Karbür Kalitesi: WC Tane Boyutu, Kobalt Oranı ve ISO 513 Sınıfları

Bir parmak frezenin kataloğunda yazan "karbür" ifadesi tek bir malzemeyi değil, geniş bir aile tanımlar. Aynı ada sahip iki takım arasındaki ömür farkı çoğu zaman geometriden değil, substratın kobalt oranından ve tungsten karbür tane boyutundan gelir. Takım malzemesi aileleri arasındaki genel karşılaştırma takım malzemeleri rehberinde bulunur.

1. Sinterlenmiş karbürün yapısı

Sinterlenmiş karbür (cemented carbide), toz metalurjisiyle üretilen bir kompozittir. Sert faz tungsten karbür (WC) taneleridir; bu taneler metalik kobalt (Co) bağlayıcı içinde tutulur. Metal kesme uygulamalarına yönelik kalitelerde sert faz payı ağırlıkça %80'in üzerindedir.

Malzemenin davranışı iki bağımsız değişkenle ayarlanır:

• Bağlayıcı oranı: kobaltın ağırlıkça yüzdesi. Tokluğu ve plastik deformasyon direncini belirler.
• WC tane boyutu: ortalama tane çapı. Aynı bağlayıcı oranında sertliği belirler.

Bazı kalitelerde WC'ye ek olarak kübik karbonitrürler (TiC, TaC, NbC) katılır. Bunlar sıcak sertliği yükseltir ve gradyan yapıların oluşmasını sağlar; ancak katı karbür parmak frezelerde temel bileşim ağırlıklı olarak WC-Co'dur.

Kobalt bu tabloda bir "kirlilik" değil, malzemenin taşıyıcı fazıdır. Kobaltın azaltılması sertliği yükseltir, ama aynı hamle malzemeyi çatlak ilerlemesine karşı savunmasız bırakır.

2. Kobalt oranının etkisi

Kobalt oranı arttıkça sertlik ve aşınma direnci düşer, tokluk ve eğilme dayanımı yükselir. Aşağıdaki değerler üretici teknik yayınlarında bildirilen tipik WC-Co bileşimlerine aittir.

Karşılaştırma için: saf WC'nin sertliği 92–94 HRA, Young modülü yaklaşık 720 GPa'dır; saf kobaltın Young modülü ise yaklaşık 209 GPa'dır. Kompozitin elastik davranışı bu iki uç arasında bileşimle doğrusala yakın biçimde yer değiştirir.

Katı karbür parmak frezelerde kullanılan substratlar çoğunlukla %6–%15 kobalt bandındadır. Bu bandın alt ucu aşınma direnci, üst ucu ise darbe ve kenar kırılması direnci lehine çalışır.

Enine kırılma dayanımı kobaltla sınırsız artmaz. Üretici verilerine göre TRS, yaklaşık %15 kobalt civarında tepe yapar; daha yüksek bağlayıcı oranlarında tekrar düşer. Yukarıdaki tabloda bu tepe görünmez, çünkü tablo satırları tane boyutu birbirinden farklı kalitelerden derlenmiştir ve tane boyutu TRS'yi en az kobalt oranı kadar güçlü etkiler. Bu nedenle "daha çok kobalt daha çok tokluk" biçimindeki basitleştirme, kesici takım aralığının dışına çıkıldığında geçerliliğini yitirir.

3. Tane boyutu sınıfları

Ortalama WC tane boyutu, metalografik olarak ISO 4499-2 kapsamında doğrusal kesişme (linear intercept) yöntemiyle ölçülür. Standart, ölçüm sonucunun raporlanacağı sınıf adlarını da tanımlar.

Tane boyutu, aynı kobalt oranında sertliği belirleyen ikinci koldur. İnce tane, aynı bağlayıcı oranında daha yüksek sertlik verir; bu, bağlayıcının ortalama serbest yol mesafesinin kısalmasıyla açıklanır. Basma dayanımı ve yorulma dayanımı da tane küçüldükçe artar: küçük tane boyutlu ve düşük bağlayıcılı kalitelerde basma dayanımı 7.000 N/mm² mertebesine yaklaşır, yorulma dayanımı ise 2×10⁶ çevrimde statik basma dayanımının %65–85'i düzeyinde kalır.

Submikron karbür ve ince çaplı parmak freze

İnce çaplı takımlarda submikron substratın tercih edilmesinin üç somut nedeni vardır.

1. Kenar yarıçapı. Taşlanmış kesici kenarın ulaşabileceği en küçük yuvarlaklık, tane boyutuyla sınırlıdır. 2 µm taneli bir substratta keskin ve düzgün bir kenar elde edilemez.
2. Talaş kalınlığı ölçeği. 1–3 mm çap sınıfında diş başına ilerleme çoğunlukla birkaç mikron mertebesindedir. Kenar yarıçapı talaş kalınlığına yaklaştığında kesme yerine ezme başlar; ısı ve kuvvet artar.
3. Kenar mikro kırılması. Küçük çaplı takımda kesit alanı zaten küçüktür; kenardan kopan büyük bir tane, çap ölçeğine göre büyük bir kusurdur. İnce tane, kopan parçacığın boyutunu küçültür.

Bunların hiçbiri submikron substratı her koşulda üstün kılmaz. Rijit olmayan tezgâhta, kabuklu ya da düzensiz yüzeyli parçada ince tane kenar kırılmasına daha yatkındır; oralarda daha kaba taneli ve daha yüksek kobaltlı bir kalite daha uzun dayanır.

4. ISO 513 uygulama sınıfları

ISO 513, belirli kesici kenarlı takımlar için sert kesici malzemeleri işlenen malzeme grubuna göre altı ana gruba ayırır. Her grubun bir harfi ve bir tanıtım rengi vardır.

İşlenen malzemenin bu gruplara ayrılması ISO malzeme grupları rehberinde daha ayrıntılı anlatılmıştır.

ISO 513 ayrıca sert kesici malzemenin kendisini de kodlar. Katı karbür takımlar açısından belirleyici olan üç kod şunlardır:

• HW: kaplamasız sinterlenmiş karbür, ağırlıklı olarak WC, tane boyutu ≥ 1 µm
• HF: kaplamasız sinterlenmiş karbür, ağırlıklı olarak WC, tane boyutu < 1 µm
• HC: yukarıdakilerin kaplanmış hâli

Sınıf numarasının anlamı

Harften sonra gelen iki haneli sayı, grup içindeki konumu gösterir. Sayı büyüdükçe tokluk ve taşınabilen ilerleme artar; sayı küçüldükçe sertlik, aşınma direnci ve taşınabilen kesme hızı artar.

Aynı mantık M, K, N, S ve H grupları için de geçerlidir. Bir sınıf numarası mutlak bir sertlik değeri vermez; yalnızca aynı grup içindeki göreli konumu belirtir. Bu nedenle P30 ile K30 doğrudan karşılaştırılmaz.

5. Sertlik–tokluk ödünleşimi

Karbür kalitesi seçimi, tek bir eğri üzerinde konum seçmekten ibarettir. Kobalt oranının düşürülmesi ya da tane boyutunun küçültülmesi aynı yöne, yani sertliğe doğru hareket ettirir; ikisinin birlikte yükseltilmesi tokluğa doğru götürür. Bu iki kol birbirini kısmen dengeleyecek biçimde kullanılabilir: submikron tane + %12 kobalt bileşimi, hem keskin kenar hem yüksek kenar tokluğu isteyen ince çaplı takımlarda bu nedenle yaygındır.

Young modülü bu ödünleşimin dışında kalır. Ölçümler, elastik modülün tane boyutundan neredeyse bağımsız olduğunu, esas olarak bağlayıcı oranıyla değiştiğini göstermektedir. Pratik karşılığı şudur: takımın sapma davranışı tane boyutuyla değil, kobalt oranı ve serbest boy ile belirlenir. Daha yüksek kobaltlı bir substrat aynı geometride bir miktar daha fazla eğilir.

Aşınma davranışının hangi mekanizmayla ilerlediği de kalite seçimini etkiler. Abraziv aşınmanın baskın olduğu işlerde düşük kobalt, yapışma ve kenar kopması riskinin baskın olduğu işlerde yüksek kobalt lehine karar verilir. Mekanizmaların ayrımı takım aşınması rehberinde ele alınmıştır.

Karşılaştırılabilir sayı üretmek için ölçüm standartlarının aynı olması gerekir: sertlik için ISO 3878 (Vickers) veya ISO 3738-1 (Rockwell A), enine kırılma dayanımı için ISO 3327, yoğunluk için ISO 3369 kullanılır. Farklı numune geometrisiyle alınmış TRS değerlerinin doğrudan karşılaştırılması hatalı sonuç verir.

6. Substrat ile kaplamanın birlikte seçilmesi

Kaplama ile substrat ayrı iki tercih değil, tek bir kalitenin iki katmanıdır. Kaplama sıcak sertliği, difüzyon bariyerini ve sürtünme davranışını sağlar; substrat ise kaplamanın altındaki mekanik desteği verir. Yumuşak bir substrat üzerinde sert kaplama, yük altında çöken tabana oturur ve pullanarak kalkar.

Kaplama ailelerinin ayrıntısı kaplama rehberinde verilmiştir. Sertleştirilmiş malzemelerde substrat–kaplama eşleşmesinin pratik sonuçları için sertleştirilmiş çelik frezeleme rehberi incelenebilir.

Kataloglarda genellikle yalnızca kaplama adı yazar ve bu, substrat hakkında hiçbir şey söylemez. İki tedarikçinin aynı kaplama adıyla sattığı takım, kobalt oranı ve tane boyutu farklıysa iki ayrı ömür verir.

Substrat ve kaplama kararı verildikten sonra geometri tarafındaki seçimler düz freze kategorisi üzerinden değerlendirilebilir.

Kaynaklar

• ISO 513:2012, Classification and application of hard cutting materials for metal removal with defined cutting edges — Designation of the main groups and groups of application (iso.org)
• ISO 4499-2:2020, Hardmetals — Metallographic determination of microstructure — Part 2: Measurement of WC grain size (iso.org)
• ISO 3327:2009, Hardmetals — Determination of transverse rupture strength
• ISO 3878:1983, Hardmetals — Vickers hardness test · ISO 3738-1:1982, Hardmetals — Rockwell hardness test (scale A) · ISO 3369:2006, Impermeable sintered metal materials and hardmetals — Determination of density
• Sandvik Coromant, Cutting tool materials (sandvik.coromant.com)
• Hyperion Materials & Technologies, Mechanical strength of cemented carbide (hyperionmt.com)
• A.L.M.T. Corp., Features of cemented carbide (allied-material.co.jp)