmesinde, yan kenar aşınmasının değişimi sırasıyla Şekil 1-a,b ve Şekil 2 de verilmiştir. Değişik hızlarda yapılan testlerde hızın artışı ile takım ömrünün azaldığı görülmektedir. Şekil 1.a da görüldüğü gibi, TP100 kalitesine sahip kesici takım 400 m/dak kesme hızında 9 dak lık takım ömrüne ulaşıncaya kadar düzenli bir yan kenar aşınması artışı sergilerken 10 dak lık takım ömründen sonra kesme bölgesinde oluşan yüksek ısıdan dolayı kaplama katmanın aniden erimesiyle maksimum yan kenar aşınması kriteri aşılmıştır. Kesme hızının 400 m/dak dan 320 m/dak ya düşürülmesiyle takım ömrünün yaklaşık 3 kat arttığı gözlenmiştir. Şekil 1.a ve Şekil 1.b den görüleceği üzere TP1000 kalitesine sahip kesici takım TP100 kalitesine göre düşük kesme hızlarında daha yüksek takım ömürleri sergilemişken, TP1000 kesici takım en düşük kesme hızında (V=320 m/dak) yan kenar aşınması kriterine 35 dak lık takım ömründe ulaşamayarak iyi bir takım ömrü sergilemiştir.
TP1000 kesici takımla işlemede düşük kesme hızlarında oldukça yüksek takım ömürleri elde edilmekte iken 360 m/dak kesme hızında yaklaşık 17 dak lık takım ömründe yan kenar aşınması kriterine ulaşılmıştır. Şekil 2 de sermet kesici takımların takım ömrü-yan kenar aşınması ilişkisi incelendiğinde sermet kesici takımların VB=0.3 yan kenar aşınması kriterine ulaşıncaya kadar düzenli bir aşınma eğilimi sergilediği, bu değerden sonra ise özelikle yüksek kesme hızlarında aşınmanın arttığı gözlenmiştir. Yan Kenar Aşınması (mm) 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 V=400 m/dak V=360 m/dak V=320 m/dak 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Takım Ömrü (dak) a. Max. Yan Kenar Aşınması (mm) 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 V=320 m/dak V=360 m/dak V=400 m/dak 0 2 4 6 8 10121416182022242628 Takım Ömrü (dk) b. Şekil 1. AISI 4140 alaşımlı çeliğin kaplamalı karbür kesici takımlarla farklı kesme hızlarında işlenmesinde yan kenar aşınmasının değişimi, a. TP100 kesici takım, b. TP1000 kesici takım
Yan Kenar Aşınması (mm) 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 V=240 m/dak V=280 m/dak V=320 m/dak 0 2 4 6 8 101214161820222426283032343638 Takım Ömrü (dk) Şekil 2. AISI 4140 alaşımlı çeliğin TNMG 160408-CM-MF2 kesici takımla farklı kesme hızlarında işlenmesinde yan kenar aşınmasının değişimi. AISI 4140 çeliğinin sermet kesici takımlarla seçilen kesme hızlarında işlenmesinde, kesme hızının 320 m/dak dan 240 m/dak ya düşürülmesi takım ömründe 2.4 kat iyileşme sağlanmıştır. Şekil 3 te üç kesici takım için verilen kesme hızı-takım ömrü ilişkileri incelendiğinde TP1000 kesici takım seçilen her üç kesme hızı değerinde TP100 kesici takıma göre % 38 takım ömrü artışı sağlamıştır. Üç kesici takımında kullanıldığı 320 m/dak ortak kesme hızında, TP100 kesici takım sermet kesici takıma göre % 31 takım ömrü artışı sağlamışken TP1000 kalitesine sahip takımda bu oran % 63 e çıkmıştır. Seçilen en küçük kesme hızı değerinde işlemede dahi sermet kesici takımlar TP1000 kalitesine sahip karbür takımın performansına ulaşamamıştır. AISI 4140 düşük alaşımlı çeliğin işlenmesinde en iyi takım ömrü performansını TP1000 kalitesine sahip kaplamalı karbür takımlar göstermiştir. Haron ve diğerleri tarafından yapılan çalışmada, AISI 4140 çeliğinin kaplamasız karbürlerle 103 m/dak kesme hızı, 0.2 m/dev ilerleme miktarı ve 2 mm talaş derinliğinde kuru olarak kesilmesinde kesici takım 6. dak dan sonra kırılmıştır. Buna karşılık, yaptığımız deneysel çalışmada, aynı malzemenin kaplamalı karbür ve sermet kesici takımlarla en az iki kat fazla kesme hızında ve daha yüksek bir ilerleme oranında kesilmesinde daha yüksek takım ömürleri elde edilmiştir. Araştırmacılar, soğutma sulu işleme ile aynı kesme şartları altında takım ömrünü 27 dak ya çıkarmakta iken; Şekil 3 te de gösterildiği gibi, aynı malzemenin daha yüksek kesme hızında
sermet kesici takımla işlenmesinde, yaklaşık 1.5 kat daha fazla takım ömrü elde edilebileceği anlaşılmaktadır. 40 Takım Ömrü (dk) 35 30 25 20 15 10 5 0 Sermet TP100 TP1000 240 280 320 360 400 Kesme Hızı (m/dak) Şekil 3. Kesme hızı-takım ömrü ilişkileri Takım Aşınma Yüzeyleri Takım aşınmasını değerlendirmek amacıyla Prior markalı optik mikroskop ile aşınan uçların yan kenar kesme kenarı ve kesici takım uç yarıçapı 50 ve 100 büyütmede incelenmiştir. Şekil 5 te AISI 4140 iş parçasının TP100 kaplama katmanına sahip kesici takımla V=320 m/dak da işlenmesinde aşınma desenleri görülmektedir. Düşük kesme hızlarında, kesme kenarında ergimiş iş parçasının yapıştığı (Şekil 4-a), daha yüksek büyütmede ise (x100) kaplama katmanının kırıldığı (Şekil 4-b) ve etkili kesme kenarının deforme olduğu gözlemlenmiştir. Paro ve diğerleri tarafından yapılan çalışmada [Paro and et all., 2001] X5CrMnN1818 östenistik paslanmaz çeliğin TiN kaplı sinterlenmiş karbür takımla işlenmesinde de, BUE oluştuğu ve işlenmiş yüzeyde mikro çatlakların oluştuğu tespit edilmiştir. Kesme hızı arttırıldığında, talaş oluşumunun zorlaştığı ve takım malzemesi üzerinde talaşlanma hataların oluştuğu rapor edilmiştir. Yan kenar aşınması miktarının daha derinleştiği, uç kısmın deforme olduğu gözlenmiştir (Şekil 5.a). Bunun sebebi ise; kesme hızının artmasıyla kesme kuvvetleri artmakta ve artan ısıyla birlikte kaplama katmanı ergimekte yada kaplama katmanı kırılmaktadır (Şekil 5-b). Kaplama katmanın ergimesiyle sıcaklık alt katmana çabuk ulaşmakta ve alt maddenin aşınma dayanımın düşük olmasından dolayı Şekil 5-a da görüldüğü gibi uç yarıçapı formu bozulmaktadır. Kesme bölgesinde oluşan ısıdan dolayı kesilen talaşın uç yarıçapına yakın bölgede ergidiği gözlenmiştir. Yüksek kesme hızlarında etkin olarak görülen uç yarıçapı
formunun bozulması ve çökmesinde, talaş kırıcı formunun uç yarıçapına yakın bölgedeki kesişiminde zayıflamasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Benzer deneysel sonuçlar, Masuda ve diğerleri [Masuda and et all., 1996] tarafından yapılan çalışmada, K10 kalitesinde sinterlenmiş karbür üzerindeki takım aşınması desenlerinin incelenmesi amacıyla yapılan çalışmada gözlenmiştir. Kesme hızının artmasıyla, termal sıcaklığın ve dolayısıyla da aşınma oranın arttığı tespit edilmiştir. TP1000 kaplama katmanına sahip kesici takımla düşük kesme hızlarında daha yüksek takım ömrü elde edilmişken; TP100 kesici takımın sergilediği aşınma davranışlarını sergilediği; fakat kesme gölgesinin fazla deforme olmadığı, kaplama katmanı kırılmalarının daha az olduğu ve kesici takım uç yarıçapının deforme olmadığı gözlenmiştir. Kesme bölgesinde, V=360 m/dak hızında, yaklaşık 0.5 ve 0.6 mm yan kenar aşınması gözlenmekte iken kaplama katmanının erimediği ve fazla deforme olmadığı gözlenmiştir (Şekil 6-a,b). Kesme bölgesinde oluşan sıcaklık kaplama katmanın erimesine yol açamamış ve alt maddeyi eritecek sıcaklığa ulaşılamamıştır. TP1000 kalitesinin TP100 kalitesine göre daha fazla olan aşınma dayanımının bir kat fazla olan TiN katmanının olumlu etkisinden kaynaklandığı düşünülmektedir. Sermet kesici takımlarla talaş kaldırmada ise seçilen tüm kesme hızlarında yan kesme kenarında benzer şekilde aşınma profilleri oluşmuştur. Fakat; yan kesme kenarı düzenli bir aşınma sergilerken uç yarıçapına yakın bölgede aşınmanın arttığı ve kesme kenarının arka bölgesinde kesme kenarında kırılmaların ve çökmelerin olduğu gözlemlenmiştir. Kesme hızının artmasıyla uç yarıçapı deformasyonu da artmaktadır (Şekil 7-a,b). b 50µm a 50µm b 50µm Şekil 4. TP100 kesici takımla Ç4140 iş parçasının V=320 m/dak işlenmesinde aşınma desenleri
c a 100µm 50µm b Şekil 5. TP100 kesici takımla Ç4140 iş parçasının V=400 m/dak işlenmesinde aşınma desenleri a 100µm 50µm b Şekil 6. TP1000 kesici takımla Ç4140 iş parçasının V=360 m/dak işlenmesinde aşınma desenleri a 100µm 100µm b Şekil 7. Sermet kesici takımla Ç4140 iş parçasının V=360 m/dak işlenmesinde aşınma desenleri
5. SONUÇLAR Yan kenar aşınmasına bağlı olarak kaplamalı karbür ve sermet takımların aşınma davranışlarını ve takım ömürlerini belirlemek amacıyla, AISI 4140 çeliği üzerinde, kuru kesme şartlarında talaş kaldırma deneyleri yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar şöyle özetlenebilir: Tüm takımlar için, kesme hızının düşmesiyle, takım ömrü belirgin bir şekilde artmıştır. TP1000 kaplamalı karbür takım, tüm takımların kullanılabildiği 320 m/dak ortak kesme hızında sermet ve TP100 takımlara göre daha yüksek takım ömrü performansı sergilemişlerdir. TP1000 kesici takımlar, TP100 kesici takımlara göre aynı kesme şartlarında takım ömründe ortalama % 38 lik artış sağlamışlardır. TP1000 kaplama katmanına sahip kesici takımla düşük kesme hızlarında daha yüksek takım ömrü elde edilmekte, kesme gölgesi fazla deforme olmamakta, kaplama katmanı kırılmaları daha az olmakta ve kesici takım uç yarıçapı deforme olmamaktadır. TP1000 kalitesinin TP100 kalitesine göre daha fazla olan aşınma dayanımının bir kat fazla olan TiN katmanının olumlu etkisinden kaynaklandığı düşünülmektedir. Sermet kesici takımlar yan kenar aşınması kriterine ulaşıncaya kadar düzenli bir aşınma eğilimi sergilemekte iken; bu değerden sonra özelikle yüksek kesme hızlarında hızlı bir aşınma başlamaktadır. Sermet kesici takımlarla kesmede seçilen tüm kesme hızlarında yan kesme kenarında benzer şekilde aşınma profilleri oluşmuştur. Yan kesme kenarı düzenli bir aşınma deseni sergilerken uç yarıçapına yakın bölgede aşınmanın arttığı gözlemlenmiştir. TEŞEKKÜR Bu deneysel çalışmanın 07/2003-38 nolu proje ile finansal desteğini sağlayan Gazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri ne teşekkür ederiz. KAYNAKÇA 1. Casto, L.S., Valvo, E.L., Lucchini, E., Maschio, S., Micari, F., Ruisi V. F., (1991), Wear Performance of Ceramic Cutting Tool Materials when Cutting Steel, Journal of Materials Processing Technology, Vol.28, pp.25-36.
2. Casto, S.L., Valvo, E.L., Lucchini, E., Maschio, S., Ruisi, V. F., (1997), Wear Rates and Wear Mechanisms of Alumina-Based Tools Cutting Steel at a Low Cutting Speed, Wear, Vol. 208, pp. 67-72. 3. 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. 4. Rahman, M., Mansur, M.A., Lau, S.H., (2003), Tool Wear Study, In a Lathe Made of Cementitious Material, Vol.113, pp. 317-321. 5. Paro, J., Hanninen, H., Kauppinen, (2001), Tool Wear and Machinability of X5 CrMnN 1818 Stainless Steels, Journal of Materials Processing Technology, Vol.119, pp.14-20. 6. Astakhov, V.P., Osman, M.O.M., (1996), Correlations Amongst Process Parameters in Metal Cutting and Their Use for Establishing The Optimum Cutting Speed, Journal of Materials Processing Technology, Vol.62, pp.175-176. 7. Zhuang, D., Yourong, L., Jiajun, Z., Baoliang, Luo, Z., Miao, H., (1997), Cutting Performances And Their Failure Mechanism Of Ceramic Tools For Cutting Stainless Steel, Journal Of Tsinghua University, Vol. 37, Issue 8, pp.22-25. 8. Yourong, L., Jiajun, L., Baoliang, Z., (1997), Wear Performance and Mechanism of Si 3 N 4 Composite Ceramic Cutting Tool, Mocaxue Xuebao Tribology, Vol. 17, No:2, pp.105-114. 9. D errico, G.E., Bugliosi, S., Calzavarini, R., Cuppini, D., (1999), Wear of Advanced Ceramics for Tool Materials, Wear, Vol.225-229, pp.267-272. 10. Ramanujachar, K. and Subramanian, S. V., (1996) Micromechanism of Tool Wear in Machining Free Cutting Steels, Wear, Vol. 197, pp. 45-55. 11. Chakraborty, A., Ray, K.K., Bhaduri, S.B., (2000), Comparative Wear of Behavior of Ceramic and Carbide Tools During High Speed Machining of Steel, Materials And Manufacturing Processes, Vol.15, Issue. 2, pp. 269-300. 12. Özler, L., İnan, A., Özel, C., (2001), Theoretical and Experimental Determination of Tool Life in Hot Machining of Austenitic Manganese Steel, Int. Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol.41, pp.163-172. 13. Masuda, M., Kurashima, Y., Chujo, Y., (1996), The Machinability of Sintering Carbons on the Correlation Between Tool Wear Rate and Physical and Mechanical Properties, Wear, Vol.195, pp. 178-185. 14. Tay, F., Sikdar, S. K., Mannan, M.A., (2002), Topography of the Flank Wear Surface, Journal of Materials Processing Technology, Vol.120, pp.243-248.
15. Lee, J. H. and Lee, S. J., (1999), One-Step-Ahead Prediction of Flank Wear Using Cutting Force, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol.39, pp.1747-1760. 16. Chien, W.T., Chou, C.Y., (2001), The Predictive Model for Machinability of 304 Stainless Steel, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 118, pp.442-447. 17. Suresh, P.V.S., Rao, P.V., Deshmukh, S.G., (2002), A Genetic Algorithmic Approach for Optimization of Surface Roughness Prediction Model, Int. Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 42, pp.675-680. 18. Lee, B.Y., Tarng, Y.S., Lii, H.R., (2000), An investigation of Modeling of The Machining Database in Turning Operations, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 105, pp.1-6. 19. Yang, W.H. and Tarng, Y.S., (1998), Design Optimization of Cutting Parameters for Turning Operations Based on The Taguchi Method, Journal of Materials Processing Technology, Vol.84, pp.122-129. 20. Jang, D.Y., Hsiao, Y.T., (2000), Use of Ceramic Tools in Hard Turning of Hardened AISI M2 Steel, Tribology Transactions, Vol. 43 No. 4, pp.641-646. 21. Chou, Y.K., Evans, C.J., (1997), Tool wear Mechanism in Continuous Cutting of Hardened Tool steels, Wear, Vol. 212, pp.59-65. 22. Oishi, K., Nishida, T., (1992), Study on the Fracture Characteristics of Ceramic Cutting Tools (First Report), Wear, Vol.154, pp. 361-370, 1992. 23. Chonghai, X, Xing A., Chuanzhen H., (2001), Fabrication And Performance of An Advanced Ceramic Tool Material, Wear, Vol.349, pp. 503-508. 24. Erdoğan, M., (2000), Mühendislik Alaşımlarının Yapı ve Özellikleri, Cilt-1, Nobel Yayın Dağıtım Ltd. Şti, Ankara. 25. ISO 3685, (1993), International Standard, Tool Life Testing with Single-point Turning Tools, Second edition 26. Seco Kesici Takım Kataloğu, (2003), Beta Ltd. Şti, Ankara. 27. Haron, C.H.C., Ginting, A., Goh, J.H., (2001), Wear of Coated and Uncoated Carbides in Turning Tool Steel, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 116, pp.49-54.