Takım malzemeleri: HSS, HSS-Co, karbür, sermet, seramik, CBN ve PCD

Kesici takımın performansını belirleyen ilk etken geometri değil, kesici malzemenin kendisidir. Aynı geometri HSS ile düşük onlarca m/dk bandında, kaplamalı karbürle bunun birkaç katında, PCD ile ise daha da yukarısında çalışabilir. Yedi ana kesici malzeme ailesi, HSS'den PCD'ye doğru; sertlik, tokluk, sıcak sertlik ve ısıl iletkenlik ekseninde ve ISO 513 sınıflandırmasıyla birlikte sıralanıyor. Kaplama katmanları ayrı bir konu olduğundan yalnızca taban malzemesi (substrate) inceleniyor.

1. Kesici malzemeyi tanımlayan dört özellik

Kesici malzeme seçimi dört özelliğin dengesine dayanır ve bu özellikler birbiriyle çelişir.

Sertlik, kesme kenarının iş parçası tarafından çizilmeye ve aşındırılmaya karşı direncidir. Vickers (HV) ya da sinterlenmiş sert malzemelerde Rockwell A (HRA) ile ölçülür. Sertlik arttıkça abraziv aşınma direnci artar.

Tokluk, kenarın darbe ve değişken yük altında kırılmadan deforme olabilme yeteneğidir. Sertlik ile tokluk arasında ters bir ilişki vardır: en sert malzemeler aynı zamanda en kırılgan olanlardır. Bu nedenle kesintili kesme, titreşimli bağlama ve düzensiz talaş kesitinde daha tok, dolayısıyla daha yumuşak bir kalite seçilmesi gerekir.

Sıcak sertlik (hot hardness), kesme bölgesi sıcaklığında sertliğin korunmasıdır. Kesme hızının üst sınırını belirleyen asıl özellik budur. HSS yaklaşık 600 °C üzerinde temperlenerek yumuşarken sinterlenmiş karbür 800–1.000 °C bandında kesme yeteneğini sürdürür; seramik ve CBN ise daha da yüksek sıcaklıklarda kararlıdır.

Isıl iletkenlik, kesme bölgesinde üretilen ısının takım gövdesine ne hızda dağıtıldığını belirler. Yüksek ısıl iletkenlik kenar sıcaklığını düşürür ancak ısının bir kısmının takıma taşınması anlamına gelir. Düşük ısıl iletkenlikli seramiklerde ısı büyük ölçüde talaşla uzaklaşır; bunun karşılığında malzeme ısıl şoka duyarlı hale gelir. Aşınma mekanizmalarının bu özelliklerle nasıl ilişkilendiği takım aşınması mekanizmaları ve takım ömrü başlığında ayrıntılı olarak ele alınmıştır.

2. ISO 513'e göre sınıflandırma

Sert kesici malzemeler ISO 513 standardında iki harfli kodlarla tanımlanır. İlk harf malzeme ailesini, ikinci harf alt türü belirtir. Aynı standart uygulama gruplarını da (P, M, K, N, S, H) tanımlar; bu grupların iş parçası malzemeleriyle eşleşmesi ISO malzeme grupları P, M, K, N, S, H makalesinde açıklanmıştır.

Tablodaki kodlar bir kalite adı değil, malzeme ailesi tanımıdır. Aynı HC kodunu taşıyan iki karbür kalitesi tane boyutu, kobalt oranı ve kaplama açısından tamamen farklı olabilir.

3. HSS ve HSS-Co: kobalt oranının etkisi

Yüksek hız çeliği (high speed steel, HSS), tungsten, molibden, krom ve vanadyum içeren, ısıl işlemle sertleştirilen bir alaşımlı takım çeliğidir. Sertliği tipik olarak 62–67 HRC bandındadır. En büyük üstünlüğü tokluğudur: kesme kenarı kırılmadan önce belirli ölçüde plastik deforme olabildiğinden zayıf bağlantı, düşük devirli tezgâh ve titreşimli kurulumlarda güvenilir davranır.

HSS-Co kaliteler yapıya kobalt eklenmesiyle elde edilir. Kobalt matris içinde çözünerek yüksek sıcaklıkta martenzitin temperlenmeye direncini artırır; bunun pratik karşılığı kırmızı sertliğin (red hardness) yükselmesidir. Karşılığında matris daha kırılgan hale gelir.

M42, artan kobalt oranı sayesinde sertliğini M35'e kıyasla daha yüksek bir kesme bölgesi sıcaklığına kadar korur. Bu fark, ısı üretiminin yoğun olduğu paslanmaz çelik ve ısıya dayanıklı alaşımlarda M42 lehine görünür bir ömür farkı yaratır. Buna karşılık M42 kalite, kesintili kesme ve elle beslemeli operasyonlarda kenar kırılmasına daha yatkındır; bu koşullarda M35 tercih edilir.

Aradaki fark bir kat mertebesinde hız farkı değildir. İki kalite de aynı büyüklük mertebesindeki kesme hızı bandında çalışır; kobalt esas olarak ömrü ve ısıya dayanımı artırır.

4. Sinterlenmiş karbür

Sinterlenmiş karbür (cemented carbide), tungsten karbür tanelerinin kobalt bağlayıcı ile toz metalurjisi yöntemiyle sinterlenmesiyle üretilir. Sertliği tipik olarak 1.300–1.800 HV, 89–93 HRA bandındadır ve sıcak sertliği HSS'nin çok üzerindedir. Isıl iletkenliği de yüksektir; WC-Co kompozisyonları için literatürde bildirilen değerler kobalt oranına ve tane boyutuna göre değişmekle birlikte takım çeliğinin epeyce üzerindedir.

Karbürün asıl üstünlüğü hız kapasitesidir. Üretici teknik yayınlarında sinterlenmiş karbürün HSS'ye kıyasla birkaç kat yüksek kesme hızına izin verdiği belirtilir; kaplamalı kalitelerde ve uygun iş parçası malzemesinde bu oran daha da açılır. Sebebi doğrudan sıcak sertliktir: HSS'nin yumuşadığı sıcaklıkta karbür hâlâ kesme yapabilmektedir.

Karbürün davranışı iki değişkene bağlıdır. Kobalt oranı arttıkça tokluk artar, sertlik düşer. Tane boyutu küçüldükçe sertlik ve kenar keskinliği artar. Kaba pasoda daha yüksek kobalt oranlı ve daha tok kaliteler, finiş ve sert malzemede ise ince taneli ve düşük kobaltlı kaliteler tercih edilir. Kaplama katmanının katkısı ise parmak freze kaplamaları başlığında ele alınır.

5. Sermet

Sermet (cermet), sert fazı ağırlıklı olarak titanyum karbonitrür (TiCN) olan, nikel ve kobalt esaslı bağlayıcıyla sinterlenmiş malzemedir. ISO 513'te HT kodu ile tanımlanır. Sertliği tungsten karbür esaslı kalitelerin biraz üzerindedir ve TiCN'nin çeliğe karşı kimyasal ilgisi düşük olduğundan yığıntı talaş (built-up edge) oluşumu belirgin ölçüde azalır.

Bu özellik sermeti finiş işlemlerinin malzemesi yapar: düşük yüzey pürüzlülüğü, kararlı boyut ve uzun ömür sağlanır. Buna karşılık tokluğu, basma dayanımı ve ısıl şok direnci sinterlenmiş karbürün altındadır. Bu nedenle kaba paso, kesintili kesme, değişken talaş kesiti ve kesintili soğutma koşullarında sermet önerilmez. Uygulama alanı çelik, ferritik-perlitik dökme demir ve düşük karbonlu çeliklerin finiş pasolarıdır.

6. Seramikler: Al2O3, Si3N4 ve SiAlON

Seramik kesici malzemeler yüksek sıcaklıkta kimyasal kararlılık sunar; literatürde 1.200 °C mertebesine kadar kararlı davrandıkları belirtilir. Ortak zayıflıkları düşük tokluk ve düşük ısıl iletkenliktir. Üç ana grup vardır.

Al2O3 esaslı oksit seramikler (CA) en yüksek kimyasal kararlılığa sahiptir ancak ısıl şoka fazlasıyla duyarlıdır. Bu nedenle çoğunlukla kuru işlemede ve kesintisiz kesmede kullanılır. Tipik uygulama alanı gri dökme demirin yüksek hızda tornalanmasıdır. Karışık seramikler (CM) yapıya TiC veya TiCN eklenerek tokluk ve ısıl iletkenlik yönünden iyileştirilir; sertleştirilmiş çelikte de kullanılabilirler. Takviyeli seramikler (CR) SiC whisker takviyesiyle kırılma tokluğu artırılmış kalitelerdir ve nikel esaslı alaşımlarda uygulanır.

Si3N4 esaslı nitrür seramikler (CN) oksit seramiklere göre daha yüksek kırılma tokluğu ve ısıl şok direnci gösterir. Gri dökme demirin yüksek hızlı kaba işlenmesinde yaygındır.

SiAlON, Si3N4 kafesine alüminyum ve oksijen çözünmesiyle elde edilen nitrür seramik türüdür. Yüksek sıcaklık kararlılığı ile orta düzey tokluğu birleştirdiğinden nikel esaslı süper alaşımların yüksek hızda işlenmesinde kullanılır. Akademik yayınlarda Inconel 718 tornalamasında SiAlON kaliteler için takım ömrü açısından en uygun bandın yaklaşık 200–300 m/dk olduğu bildirilir; bu değer aynı malzemede karbürle çalışılan hızın kat kat üzerindedir. Süper alaşımların işlenmesindeki genel yaklaşım titanyum ve ısıya dayanıklı alaşım frezeleme makalesinde ele alınmıştır.

Üç grubun ortak koşulu şudur: kırılganlıkları nedeniyle tezgâh rijitliği, bağlama kalitesi ve giriş-çıkış stratejisi karbüre kıyasla çok daha belirleyicidir. Rijit olmayan bir kurulumda seramik kaliteden beklenen kazanç elde edilemez.

7. CBN

Kübik bor nitrür (CBN), elmastan sonraki en sert malzemedir; oda sıcaklığında Knoop sertliği yaklaşık 45 GPa mertebesindedir. Elmastan farkı, demir esaslı malzemelere karşı kimyasal olarak kararlı olmasıdır. Bu nedenle sertleştirilmiş çeliğin tek pratik süper sert kesici malzemesidir.

Kesici uç olarak genellikle polikristal formda (PCBN), karbür taban üzerine lehimlenmiş uç olarak kullanılır. İki temel kalite ailesi vardır:

• Düşük CBN içerikli kaliteler: seramik bağlayıcı oranı yüksektir; sertleştirilmiş çeliğin kesintisiz finiş işlemesinde kullanılır. Kimyasal aşınma direnci öndedir.
• Yüksek CBN içerikli kaliteler: metalik bağlayıcılıdır, tokluğu ve ısıl iletkenliği daha yüksektir; gri dökme demir ve kesintili kesme koşullarında tercih edilir.

Üretici teknik yayınlarında CBN uçların uygulama alanı 45 HRC üzeri sertleştirilmiş çelik olarak tanımlanır; üst sınır 65 HRC ve bazı uygulamalarda daha yukarısıdır. Bu sertliğin altında kaplamalı karbür ekonomik olarak üstün kalır. Kalıp çeliklerinde kalite seçimi, sertlik bandının yanı sıra kesmenin kesintili olup olmamasına ve tezgâh rijitliğine göre belirlenir.

8. PCD ve demir esaslı malzeme sınırı

Polikristal elmas (PCD), ince elmas tanelerinin kobalt bağlayıcı ile yüksek basınç ve sıcaklık altında sinterlenmesiyle üretilir ve bilinen en sert kesici malzemedir; elmasın Knoop sertliği yaklaşık 88 GPa mertebesindedir. Isıl iletkenliği de çok yüksektir; yayınlanan verilerde tungsten karbürün birkaç katı mertebesinde olduğu belirtilir. Bu sayede kesme bölgesindeki ısı hızla uzaklaştırılır ve kenar hem keskin hem aşınmaya dirençli kalır.

PCD'nin iki temel sınırı vardır.

Birincisi sıcaklıktır. Elmas yaklaşık 700–800 °C üzerinde kararlılığını kaybeder; oksijenle reaksiyona girer ve grafitleşir. Bu nedenle PCD ile çalışırken kesme bölgesi sıcaklığının kontrol altında tutulması, bol soğutma ya da uygun MQL uygulaması gerekir.

İkincisi demir esaslı malzemelerde kullanılamamasıdır. Karbonun demire karşı kimyasal ilgisi çok yüksektir. Kesme sıcaklığında elmas yüzeyindeki tetrahedral karbon yapısı grafite dönüşür; açığa çıkan karbon atomları demir atomlarından çok daha küçük olduğundan iş parçasının demir kafesine hızla difüze olur. Sonuç, mekanik aşınmadan bağımsız ve çok hızlı ilerleyen bir kimyasal aşınmadır. Aynı ilgi kobalt ve nikel için de geçerli olduğundan PCD, nikel esaslı süper alaşımlarda da kullanılmaz.

PCD'nin uygulama alanı bu nedenle demir dışı ve metal dışı malzemelerdir: yüksek silisyumlu alüminyum alaşımları, bakır ve pirinç, karbon fiber takviyeli kompozitler, grafit, plastikler ve ahşap esaslı levhalar. Yüksek silisyumlu alüminyum alaşımlarında abraziv silisyum fazı karbür kenarını hızla aşındırdığından PCD'nin ömür üstünlüğü en açık biçimde bu grupta görülür.

9. Karşılaştırma tablosu

Aşağıdaki tablo, yaygın üretici ve literatür verilerinden derlenen niteliksel karşılaştırmayı özetler. Kesme hızı bandları büyüklük mertebesi göstergesidir; gerçek değer iş parçası malzemesine, kaplamaya, tezgâh rijitliğine ve soğutma koşuluna göre değişir.

Seçim mantığı iki soruya indirgenebilir. Birincisi, iş parçası malzemesinin kimyasal olarak kesici malzemeyle uyumlu olup olmadığıdır; PCD-demir çifti bu uyumsuzluğun en keskin örneğidir. İkincisi, kurulumun rijitliğinin seçilen malzemenin kırılganlığını taşıyıp taşımayacağıdır. Bu iki koşul sağlandıktan sonra kesme hızı bandı, kesici malzemenin sıcak sertliğine göre belirlenir. Kesme hızı ve devir hesabının kurulumu kesme hızı, devir ve ilerleme hesabı makalesinde açıklanmıştır.

Genel amaçlı frezelemede kaplamalı ince taneli karbür, hız kapasitesi ile tokluk arasında en geniş kullanım alanını sunmaya devam eder. ATH Tools kataloğundaki karbür parmak frezelerin ölçü ve tip seçenekleri düz parmak freze kategorisinde incelenebilir.

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 3685:1993, Tool-life testing with single-point turning tools (iso.org)
• ISO 8688-2:1989, Tool life testing in milling — Part 2: End milling (iso.org)
• Sandvik Coromant, Cutting tool materials (sandvik.coromant.com)
• Kennametal, PcBN turning inserts KBH10B & KBH20B, grade description and application range (kennametal.com)
• ASM International, ASM Handbook, Volume 16: Machining, "Cutting Tool Materials" bölümü
• Machinery's Handbook, Industrial Press: "Cutting Tool Materials" ve "Cemented Carbides" bölümleri
• Zong, W. J. ve ark., A critical review on the chemical wear and wear suppression of diamond tools in diamond cutting of ferrous metals, International Journal of Extreme Manufacturing (iopscience.iop.org)