10. İŞLENEBİLİRLİK 10.1. Giriş
İşlenebilirlik, standardize edilmiş bazı özelliklere göre genel anlamda (üniversal) tanımlanamaz. Genellikle, iş parçası malzemesinin, ne kadar kolay işlenebileceği veya bir kesici takımla iş parçasının istenilen biçime getirilmesindeki ihtiyaçlar anlamında, işlenebilme (talaş kaldırmak suretiyle) yeteneğidir. Orta karbonlu çelik ısı direnci yüksek (HSTR) bir alaşımla karşılaştırıldığında daha kolay işlenir. Yine aynı şekilde gri dökme demir, çil (hızlı soğutulmuş) dökme demirden daha kolay işlenir. Bununla beraber yapışma eğilimi (sıvanan) düşük karbonlu çelik için ihtiyaçlar, bazı paslanmaz çeliklerden daha yüksektir. Ancak, değişik işleme metotları ve şartlardan dolayı (kesici takımlardaki gelişmeler gibi), işlenebilirlik kavramı belirsizdir ve karşılaştırılabilir değerlerle kolayca ölçülemez.
İş parçası malzemesinin işleme prosesini (yöntemini) etkileyen tüm özelliklerinin bir karşılaştırması muhtemelen daha kesin olmakla beraber, ihtiyaç duyulan dokümantasyon, tüm malzeme tedarikçilerinden kolayca elde edilemez. İş parçası malzemesinin metalurjisi, kimyasal yapısı, mekanik özellikleri, ısıl işlemi, katkıları, kalıntıları (inklüzyonları), yüzey tabakası vb. özellikleri, kesici kenar, takım bağlama, takım tezgahı, operasyon (işlem) ve işleme şartları gibi işlenebilirlik üzerinde etkilidir. Malzemeler için işlenebilirlik değerleri en iddialı durumlarda bile daha ileri düzeyde optimizasyon için başlangıç değerlerine kılavuzluk eder.
İş parçası malzemesini tanımak için başarılı bir işleme operasyonun gerçekleştirilmesini sağlayan faktörlerin değerlendirilmesinde modern ve esnek bir yaklaşım esastır. Bununla beraber genellikle, her parçanın maliyeti, verimlilik oranı, belirli bir yüzey kalitesi oluşturabilmek için kestirilebilir takım ömrü ve işleme emniyeti sağlamak gibi daha önemli öncelikler bireysel üretimle ilgili işlenebilirlik kavramı için esastır. Sınırlı bir malzeme dizisindeki belli sayıda operasyonun gerçekleştirilmesinde bir atölye veya işlemedeki (talaş kaldırmadaki) zorluklar veya kolaylıklara göre kendi özelliklerini benimser. İşlenebilirliği geliştirmek için: döküm kalitesini iyileştirmek, malzemeyi kolay işlenebilir hale getirmek-değiştirmek, takım malzemesini, takım geometrisini, bağlama şartlarını veya kesme sıvısı vb. değiştirmek gerekebilir.
En geniş anlamda işlenebilirlik, aşağıdaki kriterlerle tanımlanan “kesici takım-iş parçası” çiftinin işleme karakteristiği gibi görünür. Bu kriterler:
Takım ömrü
Talaş oluşumu ve talaşın uzaklaştırılması (atılması)
Yüzey kalitesi
Kaldırılan talaş miktarı (talaş kaldırma oranı)
Kesme kuvveti/gücü/özgül kesme direnci
Sıvanma (Build-Up-Edge/BUE) eğilimi
Kullanılabilir iş parçası malzemesi verileri ve işleme deneylerinin bir kombinasyonuyla, işlenebilirlik değerlendirmesi, geniş üretim şartlarındakine uygun olarak gerçekleştirilebilir.
Bununla beraber, düzenlemenin birinde iyi olan işlenebilirlik, bir diğerinde iyi olmayabilir. Örnek olarak; bir iş parçası malzemesinin sertliği ve dayanımı işlenebilirliği belirten tipik bir örnek olmayabilir. İnklüzyonlar (kalıntılar), kolay işleyebilme katkıları, mikro yapı, sert ve aşındırıcı bileşenler, sıvanma eğilimi vb.
faktörler önemli olabilir. Belirli bir iş parçası için iyi işlenebilirlik sergileyen bir takım tipi ve malzemesi, diğer bir iş parçası malzemesi için uygun olmayabilir. İş parçasının işlenebilme kabiliyeti ve etkinliği çeşitli faktörlere göre belirlenir. Bunlar:
o İş parçası malzemesi o Takım tezgahı
o İşleme biçimi (operasyon) o Takım
o Kesme parametreleri o Kesme sıvısı vb.
Metallerin işlenmesinde temel malzeme grupları:
1. Çelik
2. Paslanmaz çelik 3. Dökme demir
4. Isıl dirençli alaşımlar 5. Alüminyum vb.
6. Sert çelikler 7. Titanyum
Bu malzeme gruplarında karşılaşılan talaş biçimleri
Şekil 10.1’de görülmektedir.
Şekil 10.1. Malzeme gruplarında talaş biçimleri.
10.2. İş Parçası Malzemesinin Özellikleri
İşlenebilirliğin değerlendirilmesi ve işleme şartlarının optimizasyonu amacıyla yaygın kullanılan iş parçası malzemeleri gözden geçirildiğinde öncelikle temel malzeme özellikleri ve bunların işlenebilirliği nasıl etkilediği dikkate alınmalıdır.
Şekil 10.2’deki diyagramlar “karbon muhtevası” ile değişen 4 temel mekanik malzeme özelliğindeki genel eğilimleri göstermektedir. Bunlar:
A. Çekme dayanımı B. Sertlik
C. Darbe dayanımı
D. Uzama (yüzde uzama-süneklik)
Şekil 10.2. Malzemelerin temel mekanik özelliklerinin karbon muhtevası ile değişimi:A-Çekme dayanımı, B-Sertlik, C-Darbe dayanımı, D-Yüzde uzama
Sertlik ve Dayanım:
Genellikle düşük sertlik ve dayanım değerleri daha uygundur. Düşük yüzey kalitesine çapak oluşmasına ve kısa takım ömrüne sebep olan BUE oluşmasından dolayı problemlere yol açan çok sünek malzemeler bu durumun dışındadır. Soğuk çekme işlemleri ve benzeri yollarla arttırılmış sertlik pozitif bir etkiye sahiptir.
Süneklik:
Düşük süneklik değerleri genellikle olumludur. Talaş oluşumu bir avantajdır ve enerji verimli bir talaş kaldırma yöntemi söz konusudur. Düşük süneklik yüksek sertlikte oluşur ve bunun tersi yüksek süneklik, düşük sertlik demektir. İyi işlenebilirlik, genellikle sertlik ve süneklik arasındaki bir uzlaşma noktasındadır. Şekil 10.3’te bir
çekme dayanımı (TS)’ye karşılık sertlik (H) ve süneklik (D)’deki değişme görülmektedir.
Şekil 10.3. Çekme dayanımı (ts)’ye karşılık, sertlik (h) ve süneklikteki (d) değişme.
Termal İletkenlik:
Yüksek termal (ısıl) iletkenliğin anlamı, talaş kaldırma işleminde oluşan ısının, süratle kesme bölgesinden uzaklaştırılması demektir. İşleme açısından bakıldığından, yukarıdaki sebeple yüksek değerle termal iletkenlik genellikle faydalıdır. Termal iletkenlik işlenebilirlik açısından önemli bir rol oynayabilir. Fakat maalesef bazı alaşım grupları için daha fazla iyileştirilmesi mümkün değildir. Şekil 10.4’de bazı malzemelerin termal iletkenliklerini (TC), yaklaşık işlenebilirlik değerleri ile ilişkisini göstermektedir.
Şekil 10.4. Termal iletkenlik (TC) ile işlenebilirlik değeri (M) arasındaki ilişki:
1) Alüminyum 2) Alaşımsız çelik 3) Alaşımlı çelik 4) Paslanmaz çelik 5) HSTR alaşımlar
Pekleşme (Deformasyon Sertleşmesi):
Plastik deformasyon sırasında, metotların dayanımı, değişen değerlerle artar.
Dayanımdaki artış deformasyon vizesine (oranına) ve malzemenin pekleşme kabiliyetine bağlıdır. Yüksek pekleşme oranının anlamı, deformasyon oranındaki (miktarındaki) artışa bağlı olarak hızlı bir dayanım artışıdır.
Çelikler işlenirken, deformasyon oranı oldukça bölgeseldir ve özellikle kesici kenara yakındır. Yüksek pekleşme (deformasyon sertleşmesi) oranına sahip malzemelere örnek olarak östenetik paslanmaz çeliklere ve çeşitli yüksek sıcaklık alaşımları verilebilir. Karbonlu çelikler, oldukça düşük pekleşme oranına sahip malzemelere örnek olarak gösterilebilir.
Yüksek pekleşme oranı talaş oluşumu için çok daha fazla enerji ihtiyacı (yüksek özgül kesme kuvveti-direnci) demektir. Sertlikteki ciddi bir artış daha sonra, işlenmiş bir yüzeyde ine katman oluşmasın sebep olur.
Pekleşme ile sertleşmiş tabakanın kalınlığı, ilerleme değeri ile aynı olursa, kesici kenar şiddetli gerilimlere maruz kalacaktır. Pekleşme ile oluşan tabakanın kalınlığı ve sertlik düzeyi kesici kenardaki deformasyon miktarıyla orantılıdır. Büyük bir talaş açısına sahip kesici bir kenar deformasyon miktarını azaltır. Bu sebeple pozitif bir geometri katmanın azaltılmasına yardımcı olacak ve bunun sonucu olarak da kesici kenardaki gerilmeler azalacaktır. Bununla beraber, pekleşme, BUE oluşumunu engellemek için bir avantaj olabilir.
İnklüzyonlar (Kalıntılar):
Malzemenin yapısı içerisinde iki tip kalıntıdan (inklüzyonlardan) söz etmek mümkündür. Makro düzeydeki ve mikro düzeydeki inklüzyonlardır.
Makro inklüzyonlar, boyutu 150µm’den büyük olan inklüzyonlardır. Bunlar genellikle, çok sert ve aşındırıcı olup, inklüzyonlardan bağımsız bir malzemeyi kuşatma eğilimlerinden dolayı önemlidir. Düşük kaliteli çeliklerde bulunan inklüzyonlar, üst cüruf veya uygun olmayan cüruf alma vb. gibi fırınlanma sırasındaki üretim kaynakları menşelidir. Pek çok ani takım kırılma problemleri muhtemelen bu tip inklüzyonlarla açıklanabilir.
Mikro inklüzyonlar, değişik miktarlarda çelik içinde daima mevcuttur. Bunların işlenebilirlik üzerindeki etkisi üçe ayrılabilir:
1. İstenmeyen inklüzyonlar
2. Nispeten istenmeyen inklüzyonlar 3. İstenen (arzu edilen) inklüzyonlar
1. Alüminaller ve spineller (Al2O3 ve Ca) gibi inklüzyonlar istenmeyen inklüzyonlardır. Bunlar sert ve aşındırıcı özelliktedir.
2. Nispeten istenmeyen (daha az istenemeyen) inklüzyonlar demir ve mangan oksitleridir. (FeO, MnO). Bunların deforme edilebilme kabiliyeti bir önceki gruptan daha yüksektir ve talaş akışına katılabilirler.
3. İstenen inklüzyonlar yüksek kesme hızlarında silikatlar (Si)’dır. Bunun sebebi silikatlar, yeterince yüksek kesme sıcaklıklarında yumuşarlar ve bu sayede kesme bölgesinde olumlu etki yapan bir katman oluştururlar. Bu katman takım aşınmasını geciktirir.
Günümüzde SiCa’la deoksidasyona maruz bırakılmış kalsiyum deoksidasyonlu çelikler mevcuttur ki bu çeliklerde düşük ergime sıcaklığına sahip inklüzyonların elde edilmesi ve bu münasebetle bir katma oluşturulması mümkündür. Bu inklüzyonlarda, aslında nispeten yüksek kesme hızları için uygundur.
Kolay İşleme Katkıları (Katkılar):
Çeliğin işlenebilirliğini geliştirmek için en yaygın metot, sülfür (kükürt) ilavesidir. Kolay işlenebilen çeliklerdeki kükürt miktarı işlenebilirliği iyileştirilmiş çeliklerdekinin yaklaşık on katıdır. Yeterli miktarda mangan ihtiva eden çelik sağlandığında, kükürt ve mangan, mangan sülfata dönüşecektir. Talaş oluşumu sırasında bu sülfat inklüzyonları, düşük dayanımlı düzlemler oluşturacak şekilde plastik deformasyona uğrar ve böylece çatlak oluşumu ve yayılımı için gerekli enerji azalır. Bu birinci kayma (kesme) bölgesindeki deformasyonu kolaylaştırır. Kayma açısının ve talaş yarı çapının artmasına sebep olurken talaş kalınlığında, takım/talaş temas boyunda ve işleme sıcaklığında azalmaya sebep olur. İlaveten, sülfat, takım/talaş ara yüzeyinde bir yağlayıcı gibi görev yapar. Bununla beraber, tamamen aynı sülfür muhtevasına sahip aynı tip iki çelik için işlenebilirlik önemli ölçüde farklı olabilir. İşlenebilirlik, çelikte alaşım elemanı olarak bulunan kükürtten ayrı kükürt ve kurşun inklüzyonları ile iyileştirilebilir. Aynı zamanda, sülfatların boyutu, biçimi ve dağılımı da işlenebilirliği tayin eden faktörler arasındadır.
Diğer yaygın kullanılan katık elemanlarından “kurşun”da mangan sülfata benzer davranışlar sergiler. Kurşun ve kükürdün beraber ilave edilmesi yaygındır.
Oldukça yeni bir katkı elemanı olan “selenyum”da genellikle kükürtle beraber kullanılır. Sülfür ve selenyum katkılı kolay işlenebilir çelikler, karbonlu çelikler ve ferritik-martensitik ve östenitik paslanmaz çeliklerde yaygındır.
Kurşunlu veya yeniden sülfürize edilmiş kurşunlu çelikler sadece karbonlu çeliklerde mevcuttur.
ÖZET: İşlenebilirliği etkileyen temel malzeme (iş parçasına ait) özellikleri ve bunların artan değerlerinin işlenebilirlik üzerindeki etkileri Çizelge 10.1 ve Çizelge 10.2’de özetlenmiştir.
Çizelge 10.1. İşlenebilirliği etkileyen temel malzeme özellikleri.
1 Sertlik ve Dayanım 2 Süneklik
3 Termal iletkenlik
4 Pekleşme (Deformasyon Sertleşmesi) 5 İnklüzyonlar (Kalıntılar)
6 Kolay işleme Katkıları
Çizelge 10.2. Malzeme özelliklerinin artan değerlerinin genel işlenebilirlik etkileri.
Artan Değerleri (…nın) Genel İşlenebilirlik Etkisi
Sertlik ve Dayanım -
Süneklik -
Termal İletkenlik +
Pekleşme -
İnklüzyonlar (Makro/Mikro) - (-/+)
Kolay işleme katkıları ++
10.3. İşleneblirliği Etkileyen Diğer Malzeme Özellikleri
Malzemelerin, işlenebilirlik üzerinde önemli etkisi olan temel özellikleri bir önceki bölümde anlatılmıştır. Bunlara ilaveten malzemelrin bazı diğer özellikleri de işlenebilirlik üzerinde söz sahibidir. Bu özellikler:
- Malzemenin yapısı/morfolojisi - İş parçası şartları
- Yüzey tamlığı-düzgünlüğü - Alaşım elementleri
10.3.1. Malzemenin yapısı
Malzemenin yapısı işlenebilirliği etkiler. Öyle ki, bazı yapılar, aşındırıcı özelliktedir ve malzemelerin dayanımı yapı tipiyle değişir.
Çelikteki aşındırıcı bileşen “karbürler”dir (carbide). Bunların miktarı ve biçimi, malzeme özellklerini doğrudan etkiler. Karbon ve diğer alaşım elementlerinin miktarı, yapıyı doğrudan etkiler. Karbon, karbonlu çeliklerdeki en önemli alaşım elementi olup, muhtevasına bağlı olarak çok farklı yapılar elde edilebilir. Oda sıcaklığında ve sertleştirme işlemi uygulanmamış şartlarda, çelikte östenite ilave olarak ü tip yapı (faz)’dan söz etmek mümkündür ve bunlar işlenebilirliği doğrudan etkiler. Bu fazlar;
Ferrit
Perlit
Sementit
Ferrit, yumuşak ve sünek özelliklere sahipken bir demir-karbon bileşiği olan sementit elde edilebilecek en sert yapıdır ve su verme ile elde edilebilecek martensit’ten bile serttir. Perlit ise, ferrit ve sementitin lameller(plakalar levha şeklinde) bir karışımıdır. Lameller, ferrit ve sementit şeklinde sıralanmış olup, sertlik açısından orta değerde yer alır. Lameller perlitin sertliği aynı zamanda lamellerin boyutuna (kalınlığına) bağlıdır. İnce lameller tipli perlit,kaba olana göre daha serttir. Çünkü bünyesinde daha fazla sementit barındırır.
Çeliğin yapısındaki ferrit, perlit ve sementit miktarı, temelde doğrudan çeliğin karbon muhtevasına bağlıdır. Sementitin yüksek aşındırıcı özelliğinden dolayı, küçük bir miktar sementit bile, takım ömrü ve işlenebilirliği dikkate değer ölçüde etkiler.
Bunlara ilaveten, ferritik çelikler genellikle martensitik çeliklere göre daha iyi işlenebilirlik özellikleri sergilerler.
10.3.2. İş parçası şartları
İş parçasına ait şartlar şöyle sıralanabilir:
Sıcak haddelenmiş
Normalize (ıslah edilmiş)
Tavlanmış (Yumuşatma tavlaması ya da gerilim giderme tavlaması)
Soğuk çekilmiş
Sertleştirilmiş veya temperlenmiş
Sıcak haddelenmiş şartlardaki iş parçası genellikle homojen olmayan, kaba bir yapıya sahiptir. Bunun sebebi, sıcak haddeleme sırasında malzeme uzun süre yüksek
sıcaklıklara maruz kalır ve bu da nispeten kaba bir yapının oluşmasına sebep olur.
İşlenebilirlik açısından bakıldığında, homojen olmayan bu yapı, malzemenin düzgün olmayan dağılım miktarına bağlı olarak, sapmalara/boşluklara sebep olur. Bu da işlenebilirlik açısından olumlu bir özellik değildir.
Normalizasyon işlemi sırasında, malzeme östenit bölgesindeki sıcaklığa çıkarılır.
Malzeme yapısı tamamen östenite dönüştükten sonra malzeme hızla oda sıcaklığına geri soğutulur. Bu işlem, sıcak haddeleme şartlarından daha ince ve homojen bir yapı elde etmek için uygulanır. Normalizasyonun en temel amacı, malzemenin tokluk davranışını iyileştirmektir. Daha düzgün yapıdan dolayı, işlenebilirlik düzeyinde de bir iyileşme sağlanır.
Yumuşatma tavlaması durumu, gerçekte malzemeyi yumuşatmak için uygulanan bir işlemdir. İşlem sırasında, perlitteki sementit lameller küresel sementite dönüştürülür.
Sonuç olarak ferrit matris içersinde üniform (düzgün) dağılmış küresel sementitler oluşur ve sertlik önemli ölçüde düşer. Küresel yapıdaki sementitin anlamı, işleme sırasında kesici takımın sementit aşındırıcı taneciklerle çok daha kısa mesafede teması demektir. Normalde, yumuşatma tavlaması karbon miktarı %0,5’den fazla olan çeliklerde uygulanır. Yüksek karbon muhtevasında, küreselleştirme, optimumu işlenebilirlik elde etmek için yapılması gereken işlemdir. Düşük karbon muhtevasında daha yüksek perlit miktarı optimum işlenebilirlik şartları sergiler.
Yumuşatma tavlaması “gerilim giderme tavlaması” ile karıştırılmamalıdır.
Gerilim giderme tavlamasının amacı, isminden de anlaşılacağı gibi malzemede, su verme veya soğuk şekillendirme sonucunda oluşan gerilmelerin giderilmesidir. Eğer bu gerilmeler giderilmeden bırakılacak olursa, talaş kaldırma sırasında serbest kalacak ve iş parçasının doğrusallığını (düzgünlüğünü) ve toleranslarını etkileyecektir (çarpılmaya sebep olur). Gerilim giderme tavlaması düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilen bir işlem olup yapıyı etkilemez ve dolayısıyla işlenebilirlik üzerinde de etkisi yoktur.
Soğuk şekillendirilmiş bir malzeme genellikle normalizasyon veya yumuşatma tavlamasına maruz bırakılır. Genellikle nispeten küçük boyutlu kütükler veya iş parçalarına uygulanır. Küçük iş parçalarında üniform bir yapı elde etmek daha kolaydır.
Soğuk şekillendirme, alanda küçülme miktarına (deformasyon yüzdesine) bağlı olarak dayanımı artırır. Soğuk şekillendirme aşağıdaki hususlar açısından, işleme şartları için uygun durumlar sergiler: - Daha iyi yüzey yapısı
- BUE oluşumunu azaltma eğilimi - Çapak oluşmasını azaltma eğilimi
İş parçasının sertliği, takım aşınmasının değerini etkiler. Yaklaşık 200 HB’ye sahip malzemelerin sementit karpit takımlarla işlenmesinde orta düzeyde (makul) bir aşınma meydana gelirken sertlikteki artma bunun üzerinde önemli rol oynar. Bununla beraber, nispeten yumuşak malzemeler BUE oluşturma eğilimi sergiler ve dolayısıyla nispeten sert malzemelerde olduğu gibi işlenebilirliği negatif olarak etkiler.
10.3.3. Yüzey tamlığı-düzgünlüğü
Yüzey düzgünlüğü veya düzensizliği; işleme sırasında makro inklüzyonların sergilediği durumu sergiler ve düşük yüzey kalitesine, ani takım kırılmalarına veya hızlı takım aşınmasına sebep olur. Ön işlemeye tabi tutulmuş bir malzeme tercih edilmesi, çoğu zaman daha iyi sonuçlar verir. Taslaklar (blok-kütük) üzerindeki büyük toleranslar, ekstra işleme operasyonları ile istenen boyutun ve yüzey kalitesinin elde edilmesi için daha fazla efor sarf etmek anlamına gelebilir. Modern üretimde, en önemli faktörlerden biri de yüzey düzgünlüğü ve kalite gibi spesifikasyonlar ve kontrollerdir.
10.3.4. Alaşım elementleri
Alaşım elementleri, malzeme özellikleri üzerinde çok önemli bir etkiye sahiptir.
Karbon (C), çelikteki mekanik ve işlenebilirlik özelliklerini belirleyen en önemli elementtir. Diğer alaşım elemanları; nikel (Ni), kobalt (Co), mangan (Mn), vanadyum (V), molibden (Mo), niobyum (Nb), tungsten (W), bakır (Cu) vb. bazı alaşım elemanları ise işlenebilirlik üzerinde önemli pozitif etkiye sahiptir. Kükürt (S), fosfor (P), kurşun (Pb) bunlara örnek olup kolay işlenebilir çeliklere ilave edilirler. Talaş oluşumu, genellikle sünekliği azaltan alaşım elementleri ile iyileştirilebilir. İş parçası malzemesinin kimyasal analizi, malzemenin işlenebilirliği konusunda bize çok şey söyler. Aşağıda negatif ve pozitif etkiye sahip elementler gösterilmiştir.
Negatif etkileyenler: Mn, Ni, Co, Cr, V, C<%0.3, C>0.8, Mo, Nb, W Pozitif etkileyenler: Pb, S, P, C (%0.3-0.6)
