Metal Malzemelerin İşlenebilirliği

Malzemelerin işlenebilirliği (machinability), bir malzemenin kesici takımlar kullanılarak kolayca ve verimli bir şekilde şekillendirilebilme yeteneğini ifade eder. Bu kavram, imalat süreçlerinin temel taşlarından biridir ve takım ömrü, yüzey kalitesi, kesme kuvvetleri, talaş oluşumu ve enerji tüketimi gibi faktörlerle doğrudan ilişkilidir. İşlenebilirlik, malzemenin kimyasal bileşimi, mekanik özellikleri ve mikro yapısı gibi içsel özelliklerinin yanı sıra kesme koşulları, takım tasarımı ve kullanılan makineler gibi dışsal faktörlere de bağlıdır.

İyi bir işlenebilirlik, üretimde maliyet etkinliği ve yüksek kalite anlamına gelirken, düşük işlenebilirlik, takım aşınmasının artması, yüzey hataları ve uzun işlem süreleri gibi sorunlara yol açabilir. Örneğin, alüminyum gibi yumuşak bir malzeme genellikle kolay işlenirken, titanyum gibi sert ve ısıya dayanıklı bir malzeme işleme sırasında ciddi zorluklar çıkarabilir. Bu yazıda, işlenebilirlik kriterlerini, test yöntemlerini ve farklı mühendislik malzemelerinin işlenebilirlik özelliklerini detaylı bir şekilde ele alacağız. 
 

İşlenebilirlik, belirli ölçütler ve testlerle değerlendirilir. Bu ölçütler, bir malzemenin işleme performansını nicel ve nitel olarak analiz etmek için kullanılır. Başlıca kriterler şunlardır:

Takım Ömrü: Malzeme, kesici takımın aşınma hızını ne kadar etkiler? Uzun takım ömrü, iyi işlenebilirlik göstergesidir.

Kesme Kuvvetleri: Düşük kesme kuvvetleri, malzemenin kolay işlendiğini gösterir.

Yüzey Kalitesi: İşleme sonrası pürüzlülük (Ra) değeri düşükse, işlenebilirlik iyidir.

Talaş Oluşumu: Kontrollü ve sürekli talaşlar, işlemeyi kolaylaştırır.

Güç Tüketimi: Daha az enerji gerektiren malzemeler, işlenebilirlik açısından avantajlıdır.

İşlenebilirlik testleri, bu kriterleri ölçmek için standart prosedürler içerir. Örneğin:

Taylor Takım Ömrü Testi: Belirli bir kesme hızında takımın ne kadar süre dayandığını ölçer. Formül: V⋅Tn=CV, burada (V) kesme hızı, (T) takım ömrü, (n) ve (C) malzeme sabitleridir.

Kesme Kuvveti Ölçümü: Dinamometre ile kesme, ilerleme ve radyal kuvvetler kaydedilir.

Yüzey Pürüzlülük Testi: Profilometre ile Ra değeri belirlenir.

İşlenebilirlik indeksleri, malzemeleri karşılaştırmak için sayısal bir ölçek sunar. Örneğin, AISI 1212 serbest kesim çeliği %100 işlenebilirlik referansı olarak alınır. Buna göre, alüminyum alaşımları %150-200 gibi yüksek değerler alırken, titanyum alaşımları %20-30 gibi düşük değerlere sahiptir. Bu indeksler, malzeme seçiminde rehberlik eder.
 

Talaş kontrolü, işlenebilirliğin önemli bir bileşenidir çünkü talaş şekli ve boyutu, işlem verimliliğini ve güvenliğini etkiler. İdeal olarak, talaşlar kısa, kıvrık ve kolayca ayrılabilir olmalıdır. Uzun ve sürekli talaşlar, takım etrafında dolanabilir, yüzey kalitesini bozabilir ve operatör güvenliğini riske atabilir.

Talaş kontrolü, şu faktörlerle sağlanır:

Takım Geometrisi: Pozitif talaş açısı (α) ve talaş kırıcı (chip breaker) tasarımı, talaşı kıvrık hale getirir.

Kesme Koşulları: Düşük kesme hızı ve yüksek ilerleme oranı, kısa talaşlar üretir.

Malzeme Özellikleri: Sünek malzemeler (örneğin, alüminyum) uzun talaşlar oluştururken, kırılgan malzemeler (örneğin, dökme demir) kısa talaşlar verir.

Örneğin, bir paslanmaz çelik parçasını tornalarken, talaş kırıcı olmadan uzun şeritler oluşabilir; ancak uygun bir talaş kırıcı ile talaşlar 5-10 mm’lik parçalara bölünür. Talaş kontrolü, hem proses stabilitesi hem de atık yönetimi açısından kritik öneme sahiptir.
 

Çapak (burr), kesme işlemi sırasında malzemenin kesilen kenarlarında istenmeyen çıkıntılar şeklinde birikmesidir. Çapak oluşumu, işlenebilirliği olumsuz etkiler çünkü ek bir temizleme işlemi gerektirir ve yüzey kalitesini düşürür. Çapak türleri arasında giriş çapakları, çıkış çapakları ve yan çapaklar yer alır.

Çapak oluşumunu etkileyen faktörler:

Malzeme Sünekliği: Sünek malzemeler (örneğin, bakır) daha fazla çapak üretir.

Takım Keskinliği: Kör bir takım, malzemenin kesilmesinden ziyade yırtılmasına neden olur.

Kesme Parametreleri: Yüksek ilerleme oranı ve düşük kesme hızı, çapak oluşumunu artırabilir.

Çapak kontrolü için şu yöntemler uygulanır:

Takım Tasarımı: Keskin kenarlı takımlar ve uygun talaş açısı kullanımı.

Kesme Stratejisi: Çıkış çapaklarını azaltmak için kademeli kesme veya destek plakaları.

Son İşlem: Çapak alma (deburring) işlemleri, örneğin fırçalama veya kumlama.

Örneğin, bir alüminyum levhayı frezeleme sırasında çıkış çapakları oluşabilir; ancak kesme derinliğini azaltarak ve kesme sıvısı kullanarak bu sorun minimize edilebilir.
 

Farklı mühendislik malzemeleri, işlenebilirlik açısından geniş bir yelpazede özellikler sunar. Aşağıda, yaygın malzemelerin işlenebilirliklerini detaylı bir şekilde inceleyeceğiz.

Magnezyum Alaşımları

Magnezyum alaşımları, düşük yoğunlukları ve yüksek işlenebilirlikleri ile bilinir. Yumuşak ve hafif bir malzeme olan magnezyum, düşük kesme kuvvetleri gerektirir ve mükemmel yüzey kalitesi sağlar. Örneğin, bir magnezyum parçasını 300 m/dk hızda işlerken, takım ömrü uzun ve talaşlar kısa olur.

Ancak, magnezyumun yüksek yanıcılığı bir risktir. Kesme sırasında oluşan talaşlar kolayca tutuşabilir, bu da kuru işleme yerine kesme sıvısı kullanımını zorunlu kılabilir. İşlenebilirlik indeksi genellikle %200 civarındadır.

Alüminyum Alaşımları

Alüminyum alaşımları, işlenebilirlik açısından en avantajlı malzemelerden biridir. Düşük sertlik, iyi termal iletkenlik ve süneklik, alüminyumu kolay işlenir kılar. Örneğin, 6061 alaşımı 500 m/dk hızda frezelenirken, kesme kuvvetleri düşük ve yüzey pürüzlülüğü Ra 0.5 µm seviyesindedir.

Sorunlar arasında uzun talaş oluşumu ve çapak eğilimi yer alır. Talaş kırıcılar ve kesme sıvıları bu sorunları çözer. İşlenebilirlik indeksi %150-200 arasındadır.

Metal Matris Kompozitler (MMK)

Metal matris kompozitler (örneğin, Al-SiC), metal bir matris içinde seramik takviyeler içerir. Bu malzemeler yüksek mukavemet sunar, ancak işlenebilirlikleri düşüktür. Sert seramik partiküller, takım aşınmasını hızlandırır (örneğin, polikristal elmas - PCD - takımlar gerekebilir). Kesme kuvvetleri yüksektir ve yüzey kalitesi orta düzeydedir.

Örneğin, bir Al-SiC kompoziti işlerken, kesme hızı 100 m/dk civarında tutulmalı ve kesme sıvısı kullanılmalıdır. İşlenebilirlik indeksi %30-50’dir.

Bakır Alaşımları

Bakır alaşımları (örneğin, pirinç, bronz), iyi işlenebilirlik sunar. Pirinç gibi serbest kesim alaşımları, kurşun içeriği sayesinde kısa talaşlar üretir ve takım aşınması düşüktür. Örneğin, C36000 pirinci 200 m/dk hızda işlendiğinde, yüzey kalitesi mükemmeldir.

Sünek bakır ise uzun talaşlar ve çapaklar oluşturabilir. İşlenebilirlik indeksi, alaşıma bağlı olarak %70-150 arasında değişir.

Dökme Demir

Dökme demir, kırılgan yapısı sayesinde kısa ve tozlu talaşlar üretir, bu da işlenebilirliği artırır. Gri dökme demir, düşük kesme kuvvetleri ve uzun takım ömrü ile öne çıkar. Örneğin, 150 m/dk hızda işlendiğinde, yüzey kalitesi tatmin edicidir.

Küresel grafitli dökme demir ise daha sünek olduğu için işlenmesi biraz daha zordur. İşlenebilirlik indeksi %70-100’dür.

Karbon ve Düşük Alaşımlı Çelikler

Karbon ve düşük alaşımlı çelikler, imalat endüstrisinde yaygın olarak kullanılan malzemelerdir ve işlenebilirlikleri, karbon içeriğine ve alaşım elementlerine bağlı olarak değişir. Düşük karbonlu çelikler (örneğin, AISI 1018), sünek yapıları nedeniyle nispeten kolay işlenir, ancak uzun ve yapışkan talaşlar üretebilir. Örneğin, 100 m/dk kesme hızında tornalama yapıldığında, kesme kuvvetleri orta düzeydedir ve yüzey kalitesi Ra 1.0 µm civarındadır.

Yüksek karbonlu çelikler (örneğin, AISI 1045) ise daha serttir ve işlenebilirlikleri azalır. Takım aşınması artar ve kesme sıvısı kullanımı önerilir. Serbest kesim çelikleri (örneğin, AISI 12L14), kurşun veya kükürt gibi eklemlerle işlenebilirliği artırır; bu çelikler kısa talaşlar üretir ve işlenebilirlik indeksi %100-120 civarındadır. Genel olarak, karbon çeliklerin işlenebilirliği %50-100 arasında değişir.

Paslanmaz Çelikler

Paslanmaz çelikler, korozyon direnci ve mukavemetleriyle bilinir, ancak işlenebilirlikleri genellikle düşüktür. Östenitik paslanmaz çelikler (örneğin, AISI 304), yüksek süneklik ve iş sertleşmesi (work hardening) nedeniyle uzun talaşlar üretir ve takım üzerinde yüksek baskı oluşturur. Örneğin, 50 m/dk hızda frezelenirken, kesme sıcaklıkları 600°C’ye ulaşabilir ve takım ömrü kısalır.

Martenzitik (örneğin, AISI 410) ve ferritik (örneğin, AISI 430) paslanmaz çelikler ise daha kırılgan yapıları sayesinde biraz daha kolay işlenir. İşlenebilirliği artırmak için düşük hızlar, keskin takımlar ve kesme sıvıları kullanılır. İşlenebilirlik indeksi %20-50 arasındadır.

Toz Metal (P/M) Malzemeler

Toz metalurjisi (P/M) ile üretilen malzemeler, gözenekli yapıları ve homojen olmayan mikro yapıları nedeniyle işlenebilirlik açısından zorluklar çıkarabilir. Gözenekler, kesici takımın kesme kenarına zarar verebilir ve yüzey kalitesini düşürebilir. Örneğin, bir P/M çelik parçasını 80 m/dk hızda işlerken, kesme kuvvetleri dalgalanabilir ve takım aşınması hızlanabilir.

Ancak, bazı P/M malzemeler (örneğin, sinterlenmiş bronz), gözeneklerin yağ emme kapasitesi sayesinde kendi kendine yağlama sağlar ve bu da işlenebilirliği artırır. Genellikle sert karbür veya kaplamalı takımlar önerilir. İşlenebilirlik indeksi %40-70’dir.

Titanyum Alaşımları

Titanyum alaşımları (örneğin, Ti-6Al-4V), yüksek mukavemet-ağırlık oranı ve korozyon direnci ile havacılık ve medikal sektörlerde popülerdir, ancak işlenebilirlikleri çok düşüktür. Düşük termal iletkenlik, kesme bölgesinde ısı birikimine neden olur (örneğin, 800°C’ye kadar) ve bu da takım aşınmasını hızlandırır. Ayrıca, titanyumun kimyasal reaktivitesi, takım yüzeyinde difüzyon aşınmasına yol açar.

Örneğin, 30 m/dk kesme hızında delme yapılırken, kesme sıvısı olmadan takım ömrü birkaç dakika ile sınırlıdır. Polikristal elmas (PCD) veya kaplamalı karbür takımlar ve düşük hızlar önerilir. İşlenebilirlik indeksi %20-30’dur.

Nikel Alaşımları

Nikel alaşımları (örneğin, Inconel 718), yüksek sıcaklık dayanımı ve korozyon direnciyle bilinir, ancak işlenebilirlikleri son derece düşüktür. Yüksek sertlik, iş sertleşmesi ve düşük termal iletkenlik, kesme kuvvetlerini ve sıcaklıkları artırır. Örneğin, 20 m/dk hızda frezelenirken, kesme bölgesinde 1000°C’lik sıcaklıklar ölçülebilir ve takım hızla aşınır.

Bu malzemeler için sert karbür takımlar, kesme sıvıları ve düşük ilerleme oranları gereklidir. İşlenebilirlik indeksi %10-20’dir ve bu, nikel alaşımlarını en zor işlenen malzemelerden biri yapar.

Tükenmiş Uranyum Alaşımları

Tükenmiş uranyum alaşımları, yüksek yoğunlukları ve balistik özellikleri nedeniyle savunma sanayinde kullanılır. İşlenebilirlikleri, yüksek sertlik ve kırılganlık nedeniyle orta düzeydedir. Kesme sırasında tozlu talaşlar oluşur ve bu, sağlık ve güvenlik riskleri yaratır. Örneğin, 50 m/dk hızda işlenirken, kesme kuvvetleri yüksektir ve özel havalandırma sistemleri gereklidir.

Karbür takımlar ve kuru işleme tercih edilir, ancak toz kontrolü için ek önlemler alınmalıdır. İşlenebilirlik indeksi %40-60 civarındadır.