Investigation of the Effects of Cryogenic Treatment Applied on Coated Tungsten Carbide Tools on Machinability of AISI H11 Steel

Abstract

In this study, the effects of cryogenic treatment on cutting tool performance in turning of AISI H11 hot work tool steel were investigated. In experiments, TiAlN+TiN coated tungsten carbide tools were used. Shallow cryogenic treatment for 6 hours at -80 °C (SCT6), deep cryogenic process at -196 °C for 6 hours (DCT6) and deep cryogenic treatment at -196 °C for 24 hours (DCT24) was applied. Turning experiments were carried out with constant cutting depth (0.6 mm) and feed rate (0.18 mm/rev) and four different cutting speeds (320, 360, 400 and 440 m/min). Experimental results showed that the cryogenic treatment increases the abrasion resistance of the cutting tool. The lowest cutting tool wear and surface roughness values were obtained with DCT24 tool. Improvements in flank wear were observed at 13-28%, and surface roughness at 7-14%. On the other hand, it was determined that the cryogenic process provides an increase of 4.4-8.7% in the hardness of the cutting tools. The highest hardness increase has also occurred in the DCT24 tool.

Keywords

• Shallow/Deep cryogenic treatment,AISI H11,microhardness,tool wear,surface roughness

Kaplamalı Tungsten Karbür Takımlar Üzerine Uygulanan Kriyojenik İşlemin AISI H11 Çeliğinin İşlenebilirliği Üzerine Etkilerinin Araştırılması

Abstract

Bu çalışmada, AISI H11 sıcak iş takım çeliğinin tornalanmasında kriyojenik işlemin kesici takım performansı üzerine etkileri araştırılmıştır. Deneylerde TiAlN+TiN kaplı tungsten karbür takımlar kullanılmıştır. Kesici takımlar üzerine 6 saat süre ile -80 °C’de sığ kriyojenik işlem (SCT6), 6 saat süre ile -196 °C’de derin kriyojenik işlem (DCT6) ve 24 saat süre ile -196 °C’de derin kriyojenik işlem (DCT24) uygulanmıştır. Tornalama deneyleri 0,6 mm kesme derinliği, 0,18 mm/dev ilerleme hızı ve 320, 360, 400 ve 440 m/dak olmak üzere dört farklı kesme hızında gerçekleştirilmiştir. Deneysel sonuçlar kriyojenik işlemin kesici takımın aşınma direncini artırdığını göstermiştir. En düşük kesici takım aşınması ve yüzey pürüzlülüğü değerleri DCT24 takımla elde edilmiştir. Yanak aşınmasında %13-28 oranlarda, yüzey pürüzlülüğünde ise %7-14 oranlarda iyileşmeler gözlenmiştir. Diğer yandan kriyojenik işlemin kesici takımların sertliğinde %4,4-8,7 oranlarda artış sağladığı tespit edilmiştir. En yüksek sertlik artışı da DCT24 takımda meydana gelmiştir.

Keywords

• Sığ/Derin kriyojenik işlem,AISI H11,mikrosertlik,takım aşınması,yüzey pürüzlülüğü

References

1. [1] S. Kalia, “Cryogenic Processing: A Study of Materials at Low Temperatures,” Journal of Low Temperature Physics, c. 158, ss. 934–945, 2010.
2. [2] P. Paulin, Frozen Gears, Gear Technology, 1993, ss. 26-29.
3. [3] N.A. Özbek, A. Çiçek, M. Gülesin and O. Özbek, “Investigation of the Effects of Cryogenic Treatment Applied at Different Holding Times to Cemented Carbide İnserts on Tool Wear,” International Journal of Machine Tools and Manufacture, c. 86, ss. 34-43, 2014.
4. [4] N.A. Özbek, A. Çiçek, M. Gülesin and O. Özbek, “Effect of Cutting Conditions on Wear Performance of Cryogenically Treated Tungsten Carbide İnserts in Dry Turning of Stainless Steel,” Tribology International, c. 94, ss. 223-233, 2016.
5. [5] S.S. Gill, R. Rupinder Singh, H. Singh and J Singh, “Wear Behaviour of Cryogenically Treated Tungsten Carbide Inserts Under Dry and Wet Turning Conditions,” International Journal of Machine Tools & Manufacture, c. 49, ss. 256–260, 2009.
6. [6] S. Zhirafar, A. Rezaeian and M. Pugha, “Effect of Cryogenic Treatment on the Mechanical Properties of 4340 Steel,” Journal of Materials Processing Technology, c. 186, ss. 298–303, 2007.
7. [7] Akhbarizadeh, A. Shafyei and M.A. Golozar, “Effects of Cryogenic Treatment on Wear Behavior of D6 Tool Steel,” Materials and Design, c. 30, ss. 3259–3264, 2009.
8. [8] J. Yong and C. Ding, “Effect of Cryogenic Treatment on WC–Co Cemented Carbides,” Materials Science and Engineering: A, c. 528, s. 3, ss. 1735-1739, 2011.

9. [9] S.S. Gill, J. Singh, H. Singh and R. Singh, “Investigation on Wear Behaviour of Cryogenically Treated TiAlN Coated Tungsten Carbide İnserts in Turning,” International Journal of Machine Tools & Manufacture, c. 51, ss. 25-33, 2011.
10. [10] S. Akıncıoğlu, H. Gökkaya and İ. Uygur, “The Effects of Cryogenic-Treated Carbide Tools on Tool Wear and Surface Roughness of Turning of Hastelloy C22 Based on Taguchi Method,” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, c. 82, s. 1-4, ss. 303-314, 2016.
11. [11] N. Altan Özbek and O. Özbek, “Tungsten Karbür Takımlarda Kriyojenik İşlem Sıcaklığının Takım Aşınması Üzerine Etkileri,” II. INES Uluslararası Akademik Araştırmalar Kongresi, 18-21 Ekim 2017, Alanya, Türkiye.
12. [12] Kara and A. Takmaz, “Optimization of Cryogenic Treatment Effects on the Surface Roughness of Cutting Tools,” Materials Testing, c. 61, s. 11, ss. 1101-1104, 2019.
13. [13] N.A. Özbek, A. Çiçek, M. Gülesin and O. Özbek, “Application of Deep Cryogenic Treatment to Uncoated Tungsten Carbide Inserts in the Turning of AISI 304 Stainless Steel,” Metallurgical and Materials Transactions A, c. 47, s. 12, ss. 6270-6280, 2016.
14. [14] E. Nas and N. A. Özbek, “Optimization of the Machining Parameters in Turning of Hardened Hot Work Tool Steel Using Cryogenically Treated Tools,” Surface Review and Letters, 1950177, 2019.
15. [15] V. Firouzdor, E. Nejati and F. Khomamizadeh, “Effect of Deep Cryogenic Treatment on Wear Resistance and Tool Life of M2 HSS Drill,” Journal of Materials Processing Technology, c. 206, ss. 467-472, 2008.
16. [16] T. V. S. Reddy, T. Sornakumar, M. V. Reddy and R. Venkatram, “Machinability of C45 Steel with Deep Cryogenic Treated Tungsten Carbide Cutting Tool İnserts,” International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, c. 27, s. 1, ss. 181-185, 2009.
17. [17] M. Karabatak ve F. Kara, “AISI D2 Soğuk İş Takım Çeliğinin Sert Tornalanmasında Yüzey Pürüzlülüğünün Deneysel Optimizasyonu,” Politeknik Dergisi, c. 19, s. 3, ss. 349-355, 2016.
18. [18] A. Çiçek, T. Kıvak, Y. Turgut, İ. Uygur ve E. Ekici, “Derin Kriyojenik İşlemin Kesme Kuvvetleri, Delik Çapları ve Takım Ömrü Üzerine Etkileri,” In 6th International Advanced Technologies Symposium (IATS’11), Mayıs 2011, Elazığ, Türkiye.
19. [19] T. Kıvak ve U. Şeker, “Tİ-6AL-4V Alaşımının Delinmesinde M42 HSS Takımlara Uygulanan Kriyojenik İşlemin Delik Kalitesi Üzerindeki Etkileri,” 7. Uluslararası Talaşlı İmalat Sempozyumu, 3-5 Kasım 2016, İstanbul, Türkiye.
20. [20] T. Kıvak ve U. Şeker, “Tİ-6AL-4V Alaşımının Delinmesinde Tungsten Karbür Takımlara Uygulanan Kriyojenik İşlemin Eksenel Kuvvet VE Moment Üzerindeki Etkileri,” 17. Uluslararası Makina Tasarım ve İmalat Kongresi, 12-15 Temmuz 2016, Bursa, Türkiye
21. [21] G. Uzun, S. Yağmur, İ. Korkut ve U. Şeker, “Hastelloy X Süper Alaşımının Tornalanmasında Kriyojenik İşlem Uygulanan PVD Ve CVD Kaplamalı Takımların Performansının İncelenmesi,” Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, c. 5, s. 2, ss. 231-239, 2017.
22. [22] N.A. Özbek, A. Çiçek, M. Gülesin and O. Özbek, “Investigation of the Effects of Holding Times at Cryogenic Temperatures on Surface Roughness and Cutting Forces in Machining of Stainless Steel,” In UMTİK International Conference On Machine Design and Production, 12-15 Temmuz 2016, Bursa, Türkiye.
23. [23] N.A. Özbek, A. Çiçek, M. Gülesin and O. Özbek, “AISI 316 Çeliğinin Tornalanmasında Kaplamalı Karbür Takımlara Uygulanan Kriyojenik İşlemin Takım Aşınması VE Yüzey Pürüzlülüğü Üzerine Etkileri,” 7. Uluslararası Talaşlı İmalat Sempozyumu, 3-5 Kasım 2016, İstanbul, Türkiye.
24. [24] K.H.W. Seah, M. Yong and K.H. Rahman, “Performance Evaluation of Cryogenically Treated Tungsten Carbide Cutting Tool Inserts,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, c. 217, s. 1, ss. 29-43, 2003.
25. [25] K.E. Moore and D.N. Collins, “Cryogenic Treatment of Three Heat-treated Tool Steels,” Key Engineering Materials, c. 86, ss. 47-54, 1993.
26. [26] D.N. Collins, “Deep Cryogenic Treatment of Tool Steels: a Review,” Heat Treatment of Metals, c. 2, ss. 40–42, 1996.
27. [27] D. Thakur, B. Ramamoorthy and L. Vijayaraghavan, “Influence of Different Post Treatments on Tungsten Carbide–Cobalt İnserts,” Materials Letters, c. 62, ss. 4403–4406, 2008.
28. [28] S.S. Gill, J. Singh, H. Singh and R. Singh, “Metallurgical and Mechanical Characteristics of Cryogenically Treated Tungsten Carbide (WC–Co),” International Journal of Advanced Manufacturing Technology, c. 58, ss. 119–131, 2012.
29. [29] M.C. Çakır, Modern Talaşlı İmalatın Esasları, Bursa: Vipaş A.Ş., 1999.
30. [30] Y. Özçatalbaş, “Chip and Built-Up Edge Formation in the Machining of in Situ Al4C3-Al composites,” Materials and Design, c. 24, s. 3, ss. 215-221, 2003.