Şekil hafızalı NiTi alaşımın kriyojenikişlem uygulanmış takımlarla işlenebilirliği
Machinability of NiTi shape memory alloy bycryogenically treated tools
Yazar: EMRE ALTAŞ
Danışman: PROF. DR. HASAN GÖKKAYA
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Akıllı malzemeler = Intelligent materials ; CNC frezeleme = CNC milling ; Takım aşınması = Tool wear ; Şekil bellekli alaşımlar = Shape memory alloys

Özet:
Akıllı malzemeler, dış uyarıcıya maruz kaldıklarında özelliklerini değiştirme
kabiliyetine sahip malzemelerdir. Akıllı malzeme grubundan olan ve şekil hafızalı
alaşımlar (ŞHA) içerisinde yaygın olarak kullanılan Nikel Titanyum (NiTi) alaşımının,
sahip olduğu benzersiz özellikleri nedeniyle, havacılık, otomotiv, tekstil ve
biyomedikal alanında kullanımı giderek artmaktadır. NiTi ŞHA'ların şekil hafızası,
yüksek süneklik ve deformasyon sertleşmesi, çapak ve beyaz tabaka oluşumu ile
süperelastisite etkileri bu numunelerin talaşlı imalat ile şekillendirilmelerini
zorlaştırmaktadır. Yapılan çalışmada, NiTi ŞHA'ın yüzey frezeleme operasyonunda,
sığ (-80 ºC) ve derin (-196 ºC) kriyojenik ısıl işlem uygulanmış (KİU) kaplamalı ve
kaplamasız karbür kesici takımlarla, bor katkılı (EG+%5BX) ve etilen glikol (EG)
kesme sıvıları ile minimum miktarda yağlama (MQL-Minimum Quantity Lubrication)
şartlarında, farklı işleme parametrelerinde işlenebilirliği araştırılmıştır. Kesici takım
v
olarak kaplamasız tungsten karbür (H13A), fiziksel buhar biriktirme (PVD-Physical
Vapor Deposition) yöntemiyle TiAlN kaplanmış tungsten karbür (S30T) ile kimyasal
buhar biriktirme (CVD-Chemical Vapor Deposition) yöntemiyle TiN/Al2O3/TiCN
kaplanmış tungsten karbür (S40T) kullanılmıştır. Kesme deneylerinde işleme
parametresi olarak üç farklı kesme hızı (20, 35 ve 50 m/dak), ilerleme oranı (0.03, 0.07
ve 0.14 mm/diş) ve sabit kesme derinliği (0.7 mm) kullanılmıştır. Yapılan yüzey
frezeleme işlemleri sonucunda işleme parametrelerindeki değişime bağlı olarak
ortalama yüzey pürüzlülüğü, bileşke kesme kuvveti, yanak aşınması ve yüzey
bütünlüğü incelenmiştir. Yüzey bütünlüğü; işlenmiş yüzey katmanlarının mikroyapı,
mikrosertlik ve mevcut fazları açısından değerlendirilmiştir. Deneyler; Taguchi L27
orthogonal dizinine göre gerçekleştirilmiş, ortalama yüzey pürüzlülüğü, bileşke kesme
kuvveti ve yanak aşınması üzerine etki eden faktörler ve bu faktörlerin etki dereceleri
varyans analizi (ANOVA-Analysis of Variance) ile belirlenmiştir. Yüzey frezeleme
işlemlerinde en düşük ortalama yüzey pürüzlülüğü, bileşke kesme kuvveti ve yanak
aşınmasını sağlayan optimum işleme parametrelerini belirlemek için Taguchi metodu
ile çok kriterli karar verme (ÇKKV) yöntemleri kullanılmıştır. ÇKKV yöntemleri
olarak gri ilişkisel analiz (GRA-Gray Relational Analysis), ideal çözüm benzerliğine
göre tercih sıralaması tekniği (TOPSIS-The Technique for Order of Preference by
Similarity to Ideal Solution) ve karmaşık oransal değerlendirme (COPRAS-Complex
Proportional Assessment) teknikleri kullanılmış olup, elde edilen sonuçlar birbiri ile
karşılaştırılmıştır. Aşınmış takımlar üzerinden taramalı elektron mikroskobu (SEMScanning electron microscope) ile görüntü alınarak aşınma tipi ve mekanizmaları
belirlenmiştir. Yapılan X ışını kırınım (XRD-X-ray Diffraction) analizleri ile kesici
takımlardaki ve numunelerdeki faz dönüşümleri incelenmiştir. Yapılan yüzey
frezeleme işlemleri sonrasında uygulanan Taguchi ve ÇKKV yöntemleri sonucunda,
NiTi ŞHA'ın işlenmesi sırasında en düşük ortalama yüzey pürüzlülüğü, bileşke kesme
kuvveti ve yanak aşınmasını sağlayan optimum işleme şartları, derin KİU CVD
kaplamalı S40T karbür kesici takım ile EG+%5BX kesme sıvısı kullanılarak yüksek
kesme hızı (50 m/dak) ve düşük ilerleme oranında (0.03 mm/diş) elde edilmiştir.
Karbür kesici takım üzerine kaplama uygulaması, kriyojenik ısıl işlem sıcaklığının
artırılması, EG+%5BX kesme sıvısı kullanılması, kesme hızının artırılması ve ilerleme
oranının azaltılması ortalama yüzey pürüzlülüğünü, bileşke kesme kuvvetini ve yanak
aşınmasını azaltmıştır. Derin KİU kesici takım kullanılmasıyla, kriyojenik ısıl işlem 
vi
uygulanmamış (KİUY) kesici takıma göre ortalama yüzey pürüzlülüğünde % 7,
bileşke kesme kuvvetinde % 6, yanak aşınmasında ise % 12 iyileşme sağlamıştır. CVD
kaplamalı S40T kesici takımlar kullanılarak, H13A kesici takımlara göre ortalama
yüzey pürüzlülüğünde % 17, bileşke kesme kuvvetinde % 9, yanak aşınmasında ise %
24 iyileşme elde edilmiştir. EG+%5BX kesme sıvısının kuru kesme şartlarına göre
kullanımında ortalama yüzey pürüzlülüğünde % 20, bileşke kesme kuvvetinde % 11,
yanak aşınmasında ise % 26 iyileşme elde edilmiştir. Deney çıktı değişkenleri üzerinde
en etkili işleme parametresinin ilerleme oranı olduğu belirlenmiştir. Kesici takımlarda
baskın aşınma tipleri yanak aşınması ve yığıntı talaş oluşumu olarak gözlenmiştir.
Yüzey bütünlüğü analizlerinde işlenmiş yüzeyde en yüksek mikrosertlik değeri
işlenmiş yüzey altında mikroyapının en fazla deformasyona uğradığı bölgede, en
düşük mikrosertlik değeri ise en az deformasyona uğramış bölgede tespit edilmiştir.
Anahtar Sözcükler : NiTi şekil hafızalı alaşım (ŞHA), frezeleme, yüzey bütünlüğü,
kriyojenik ısıl işlem, kesme performansı ve aşınma davranışı.

Abstract:
Smart materials are the materials which have the ability of changing their properties
when they subject to an external activator. Usage of nickel-titanium (NiTi) alloy,
which is from the group of smart materials and highly used among shape memory
alloys (SMAs), increases gradually in aviation, automotive and biomedical fields due
to their unique properties. Shape memory effect, high ductility and deformation
hardening of the NiTi SMAs together with chip and white layer formation makes
machinability of these materials difficult. In this study, machinability of NiTi SMAs
was investigated with shallow (-80 ºC) and deep (-196 ºC) cryogenic heat treated,
coated and uncoated carbide cutting tools with boron added (EG+%5BX) and ethylene
glycol (EG) cutting fluids under minimum quantity lubrication (MQL) conditions at
different machining parameters. As cutting tools, uncoated tungsten carbide (H13A),
TiAlN coated tungsten carbide (S30T) by PVD method and TiN/Al2O3/TiCN coated
tungsten carbide cutting tools by CVD method were used. The cutting experiments
viii
were carried out at machining parameters of three different cutting speeds (20, 35 and
50 m/min), feed rates (0.03, 0.07 and 0.14 mm/rev) and constant cutting depth (0.7
mm) were used. As a result of the face milling processes performed, mean surface
roughness, resultant cutting force, flank wear and surface integrity were investigated
depending on the change in machining parameters. Surface integrity was evaluated in
terms of microstructure, microhardness and existing phases of surface layers. The
experiments were performed according to L27 orthogonal array of Taguchi. The factors
affecting mean surface roughness, resultant cutting force and flank wear and the level
of influence of these factors were determined by analyze of variance (ANOVA). In
order to determine the optimum cutting parameters providing minimum mean surface
roughness, resultant cutting force and flank wear, Taguchi method and multi criteria
decision making (MCDM) methods were used. GRA (Gray Relational Analysis),
TOPSIS (The Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution) and
COPRAS (Complex Proportional Assessment) were used as MCDM methods, the
results obtained were compared with each other. Wear types and mechanisms were
determined by taking images on the worn tools using scanning electon microscope
(SEM). Phase transformations in cutting tools and workpiece were investigated by Xray diffraction (XRD) analysis. As a result of Taguchi and MCDM methods applied
after face milling processes, optimum cutting conditions providing minimum mean
surface roughness, resultant cutting force and flank wear during machining of NiTi
SMA were obtained with deep cryogenic heat treated, CVD coated S40T carbide
cutting tool using EG+%5BX cutting fluid at high cutting speed (50 m/min) and low
feed rate (0.03 mm/rev). To deposit a hard coating on carbide cutting tool, to increase
the cryogenic heat treatment temperature, to use the EG+%5BX cutting fluid, to
increase the cutting speed and to decrease feed rate decreased the mean surface
roughness, the resultant cutting force and the flank wear. Deep cryogenic heat treated
cutting tool provided an improvement of 7 % in mean surface roughness, 6 % in
resultant cutting force and 12 % in flank wear compared to the untreated tools. Using
the CVD coated S40T cutting tools, an improvement of 17 % in mean surface
roughness, 9 % in resultant cutting force and 24 % in flank wear compared to the H13A
cutting tools. By usage of the EG+%5BX cutting fluid, an improvement of 20 % in
mean surface roughness, 11 % in resultant cutting force and 26 % in flank wear were
obtained compared to dry cutting conditions. The most influential factor on experiment 
ix
response variables was determined as the feed rate. The dominant wear types on
cutting tools were observed as flank wear and build-up-layer formation. In surface
integrity analysis, the highest microhardness on the machined surface was determined
in the zone subjected to highest deformation under the machined surface, while the
lowest one in the zone subjected to the least deformation.
Key Word : NiTi shape memory alloy (SMA), milling, surface integrity, cryogenic
heat, cutting performance and wear behavior