Boehlerit: Sert Metal Uçlara Uygulanan Kaplamalar

Boehlerit: Sert Metal Uçlara Uygulanan Kaplamalar

Kaplamalar

Günümüzde halen sert metal uçlara en çok uygulanan kaplama yöntemi olan CVD,  öncelikle tek katlı katmanlarla başlamış, daha sonra TiC, TiN, TiCN ve Al2O3 çok katlı kaplama uygulamalarına yönelinmiştir. Metal işleme uygulamalarında maksimum performansı sağlamak için, bu katmanların sırası ve kalınlıkları ile oynanabilmektedir. Al2O3 kaplamaların yüksek sıcaklıklarda difüzyon aşınmasına ve oksidasyona dirençleri yüksek olup, yüksek sıcaklıklarda sertliklerini korumaları bu kaplamaları dök-me demir ve çeliğin yüksek hızda işlenmesinde başarılı kılmıştır.

Bir kaç yıl önce de takım üreticileri TiCN katmanında orta sıcaklık CVD (MT-CVD) tekniğini uygulamaya başlamışlardır. TiCN katmanı için C ve N kaynağı olarak buharlaşma sıcaklığı düşük olan organik asetonitril kullanılması sayesinde, yüksek sıcaklık CVD (HT-CVD) tekniğinde 1000ºC’de biriktirilebilen TiCN, 850ºC’de biriktirilmiştir. MT-CVD tekniğiyle üretilen TiCN katmanının sağladığı en büyük avantaj yüksek sıcaklığın etkisi ile kaplama/taban ara yüzeyinde meydana gelen dekarbürizasyonun sonucu olarak oluşan etafaz oluşumunu elimine etmesidir.

Geçtiğimiz 10 yıl boyunca, PVD kaplamalar, süreksiz kesme işlemlerinde ve keskin köşeler gerektiren proseslerde sert metal uçlara başarıyla uygulanmıştır. En yaygın kullanılan PVD teknikleri ark, elektron demeti ve sıçratma teknikleridir.

Sert Kaplamaların Özellikleri

Kesici takımlar üzerine uygulanan sert kaplamaların başarısı, bu kaplamaların üstün fiziksel ve mekanik özelliklerinin bir fonksiyonudur. Fonksiyonel yönden kimyasal denge, sıcak sertlik ve taban malzemeye iyi yapışma öncelikle bulunması gereken özelliklerdir.

Optimum kaplama kalınlığı ince taneli mikroyapı ve kalıntı basma gerilmeleri kaplama performansını geliştiren para-metrelerdir;

•             Kimyasal Denge

•             Sertlik

•             Mikroyapı ve Morfoloji

•             Yapışma

•             Kaplama Kalınlığı

Kaplama Yöntemleri

Gaz fazından biriktirme sert metal takımlara uygulanan tüm sert kaplamaların uygulanma yöntemini karakterize eder. Kaplanacak malzemeler kaplama reaktörüne sokulur ve taban yüzeylerinde metal ve gaz atomlarının kontrollü reaksiyonu gerçekleşir. Termal ve plazma destekli kaplama yöntemleri arasındaki temel fark, kaplama malzemelerinin buharlaştırılması ve reaksiyonu için gerekli olan enerji tipleridir.

Günümüzde Ti temelli sert kaplamalardan, TiN, TiC, TiCN ve TiAlN ile Al2O3 karbür kesici takımlara yaygın bir şekilde uygulanmaktadır. Tablo 1’de, değişik termal ve plazma kaplama yöntemleriyle üretilebilen çeşitli kaplamalar gösterilmiştir.

Tablo 1. Karbür kesici takımlara uygulanan kaplama prsesleri ve kaplamalar

Modern CVD Kaplamalar

Metal işleme uçlarının %60’ından fazlası yüksek hızlarda çalışmaya fırsat vermesinin yanında, abrazif ve krater aşınma direncini yükseltmesi açısından CVD yöntemi ile kaplanmaktadır.  Eski (HT-CVD) teknikler ile taban kaplama ara yüzeyinde oluşan gevrek etafaz, yeni geliştirilen orta sıcaklık CVD (MT-CVD) tekniği ve daha etkili C kontrolü ile aşılmıştır. Kaplamalı karbür kesici uçların kullanıldıkları prosesler arasında, tornalama, diş açma, frezeleme gibi işlemler vardır. Kabon çelikleri, alaşımlı ve paslanmaz çelikler, gri ve küresel grafitli dökme demirler ile yüksek sıcaklık alaşımları kaplı sert metal uçların kullanıldığı bazı malzemelerdir.

HT-CVD proseslerinde taban malzeme üzerinde genellikle ara yüzeyde gevrek etafaz oluşumunu engellemek üzere ilk katman olarak TiN tercih edilir. Bunun nedeni bu katmanın oluşum sıcaklığının nispeten düşük olması nedeniyle ta-ban malzeme yüzeyinde daha az dekarbürizasyona neden olmasıdır. Buna karşın torna uçlarına yapılan kaplamalar-da ilk katman olarak TiC tercih edilir. İlk katman olan TiC üzerinde büyütülen ve ana fonksiyonel katman olan TiCN ise optimum sertlik, krater ve serbest yüzey aşınma direnci eldesini sağlar.  TiCN’ü takip eden ve en dış katmanı teşkil eden kaplama ise genellikle TiN’dür.

CVD yöntemleri ile kaplanan sert metal kesici uçlarda sağlanan en büyük gelişme, MT-CVD tekniğinin özellikle frezeleme gibi süreksiz kesme işlemlerinde uygulanması olmuştur. Bu teknikte daha düşük kaplama sıcaklığı ve daha kısa kaplama süresi, kaplama-taban arayüzeyinde gevrek etafaz oluşumunu azaltarak frezeleme gibi işlemlerde kaplı takımın performansını artırmıştır. Bununla birlikte, MT-CVD işlemlerindeki düşük kaplama sıcaklığı ve yüksek birikme hızı morfolojinin kolonsal olmasına yol açmıştır.

HT-CVD yöntemi ile üretilmiş Al2O3 kaplı takımlar çelik ve dökme demirlerin yüksek hızlarda işlenmesinde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu kaplamalar ile seramik kesici takımların çalışma hızına yakın hızlarda çalışmak mümkündür.

MT-CVD yöntemi ile üretilen TiCN kaplamaların tokluk özellikleri ile Al2O3 kaplamaların üstün yüksek sıcaklık özelliklerini birleştiren kompleks CVD kaplamalarda geliştirilmiştir. Bu kombine kaplamalar (MT TiCN-Al2O3) frezeleme ve tornalama işlemlerinde başarıyla uygulanmaktadır.

PVD Kaplamalarda Sağlanan Gelişmeler

PVD teknolojisinde sağlanan gelişmeler, TiCN, TiAlN, TiZrN ve CrN gibi yeni kaplamaların ticarileşmesini de beraberinde getirmiştir.

Günümüzde kaplı uçların çoğunluğunu CVD yöntemi ile kaplanmış uçlar oluştursa da, frezeleme, matkaplama, diş açma gibi operasyonlarda PVD yöntemiyle kaplanmış takımlar üstünlük sağlamaktadır. PVD kaplamalar, yük-sek sıcaklık alaşımları ve ostenitik paslanmaz çelik gibi işlenmesi zor parçaların işlenmesinde de başarılı sonuçlar vermektedir.

Elmas Kaplamalar

Elmas kaplamaların bazı üstün özellikleri arasında, yüksek sertlik, düşük sürtünme katsayısı ve düşük ısıl genleşme katsayısı sayılabilir. Elmasın, periyodik tablonun 4A ve 7A elementleri ile reaksiyona girmesinden dolayı, bazı demir dışı ve metal olmayan malzemelerin işlenmesinde kullanılması mümkün değildir. Elmas kaplı uçlardaki aşınma, oksidasyon, kimyasal reaksiyon ve mikro kırılmaların bir fonksiyonudur.

Elmas kaplamalar pürüzlü bir yüzeye neden olacak şekilde çokyüzlü (faceted) bir morfolojiye sahiptir. Talaş yüzeyin-de pürüzlü elmas yüzleri mikroskobik talaş kırıcılar gibi iş görürken, serbest yüzeydeki elmas yüzleri, iş parçasının yüzeyinin pürüzlü çıkmasına yol açar.

Otomotiv sanayi özellikle Al-Si alaşımlarından yapılan elemanların işlenmesinde elmas kaplı takımları kullanmaktadır. Metal matris kompozitlerin işlenmesi de elmas kaplı takımların bir diğer uygulama alanıdır.

Elmas kaplı takımların diğer potansiyel alanları, ağaç işleme endüstrisi ve C-C kompozit malzemelerin işlenmesidir.