Elmas kesici takımlarda mikroyapısal karakterizasyon üzerinden özelliklerin optimizasyonu

Abstract

ELMAS KESİCİ TAKIMLARDA MİKROYAPISAL KARAKTERİZASYON ÜZERİNDEN ÖZELLİKLERİN OPTİMİZASYONU Muzaffer ZEREN Anahtar Kelimeler : PCD takımlar, eğme mukavemeti, hata karakterizasyonu Özet : Bu çalışmada mermer, granit ve doğal taş kesiminde kullanılan elmas kesici takımlarda genel hata karakterizasyonu ile mikroyapısal karakterizasyon yapılarak özelliklerin optimizasyonu sağlanmaya çalışılmıştır. Elmaslı kesici takımın performansı ile işlem kalitesini belirleyen önemli bir faktör, sıcak preslemede basınç, sinterleme sıcaklığı ve zamanının bir fonksiyonu olarak oluşan bağ karakteristiğidir. Başarılı bir elmaslı kesici takım dizaynı, yüksek kaliteli matriks tozları ile elmasların uygun seçimi ile başlar. Matriks, -herhangi bir zarar vermeden- elmas taneleri sıkı bir şekilde tutmalıdır ve kesme sürecinde belirli bir aşınma göstererek, hem mikro düzeyde sabanlama yapan elmas tanesinin uç kısmının rahat işlem yapması, hem de talaş akışının rahat gerçekleşmesini sağlamalıdır. Bu çalışmada mikroyapısal optimizasyonun sağlanması için öncelikle hata karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Toz metalürjisi teknikleri ile oluşturulan bu tip kesici/aşındırıcı malzeme yapılarında özellikler açısından dikkat edilmesi gereken en önemli faktör temizliktir (çalışma ortamının temizliği, kullanılan tozlar ile elmasların temizliği). Zayıf elmas-matriks bağlantısı ile matriks içerisindeki oksit filmleri ve inklüzyonlar çoğunlukla çatlak başlatıcı rolünü üstlenir. Elmas tanecikleri de içyapısal hatalarının yanısıra boyut, şekil ve yer dağılımlarıyla hata olarak devreye girebilir. Değişik matriks ve elmas bileşiklerinde yapılan eğme mukavemeti testleriyle hem malzemelerin toklukları -sert malzemelerde genellikle uygulandığı gibi eğme mukavemeti üzerinden -belirlenmiş, hem de kırılma yüzeylerinde çatlak oluşumuna yolaçan hatalar saptanarak klasifıkasyona sokulmuştur. Mikroyapısal karakterizasyon çalışmalarında elmas kesici takımların matriks oluşumunun belirlenmesi için ışık mikroskobu (İM), tarama elektron mikroskobu (SEM), enerji-dispersiv x-ışın spektrografısi (EDX) ve görüntü analizi (I A) teknikleri gibi değişik metalografik ve elektronmetalografik tekniklerin yardımı ile fazların hem mikroyapısal, hem de kimyasal değişik analizleri yapılmıştır. Faz boyutu, şekli ve yer dağılımının saptanması için İM da değişik renkli dağlama teknikleriyle çalışılmıştır. SEM'de topografık kontrast ile dağlanmış yüzeylerde ve materyal kontrastı ile parlatılmış yüzeylerde mikroyapısal faz/fazlar hakkında sinterleme karakteristikleri (tozlararası bağ oluşumu, yüksek sıcaklık yayınma etkisi vb.) üzerine önemli detay bilgi elde edilmiştir. Yine topografık kontrast ile kırılma yüzeylerinde hasar analizi gerçekleştirilerek fazlararası bağlantıların ve elmas-matriks bağlantılarının gerilme altında davranışı belirlenmiştir. Nihai olarak aşınma mekanizmasının saptanması ve aşınma altında elmas-matriks kompozisyonunun davranışının saptanması amacıyla aşınma yüzeyleri SEM de incelenmiştir. Genelde doğaltaş kesiminde kullanılan elmas kesici takımlarda ana aşınma mekanizmasının abrasiv aşınma olduğu görülmüştür. Kesme gücü açısından -matriksin aşınma karakteristiği kadar- elmas tanelerinin de kesme sürecinde oluşan basma ve kayma gerilmeleri altındaki tutumunun son derece önemli olduğu anlaşılmıştır. Böylece elektron metalografisi tekniklerinin uygulanmasıyla değişik tür elmas kesici takımlarda faz/fazlar karakteristiğinin özelliklere etkisi açık olarak ortaya konulabilmiştir.

THE PROPERTY OPTIMIZATION OF DIAMOND CUTTING TOOLS WITH THE HELP OF MİCROSUTRUCTURAL CHARACTERIZATION Muzaffer ZEREN Keywords: PCD tools, transverse rupture test, defect characterization Abstract : In this study, a general defect and microstructure characterization in diamond cutting tools used in marble, granite and natural stone cutting has been investigated. Due to this study a property-microstructure relationship, especially for toughness and performance could be realized. An important factor determining the performance of the PCD tool and the quality of the cutting operation is the bond characteristic obtained during hot pressing as a function of the pressure, sintering temperature and time. Successful diamond tool design starts with the appropriate choice of high quality matrix powders and diamonds. The matrix should support the diamond particles without damaging them. During cutting the matrix is expected to wear to some extend providing the tips of the diamond particles run easily and also chip flow smoothly. In this study for a microstructural optimization, the defect characterization should be realized primarily. With this type of cutting/abrasive material produced by the PM techniques the primary important factor for their properties is cleanness (cleanness of operation media, cleanness of powders and diamonds used). In general, a weak diamond-matrix bond as well as oxide films and inclusions in the matrix overtake the role of crack initiation. Also the diamond particles can act as defects through their size, form and area distribution (clustering). Transverse rupture tests which are generally used for hard material were carried out with different matrix and diamond compositions. The toughness of the tested materials were determined and the defects leading to crack formation are classified. In microstructural characterization studies, various microstructural analyses were performed using the techniques of light microscopy (LM), scanning electron microscopy (SEM), energy-disperse x-ray spectrograph^ (EDX) and image analysis (IA). The material contrast technique in SEM was applied on the polished surfaces in order to obtain more detailed information regarding the microstructural phase/phases existed. Different colour etching techniques in LM were applied to obtain phase size, form and area distribution. SEM was applied on the polish surface in order to obtain detailed information regarding the microstructural phase/phases, sintering characterization (formation of bond reaction between metallic powders, effect of high temperature diffusion). The bond behaviour of different phases in the matrix as well as the diamond-matrix under the stress were determined using the topographic contrast technique in image analysis. Finally, fracture surfaces were investigated in SEM to determine wear mechanisms acting and the behaviour of diamond-matrix mixture during wear. The main wear mechanism acting during cutting of natural stones with diamond cutting tools as in this case is the abrasive wear. It was realised that not only the wear characteristic of matrix, but also behaviour of diamond particles under compression and shear stresses which were formed during cutting were important. Thus the influence of phase/phases on the property characteristics could be found clearly by electronmetallography techniques used.