Süper alaşım (Hastelloy c22) çeliğinin kriyojenik işlem uygulanmış takımlarla işlenebilirliğinin araştırılması
An investigation of cryogenicaly treated turning tools on the machining of Hastelloy c22
Yazar: SITKI AKINCIOĞLU
Danışman: PROF. DR. HASAN GÖKKAYA
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Konvansiyonel torna tezgahları = Conventional lathe machinery ; İleri imalat teknolojisi =

Özet:
Hastelloy C22 süper alışımı; deniz suyu, bakır klorür, klorin, formik asit, asetik asit, asetik anhidrid, gibi çok çeşitli kimyasal ortamlara karşı üstün korozyon dirence sahip olması nedeniyle geniş bir kullanım alanı bulunan Nikel-Krom-Molibden alaşımıdır. Nikel esaslı süper alaşımların, talaşlı imalatları esnasında kesme bölgesinde oluşan yüksek ısı, kesici takımların hızlı şekilde aşınmalarına neden olmaktadır. Kesici takım aşınmasına bağlı takım sarfiyatının artması, iş parçası kalitesini düşürmekte ve üretim maliyetini arttırmaktadır. Bu nedenle nikel esaslı süper alaşımların işlenmesinde kesici takımların performanslarının iyileştirilmesi ve ideal kesme hızı, ilerleme ve takım türünün belirlenmesi üretim maliyetlerinin azaltılmasında ve ürün kalitesinin arttırılmasında önemli bir faktördür. Bu çalışmada, havacılık ve kimya sanayinde yoğun olarak kullanılan Hastelloy C22 süper alaşımın sığ ve derin kriyojenik işlem uygulanmış farklı kesici takımlarla işlenebilirliği araştırılmıştır. Tornalama deneylerinde kaplamasız tungsten karbür, PVD kaplamalı tungsten karbür, CVD kaplamalı tungsten karbür ve seramik takımlar kullanılmıştır. Kesme parametresi olarak, tüm kesici takımlarda 0,1- 0,2 ve 0,3 mm/dev ilerleme oranı ve 1 mm kesme derinliği sabit kullanılmıştır. Kaplamasız tungsten karbür, PVD kaplamalı tungsten karbür, CVD kaplamalı tungsten karbür takımlar için kesme hızı (30, 60 ve 90 m/dak) ve seramik takımlar için (350, 400 v3 450 m/dak) kullanılmıştır. Tornalama deneylerinde elde edilen esas kesme kuvveti, ortalama yüzey pürüzlülüğü, takım aşınması ve talaş morfolojisi değerlendirilmiştir. Ayrıca kriyojenik işlemin kesici takımlara etkisini analiz etmek için mikro yapı incelemeleri, elektrik iletkenliği ölçümü, sertlik ölçümü ve XRD analizi yapılmıştır. Elde edilen kesme kuvveti, ortalama yüzey pürüzlülüğü, takım aşınması sonuçlarına göre kesici takımlara uygulanan sığ ve derin kriyojenik işlemin kesici takımların performansını arttırdığı tespit edilmiştir. En iyi ortalama yüzey pürüzlülüğü derin kriyojenik işlem uygulanmış (CER-CT2) seramik takımla 450 m/dak kesme hızı ve 0,1 mm/dev ilerleme oranında 0,369 μm, en yüksek ortalama yüzey pürüzlülüğü ise kriyojenik işlem uygulanmamış (CER-UT) seramik takımla 350 m/dak kesme hızı ve 0,3 mm/dev ilerleme oranında 4,863 µm elde edilmiştir. En düşük esas kesme kuvveti derin kriyojenik işlem uygulanmış CVD kaplamalı tungsten karbür takımla (CV-CT2) 90 m/dak kesme hızı ve 0,1 mm/dev ilerleme oranında 350,24 N, en yüksek esas kesme kuvveti ise derin kriyojenik işlem uygulanmış kriyojenik işlem uygulanmamış tungsten karbür takımla (UT), 90 m/dak kesme hızı ve 0,1 mm/dev ilerleme oranında (1348,36 N) elde edilmiştir.

Abstract:
Because Hastelloy C22 super alloys exhibit superior corrosion resistance against a great variety of chemical environments like sea water, copper chloride, chloride, formic acid, acetic acid and acetic anhydride, these nickel-chromium-molybdenum alloys are widely used in a number of fields. The high heat generated in the cutting region during the machining of nickel-based alloys causes rapid wear of the cutting tools. Cutting tool wear results in increased consumption and production costs and reduced workpiece quality. Therefore, determination of the ideal cutting speed, feed rate and tool type is an important factor in improving the cutting tool performance, reducing the production costs and improving product quality during the machining of nickel-based super alloys. This study investigated the machinability of Hastelloy C22 super alloys, which are extensively used in the aviation and chemical industries, by applying shallow and deep cryogenic treatment to different cutting tools. In the turning experiments, uncoated tungsten carbide, PVD-coated tungsten carbide, CVD-coated tungsten carbide and ceramic tools were used. Feed rates of 0.1, 0.2 and 0.3 mm/rev and a fixed depth of cut of 1 mm were determined as the cutting parameters for all cutting tools. Cutting speeds of 30, 60 and 90 m/min were applied for the uncoated tungsten carbide, the PVD-coated tungsten carbide and the CVD-coated tungsten carbide tools. Moreover, for the ceramic components, the cutting speeds were established as 350, 400 and 450 m/min. In the turning experiments, the main cutting force, average surface roughness, tool wear and chip morphology were evaluated. Furthermore, to evaluate the effect of the cryogenic process on the cutting tools, microstructure investigations, electrical conductivity measurements, hardness measurements and XRD analyses were carried out. According to the results obtained for the cutting force, average surface roughness and cutting tool wear, the shallow and deep cryogenic treatment applied to the cutting tools was found to enhance their performance.  The best average surface roughness of 0.369 μm was obtained with the deep cryogenically treated ceramic tool (CER-CT2) at a cutting speed of 450 m/min and a feed rate of 0.1 mm/rev. The highest average surface roughness of 4.863 μm was obtained with the ceramic tool untreated cryogenically (CER-UT) at a cutting speed of 350 m/min and a feed rate of 0.3 mm/rev.  The lowest main cutting force of 350.24 N was obtained with the deep cryogenically treated CVD-coated tungsten carbide tool (CV-CT2) at a cutting speed of 90 m/min and a feed rate of 0.1 mm/rev. The highest main cutting force of 1348.36 N was obtained with the tungsten carbide tool untreated cryogenically (UT) at a cutting speed of 90 m/min and a feed rate of 0.1 mm/rev.