Kesici TakımlarKaplamalar

Kesici takımlarda CVD ve PVD kaplamalar

Karbür bir kesici ucun üzerindeki ince sert katman ne işe yarar ve iki yöntem nasıl ayrılır: sıcak ve kalın, çekme yönünde gerilmeli ve kenarı yuvarlatılmış CVD; daha soğuk ve ince, basınç yönünde gerilmeli ve keskin kenarlı PVD. Kaynakların verdiği değerler ve ayrıştıkları yerler.

YayındaGüncellendi 30 Ekim 20267 dk okuma

Kaplamalı bir karbür kenar, büyütülmüş: yuvarlatılmış kenar üzerinde TiCN, Al₂O₃ ve altın renkli TiN’den oluşan CVD yığını ve çekme yönündeki gerilmeden çatlaklar

Geleneksel CVD işlem sıcaklığı (Horn); orta sıcaklık CVD’si (medium-temperature CVD) yaklaşık 700–950 °C (CTE); PVD 450 °C civarı (Horn), BALINIT kalitelerinin çoğunda 500 °C’nin altı (Oerlikon Balzers): ≈ 1000 °C
Olağan CVD kaplama kalınlığı, bazen daha kalın (CTE); kalın tornalama kaplamaları için yaklaşık 5–20 µm (Schalk ve ark.); PVD 1–8 µm (Machining Doctor): 5–20 µm
CVD ve PVD kaplamalarda artık gerilmenin yönü (Schalk ve ark.; basınç yönü için ayrıca Machining Doctor): çekme · basınç
Kaplamalı olduğu tahmin edilen değiştirilebilir kesici uç payı (CTE): %90–95

Takım dolabındaki kesici uçların neredeyse hepsi kaplamalıdır: Cutting Tool Engineering, değiştirilebilir kesici uçların yaklaşık %90 ila %95’inin kaplamalı olduğu tahminini aktarır. Schalk, Tkadletz ve Mitterer uygulamayı tek cümlede anlatır: on yıllardır kesici takımların üzerine, performanslarını artırmak için fiziksel ya da kimyasal buhar biriktirmeyle birkaç mikrometre kalınlığında koruyucu sert kaplamalar büyütülür. Ertürk iki yöntemi kimyasal buhar biriktirme (CVD) ve fiziksel buhar biriktirme diye adlandırır, Ahlatcı da fiziksel buhar biriktirme (PVD) der; Gökkaya ve arkadaşları biriktirme yerine çökeltme sözcüğünü kullanır. Alttaki malzeme çoğunlukla sementit karbürdür; kaliteler ISO 513 sayfasında, kenarların nasıl aşındığı takım aşınması sayfasında.

Kaplama ne işe yarar

Horn’dan Duane Drape, Production Machining’de beş neden sayar: daha yüksek aşınma direnci, daha yüksek oksidasyon direnci, daha düşük sürtünme, metal yorulmasına ve ısıl şoka karşı daha yüksek direnç. İki nokta daha sık tekrarlanır:

Isı bariyeri. Machining Doctor’a göre kaplamalar sertliği artırarak ve kesmenin ısısını alttaki malzemeden yalıtarak çalışır; Cutting Tool Engineering, karbüre sağladığı ısı korumasından dolayı CVD kaplamalı uçları bolca kullanan sektörlerden söz eder.
Daha az sürtünme. Kennametal’e göre kaplamalar takım ucundaki sürtünme kuvvetlerini azaltır; Machining Doctor PVD kaplamaları daha pürüzsüz ve daha az sürtünmeli diye anlatır.

CVD: kimyasal buhar biriktirme

Sıcak. Drape’e göre CVD yöntemi genellikle 1000 °C civarında sıcaklık ister. Mitsubishi Materials 800 ile 1100 °C, Schalk ve arkadaşları ısıl olarak etkinleştirilen CVD (thermally activated CVD) için 800 ile 1150 °C verir. Cutting Tool Engineering’de Kyocera’dan Brian Wilshire, CVD kaplamaların genellikle, geçmişte olağan olan 1000 °C yerine yaklaşık 700 ile 950 °C’de çalışan orta sıcaklık CVD’siyle (medium-temperature CVD, MT-CVD) biriktirildiğini söyler.
Katmanlı. Cutting Tool Engineering’de aktarılan bir takım üreticisinin ürün yelpazesinde CVD kalitelerinin çoğu alttaki malzemenin üzerinde bir TiCN katmanıyla başlar, ardından Al₂O₃ gelir, en üstte TiN bulunur; Mitsubishi’nin kalite tablosu da TiCN-Al₂O₃-TiN yazar. Gökkaya ve arkadaşları da en üstte TiN bulunan TiC, Al₂O₃ ve TiN’den oluşan CVD kaplamaya üç katlı kaplama der. Kennametal’e göre alüminayı (Al₂O₃) karbüre verimli biçimde uygulayabilen tek yöntem şu an CVD’dir; Schalk ve arkadaşları PVD ile alümina da anlatır, dolayısıyla Kennametal’in ifadesinde asıl önemli olan verimli biçimde kaydıdır.
Kalın. Cutting Tool Engineering’e göre CVD kaplamalar genellikle 5 ile 20 µm kalınlığındadır, bazen daha kalındır; Schalk ve arkadaşları kalın tornalama kaplamaları için yaklaşık 5–20 µm, Machining Doctor 5–25 µm verir. Daha kalın kaplama daha sert ve aşınmaya daha dayanıklı kalitelerle, daha ince kaplama toklukla birlikte gider (Cutting Tool Engineering); Sandvik Coromant’ın Türkçe makalesine göre de “daha yüksek kaplama kalınlıkları yüksek aşınma ve sıcaklık direnci sağlar”.
Çekme yönünde gerilme ve çatlaklar. CVD kaplamalarda genellikle çekme yönünde artık gerilme (tensile residual stress) ve yüksek yüzey pürüzlülüğü bulunur, bu gerilme de çoğunlukla kaplamada ısıl çatlaklara yol açar (Schalk ve ark.). Machining Doctor dezavantajı çatlak ve kırılmaya daha yüksek duyarlılık olarak anlatır.
Daha yuvarlak kenar. Kennametal’e göre CVD kaplamalı karbür uçlar kesici kenarda daha ağır hone (kenar yuvarlama) ister ve diş başına 0,003 inçin üzerinde ilerleme önerilir. Isı alttaki malzemeyi de etkiler: Mitsubishi Materials’a göre 1000 °C’de CVD işlemi kobalt difüzyonuna yol açar; yöntem lehimli takımlara da uygun değildir (Cutting Tool Engineering).
Nerede kullanılır. CVD uçlar tornalamaya hâkimdir: Cutting Tool Engineering’de Ceratizit’ten Christoph Czettl tornalama uçlarının en az %60’ının CVD kaplamalı olduğunu tahmin eder; Kyocera’dan Brian Wilshire payın büyük olasılıkla daha yüksek olduğunu söyler: tornalama uçlarının %70–75’i, frezeleme uçlarının ise yalnızca %10’u. Kennametal CVD kaliteleri demir esaslı malzemelerdeki uygulamaların çoğu için seçilecek kalite olarak anar. Machining Doctor kalın ve yalıtıcı CVD katmanını PVD’den yüksek kesme hızlarıyla ilişkilendirir; Kennametal’e göre alümina kaplamalar daha yüksek kesme hızlarına izin verir.

PVD: fiziksel buhar biriktirme

Daha soğuk. Drape 450 °C civarında görece düşük çalışma sıcaklıklarından söz eder; bu da keskin kenarların kaplanmasına izin verir. Oerlikon Balzers BALINIT kalitelerinin çoğu için 500 °C’nin altında bir kaplama sıcaklığı verir; bunlardan BALINIT OPTURA’yı yeni, yüksek performanslı bir PVD kaplama olarak tanıtır. Schalk ve arkadaşları alttaki malzemenin sıcaklığının oda sıcaklığına yakın tutulabildiğini de not eder.
Malzemeler. TiN, TiCN, TiAlN, AlTiN ve AlCrN bilinen kaplamalar arasındadır (Drape); uçlarda PVD ile en yaygın kaplama TiAlN’dir (Cutting Tool Engineering). TiAlN yalnız PVD’ye özgü değildir: Schalk ve arkadaşları CVD TiAlN’yi de anlatır. Birçok PVD kaplama, birkaç nanometre kalınlığında katmanlardan oluşan çok katmanlı bir yapıdır (Cutting Tool Engineering).
İnce. Machining Doctor’a göre PVD 1 ile 8 mikron arasındaki ince kaplamalar için uygundur; Schalk ve arkadaşları frezelemede kullanılan, basınç yönünde gerilmeli daha ince kaplamalar için yaklaşık 3–5 µm verir.
Basınç yönünde gerilme. PVD filmlerde genellikle yüksek kusur yoğunluğu, küçük taneler ve basınç yönünde gerilmeler bulunur (Schalk ve ark.); Türkçe kaynaklar bunu artık gerilme ve basınç gerilimi diye anar (Mandev; Kuş ve ark.). Machining Doctor’a göre basınç yönündeki artık gerilme kesici ucun tokluğunu artırır. Oerlikon Balzers’in tablosu kendi kaliteleri için −2 ile −5 GPa verir (üretici değeri).
Keskin kenar. Mitsubishi Materials’a göre keskin kenarlı takımlar, alttaki malzeme yumuşamadan ya da niteliği değişmeden kaplanabilir; Kennametal’e göre kenarlar keskin ya da yalnızca hafif yuvarlatılmıştır ve diş başına ilerleme 0,001 inçe kadar inebilir.
Nerede kullanılır. Kennametal’e göre PVD kaliteleri frezeleme, diş açma, kanal açma, kesme ve son tornalamada üstün performans gösterir. Frezeleme ve kanal açma kesintili kesmedir; Ceratizit’ten Christoph Czettl’e göre daha tok PVD kaplamalı uçların en az %60’ı bu uygulamalarda kullanılır, Kyocera’dan Brian Wilshire’a göre de frezelemede PVD kaplamalar büyük ölçüde rakipsizdir (Cutting Tool Engineering). PVD uçlar CVD uçlardan düşük kesme hızlarında çalışır (Machining Doctor); Kennametal’e göre PVD kaliteleri düşük ve orta kesme hızlarında iyi çalışır.

işlem sıcaklığı: —kaplama kalınlığı: —

kaplama kalınlığı —

Kaplamalı bir karbür kenarın büyütülmüş kesiti; hareket açıkken kaplama katman katman büyür. CVD: TiCN, Al₂O₃ ve TiN, 1000 °C civarı (Kyocera’ya göre genellikle kullanılan orta sıcaklık CVD’sinde yaklaşık 700–950 °C, CTE), yuvarlatılmış kenar, çekme yönünde artık gerilme ve çatlaklar. PVD: en yaygın PVD uç kaplaması olan TiAlN, 500 °C’nin altı, keskin kenar, basınç yönünde artık gerilme. Kaydırıcı toplam kalınlığı CVD için 5–20 µm, PVD için 1–8 µm içinde değiştirir (Cutting Tool Engineering ve Machining Doctor’ın verdiği aralıklar; Schalk ve arkadaşları PVD frezeleme kaplamaları için yaklaşık 3–5 µm verir): kalın kaplama aşınma direnci, ince kaplama tokluk için (CTE’de CVD kaliteleri için söylenir). Kaplama 10 µm ölçeğine göre çizildi; CVD katmanlarının payı, kenar yarıçapları ve altın rengi TiN dışındaki renkler şematiktir, çünkü hiçbir kaynak bunları vermez.

Altın renkli üst katman

TiN altın rengindedir: Oerlikon Balzers TiN’yi altın sarısı (golden yellow) diye listeler, CERATIZIT de çok katmanlı CVD Ti(C,N)/Al₂O₃/TiN kaplamasının altın renkli TiN dış katmanını anlatır. Rengin bir görevi vardır: CERATIZIT’ten Robert Bokram’a göre böyle bir kaplama, kullanıcının uç aşınmasını görüp uç kırılmadan önce kesici kenarı değiştirmesini sağlar; böylece keskin kenarlar kullanılmadan atılmaz.

Yan yana

	CVD	PVD
İşlem sıcaklığı	1000 °C civarı (Horn); 800–1100 °C (Mitsubishi), 800–1150 °C (Schalk ve ark.); MT-CVD yaklaşık 700–950 °C, Kyocera’ya göre genel olarak kullanılan yöntem (CTE)	450 °C civarı (Horn); BALINIT kalitelerinin çoğunda 500 °C’nin altı (Oerlikon Balzers)
Kalınlık	5–20 µm, bazen daha kalın (CTE); kalın tornalama kaplamaları için yaklaşık 5–20 µm (Schalk ve ark.); 5–25 µm (Machining Doctor)	1–8 µm (Machining Doctor); frezeleme kaplamalarında yaklaşık 3–5 µm (Schalk ve ark.)
Tipik katmanlar	TiCN → Al₂O₃ → en üstte TiN	TiN, TiCN, TiAlN/AlTiN, AlCrN; uçlarda en yaygını TiAlN
Artık gerilme	Çekme yönünde, ısıl çatlaklarla	Basınç yönünde
Kenar	Daha ağır hone (Kennametal)	Keskin ya da hafif yuvarlatılmış
Tipik kullanım	Tornalama, demir esaslı malzemeler, yüksek hızlar	Frezeleme ve diğer kesintili kesmeler, diş açma, kanal açma, son tornalama; daha düşük hızlar

Kaplamasız karbürün de hâlâ yeri vardır: Kennametal alaşımsız kaplamasız kalitelerinin başlıca uygulamasını demir dışı malzemeler olarak verir, Machining Doctor’ın tablosu ISO N malzemeler için kaplamasız kaliteler önerir; Sandvik Coromant’ın kesme ve kanal açma yelpazesinde de bir kaplamasız kalite (H13A) bulunur. Alüminyum ve diğer yapışkan malzemelerde oluşan yığıntı talaş yığıntı talaş sayfasında anlatılır.

0 / 4 kontrol edildi

01Hız ve kesme
Kontrol
Yüksek hızda sürekli tornalama mı, kesintili kesme mi?
Çözüm
Alümina kaplamalar daha yüksek kesme hızlarına izin verir (Kennametal), Machining Doctor da CVD’yi PVD’den yüksek hızlarla ilişkilendirir; frezeleme, kanal açma ve diğer kesintili kesmeler için PVD (CTE, Kennametal).
Kennametal; CTE; Machining Doctor
02Kenar
Kontrol
İşin keskin bir kenar ya da küçük ilerleme isteyip istemediği.
Çözüm
PVD keskin kenara ve diş başına 0,001 inçe kadar ilerlemeye izin verir; CVD uçlar daha ağır hone ister ve diş başına 0,003 inçin üzerinde ilerleme önerilir (Kennametal).
Kennametal; Mitsubishi Materials
03Aşınma
Kontrol
Aşınmanın kenar kırılmadan görülüp görülmediği.
Çözüm
Altın renkli bir TiN üst katman aşınmayı gösterir; kenar kırılmadan değiştirilebilir (CERATIZIT).
CERATIZIT
04Kalınlık
Kontrol
Aşınma direnci mi, tokluk mu?
Çözüm
Daha kalın kaplama daha sert ve aşınmaya dayanıklı kalitelerle, daha ince kaplama toklukla birlikte gider (CTE); Sandvik Coromant’a göre daha yüksek kaplama kalınlıkları yüksek aşınma ve sıcaklık direnci sağlar.
CTE; Sandvik Coromant

Kaynaklar (17)

Bu sayfadaki her değer ve alıntı aşağıdaki belgelerden alındı.