Kesme Sıvısı Konsantrasyonu ve Karışım Hazırlama: Ölçüm, Su Kalitesi ve Takviye

Su karışımlı kesme sıvısında performansı belirleyen tek en önemli değişken konsantrasyondur. Doğru ürün seçilmiş olsa bile yanlış oranda karıştırılan bir sıvı, yanlış seçilmiş bir üründen daha kötü sonuç verir. Konu dört başlıkta toplanır: konsantrasyon neden bu kadar belirleyici, nasıl ölçülür, karışım hangi sırayla hazırlanır ve takviye nasıl hesaplanır. Ürün tiplerinin karşılaştırması kesme sıvısı türleri rehberinde ayrıca işlenmiştir.

1. Konsantrasyon neden kritik

Su karışımlı bir kesme sıvısında su soğutmayı, konsantre ise yağlamayı, korozyon korumasını ve mikrobiyolojik dengeyi sağlar. Konsantrasyon, konsantrenin karışım içindeki hacimsel oranıdır ve iki yönde de sapma ayrı problem üretir.

Sağlık tarafı ihmal edilebilir bir başlık değildir. NIOSH, metal işleme sıvısı aerosolü için günde 10 saate ve haftada 40 saate kadar çalışmada zaman ağırlıklı ortalama olarak 0,4 mg/m³ torasik partikül madde (toplam partikül madde üzerinden ölçüldüğünde 0,5 mg/m³) tavsiye maruziyet sınırı (REL) yayımlamıştır. OSHA'nın metal işleme sıvısı aerosolü için ayrılmış bir izin verilen maruziyet sınırı (PEL) bulunmaz; uygulamada mineral yağ sisi için 5 mg/m³ ve sınıflandırılmamış partiküller için 15 mg/m³ olan 8 saatlik PEL değerleri esas alınır. Aşırı konsantre karışım hem aerosol yükünü hem de cilt teması riskini artırır. Konunun tamamı metal işleme sıvılarında iş sağlığı ve güvenliği başlığı altında ele alınmıştır.

Tablodaki belirtiler tek tek değerlendirilemez, çünkü birbirini besler: düşük konsantrasyon bakteri üremesini tetikler, bakteri üremesi pH'ı düşürür, düşük pH korozyon korumasını bozar. Zincirin ilk halkası neredeyse her zaman ölçülmeyen konsantrasyondur.

2. Tipik çalışma konsantrasyonu aralıkları

Konsantrasyon işlem şiddetine göre belirlenir. Talaş kaldırma hızı, temas basıncı ve malzemenin yapışma eğilimi arttıkça yağlama ihtiyacı artar; buna karşılık soğutmanın baskın olduğu işlemlerde daha seyreltik karışım yeterli olur.

Bu aralıklar sektörde yaygın uygulama değerleridir; bağlayıcı olan ürünün teknik veri sayfasıdır. Aynı işlem için farklı üreticilerin önerdiği bandın birkaç puan kayması olağandır, çünkü konsantredeki aktif madde oranı ürünler arasında hatırı sayılır ölçüde farklılaşır.

Malzeme grubunun etkisi de dikkate alınmalıdır. ISO S grubu titanyum ve nikel esaslı alaşımlarda, ISO M paslanmazlarda üst banda yaklaşılması olağandır; ISO malzeme grupları rehberi bu ayrımı ayrıntılandırır.

3. Ölçüm yöntemleri

3.1 El refraktometresi ve Brix okuması

Sahada en yaygın yöntem el refraktometresidir. Prizma üzerine bırakılan birkaç damla karışımın ışığı kırma oranı okunur ve sonuç Brix ölçeğinde verilir. Bu okuma doğrudan konsantrasyon değildir.

Gerçek konsantrasyon şu bağıntıyla bulunur:

C (%) = Brix okuması × refraktometre faktörü

Refraktometre faktörü ürüne özgüdür ve teknik veri sayfasında bildirilir. Saf çözünür yağ esaslı emülsiyonlarda faktör 1,0'e yakındır, yani okuma doğrudan konsantrasyon olarak alınabilir. Yarı sentetik ve sentetik ürünlerde faktör tipik olarak 1,5–2,5 bandındadır; bazı sentetik ürünlerde 3,0 değerine kadar çıktığı üretici veri sayfalarında görülmektedir.

Sayısal örnek: Refraktometre 3,2 Brix okuyor ve ürünün faktörü 1,8 ise gerçek konsantrasyon 3,2 × 1,8 = %5,76 olur. Aynı okuma faktörü 1,0 olan bir ürün için %3,2 anlamına gelir. Faktörün atlanması, %5,8 sanılan bir karışımın gerçekte %3,2 olmasına yol açar; bu fark korozyon ve bakteri problemlerinin başlaması için yeterlidir.

Doğru okuma için birkaç koşul gerekir: numunenin tank sıcaklığında değil oda sıcaklığında olması, prizmanın her ölçüm öncesi saf suyla sıfırlanması, numunenin tankın dip çamurundan değil dolaşımdaki sıvıdan alınması ve sınır çizgisinin bulanık olması durumunda okumanın çizginin ortasından yapılması.

3.2 Refraktometrenin sınırı

Refraktometre yalnızca konsantreyi değil, sıvıdaki tüm çözünmüş ve dağılmış maddeleri görür. Sisteme karışan hidrolik ve kızak yağı (tramp yağ), çözünmüş tuzlar ve ince metal partikülleri okumayı yükseltir. Yaşlanmış bir tankta refraktometre %7 gösterirken gerçek konsantre oranının bunun epeyce altında kalması sık karşılaşılan bir durumdur. Bu nedenle refraktometre bir eğilim aracıdır; şüphe durumunda ikinci bir yöntemle doğrulanması gerekir. Tramp yağın kaynağı ve giderilmesi kesme sıvısı bakımı rehberinde ele alınmıştır.

3.3 Titrasyon, asitle ayırma ve iletkenlik

Asit titrasyonunda bilinen hacimdeki numune, seyreltik hidroklorik asit çözeltisiyle indikatör eşliğinde titre edilir ve harcanan asit hacminden konsantrasyon hesaplanır. Asitle ayırma yönteminde numune asitlendirilip yüksek sıcaklıkta bekletilerek yağ fazının ayrışması sağlanır; ayrışan hacim ürüne özgü ayırma faktörüyle çarpılarak konsantrasyona çevrilir. Sentetik ürünlerde ayrışacak yağ fazı bulunmadığından bu yöntem uygulanmaz; onlarda titrasyon veya iletkenlik tercih edilir.

Otomatik dozajlama üniteleri, konsantrasyonu çevrim içi ölçüp konsantre ve suyu ayrı ayrı dozlayarak tankı hedef bandda tutar. Çok tanklı atölyelerde ölçüm hatasını ve insan faktörünü ortadan kaldırdığı için tercih edilir; üretici platformları bu üniteleri kayıt ve raporlama işleviyle birlikte sunar.

4. Karışım hazırlama sırası

Su karışımlı kesme sıvısı, suyun sürekli faz olduğu bir yağ-su emülsiyonudur. Bu yapının oluşabilmesi için konsantrenin suya eklenmesi gerekir. Suyun konsantre üzerine dökülmesi, sürekli fazın yağ olduğu ters (su-içinde-yağ yerine yağ-içinde-su) bir emülsiyon oluşturur. Ters emülsiyon kararsızdır; karıştırma sonrası ayrışma, yüzeyde yağ tabakası, kalıntı ve düşük soğutma performansı üretir.

Sektörde bu kural "OIL" kısaltmasıyla anılır: Oil In Last, yani yağ en son. Uygulama sırası şöyledir:

1. Temiz tanka hedef hacmin suyu doldurulur; su miktarı önceden hesaplanır.
2. Konsantre, karıştırma sürerken ince ve sürekli bir akışla suya eklenir. Bir defada boşaltılmaz.
3. Karışım homojen görünene kadar karıştırmaya devam edilir.
4. Refraktometreyle doğrulama yapılır ve sonuç kayda geçirilir.

Manuel karıştırmada bir karıştırıcı veya sirkülasyon pompası kullanılması, kova içinde elle çalkalamaya göre çok daha kararlı emülsiyon verir. Venturi tipi karıştırıcılar su akışının oluşturduğu vakumla konsantreyi emerek türbülanslı bölgede karıştırır; hızlı ve ucuzdur. Pozitif deplasmanlı dozaj pompaları ise konsantreyi su debisiyle orantılı olarak enjekte eder ve su basıncı dalgalansa bile oranı korur. Her iki düzende de konsantre su akışına verildiği için karışım sırası kendiliğinden doğru kurulur.

Suyun sıcaklığı da işin içindedir: çok soğuk su emülsiyon oluşumunu zorlaştırır ve konsantrenin dağılmasını yavaşlatır. Karışımın oda sıcaklığındaki suyla hazırlanması tercih edilir.

5. Besleme suyu kalitesi

Karışımın hacimce %90'dan fazlası sudur; bu nedenle su, karışımın en büyük tek bileşenidir ve kalitesi sonucu doğrudan belirler. Suyun sertliği, klorür ve sülfat içeriği izlenmesi gereken üç başlıktır.

Sertlik birimleri arasında dönüşüm 1 °dH ≈ 17,8 ppm CaCO₃ bağıntısıyla yapılır. Yukarıdaki bant üretici yayınlarında sık verilen konfor aralığıdır; kaynaklar özellikle üst sınırda örtüşmez ve bir kısmı bundan çok daha dar bir aralık bildirir. Bu nedenle bağlayıcı değer olarak ürünün kendi teknik veri sayfasındaki su kalitesi tablosu esas alınır.

Ters ozmoz (RO) ve deiyonize (DI) su konusunda dikkat edilmesi gereken bir denge bulunur. Bu sular tüm tuzlardan arındırıldığı için "en temiz" seçenek gibi görünür; ancak sertliğin sıfıra yakın olması köpük eğilimini artırır ve tankta kontrol edilmesi güç köpük oluşabilir. Buna karşılık aynı sular klorür ve tuz birikimini önlediğinden, klorürü yüksek şebeke sularında ve takviye karışımının hazırlanmasında avantaj sağlar; bazı ürünler uzun süreli kararlılık için doğrudan yumuşak veya arıtılmış su ister. Uygulamada arıtılmış su ya şebeke suyuyla harmanlanır ya da kalsiyum tuzu esaslı sertlik artırıcı katkıyla hedef banda getirilir. Çok sert sularda ise iyon değiştirici ile yumuşatma tercih edilir. Hangi yolun seçileceği ürünün su kalitesi gereksinimine bağlıdır.

Bir de biriken sertlik vardır. Su buharlaştıkça tuzlar tankta kalır; sert şebeke suyuyla sürekli takviye yapılan bir tankta sertlik haftalar içinde başlangıç değerinin katlarına çıkar. Kalsiyum sabunu oluşumu, filtre tıkanması ve korozyon bu birikmenin sonucudur.

6. Tank doldurma ve takviye hesabı

6.1 İlk dolum

İlk dolumda hedef konsantrasyon doğrudan uygulanır. 300 litrelik bir tank %6 hedefle dolduruluyorsa:

Vkonsantre = Vtank × Chedef = 300 × 0,06 = 18 L

Vsu = 300 − 18 = 282 L

Yani 282 litre suya 18 litre konsantre eklenir. Hacimlerin toplamı üzerinden hesap yapılması, "282 litre suya 18 litre" ile "300 litre suya 18 litre" arasındaki farkı ortadan kaldırır; ikincisi %5,7 verir.

6.2 Takviye (make-up) karışımı neden farklıdır

Tanktan iki yolla kayıp olur. Su buharlaşır ve konsantre geride kalır; talaş ve parça üzerinde dışarı taşınan sıvı ise karışımın tamamıdır. Buharlaşma tipik olarak taşınmadan baskındır, bu nedenle tankta konsantrasyon zamanla yükselir. Kaybı çalışma konsantrasyonundaki karışımla tamamlamak konsantrasyonu daha da yükseltir. Bu yüzden takviye karışımı daima daha seyreltiktir.

Gerekli takviye konsantrasyonu ölçümle bulunur:

Ctakviye = (Vtank × Chedef − Vkalan × Cölçülen) / Vtakviye

Sayısal örnek: 300 litrelik tankta hedef %6. Bir hafta sonra seviye 250 litreye düşmüş, refraktometre 4,4 Brix okuyor ve ürünün faktörü 1,5.

• Ölçülen konsantrasyon: 4,4 × 1,5 = %6,6
• Tanktaki mevcut konsantre: 250 × 0,066 = 16,5 L
• 300 litrede %6 için gereken konsantre: 300 × 0,06 = 18,0 L
• Eksik konsantre: 18,0 − 16,5 = 1,5 L
• Eklenecek hacim: 300 − 250 = 50 L
• Takviye konsantrasyonu: 1,5 / 50 = 0,03 → %3,0

Yani 50 litrelik takviye, 48,5 litre su ve 1,5 litre konsantreyle %3,0 oranında hazırlanır. Çalışma konsantrasyonu %6 iken takviye karışımının yarısı kadar oranda hazırlanması bu hesabın doğal sonucudur.

Üretici yayınlarında %5 çalışma konsantrasyonu için takviye oranı olarak %1–2 ile %2,5–3 arasında farklı bantlar verilmektedir. Kaynakların ayrıştığı bu noktada sabit bir oran benimsemek yerine, her takviyede yukarıdaki hesabın ölçüm sonucuyla yapılması daha güvenilirdir. Buharlaşma ve taşınma oranı tezgâh tipine, tank hacmine, talaş konveyörüne ve atölye sıcaklığına göre değişir; tek bir sabit oran her tank için doğru olmaz.

7. Ölçüm sıklığı ve kayıt tutma

Ölçümün değeri, düzenli yapılmasından ve kayda geçirilmesinden gelir. İngiltere HSE uygulaması metal işleme sıvıları için aşağıdaki düzeni esas alır.

Daldırma lamı sonuçları HSE tarafından üç banda ayrılır: mililitrede 10⁴ koloni oluşturan birimin (CFU/mL) altı iyi kontrol, 10⁴ ile 10⁶ CFU/mL arası gözden geçirme ve müdahale gerektiren makul kontrol, 10⁶ CFU/mL ve üzeri ise kontrolün kaybedildiği, tankın boşaltılıp temizlenmesini gerektiren seviye olarak tanımlanır.

Kayıt formunun en az şu alanları içermesi gerekir: tarih, makine/tank numarası, seviye, Brix okuması, refraktometre faktörü, hesaplanan konsantrasyon, pH, eklenen su ve konsantre miktarı, yapılan işlem ve ölçümü yapan kişi. Bu kayıtlar hem eğilim analizini mümkün kılar hem de İSG denetimlerinde kontrolün kanıtı olarak kullanılır. HSE, etkin bir kayıt geçmişinin gösterilmesi durumunda ölçüm sıklığının azaltılabileceğini belirtir.

Türkiye'de metal işleme sıvılarının tedariki, etiketlenmesi ve güvenlik bilgi formları Kimyasalların Kaydı, Değerlendirilmesi, İzni ve Kısıtlanması Hakkında Yönetmelik (KKDİK) ile Maddelerin ve Karışımların Sınıflandırılması, Etiketlenmesi ve Ambalajlanması Hakkında Yönetmelik (SEA) kapsamındadır. İşyerindeki maruziyetin yönetimi 6331 sayılı İş Sağlığı ve Güvenliği Kanunu ve Kimyasal Maddelerle Çalışmalarda Sağlık ve Güvenlik Önlemleri Hakkında Yönetmelik hükümlerine tabidir. Kullanılmış sıvının bertarafı ise Atık Yönetimi Yönetmeliği çerçevesinde, lisanslı bertaraf tesisleri aracılığıyla yapılır.

8. Sık karşılaşılan hatalar

• Refraktometre faktörünün atlanması ve Brix okumasının doğrudan konsantrasyon sayılması.
• Farklı bir ürünün faktörünün kullanılması; faktör ürüne özgüdür, tip benzerliği yeterli değildir.
• Takviyenin yalnızca suyla veya yalnızca çalışma konsantrasyonundaki karışımla yapılması.
• Suyun konsantre üzerine dökülmesi.
• Prizmanın saf suyla sıfırlanmaması ve sıcak numuneyle ölçüm yapılması.
• Tank dibinden, çöken çamur bölgesinden numune alınması.
• Ölçümün yapılıp kayda geçirilmemesi; kayıt olmadan eğilim görülemez.

Doğru konsantrasyon, takım ömrü ve yüzey kalitesi üzerindeki etkisiyle doğrudan işleme maliyetine yansır. Kesme parametrelerinin belirlenmesinde kesme hızı, devir ve ilerleme hesabı ile birlikte değerlendirilmesi, sıvıdan beklenen katkının gerçekleşmesini sağlar. Yarı sentetik soğutma sıvısı seçenekleri kimyasallar kategorisinde listelenmiştir.

Kaynaklar

• NIOSH, Criteria for a Recommended Standard: Occupational Exposure to Metalworking Fluids, DHHS (NIOSH) Publication No. 98-102. cdc.gov/niosh/docs/98-102
• OSHA, Metalworking Fluids: Safety and Health Best Practices Manual. osha.gov/metalworking-fluids/manual
• HSE (UK), Metalworking fluids: bacterial contamination and fluid quality checks. hse.gov.uk/metalworking
• UKLA / HSE, Good Practice Guide for Safe Handling and Disposal of Metalworking Fluids. ukla.org.uk
• Blaser Swisslube, Water quality is a key factor. blaser.com
• Master Fluid Solutions, Coolant Concentration Facts and Terminology (teknik bülten) ve ürün veri sayfalarındaki refraktometre faktörü tanımları. masterfluids.com
• FUCHS, Cutting Fluids Manual: Collected Knowledge on Cutting Fluids for Metalworking. fuchs.com
• DIN 51385, Schmierstoffe — Bearbeitungsmedien für die Umformung und Zerspanung von Werkstoffen — Begriffe (su karışımlı ve su karışımsız sıvıların tanımları)