Nanotabakalı AlTiN/TiN kaplanmış karbür kesici takımların sert malzemelerin frezelenmesinde aşınma davranışlarının ve kesme performanslarının araştırılması
Investigation of the wear behavior and cutting performance of nanolayer AlTiN/TiN coated carbide cutting tools in milling of hard materials
Yazar: HALİL ÇALIŞKAN
Danışman: PROF. DR. CAHİT KURBANOĞLU
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Takım aşınması = Tool wear

Özet:
Sert malzemelerin işlenmesi, takım ve kalıp üretiminde büyük öneme sahiptir. Malzemelerin sertleştirilmiş halde işlenmesi ile üretkenlik artırılabilmekte, üretim maliyetleri ve kuru kesmeden dolayı çevreye verilen zarar azaltılabilmektedir. Ancak, kesme bölgesinde oluşan yüksek sıcaklık ve büyük yüklerden dolayı meydana gelen erken takım aşınması, karbür kesici takımların sert malzemelerin işlenmesinde kullanımını sınırlandırmaktadır. Karbür kesici takımların aşınma ve oksidasyon direncini artırmak için kullanılan metotlardan biri, kesici takımlar üzerine, üstün özelliklere sahip uygun bir sert kaplamanın biriktirilmesidir.Bu çalışmada, nanotabakalı AlTiN/TiN ve çok tabakalı nanokompozit TiAlSiN/TiSiN/TiAlN sert kaplamalar, endüstriyel magnetron sıçratma sistemi ile karbür kesici takımlar ve disk şeklindeki altlıklar üzerine biriktirilmiş ve karakterizasyonu yapılmıştır. Bilye ile krater açma tekniği kullanılarak kaplama kalınlıkları ölçülmüş, nanoindentasyon, çizik testi ve tribolojik test ile kaplamaların mekanik özellikleri belirlenmiştir. SEM, EDS, XRD ve TEM kullanılarak yapısal özellikleri incelenmiştir. Nanotabakalı AlTiN/TiN ve çok tabakalı nanokompozit TiAlSiN/TiSiN/TiAlN kaplamalı karbür kesici takımlar ile birlikte ticari TiN/TiAlN kaplamalı takımlar kullanılarak, kesme parametrelerinin (kesme hızı, ilerleme oranı ve eksenel kesme derinliği) ve kaplama tipinin, karbür kesici takımların kesme performansı ve iş parçasının yüzey kalitesi üzerine etkisi incelenmiştir. Yüzey frezeleme işlemlerinde iş parçası malzemesi olarak sertleştirilmiş AISI O2 (90MnCrV8) (~58 HRC) soğuk iş takım çeliği kullanılmıştır. Deneyler, tepki yüzey metodu kullanılarak 3^13 faktöriyel tasarımına göre yapılmıştır. Deneylerde, kesme kuvvetleri ve iş parçası yüzey pürüzlülüğü ölçülmüştür. Ayrıca, farklı kesme şartında, kaplamalı ve kaplamasız karbür kesici takımların aşınma testleri yapılarak, oluşan aşınma mekanizmaları ve takım ömürleri belirlenmiş ve karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Machining of hard materials has great importance in tool and mold production. With the machining of materials at hardened state the productivity can be increased, and manufacturing costs and environmental hazards can be decreased. However, the early tool wear caused by the high temperature and heavy loads in cutting zone limits the usage of carbide cutting tools in machining of hard materials. One of the methods used to increase the wear and oxidation resistance of the carbide cutting tools is the deposition of a suitable hard coating, which have superior properties, on cutting tools.In this study, nanolayer AlTiN/TiN and multilayer nanocomposite TiAlSiN/TiSiN/TiAN hard coatings were deposited on the carbide cutting tools and disc shaped substrates by industrial magnetron sputtering system, and their characterization was performed. Thickness of the coatings was measured using ball cratering technique, and mechanical properties of them were determined by nanoindentation, scratch test and tribological test. Structural properties of the coatings were investigated using SEM, EDS, XRD and TEM. Using commercial TiN/TiAlN coated carbide cutting tools, as well as the nanolayer AlTiN/TiN and the multilayer nanocomposite TiAlSiN/TiSiN/TiAN coated ones, the influence of cutting parameters (cutting speed, feed rate and axial depth of cut) and the coating type on cutting performance of the carbide cutting tools and surface roughness of the workpiece material were investigated. AISI O2 (90MnCrV8) (~58 HRC) cold work tool steel was used as workpiece material in face milling processes. The experiments were performed using response surface methodology according to 3^13 factorial design. Cutting forces and surface roughness of the workpiece were measured during the experiments. In addition, at different cutting conditions, the wear tests of the coated and uncoated carbide cutting tools were carried out, wear mechanisms and tool lifes were determined and compared.