Seramik esaslı kesici takımlar, aşınma mekanizmaları ve kesme performansları

Abstract

Son yıllarda dünya çapında uluslararası piyasaların oluşması, çok miktarda, kaliteli ve düşük maliyette endüstriyel mamul üretimini gerekli kılmakta ve ülkelerin bu talebi en iyi şekilde değerlendirebilmesinin, rekabet güçlerini arttırarak pazar paylarını arttırmak yoluyla mümkün olacağı sonucunu doğurmaktadır. Bu bağlamda talaşlı imalatta prodüktiviteyi arttırarak birim maliyeti düşürmek, daha hassas ve kaliteli mamul üretmek, daha yüksek hızda işleme ile mümkündür. Seramik esaslı kesici takımları konu alan bu çalışmanın amacı, konu hakkında Türkiye'deki belirgin literatür eksikliğim kısmen de olsa doldurmak, ülke çapında kurulu imalatçı firmalarda takımlandırmayla görevli ve konu hakkında bir çok soru işaretine sahip personelin bilgisine sunmaktır. "Seramik Esaslı Kesici Takımlar, Aşınma Mekanizmaları ve Kesme Performans- lan" konulu bitirme tezinin ilk bölümünde, çalışmaya temel oluşturmak için talaş kaldırmanın ve yüksek hızda işlemenin tanımı yapılmıştır. İkinci bölümde kesici takım malzemeleri, "konvansiyonel" ve "yüksek hızda işleme" olarak iki gruba ayrılarak genel bir bilgi verilmiş ve seramik esaslı kesici takımlar hakkında bir ön bilgi verilerek diğer yüksek hızda işleme takım malzemelerine de değinilmiş, hangi alanlarda uygulanabildikleri açıklanmıştır. Üçüncü bölümde seramik esaslı kesici takımlar AI2O3 ve Sİ3N4 olamak üzere iki grupta incelenmiş, toz metalürjisine de değinilerek imalat yöntemleri, fiziksel/kimyasal özellikleri belirtilmiş ve seramik esaslı kaplamalar da incelenmiştir. Piyasada mevcut seramik esaslı takım tipleri ve geometrileri, tasarım sebeplerine de değinilerek incelenmiştir. Dördüncü bölümde ise takım malzemelerinin performansım yalandan etkileyen mikroyapı ve aşınma mekanizmaları incelenmiştir. İlk dört bölüm sonunda elde edilen sonuçlar irdelenirse, seramik esaslı kesici takımların, iş parçası malzemesindeki serbest karbon ile (kesme esnasında açığa çıkan yüksek sıcaklıkta) kimyasal tepkimeye girmesiyle, karbon çeliklerinde hızlı aşınmaya sebep olduğundan bu alanda uygulama imkanının olmadığı görülür. Buna rağmen, seramik esaslı kesici takımların imalat yöntemlerinden ve mikroyapısal özelliklerinden dolayı yüksek sıcaklıklarda (800°C üstünde), sertmetallerden daha sert fakat daha gevrek bir yapı gösterdiği, dolayısıyla darbeli talaş kaldırma işlemlerine karşı hassas olmasına rağmen bazı katkılarla (TiC, ZrOı, SiC viskerleri gibi) toklaşma mekanizmaları çalıştırılarak ve takım geometrisi tasarımına dayalı önlemlerle yüksek xii sıcak sertliklerinden faydalanma imkanı doğmuş, dökme demirlerin, sertleştirilmiş çeliklerin, Ni ve Ti içeren yüksek sıcaklık malzemelerinin, yüksek hızda işlenmesinde faydalanılabileceği sonucuna ulaşılmıştır. Bölüm beşte, ilk dört bölümde varılan nitel sonuçların, nicel deneysel verilerle somutlaştırılması amacıyla seramik esaslı kesici takımların değişik iş parçası malzemelerinde gösterdiği kesme performansları, uygulama alanları ve kalite seçimleri, uygulama örnekleriyle birlikte incelenmiştir. Ülkemizde seramik esaslı kesici takımların öneminin iyi anlaşılması dünya pazarlarında rekabet gücümüzü arttırarak ülke ekonomimize doğrudan olumlu etkileri olacak ve gelişmiş sanayi ülkeleri seviyesinde üretim yapmamızı sağlayacak en önemli etkenlerden biridir. Bu ihtiyacın anlaşılması konu hakkında yazılmış literatürün dolayısıyla bu çalışmanın da önemini arttıracaktır.

In the recent years, existence of the international market, resulted the manufacture of high quality, low price industrial products which could only be corresponded by increasing the countries' their own competability to reach the international demands. According to the above mentioned needs, lowering the unit prices and increasing the productivity of machined industrial products, could be realized by "High Speed Machining". The object of the thesis is to fill the distinct absence on the written literature based on the "Ceramic Cutting Tools" in Turkey and to present a useful knowledge to the nationwide manufacturer companies' tooling personnel who have many question marks on this subject. In the first chapter of the thesis named "Ceramic Cutting Tools, Wear Mechanisms, and their Cutting Performances", the principles of metal cutting and high speed machining are predefined to form a base to the main subject. The cutting tool materials are investigated in the second chapter in two categories such as "Conventional Cutting Tool Materials" and "High Speed Machining Cutting Tool Materials". Fore knowledge is given about the ceramic based cutting tool materials and other high speed machining tool materials are also defined and their application areas are pronounced. In the third chapter, ceramic cutting tools consisting two main groups such as AI2O3 and Sİ3N4 ceramics including "Powder Metallurgy", their manufacturing methods, physical and chemical properties and even ceramic based hard coatings applied on cutting tools are examined in all details. Ceramic cutting tool grades and their special geometries available in the market are also investigated mentioning their design reasons. The microstructure and wear mechanisms which directly effect the tool materials' cutting performance, studied in the fourth chapter. When the first four chapter perused, it could be concluded that free carbon (especially in carbon steel work parts) reacts with cutting tool materials in high temperatures generated by the friction force occurred in the cutting operation, and cause rapid wear on the tool surface preventing the applications of carbon steel machining. However because of their manufacturing methods and microstructural properties, in high temperatures, (above 800°C) they show higher hardness but lower toughness than hardmetal (Tungsten Carbide) cutting tools. Although ceramic cutting tools have relatively lower shock resistance, their microstructure might be tougher by xiv adding some additives such as TiC, Z1O2, SiC, SiC whiskers, etc. to their microstructure which catalyze special toughening mechanisms. Several design remedies can also be used to increase the stability of the ceramic inserts against shocks existing in some machining applications, and their "Hot Hardness" (high hardness and strength in high temperatures) property may be used as an advantage especially in machining Ni and Ti based high temperature materials, heat treated and untreated cast irons and heat treated alloyed steels. The qualitative and theoretic conclusions obtained in first four chapters are studied as quantitative (experimental and applicational) results in chapter five. Cutting performance, application range and suitable grade choice for work part materials are examined with sample applications which took part in workshop environment. Realizing the importance of the ceramic cutting tools in our national industry will increase our competition strength in world industrial market and will provide us to manufacture products as good as the industrially developed countries which had easily adapted high technology in their own manufacture lines. Understanding this need will of course ensure the written literature based on this subject be more important.