Takımın, işlediği malzemeden çoğu zaman daha sert, daha yüksek dayanımlı ve aşınmaya dirençli olması gerekir. Bundan dolayı, takım imali için kullanılan malzemelerin birkaç ayrıcalık dışında, kullanım yerlerinin koşullarına uygun olarak, mümkün olduğunca yüksek sertlikte ve dayanımda, fakat yeterli süneklikte olması gerekir. Özellikle ayırma işi yapan, form veren ve form değiştiren, darbe ya da çarpma tarzında zorlanan takımlarda, oldukça yüksek sertlik, iyi aşınma dayanımı ve bunlarla birlikte yüksek süneklik ile erişilebilen en yüksek sertlikte kırılmaya karşı güvenlik istenir.
Bir takımın kullanım özeliklerinin karakterize edilmesinde en önemli büyüklük, daha çok Rockwell ya da Vickers yöntemleriyle saptanan sertliktir. Yüzeyde baskı elemanı izi istenmediğinde, geri sıçrama yöntemiyle de sertlik ölçülebilir. Çok sert ve kırılgan malzemelerde, Knoop sertlik ölçme yöntemi de kullanılabilir.
Her ne kadar, çekme deneyi ile tespit edilen elastiklik sınırı, akma sınırı ya da 0,2 sınırı, çekme dayanımı, kopma uzaması ve büzülme değerleri, takımlar için olan malzemelerde de dayanım ve şekil değişebilirliği değerlendirmede kriter olarak alınabilirse de, takım malzemelerinde kırılmaya kadar pek az plastik form değişmesi meydana geldiğinden, bunlar malzemenin tanımlanması için yeterli değildir. Mekanik özeliklerin daha iyi değerlendirilmesi, statik eğme deneyi ile saptanan 0,1 eğme sının, eğme dayanımı ile elastik ve plastik form değiştirme işinin tespitiyle yapılabilir. Torsiyon (burulma) ve darbeli torsiyon deneyi de, takım malzemelerinin pratikteki koşullara uygun olarak denenmesinde kullanılabilir. Her ne kadar takımın ömrünün, kırılma tehlikesinden ayrılarak tespit edilmesi yapılırsa da, süneklik ve kırılma direnci için kantitatif değer saptanması problem yaratır.
Bugüne kadar çoğu zaman, akma sının ve eğmede kırılma dayanımıyla bağlantılı olarak, kırmaya kadar sarf edilen iş esası üzerine sünekliğin saptanması yapılır. Buna göre, kalitatif olarak süneklik kademeleri şöyle sınıflandırılabilir:
Kırılgan: Düşük dayanımda, az plastik şekil değiştirme işi
Sünek Yumuşak: Düşük dayanımda, yüksek plastik şekil değiştirme işi
Sünek Sert: Yüksek dayanımda, yüksek plastik şekil değiştirme işi
Yüksek sertlikteki malzemenin süneklik durumunun tespiti, bugüne kadar daha çok, çentiksiz ve çentikli numunelerde, darbeli eğme ve statik eğme deneyi ile yapılmıştır. Ancak kırılma mekaniğinin geliştirilmesiyle, kırılma tokluğu bazı üzerine sünekliğin karakterize edilmesi için yeni olanaklar, nispeten kırılgan takım malzemeleri için de verilmektedir. Böylece, -stabil olmayan çatlak genişlemesi karşısında direnç olarak bu malzeme karakteristiğinin tanımlanması-, aşınma koşullarıyla da bağlantı sağlayabilmektedir.
Ayırma takımlarının gücü ve ömrü, birinci planda takım ve malzeme arasındaki kontakt yerinde aşınma olayıyla belirlenir. Talaşlı işleme esnasında 1000 °C ‘nin üzerine kadar sıcaklıklar doğabileceğinden, mekanik zorlamaların yanında termik zorlamalar da aşınma mekanizmasında etkili olur. Böylece, termik dayanım m azalması ve kesilme maddeciklerinin kopmasıyla birlikte gelişen yapışma sonucu mikroskobik adhezyon aşınması ve çatlak teşekkülü olayları ortaya çıkar.
Kesme kenarlarının yuvarlanması tarzında görülen kesici kenar aşınması, dana çok alaşımsız ve düşük alaşımlı çeliklerde görülür. Genişliği, aşınma işareti “B” olarak tanımlanan aşınma yüzeyinin oluşumu, serbest yüzey aşınması olarak karakterize edilir. Nadiren, talaş yüzeyi üzerinde talaş yüzeyi aşınması adı verilen, aşınma görülür. Bu aşınma formu, özellikle hız çeliklerinden ve sert metallerden yapılmış takımlarda, oyuk aşınması (kraterleşme – oyukçuklaşma) tarzında görülür. Kesmenin yanında, kesme süresinin devamıyla derinleşen ve kesme kenarı doğrultusunda kayan, küçük düz kraterler oluşur ve bu durum hızla tahribata ve körlenmeye neden olur.
Aşınma tanımlama büyüklüğü olarak, serbest yüzey üzerindeki oyuk derinliği ve oyuk ekseninin kesme kenarına olan mesafesi (Şekil 155) önemlidir. Bunun tespiti için, talaşlı şekillenebilirlik testi gereklidir. Bu amaçla, kesme süresi veya kesme yoluna bağlı olarak aşınma işaret genişliği B ‘nin tespit edildiği, aşınma karakteristiği deneyi yapılır. Kabul edilebilir aşınma işaret genişliği, malzemeye, takımın çeşidine ve ekonomik bakış açısına bağımlıdır. Henüz başlangıçta, işletme prosesi esnasında direkt aşırıma ölçülmesiyle, talaşlı’ şekillendirme yönteminin optimizasyonu yapılabilir.
Malzemede form verme veya form değiştirme yapan takımlardan, abrasif aşınmaya karşı İyi bir direnç istenmesinin yanında, yeterli süneklikte yüksek bir dayanım da beklenilir. Yüksek sıcaklıkta şekillendirme için sıcak iş takım çelikleri kullanıldığında, bunlar hem mekanik zorlamaya karşı ve hem de termik zorlamaya karşı koymak zorundadırlar. İyi bir sıcakta sertlik ve sıcakta dayanım dışmda, oksidasyon sonucu meydana gelen tumllaşmaya dayanım ile yanma ve sıcakta çatlamaya karşı hassasiyetle ifade edilen, yeterli düzeyde termik dayanıma sahip olmalıdırlar. Eğer takım, pres döküm kalıbı ve dövme kalıbı gibi, periyodik iş akışında çok fazla sıcaklık değişmelerine maruz kalıyorsa, yanma çatlakları teşekkül edebilir. Isıtılmış malzeme ile direkt temas eden takım yüzeyi, saniyenin çok altında bir süre içerisinde aniden ısınır ve genleşir. Takım malzemesinin içlerindeki daha soğuk tabakaların daha az genleşmesinden dolayı, basma gerilmeleri teşekkül eder, müteakip soğumada da çekme gerilmesi teşekkül ederek ters durum olur. Bununla bağlantılı olan elastik-plastik şekil değiştirmeler sonucunda, ağ formunda yüzey çatlakları meydana gelir (atrisyon ile aşınma). Yanma çatlakları yanında, özellikle derin oyuklu takımlarda kesit değişmelerinde ve iç kenarlarda, takımın içine de nüfuz eden, sıcakta çatlamalar meydana gelir. Şok ısınmaya karşı dayanım olarak da ifade edilen çatlamaya hassasiyet için ölçü, çentik darbe dayanımı ve sıcakta akma sınırı yanında, malzemenin ısı iletme kabiliyeti ve genleşme katsayısıdır. Ayrıca, işletme koşulları altmda takım tutumunun tahmini için, çoğu zaman mekanik titreşim ya da sıcaklık etkisiyle uzun süre devam eden zorlamaların olduğu göz önünde tutulmalıdır. Böyle durumlarda, malzemenin sürekli titreşim dayanımı veya zaman sürekli dayanımının saptanması yoluna gidilir.
Kalıpta kesme ve ölçme takımları için, ölçü kararlılığı da önem taşır. Bu olay, hem ölçü değişmesi olarak tanımlanan, ısıl işlem esnasında ısıl gerilmelerle form değişmesi ve dönüşüm olaylarıyla hacim değişmesi sonucu önlenemeyen ölçü değişmelerini v* hem de kurala uygun yapılmayan ısıl işlemde oluşan ve düzeltilemeyen form değişmelerini kapsar. Ölçü değişmeleri, çok karışık olarak incelenebilir ve alaşım miktarına, ısıl işlem teknolojisine ve takım form ve ölçülerine bağımlıdır.
Takım ya da iş çeliklerinin ergitme, alaşımlama ve ısıl işlem teknolojisinin geniş sınırlar içerisinde değişmesi ve bununla çok farklı isteklerin karşılanması, oldukça fazla önem taşır. Alışılmış olarak, çelikler aşağıdaki tarzda sınıflandırılabilir:
Konstrüksiyon ve takım çelikleri arasında, kimyasal bileşim açısından kesin bir sınır yoktur. Örneğin, aynı miktarda krom içeren bir çelik, hem rulmanlı yatak (Bölüm 9.6.İ.) ve hem de soğuk hadde takımı için kullanılabilir. Diğer taraftan, Bölüm 5.6’da açıklanan sementasyon çelikleri, yüksek polimerlerin işlenmesinde kullanılan takımlar için en önemli malzemedir.
Çeliklerin yanında ilave olarak, dökülmüş sert alaşımlar, sinterlenmiş sert metaller ve oksit seramikler, sert döküm, elmas (diamant) ve sentetik sert maddeler de kullanılır. Demir olmayan metaller ve alaşımları, ancak özel yerlerde kullanılabilir : Örneğin, nikel esaslı sıcak kesme bıçağı ve enjeksiyon döküm kalıbı, Cu-Be alaşımı kıvılcım yapmayan takmalar gibi.
Yaklaşık olarak tüm işleme yöntemleri için takım çelikleri önemli olduğundan dolayı, malzemelerin tanıtımı yanında, bunların üretimleri ve işlenebilirlikleri de aşağıda açıklanmıştır.
ERGİTME ve ŞEKİL VERME
Takım çelikleri, prensip olarak asal çelik olarak ve daha çok da bazik ark firınlannda üretilirler. İyi bir kalite için en önemli yaklaşım, az miktarda Cr, Ni ve Cu içeren temiz hurda kullanılmasıdır. Ergitmenin, vakum altmda, elektron bombardımanlı çok kamaralı fırında (EMO) ve cüruf altmda ergitme (ESU) tarzında yapıldığı, yüksek kaliteli takım çeliği üretimi de yaygınlaşmaktadır. EMO yönteminde kaHtenin iyileştirilmesi, düşük basınçta ve su ile soğutulan kristalizörde katılaşma ile sağlanırken, ESU yönteminde içinden çeliğin damladığı reaksiyon kabiliyetli cürufun rafinasyonu ile ulaşılır. Bu tarzda üretilen uîtra arı (UA) çeliklerin yapısı, boşluksuz, kabarcıksız, gözeneksiz ve çekirdek çekmesîz durumdadır ve pek az çökelme eğilimi nedeniyle, daha iyi kimyasal homojenlik gösterirler. Bu şekilde elde edilen iyi çekirdek özelikleri, özellikle büyük boyutlu takımlar için yarar sağlar. Ultra an çeliklerin bir diğer üstünlüğü, önemli ölçüde azaltılmış gaz miktar. ±r Böylece, EMO yönteminde oksijen miktarı yaklaşık % 70 ve azot miktarı % 30 ilâ 50 değerlerine düşürölsrca. kükürt miktarının da düşürülmesiyle birlikte, metalik olmayan bağlantı miktarı çok azaltılır ve bur.u^.i mikroskobik arıklık derecesinde önemli ölçüde iyileşme sağlanır. Ayrıca, vakum altmda tekrar ersr^ii yapıldığında, sıcakta şekillenebilirliği ve sıcakta sünekliliği azaltan Pb, Bi, Sb ve As gibi, kolay uçabilecek elementler de çelikten tam olarak uzaklaştırılabilir. Uîtra arıtılmış çeliklerden takım İmalatı işleminde parlatılabilirlik (yüksek polimer malzemelerin üretimi ve soğuk haddeleme takımları), iyileştirilmiş aşınma dayanımı (yükseltilmiş sıcakta aşınma dayanımı) ve yükseltilmiş sıcakta süneklilik (azaltılmış yanniî es: U~ tehlikesi), büyük önem taşır. Ultra an çeliklerden imal edilen takımların ömrü, takım cinsi ve j.srr koşullarına bağlı olarak, alışılmış tarzda üretilen çeliklere nazaran % 20 ilâ 100 kadar daha fazladır.
Yüksek sertlikteki malzemenin sünekiüik durumunun tesbiti, bugüne kadar daha çok, çentiksiz ve çentikli numunelerde, darbeli eğme ve statik eğme deneyi ile yapılmıştır. Ancak kırılma mekaniğinin geh^tirilmesiyle, kırılma tokluğu Kje (Bkz. Bölüm 7.2.3.) bazı üzerine sünekliiiğin karakterize edilmesi için yeni olanaklar,’ nisbeten kırılgan takım malzemeleri için de verilmektedir. Böylece, -sîabil olmayan çatlak genişlemesi karşısında direnç olarak bu malzeme karakteristiğinin tanımlanması-, aşınma koşullarıyla da bağlantı sağlayabilmektedir.
I SiS yönteminin ilave bir gelişimi ile kristal ayrışmalarının görülmesi de engellenmiş ve çeliklere izotropik îzeiik kazandırılmıştır. Tek faz strüktürü sağlanması sonucu, haddeleme doğrultusuna dik yönde yükselen .-haklilik, kopma dayanımını İyileştirir ve çok eksenli gerilim durumlarında çentik hassasiyetini azaltır. Bu yönteme göre üretilen soğuk iş ve sıcak iş takım çelikleri, iki ilâ üç kat kadar daha yüksek ömre sahiptir.
Kütükler döküldükten sonra, haddeleme ya da dövme ile tekrar işlenirler. Yüksek karbonlu çeliklerde sementit ağı oluşabileceği ve düşük sıcaklıklara siyah kırılma meydana gelebileceğinden dolayı, sıcak şekillendirme sıcaklığının tam doğru olarak korunmasına dikkat edilmelidir.
Çelik döküm veya hassas dökümle üretilen malzemeler, çok sayıda üretilen takımlar için ekonomik olabileceğinden, ancak sınırlı olarak tercih edilirler. Çelik dökümün kullanılması halinde, takımın sıcakta dayanımı ve aşınma direnci yükselir ve mekanik özeliklerde daha iyi izotropi sağlanır.
Ayırma takımlarının gücü ve ömrü, birinci planda takım ve malzeme arasındaki kontakt yerinde aşınma olayıyla belirlenir. Talaşlı işleme esnasında 1000 °C ‘nin üzerine kadar sıcaklıklar doğabileceğinden, mekanik zorlamaların yanında termik zorlamalar da aşınma mekanizmasında etkili olur. Böylece, termik dayanım m azalması ve kesilme maddeciklerinİn kopmasıyİa birlikte gelişen yapışma sonucu mikroskobik adhezyon aşınması ve çatlak teşekkülü olayları ortaya çıkar. Torna kalemi için karakteristik aşınma görünümleri, Şekil 154’de görülmektedir.
Kesme kenarlarının yuvarlanması tarzında görülen kesici kenar aşınması, dana çok alaşımsız ve düşük alaşımlı çeliklerde görülür. Genişliği, aşınma işareti “B” olarak tanımlanan aşınma yüzeyinin oluşumu, serbest yüzey aşınması olarak karakterize edilir. Nadiren, talaş yüzeyi üzerinde talaş yüzeyi aşınması adı verilen, aşınma görülür. Bu aşınma formu, özellikle hız çeliklerinden ve sert metallerden yapılmış takımlarda, oyuk aşınması (kraterleşme – oyukçuklaşma) tarzında görülür. Kesmenin yanında, kesme süresinin devamıyla derinleşen ve kesme kenarı doğrultusunda kayan, küçük düz kraterler oluşur ve bu durum hızla tahribata ve körlenmeye neden olur.
Aşınma tanımlama büyüklüğü olarak, serbest yüzey üzerindeki oyuk derinliği ve oyuk ekseninin kesme kenarına olan mesafesi (Şekil 155) önemlidir. Bunun tesbiti için, talaşlı şekiîlenebilirük testi gereklidir. Bu amaçla, kesme süresi veya kesme yoluna bağlı olarak aşınma işaret genişliği B ‘nin tesbit edildiği, aşınma karakteristiği deneyi yapılır. Kabul edilebilir aşınma işaret genişliği, malzemeye, takımın çeşidine ve ekonomik bakış açısma bağımlıdır. Henüz başlangıçta, işletme prosesi esnasında direkt aşırıma ölçülmesiyle, talaşlı’ şekillendirme yönteminin optimizasyonu yapılabilir.
ALAŞIM ELEMENTLERİNİN ETKİSİ
Alaşım elementi ilavesiyle, takım çeliklerinin özelikleri çok katlı olacak şekilde değiştirilebilir. Ya demir kafesinde çözülen ya da özel karbür teşekkülü için katılan alaşım elemanları, sertleşebilirliği, meneviş dayanımını, sertliği, dayanımı, sünekliliği ve aşınma direncini farklı ölçüde iyileştirirler. Önemli alaşım elemanlarının herbirinin takım çeliklerindeki özel etkisi, özet olarak şöyledir :
Karbon: Ani soğutma sertleşmesiyle, alaşımsrz çeliklerde 1 ilâ 4 mm sertleşme derinliğine ulaşılması mümkündür. % I karbonun üzerinde, ulaşılabilecek en yüksek sertlik sabittir, fakat artan karbür miktarıyla aşınma direnci giderek yükselir.
Mangan: Dönüşüm hızım düşürmesinden dolayı, sertleşebilirliği arttırır ve böylece daha büyük kesitlerde sertleşebilMik sağlar. Ancak, tane kabalaşması da yapar ve meneviş kırılganlığına sebep olur. Darbe ve basma zorlamalarında aşınma direncini arttıracak şekilde, soğuk sertleşme eğilimi vardır.
Silisyum: Oksİdasyona karşı dayanımı arttırır, fakat aynı zamanda karbon azalması (dekarbürize) eğilimi de artar.
Elastiklik sınırım yükseltmesinden dolayı, silisyum alaşımlı çelikler iyi yaylanma özelikü takımlar için kullanılır. Sıcak İş takım çeliklerinde, % 1 Si miktarıyla, yapışma eğilimi azaltılır.
Krom: Kritik soğuma hızım düşürür ve böylece sertleşebilirliği arttırır. Özel karbürler teşekkül ettirdiğinden, aşınma direncini, soğuğa dayanıklılığı arttırır. Takım çeliklerinde, en önemli alaşım elementlerinden biridir.
Volfram: Tane İnceltici olarak etki eder, aşırı ısınmaya karşı hassasiyeti azaltır ve aşınma direncini, sıcakta dayanımı ve meneviş dayanımını iyileştiren özel sert karbürler meydana getirir. Kötü yönü, ısı iletme kabiliyetini azaltması ve bununla bağlantılı olarak ısıl işlemde çatlak teşekkülü eğilimini arttırmasıdır.
Molibden: Meneviş kırılganlığına mani olur ve kuvvetli karbür yapıcı olarak sertliği, aşınma direncini ve meneviş dayanımını arttırır.
Vanadyum: Zor çözülebilen karbürler teşekkül ettirmesi sonucu, yüksek ostenitleştirme sıcaklıklarmda tane büyümesini engeller ve aşınma direncim arttırır. Bundan dolayı, yüksek vanadyum miktarlarında takımın parlatılabilirliği kötüleşir.
Kobalt: Karbür teşkil edici elementlerin ostenitte çözülme kabiliyetlerini arttırır ve ayrıca sıcakta dayanımı, sıcakta sertliği, meneviş dayanıklılığını ve ısı iletme kabiliyetini yükseltir.
Nikel: Sertleşme derinliğini iyileştirir ve taneyi inceltir. Nikel ilavesi, darbe ve çarpma zorlamalarıyla çalışan takımlarda sünekliliği arttırması bakımmdan, özel önem taşır.
Malzemede form verme veya form değiştirme yapan takımlardan, abrasif aşınmaya karşı İyi bir direnç istenmesinin yanında, yeterli süneklilikte yüksek bir dayanım da beklenilir. Yüksek sıcaklıkta şekillendirme için sıcak iş takım çelikleri kullanıldığında, bunlar hem mekanik zorlamaya karşı ve hem de termik zorlamaya karşı koymak zorundadırlar. İyi bir sıcakta sertlik ve sıcakta dayanım dışmda, oksidasyon sonucu meydana gelen tumllaşmaya dayanım ile yanma ve sıcakta çatlamaya karşı hassasiyetle ifade edilen, yeterli düzeyde termik dayanıma sahip olmalıdırlar. Eğer takım, pres döküm kalıbı ve dövme kalıbı gibi, periyodik iş akışında çok fazla sıcaklık değişmelerine maruz kalıyorsa, yanma çatlakları teşekkül edebilir. Isıtılmış malzeme ile direkt temas eden takım yüzeyi, saniyenin çok altında bir süre içerisinde aniden ısınır ve genleşir. Takım malzemesinin içlerindeki daha soğuk tabakaların daha az genleşmesinden dolayı, basma gerilmeleri teşekkül eder, müteakip soğumada da çekme gerilmesi teşekkül ederek ters durum olur.
