Kesici takımların fonksiyonel derecelendirilmiş TİCN ve TİBCN ile kaplanmasının karakterizasyonu
Characterization of functionally graded TİCN and TİBCN coating of cutting tools
Yazar: CEM ERTEK
Danışman: PROF. DR. AYŞEGÜL AKDOĞAN EKER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kaplama malzemeleri = Coating materials ; Kesici takımlar = Cutting tools ; Makine mühendisliği = Mechanical engineering ; Takım aşınması = Tool wear ; Takım kaplama = Tool coating ; Takım ömrü = Tool life ; Titanyum alaşımları = Titanium alloys ; Titanyum bor = Titanium boride ; Titanyum karbür = Titanium carbide ; Titanyum nitrür = Titanium nitride

Özet:
Talaşlı imalatta işlem sürelerinin kısaltılması ve verimliliğin artırılması her zaman bir ihtiyaç olmuştur. Bu ihtiyacı karşılamak amacıyla kesici takımların niteliklerini iyileştirme arayışları günümüzde de devam etmektedir. Yapılan çalışmalarla her geçen gün kesici takım malzemelerinde sağlanan gelişmelerin yanı sıra var olan takımların yüzeylerinin kaplanması da daha ekonomik ve daha verimli bir çözüm olarak görülmüştür. 
Kesici takımların kaplanmasının amacı altlık malzemenin yüzey özelliklerini iyileştirmektir. Kaplama malzemesinin; altlık malzeme ile uyumlu, yüksek sıcaklık, aşınma ve sürtünme dayanımlarının altlık malzemeden daha iyi olması gerekir. Böylece hem takımın ömrü uzatılmış hem de verimi yükseltilmiş olur. 
Kesici takımların kaplanması ile ilgili çalışmalara 1970?lerde başlanmış ve kaplanmış takımlar, talaşlı imalatta önemli bir gelişme olarak kabul edilmiştir. Titanyum karbür (TiC), titanyum nitrür (TiN), titanyum karbonitrür (TiCN), kübik bor nitrür (CBN), krom nitrür (CrN) ve alüminyum oksit (Al2O3) yaygın olarak kullanılan kaplama malzemelerindendir. Özellikle yüksek hız çeliği ve sinterlenmiş karbür kesici takımlar geniş kullanım alanına sahip olduklarından, kaplama çalışmaları bu takımlar üzerine yoğunlaşmıştır. 
Geleneksel kaplama çalışmalarında, genellikle metal esaslı altlık malzeme üzerine seramik esaslı malzemeler, katmanlar halinde uygulanmaktadır.  Bu tür kaplamalarda, katmanların farklı ısıl genleşme katsayılarına sahip olmaları önemli bir sorundur. Talaş kaldırma esnasında oluşan yüksek sıcaklık sonucunda, katmanlar arasında farklı genleşmeler meydana gelmektedir. Oluşan farklı genleşmeler mikro çatlaklara neden olmakta ve kaplama ömrünü kısaltmaktadır. 
Mikro çatlakların oluşumunu engellemeye yönelik çalışmalar neticesinde fonksiyonel derecelendirilmiş kaplamalar (FDK) geliştirilmiştir. Bu tür kaplamalar katmansızdır ve kaplama malzemesinin özelliği kaplama kalınlığı boyunca fonksiyonel olarak değişmektedir. Katmanlı kaplamalarda görülen farklı ısıl genleşmelerin olmaması nedeniyle kaplamada ısıl genleşme farklılıklarından kaynaklanan mikro çatlaklara rastlanmamaktadır. 
Yapılan literatür taramaları sonucunda kesici takımların, TiCN ve TiBCN ile fonksiyonel derecelendirilmiş (FD) olarak kaplanması ile ilgili yeterince araştırma olmadığı görülmüştür.
Çalışmada, biri yüksek hız çeliği diğeri sinterlenmiş karbür olmak üzere iki farklı altlık malzemesinin, titanyum karbonitrür (TiCN) ve titanyum bor karbonitrür (TiBCN) kaplama malzemeleri ile fonksiyonel derecelendirilmiş olarak kaplanması amaçlanmıştır.
Literatür taramalarında ve ticari kullanımdaki takımlar incelendiğinde kesici takım kaplama kalınlıklarının, 3-9 µm aralığında olduğu görülmüştür. Ana altlık malzemelerin kaplanmasından önce ön deneysel çalışmalarla kaplamanın hedeflenen kalınlık ve yapıda olması için gereken kaplama koşulları tespit edilmiştir. 
Kaplamalar, manyetik sıçratma yöntemi ile yapılmıştır. Kaplamaların karakterizasyonu için öncelikle taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri alınmış, çizgisel EDS analizleri yapılmıştır. Alınan görüntüler ve yapılan çizgisel analizler sonucunda hem titanyum karbonitrür (TiCN) hem de titanyum bor karbonitrür (TiBCN) kaplamaların hedeflenen yapıda (FD) ve 3-9 µm kalınlığında elde edildiği görülmüştür. 
Ardından, kaplamaların karakterizasyonu için XRD analizleri, çizik testleri, aşınma testleri, sertlik ölçümleri yapılmıştır. 
Kaplamaların karakterizasyonundan sonra, herhangi bir kesme sıvısı kullanılmadan yüksek hız çeliği ve sinter karbür takımların talaşlı işleme ömürleri test edilmiştir. Sinter karbür ve yüksek hız çeliği takımların yapısal farklılıkları nedeniyle kullanım alanları ve işlem parametreleri de birbirinden faklıdır. Dolayısıyla iki farklı takımın ömür testlerinin de iki farklı malzeme kullanılarak yapılması tercih edilmiştir. Talaşlı işlenecek parçaların her iki takım için de imalatta sık kullanılan malzemeler olmasına da dikkat edilmiştir.
Yüksek hız çeliği takımlarla AISI 1040, sinter karbür takımlarla ise AISI 4140 malzemeleri talaşlı işlenmiştir. Her iki takım için kesme derinliği (ap) 2,5 mm,                               ilerleme hızı (?) 0,25 mm/dev, kesme hızları ise yüksek hız çeliği takımlar için 40 m/dak, sinter karbür takım için 100 m/dak olarak belirlenmiştir.
Talaşlı işleme çalışmalarında, ?kaplamasız?, ?katmanlı TiBCN kaplamalı? ve ?fonksiyonel derecelendirilmiş TiBCN kaplamalı? yüksek hız çeliği ve sinter karbür takımlar kullanılmıştır. Böylece hem ?kaplamasız? ve ?kaplamalı? takımların hem de ?katmanlı kaplamalı? ve ?FDK? takımların ömürleri karşılaştırılmıştır. 
Çalışma sonucunda, fonksiyonel derecelendirilmiş kaplamalı takımların, katmanlı kaplamalı takımlara göre daha uzun ömürlü oldukları görülmüş, yüksek hız çeliği ve sinter karbür takımlar için ?Aşınma ? Zaman? grafikleri de çizilmiştir.
Takım ömrü belirleme çalışmaları ile birlikte, aşınan takımların iş parçası yüzey pürüzlülüğüne etkileri de incelenmiştir. Fonksiyonel derecelendirilmiş kaplamalı takımlarla işlenen yüzeyin, katmanlı kaplamalı takımlarla işleneneden daha düşük pürüzlülüğe sahip olduğu görülmüştür. AISI 1040 ve AISI 4140 iş parçalarına ait ?Pürüzlülük ? Zaman? grafikleri de çizilmiştir.

Abstract:
Shortening the processing time and increasing the efficiency have been a need in machining at all times. The search for improving the properties of cutting tools in order to fulfill this need continues today. In addition to continuous developments in materials of cutting tools provided by the search every passing day, coating the surfaces of the existing cutting tools has been evaluated as more economical and more efficient solution.
The purpose of coating the cutting tools is to improve the surface properties of the substrate material. Coating material must be compatible with substrate material and it must have a better high temperature, wear and friction resistance than substrate material. Thus, both the tool life is extended and the efficiency is increased.
Studies deal with coating of cutting tools was started in the 1970s and coated tools were recognized as an important development in machining. Titanium carbide (TiC), titanium nitride (TiN), titanium carbonitride (TiCN), cubic boron nitride (CBN), chromium nitride (CrN) and aluminum oxide (Al2O3) are among the most widely used coating materials. Coating studies focused on especially high-speed steel and sintered carbide cutting tools as they have wide application area. 
In traditional coating studies, ceramic based materials are coated in the form of layers on metal based substrate materials.  In this type of coatings, having different thermal expansion coefficients of the layers is an important problem. As a result of occurring high temperatures during metal cutting, the different thermal expansions take place between the layers. Different expansions cause micro-cracks and this reduces the coating life. 
As a result of efforts to prevent the formation of the micro cracks, functional graded coatings (FGC) has been developed. These kinds of coatings are non-layered and properties of coating material vary functionally along the coating thickness. The different thermal expansions in layered coatings are not seen in non-layered coatings therefore micro-cracks caused by thermal expansion differences are not observed.
As a result of literature reviews, it has been considered that there is not enough research on the functional graded (FG) TiCN and TiBCN coatings of cutting tools.
In this study, two different substrate materials, which are high-speed steel and sintered carbide, to be coated as functionally graded with titanium carbonitride (TiCN) and titanium boron carbonitride (TiBCN) has been aimed. 
It has been seen that, in the literature research and search of commercial use of cutting tools the thicknesses of coating were in the range of 3-9 µm. Before coating of main substrate materials, the coating conditions needed for targeted thickness and structure have been determined by means of pre-experimental studies.
Coatings have been made by magnetic sputtering method. Firstly, scanning electron microscopy (SEM) images have been taken and linear EDS analyses have been realized for the characterization of the coatings. As a result of the images and linear analyses, it has been seen that both titanium carbonitride (TiCN) and titanium boron carbonitride (TiBCN) coatings had targeted structure (FD) and thickness of 3-9 µm.
Then, in order to determine characterization of coatings, XRD analysis, scratch test, wear test and hardness measurement have been performed. 
After the characterization of the coatings, machining lifes of high speed steel and sintered carbide tools have been tested without using any cutting fluid. Due to structural differences, usage areas and operational parameters of high speed steel and sintered carbide tools also differ from each other. Hence, performing of machining life tests of two different tools using two different materials have been preferred. The workpieces to be machined for both tools have also been noted to depict commonly using materials in manufacturing.
AISI 1040 has been machined by using high speed steel, while AISI 4140 has been machined by using sinter carbide tools. For both tools, depth of cut (ap) of 2.5 mm, feed rate (?) of 0.25 mm/rev have been determined. Cutting speed for high-speed steel and sintered carbide tools have been selected to be 40 m/min and 100 m/min, respectively.
?Uncoated?, ?laminar TiBCN coated? and ?functionally graded TiBCN coated? high-speed steel and sinter carbide tools have been in machining. Thus, tool lifes of both ?uncoated? and ?coated? and ?laminar coated? and ?functionally graded coated? tools have been compared. 
At the end of machining, it has been seen that functionally graded coated tools have longer life than laminar coated tools. In addition, ?Wear ? Time? graphs have been drawn for high speed steel and sinter carbide tools.
The effects of worn tools on the workpiece surface roughness have also been investigated along with tool life determination. The roughness of the surface machined with functionally graded coated tools has been less than that of machined with laminar coated tools. ?Roughness-Time? graphs have been drawn for AISI 1040 and AISI 4140 workpieces.