Kesici karbür uçlarının pirometalurjik yolla geri kazanımı ve kaplama uygulamalarında kullanım potansiyelinin araştırılması

Abstract

ÖZET Kesici uçların, kesme kenarlarında meydana gelen %1–2 oranındaki hasarla hurda duruma gelmesi kesici uçların tekrar değerlendirilmesi fikrinin uzun yıllardır düşünülmesini sağlamıştır. Sert metal bünyesindeki karbür partiküllerinin ve bağlayıcı kobaltın geri kazanılmasına yönelik olarak farklı süreçler denenmiştir. Bunlar; asit liçi, uçurma (oksitlemeredükleme) ve elektrolitik geri kazanım yöntemleridir. Dünya üzerinde farklı ülkelerde farklı teknikler kullanılarak gerek karbür gerekse kobaltın geri kazanımına yönelik endüstriyel tesisler kurulmuştur. Bu süreçlerin birbirine göre avantajları bulunmasının yanında çevreye farklı şekillerde zararlı etkilere sahip oldukları da bilinmektedir. Bu projeye konu araştırmada kesici uçlardan volfram karbür-kobalt sermetlerinin Zn banyosunda çözündürülmesi ile geri kazanımına yönelik çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Ergimiş çinko banyosunda kesici uçun bünyesindeki kobalt metali çözünmekte, volfram karbür parçacıkları ise ergimiş metal banyosunun dibine/tabanına çökmektedir. Çözündürme işlemleri özel tasarımlı bir fırında, koruyucu argon gazı atmosferinde, ergitilmiş saf çinko banyosu içerisine eriyik banyosunun ağırlıkça %10`unu kesici uç teşkil edecek şekilde gerçekleştirilmiştir. Kesici uç içeren çinko banyosu sırasıyla 700C, 750C ve 800°C sıcaklıklarda 1, 2 ve 3’er saat olmak üzere bekletilmiş ve sonrasında ise fırın sıcaklığı 1000°C’ye çıkartılarak 2 saat süre ile çinkonun buharlaştırma işlemi gerçekleştirilmiştir. Çözündürme sıcaklığı (800C) ve süresi (3 saat) arttıkça, çinko banyosunda çözünen kobalt miktarı da artış göstermiştir. Pota dibinde kek olarak arta kalan kütlenin XRD ve EDX analizinden bileşimin kobalt (%3-5 Co) ve volfram karbürden oluştuğu izlenmiştir. Elde edilen keksi yapıdaki malzeme bilyeli bir değirmende öğütülmüş ve kaplama uygulamalarında kullanılan ticari tozun bileşimindeki kobalt miktarı olan %12 Co seviyesine yükseltmek için sisteme kobalt ilavesi yapılarak tozlar püskürtmeli kurutucu yardımıyla granül hale getirilmiştir. Son olarak geri kazanılan ve orijinal WC-Co tozlarından DJ 2600 tabancalı (H2 gazı kullanır) HVOF sistemi kullanılarak paslanmaz çelik altlık üzerinde kaplamalar üretilmiş ve her iki tür kaplama yapısal (XRD, Optik, SEM) ve mekanik karakterizasyona (sertlik, kazımalı aşınma) tabi tutulmuştur. HVOF ile üretilen kaplamalarda, tabakanın homojen kalınlıkta olması, (yüksek bağ mukavemeti için) kaplama-altlık ara yüzeyinin gözeneksiz ve bünyenin homojen karbür parçacık dağılımına sahip bulunması uygulama açısından önem arz etmektedir. Elde edilen sonuçlar ticari tozlar kullanılarak üretilen kaplamaların yapısal ve mekanik olarak beklentileri karşıladıklarını ancak geri kazanım tozlardan üretilen kaplamaların ise kullanım açısından bir takım problemler üretebileceğini göstermiştir. Geri kazanılan tozlardan üretilen kaplamaların iki farklı mesafede (17,5 ve 5,6 mm) gerçekleştirilen yüzey pürüzlülüğü ölçümleri 18,5m ve 26,5m gibi farklı değerler vermiştir. Ticari tozların yüzey pürüzlüğü değeri ise (Rz) aynı mesafeler için 27,0 m ve 29,5 m gibi birbirine yakın değerler olarak elde edilmiştir. Geri kazanılan tozlardan üretilen kaplamaların bir birinden farklı değerlerde çıkmasının nedeni kesici uç bünyesindeki karbür parçacık boyutlarının homojen olmamasından kaynaklandığı yapılan mikro yapı incelemelerinde belirlenmiştir. Ticari tozlardan üretilen kaplamaların sertliği 1350-1500 HV0.3 arasında bir değer gösterirken geri kazanılan tozlardan üretilen kaplamaların sertlikleri 800-1000 HV0.3 olarak ölçülmüştür. Orijinal tozlardan üretilen kaplamaların sertlik değerleri literatürde verilen değerlere uygun olmakla birlikte, üretilen tozlardan elde edilen kaplamalarınki ise düşük olarak kabul edilmiştir. Ticari ve geri kazanılan tozlardan üretilen kaplamaların aşınma özelliklerinin belirlenmesinde kazımalı tip bir aşınma deneyi kullanılmıştır. Üretilen kaplamalar kuru aşınma şartlarında 5N yük ve 500m ve 1000m aşınma yollarında test edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Kesici Uç, WC-Co, HVOF, WC-Co Kaplama, Aşınma

ABSTRACT The fact that the tips of cutting tools become scrap because of 1-2% damage on their edge enables the idea of recycling the cutting tools to be thought for many years. In this respect, different methods such as acid leaching, evaporation (oxidizing-reducing) and electrolytic recovery technique have been tried to regain the carbide particles and cobalt from the tools’ tips. In different countries worldwide, various industrial plants have been established in order to recover the carbide and cobalt from the scraps by different techniques. Although these processes have some advantages among themselves, it is also known that they have different deleterious effects on the environment. The work carried out in this project is about the regaining of tungsten carbide and cobalt from cutting tools’ tips using liquid zinc as dissolution media. Cobalt in the tips dissolves in liquid Zn bath while WC grains settle at the bottom during the process. Dissolution process was carried out in a specially designed furnace under argon gas atmosphere where cutting tools’ tips were put inside the high purity liquid Zn bath (10wt.% of tips and 90wt.% of Zn in liquid form). Tips in liquid Zn bath were hold at 700, 750 and 800˚C, respectively for 1, 2 and 3 hours for dissolution and afterwards temperature of the solution were increased to 1000 ˚C and held there for 2 hours for the evaporation of Zn. As the dissolution temperature (800˚C) and time (3h) increased, the amount of the dissolution of cobalt in Zn also increased. After dissolution, the remaining, in the form of a cake settled at the bottom of the container, was analyzed using XRD and EDX displaying that 3-5% of the constituents were cobalt and the rest was WC. The product in the cake form was powdered using ball-milling instrument before granulating them using spray drying. Before granulation process, the content of the cobalt was increased to 12wt. %, the level in which commercial WC-Co used for spray coating possesses. Finally, the coatings were deposited onto stainless steel substrates by using HVOF system with DJ 2600 gun (uses H2 gas as fuel) consuming both the commercially available WC-Co granules and as-produced one from scrap cutting tools’ tips. Microstructure (XRD, Optical, and SEM) and mechanical (hardness, reciprocating wear test) characterization tests were carried out on the coatings. It is important to have uniform coating thickness and be free of porosities at the interface between substrate and coating layer (in order to possess high bond strength) and have homogeneously distributed carbides within the coatings produced by HVOF system. The coatings produced from commercial powders satisfy microstructure and mechanical expectations, whereas coatings manufactured from as-produced powders showed some features that may have drawback effects in the applications. Surface roughness (Rz) of the coatings produced from recycled powders was measured as 18,5 µm and 26,5 µm from two different quantifying distances (of 17,5 and 5,6 mm). For commercial powders, the roughness values were obtained as 27,0 µm and 29,5 µm, which are approximate values. The microstructural investigations revealed that the different roughness values of the coatings produced from recycled powders were due to inhomogeneity of the carbide grains in cutting tools’ tips.The coatings produced from commercial powders showed 1350-1500 HV0.3 microhardness values, whereas the coatings from recycled powders revealed 800-1000 HV0.3. The hardness values of the coatings produced from commercial powders were in line with literature though the hardness of the coatings produced from recycled powders shows relatively low values. Reciprocating wear tests were administrated so as to measure wearing behavior of the coatings obtained from both commercial and recycled powders. The tests were carried out under 5N load in dry water conditions for 500m and 1000m wear distance. Keywords: Cutting tool, WC-Co, HVOF, WC-Co coating, Wear