Kobalt esaslı alaşımların bağlayıcı matris olarak kullanıldığı doğal taş kesiminde kullanılan elmas kesici uçların karakterizasyonu
Characterization of diamond cutting tools using cobalt base alloys as the binding matrices
Yazar: FERİT TOPALOĞLU
Danışman: PROF. DR. EYÜP SABRİ KAYALI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Sabit sıcaklık = Constant temperature

Özet:
Doğal taş blokların plakalara ayrılması işleminde çeşitli kesici sistemler kullanılmaktadır. Bunlar düz testere sistemi, dairesel testere sistemi, çoklu elmas tel sistemi ve elmas kemerli bant kesim sistemidir. İçlerinden elmas kesici uçlara sahip dairesel testereler doğal taş kesiminde oldukça yaygın olarak kullanılan malzemelerdir.Genellikle toz metalürjisi yöntemiyle üretilen kesici uçlar elmas taneleri ve metal tozlarının karıştırılmasıyla oluşturulan kompozit bir malzemedir. Elmas kesici uçlarda verimliliği etkileyen birçok faktör vardır. Kullanılan makinenin gücü, operatörün tecrübesi, üretim yöntemi ve tasarım gibi parametrelerde değişiklik yaparak kullanılan makinenin verimliliği arttırılabilmektedir. Bunlar içerisinde elmas kesici uçlarda kullanılan metal matrisin seçimi verimliliği etkileyen önemli bir parametredir.Kesilecek taşın türüne bağlı olarak metal bağlayıcı ve elmas seçilmektedir. Genellikle kesilecek taş ile paralel aşınacak şekilde bir matris tasarımı öngörülmektedir. Üstün özelliklerinden dolayı genellikle bağlayıcı matris olarak kullanılan kobalt esaslı alaşımlar yüksek maliyetinden dolayı son zamanlarda yerini diğer alaşımlara bırakmaktadır. Kobaltın yerini alması açısından demir esaslı alaşımlar bronz esaslı alaşımlara göre daha öndedir. Fakat pahalı olmasına rağmen kobalt tozları doğal taş kesici uç üretiminde en etkili malzeme özelliğini korumaktadır.Bu çalışmada 9 farklı kompozisyonda toz metalürjisi ve spark plazma sinterleme ile üretilmiş kobalt esaslı alaşımların bağlayıcı matris olarak kullanıldığı elmas katkılı kesici uçların karakterizasyonu yapılmıştır. Co-Cu-Sn, Co-Ni-Cu-Sn ve Co-Ni-Cu-Sn-WC alaşımındaki malzemeler performanslarının belirlenmesi için mekanik deneylere tabi tutulduktan sonra karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır. Bağlayıcı olarak kullanılan metalin cinsine göre davranışları incelenmiştir.Elde edilen sonuçların irdelenmesi için numuneler X ışınları ile yapılan faz analizleri (XRD), optik mikroskop (OM), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve enerji dağılımlı X ışını spektroskopisi (EDS) ile yapılan analizler ile incelenmiştir. Yapısal ve mikro yapısal analizler ile malzeme içindeki fazlar belirlenerek malzemeye etkisi irdelenmiştir. XRD sonuçları, SEM görüntüleri ve bölgesel EDS sonuçları ile desteklenerek mikroyapı belirlenmiştir. Ayrıca kırık yüzeyden alınan SEM görüntüleri yardımıyla malzeme içindeki elmasın tutunma yeteneği gözlemlenmiş, kaplamalı elmasların avantajı ortaya çıkmıştır.Yoğunluk ölçümü sonucu hem malzemelerdeki boşluk miktarı hem de farklı sıcaklıkta üretilen numunelerin yoğunlaşma davranışları ortaya çıkmıştır. Yapılan sertlik ölçümü, basma deneyi ve üç nokta eğme deneyi sonuçları birbirleriyle uyumludur. Yoğunluk ile sertlik değeri arasında, sertlik ile basma ve eğme mukavemeti arasındaki ilişkiler irdelendiğinde daha yoğun malzemeler daha iyi sertlik değerlerine ulaşmıştır. Oluşan katı çözeltilerin de sertliği arttırıcı etkisi ortaya çıkmıştır. Co-Ni-Cu-Sn alaşımındaki numuneler sertlik, basma ve eğme mukavemeti değerleri açısından en iyi sonuçlar elde edilmiştir.Bu çalışma sonunda kobalt esaslı alaşımlara kobalt oranının artması ve nikel ilavesinin mekanik özellikleri iyileştirdiği ve özellikle 850ºC'de sinter yoğunluğunu arttırdığı tespit edilmiştir. Elmasların WC kaplanmasının grafitleşmeyi engellediği, kaplama içermeyen elmas yüzeylerinde de üretim koşullarında bozulma meydana gelmediği ortaya çıkmıştır. Genel olarak yüksek sıcaklıkta sinterlenen numuneler daha yüksek yoğunluk ile beraber daha iyi mekanik özellikler göstermiştir.Sonuç olarak incelenen kobalt esaslı alaşımların bağlayıcı matris olarak kullanıldığı elmas katkılı kesici uç kompozit malzemeler içinde 4 numaralı Co-Ni-Cu-Sn alaşımlı ve 8 numaralı Co-Ni-Cu-Sn-WC alaşımlı numunelerin en iyi mekanik özelliklere sahip olduğu tespit edilmiştir. Ekonomik koşullar göz önüne alındığında, Co oranı düşük olması sonucunda daha ekonomik olan 4 numaralı numunenin doğal taş kesiminde kullanımı 8 numaralı numuneye göre kullanımı daha uygundur.

Abstract:
Stone cutting is a chip-forming process where the debris is removed by means of cutting tools, therefore, diamond tools have been widely used in stone cutting industry over the past few decades. A variety of diamond tools is in the need of industry including circular sawing, frame sawing, wire sawing and core drilling.Impregnated diamond cutting tools are manufactured by powder metallurgy techniques. They consist of diamond particles embedded in metal matrix. In order to increase productivity of these tools, there are some parameters such as experience of operator, peripheral speeds, cutting rates, machine power, coolant supply, production route and design. Material parameter has lately become vital to be optimized.Diamond impregnated cutting tool composites should match with the processed material for the optimum processing condition. It should have also a balance between abrasion of the matrix and the wear of the diamonds. Chemical interaction between diamonds and matrix is of primary importance as well. As the most used binder to provide these properties, cobalt alloys are being substituted by other alloys such as bronz and cobalt alloys due to health problem, higher sintering temperature and price fluctuation.Iron has recently been used widely as the metallic matrix of circular diamond tools. Like cobalt alloys, iron alloys show great technical properties such as toughness, high hardness and yield strength. Coating on diamonds also influences some properties of the composite. With the help of the active elements like titanium, transitional carbide layer can be formed between diamond and matrix so as to enhance the toughness and reduce the thermal attacks by matrix elements. This kind of coatings also increases the wettability of some elements on diamond such as copper and tin, in fact they are poor wetting elements.In this work, the performances of metal-bonded diamond cutting tools manufactured by powder metallurgy and spark plasma sintering techniques were investigated using iron based alloys as the bonding matrix. The samples of Co-Cu-Sn, Co-Ni-Cu-Sn and Co-Ni-Cu-Sn-WC alloys with addition of 20-25 vol % of diamond grits were processed by powder metallurgy techniques. The structure of composites was investigated by X-ray diffraction analysis(XRD). The microstructures, diamond retention capability and metal-diamond interface was studied by electron microscopy on the fracture surfaces. Mechanical properties including hardness, compressive and transverse rupture strength along with densification were studied as well.Considering densification results of samples, higher densifications were attained for samples which were manufactured relatively at high temperatures. All samples sintered at 850°C showed better results compared with their counterparts sintered at 800°C. Besides samples with high Cu and Sn (above 70% vol.) content displayed less porosity due to liquid phase sintering. Ni had some positive effect on reducing porosity when sintered at 850°C. On the other hand, diamonds in the matrix had negative impact on achieving in theoretical density values.Rockwell B hardness measurement was applied so as to define the hardness values of samples. Samples produced at relatively high temperatures showed obviously higher hardness values. Expected hardness values might not be gained due to residual porosity in some samples. Co-Ni-Cu-Sn alloys have highest hardness values because of the fact that in the presence of iron in the matrix, nickel diffuses into iron to form Cu-Ni solid solution. Some NiSn intermetallic compound might be also formed although it is not found by XRD analysis. Samples containing Cu and Sn (above 70% vol.) indicate lower hardness values as expected. When examining Cu-Co-Sn alloys, the higher cobalt content in the matrix is, the higher the hardness of the material becomes.In order to specify performance of diamond cutting tool of different matrix, compressive and transverse rupture tests were carried out. According to the compressive test results, Co-Ni-Cu-Sn alloys had the highest compressive strength, which nickel addition to the matrix was responsible for. As mentioned above hardness values along with compressive strength were highest for these alloys as a result of nickel addition. It is worth asserting that yield strength of these alloys is almost the same with compressive strength of other alloys. It is observed that only sample 4 and sample 8 have semi-ductile fracture behavior whereas all other samples just cracked. Co-Cu-Sn alloys have excess percent reduction in length among the samples as a consequence of high content of the bronze in matrix. Addition of cobalt to the matrix and decreasing of bronze content as Cu-Co-Ni alloys gives rise to an increase in compressive strength.Like the compressive strength, transverse rupture strength (TRS) of the specimen increases with the increase of the sintering temperature which means that retention capability of diamonds is better at 850°C. At higher sintering temperatures diffusion is much easier to take place, resulting in good bonding between diamond and matrix as well as among metal matrix. Transverse rupture strength results resembles like hardness measurement values. Co-Ni-Cu-Sn alloys have the highest TRS. Co-Cu-Sn alloys indicated ductile behavior during the test, which was seen on strain-percent elongation graph. Moreover these samples are not cracked resulting from high content of Cu and Sn elements in the matrix. Materials showed more ductility among other samples. On the other hand, diamonds in the matrix behave like faults triggering initiation of cracks. It can be recognized that TRS of the samples is much higher which contain no diamond.The structure was investigated by X-ray diffraction analysis, microstructure by electron microscopy. By taking into account of Cu-Co-Ni alloys, XRD patterns indicate formation of Co-Ni solid solution which was verified by energy dispersive spectroscopy (EDS) on the scanning electron microscope (SEM) as well. Moreover some Cu peaks were observed which may be Co-Ni and Cu-Co solid solutions. Increase in cobalt content gives rise to enhancing strengthening effect by Fe-Co solid solution. This explains how hardness is improved by increasing cobalt content in the alloy. Considering Fe-Cu-Sn alloys, microstructure consisted of bronze and iron which was seen both by XRD and EDS analyses. Although not seen by XRD analysis, clustering of a phase which was thought to be FeSn, was detected on SEM image except bronze and iron, when increasing iron content in the matrix. According to XRD and SEM analyses, Cu-Sn solid solution and bronze comprise the microstructure of the Co-Ni-Cu-Sn alloys. Ni-Sn intermetallic compound is thought to be formed as well. Both NiSn and Cu-Sn solid solution contribute to higher hardness values among other samples.Despite the different structures of samples, the cohesion between the uncoated diamonds and matrix is not as high as cohesion between the coated diamonds and matrix, as observed by SEM analysis on the fracture surfaces of the samples. EDS analyses were conducted to examine diamond-matrix interface. Being evidence of no chemical bonding between diamond and matrix, no elements was found on the diamond surfaces for uncoated diamonds whereas Ti, Co and Cu were found on the coated diamond surfaces. Besides, for the pull-out zones, constituents such as Fe and Cu were detected, indicating that fracture occurred at the side of bond matrix. Thermal degradation of diamonds was not observed.As a result of this study, it is concluded that nickel addition to cobalt based matrix of diamond cutting tools (samples 4 and 8) reveals excellent performance taking into consideration of hardness, compressive and transverse rupture strength. Increase in the sintering temperature and the coating of diamond brings about better mechanical properties as well as better retention capability of diamonds.