DIN 115CrV3 çeliğinden; ısıl işlemli, TiN ve CrN ile kaplamalı üretilen kesici uçların, mikroyapı ve kesme performansının incelenmesi
Investigation of microstructural characteristics and cutting performance of hardened cutting tools from DIN 115CrV3 steel coated with TiN and CrN
Yazar: MUSTAFA ÖZGÜR ÖTEYAKA
Danışman: PROF. DR. M. MUSTAFA YILDIRIM
Dumlupınar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Fiziksel buhar biriktirme = Physical vapour deposition ; Kızak aşınması = Slideway wear ; Sertleştirilmiş çelik = Hardened steel ; Sürtünme aşınması = Abrasive wear ; Takım aşınması = Tool wear

Özet:
Bir soğuk iş takımı çeliği olan DIN 115CrV3 çeliği; yeterli mukavemet ve sünekliğe sahip ve sanayide matkap ucu, rayba, havşa, pim ve zımba yapımında kullanılan bir malzemedir. Maliyeti düşük olan bu çelikten, ısıl işlem uygulanarak ve seramik kaplamalar yapılarak çok değerli kesici uçlar üretmek mümkündür. Ancak ısıl işlem görmeyen ve kaplanmayan DIN 115CrV3 çeliğinden yapılan kalemlerin talaş kaldırma işlemlerinde aşınma ve kesme performansı oldukça düşük ve yetersiz kalmaktadır. Bu özellikleri artırabilmek, kesme performansı ve aşınma dayanımını yükseltebilmek amacı ile böyle çeliklere, ısıl işlem ve ardında da seramik kaplama işlemleri uygulamak gerektiği düşünülmüştür.Yapılan bu deneysel çalışmada; DIN 115CrV3 çelik malzemeden hazırlanmış kesici uçlar sertleştirilip, gerginlik giderme tavı uygulandıktan sonra fiziksel buhar biriktirme yöntemi kullanılarak, yüzey kaplama işlemi yapılmıştır. Daha sonra üretilen kesici uçların üzerinde abrasiv ve adhesiv aşınma ve kesme performansı testleri gerçekleştirilmiştir. Taramalı elektron mikroskobu (SEM), atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ve enerji dağılımı spektroskopisi (EDS), X-ışını difraksiyon spektroskopisi (XRD) analiz teknikleriyle, malzemelerin mikroyapıları, yüzey pürüzlülükleri; ayrıca bu yapılara bağlı olarak; sertlik ve aşınma özelliklerinin değişimi deneysel olarak incelenmiştir.Deneysel çalışmalarda, piyasadan alınan DIN 115CrV3 çeliğinin küreselleştirme ısıl işlemi gördüğü ve hazır durumda sertliğinin 372 HV olduğu tespit edilmiştir. Sertleştirme işlemlerinde en yüksek sertlik değeri 780 °C'de 820 HV olarak bulunmuştur. TiN ve CrN kaplamaların malzeme yüzeyine üniform bir şekilde kaplandığı ve TiN kaplamanın yüzey pürüzlüğünün CrN'e göre yaklaşık 10 nm daha düşük olduğu tespit edilmiştir. Artan ve sabit yük altında yapılan adhesiv aşınma deneylerinde, kaplamalı ve kaplamasız kesici takımların aşınma dirençleri farklı çıkmıştır; artan yük ile yapılan çalışmada TiN ve CrN kaplı kesici takımların sürtünme katsayıları sertleştirilmiş martenzitik çelik kesici takıma göre daha yüksek elde edilmiştir. Buna karşılık sabit yük altında yapılan deneyde ise kaplamasız takımın sürtünme katsayısı diğerlerine göre yüksek çıkmıştır. Ayrıca, CrN kaplamalı kesici takımlar, TiN kaplı kesici takımlara göre daha yüksek yüklerde adhezyon bozukluğu ve kaplama kalkmasına (delaminasyona) maruz kaldığı gözlenmiştir. Akustik emisyon deneylerinde en yüksek iç gerilme, sertleştirilmiş kesici takım, ardından CrN'de ve en düşük iç gerilme de TiN kaplı kesici takımlarda tespit edilmiştir. Sabit yük altında yapılan adhesiv aşınma deneyinde, sertleştirilmiş martenzitik çelik ve CrN kaplı kesici takımda aşındırıcı küreden kopan W elementinin varlığına EDS analizlerinde rastlanılmış, fakat TiN kaplı kesici takımda W kalıntısı bulunamamıştır. Abrasiv aşınmada, yük oranı arttıkça ağırlık kaybının da arttığı gözlemlenmiştir. Sertleştirilmiş martenzitik çelik kesici takım, diğer iki kesici takıma göre en fazla aşınan kesici takım olmuştur. Bunun yanında, her üç takımın mikroyapı ve EDS analizlerinde, yüksek miktarda Mn elementinin izine rastlanılmıştır. Bunun anlamı da yüzeyde abrasiv aşınmanın yanında adhesiv aşınmanın da gerçekleştiği bulgularına ulaşılmıştır. On-line izleme metodu, talaş kaldırma esnasında, iş parçasının yüzeyinden aldığı boyutsal değişimden yola çıkarak kesici takımların performansı hakkında bilgi vermektedir. Buna göre düşük devirde yapılan talaş kaldırmada en az aşınan kesici uç TiN olmuştur. Yüksek devirlerde CrN kaplı kesici ucun TiN'e göre hafif üstünlük sağladığı görülmektedir. Yapılan mikroyapı analizlerinde her üç kesici takımda da kırılma ve sıvanmaların olduğu görülmüştür.Bu tez çalışmasında; DIN 115CrV3 çeliğinden hazırlanan kaplamasız ve kaplamalı kesici takımlardan öncelikle TiN kaplamalı ucun, sonra CrN kaplamalı ucun ve en az da sadece sertleştirilip temperlenen ucun endüstriyel anlamda kullanıma elverişli oldukları sonuçlarına ulaşılmıştır.

Abstract:
DIN 115CrV3 steel is a low alloyed cold working tool steel which has sufficient strength and ductility. It uses to produce machine tools such as spiral and tap drills, broaching tools, metal saws. It is possible that from these low-alloyed and cheaper cost steel, after an appropriate heat treatment process and then ceramic coatings to produce very valuable cutting tools. Normally, the wear and cutting performances of a DIN 115CrV3 steel in thermal processless and uncoated condition is very low and insufficient. To improve cutting performance and wear resistance, these steels need a thermal processes such as hardening and stress relieving tempering, and also coating with a thin seramic layer respectively.In this work, cutting tools made of DIN 115CrV3 steel have been as first hardened, stress free tempered and then surface coated by using a physical vapor deposition method. As a last step the abrasive and adhesive wear behavior, and cutting performance tests were performed. Scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) analysis techniques have been used to analyse microstructures of produced cutting tools and to determine the surface roughness. In addition, the alteration of hardness and wear characteristics have been investigated.In experimental studies it was identified that DIN 115CrV3 steel which has been obtained from market had a hardness of 372 HV was already heat treated and its microstructure consists of nodular annealed pearlite. In hardening process, the highest hardness value have been obtained as 820 HV after annealing at 780 °C temperature and quenching into the cold water. TiN and CrN coating layers cover the surface of substrate uniformly and the surface roughness of TiN layer in comparison with CrN layer has been found thinner and less than 10 nm. Experiment results under a constant or an increasing load the adhesive wear behaviors of coated or uncoated cutting tools were found differently. Under an increasing load TiN and CrN coated cutting tools have been given a higher friction coefficient than the hardened and stress free tempered martensitic steel. However, the tests carried out that the friction coefficient of the hardened martensitic steel under constant load was higher than the other coated tools. In addition, the CrN coated cutting tools under high loading has been shown an adhesion disorder and delamination in comparison with TiN coated cutting tools. Accustic emission experiments shows that there is internal stress in hardened martensitic steel tool than the others. The lowest internal stress has been found in TiN coated cutting tools. After adhesive wear test under a constant load, trace of W metal abrasive particles was identified on the surface of hardened martensitic steel tool and CrN coated cutting tools, but it wasn?t found any W metal traces on the surface of TiN coated cutting tools. At abrasive wear, weight loss was observed when the load increased. According to the abrasive wear results, the hardened martensitic steel cutting tools had a higher weight loss in comparison with other coated cutting tools. In addition, the microstructure and EDS analysis of each three cutting tools has been shown that there are high amounts of the Mn element contents on the surface of cutting tools which came from work pieces. It means that abrasive and adhesive wear occurs on the surface. On-line monitoring method gives an information about the performance of cutting tools based on the dimensional change during machining of the work piece surface. Accordingly, at the low-speed machining, TiN coated tools have been shown lower abrasion. Likewise, according to high speeds machining results, CrN coated cutting tools have been shown a slightly superiority in comparison with TiN coated cutting tools. The microstructural analysis of each three cutting tools after abrasion tests had been shown fracture and galling.According to results of this experimental thesis it has been found that the best cutting performance has been attained by TiN coated tools which made from DIN 115CrV3 cold work steel, and can be used for industrial purposes. As well CrN coated tools had been shown enough good performance, so that its performance was better than hardened and stress free tempered uncoated tools which can?t be used so good for industrial purposes.