CoCrMo alaşımının EDM ile işlenmesinde Ti6V4Al toz katkısı etkisinin incelenmesi

Abstract

Biyomedikal teknolojide biyomateryal olarak yaygın kullanılan malzemelerden bir tanesi de CoCrMo’dir. Bu çalışmada; iyi derecede aşınma ve korozyon direncine, aynı zamanda yüksek mekanik özelliklere sahip olan bu malzemenin elektro erozyon yöntemi ile işlenmesinde toz katkısının etkisi incelenmiştir. Elektro erozyon ile işleme sırasında dielektrik sıvı (DIELEKTRIKUM 358) içerisine ilave toz olarak Ti6V4Al tozları farklı yoğunluklarda (0, 2 g/l, 4 g/l, 8 g/l) eklenmiştir. Elektro erozyon işleme parametreleri olarak; 4 farklı tepe akımı (9 A, 12 A, 15 A, 18 A), 4 farklı vurum süresi (180 μs, 240 μs, 300 μs, 360 μs), 4 farklı kapalı kalma süresi (18 μs, 24 μs, 30 μs, 36 μs) belirlenmiştir. Elektrot malzemesi olarak AISI 316L paslanmaz çelik kullanılmış olup tüm deneysel işlemeler 10 dakikalık işleme süresi sabit tutularak yapılmıştır. Deney setleri Taguchi Analizi (4x4) ile belirlenmiş olup yüzey pürüzlülüğü (Ra / Rz), takım aşınma hızı ve iş parçası aşınma hızı cevap yüzey yöntemi ile regresyon modelleri oluşturulup üç boyutlu (3D) yüzey modelleri oluşturularak değerlendirilmiştir. Bunların yanı sıra hem işleme yüzeyinde hem de işlenmiş yüzeyin kesitinde SEM görüntüleri ve enerji dağılım spektrometresi (EDS) analizleri ile yüzey özellikleri değerlendirilirken elektrot, iş parçası ve ilave tozun iş parçasında oluşturduğu kalıntılar da incelenmiştir. Gerçekleştirilen incelemeler sonucunda minimum Ra değeri (2,028 µm) toz oranı (w) = 8 g/l, tepe akımı (I) = 9 A, vurum süresi (Ton) = 360 µs, bekleme süresi (Toff) = 36 µs olan deney parametrelerindeki işleme sonucunda ortaya çıkmıştır. Minimum Rz değeri (6 µm) toz oranı (w) = 8 g/l, tepe akımı (I) = 18 A, vurum süresi (Ton) = 180 µs, bekleme süresi (Toff) = 36 µs olan deney parametrelerindeki işleme sonucunda gerçekleşmiştir. İş parçası aşınma hızını (MRR) en çok etkileyen faktör tepe akımıdır (I). Tepe akımından sonra iş parçasının aşınma hızına etki sırası ile vurum süresi (Ton), toz oranı (w) ve bekleme süresi (Toff) faktörleridir. Bu faktörlerden w ve Toff iş parçası aşınma hızını negatif yönde etkiler. Yüksek toz oranlarında tepe akımının iş parçası aşınma hızına etkisi hafifçe azalır. Tepe akımı (I) ve toz oranı (w) takım aşınma hızı (TWR) için hızlandırıcı önemli faktörler olurken vurum süresi (Ton) ve bekleme süresinin (Toff) etkisi sınırlıdır. Tüm faktörlerin TWR üzerinde hızlandırma etkisi vardır. SEM görüntüleri ve EDS analizleri sonucunda toz oranının artması ile yüzeyde görülen kalıntıların sıklığının azaldığı görülmektedir. Akımdaki artışın genel olarak kalıntı yoğunluğunu azalttığı görülmektedir. Toz malzemesinin kayda değer bir kalıntı bırakmadığı gözlemlenmiştir. Düşük bekleme sürelerinde kopan parçacıkların yüzeyden uzaklaşacak zaman bulamadığı düşünülmektedir. Akımın artmasıyla yüzeydeki dalgalanmalar artar bunun yanı sıra oluşan sıcaklık farkları ile çatlaklar oluşur. Yüksek akımlar yüzey ile derin bölgeler arasında sıcaklık farkı oluşturduğundan çatlaklarında derinlere indiği gözlemlenir. İş parçası ve elektrottan kopan parçaların sıcak yüzeyin içine de gömüldüğü kesit görüntülerinden gözlemlenmiştir.

CoCrMo is one of the materials widely used as biomaterial in biomedical technology. In this study, the effect of powder addition on the electro erosion machining of this material, which has good wear and corrosion resistance and high mechanical properties, was investigated. Ti6V4Al powders were added to the dielectric liquid (DIELEKTRIKUM 358) at different concentrations (0, 2 g/l, 4 g/l, 8 g/l) during electro erosion machining. As electro erosion processing parameters; 4 different peak current (9 A, 12 A, 15 A, 18 A), 4 different pulse duration (180 μs, 240 μs, 300 μs, 360 μs), 4 different off time (18 μs, 24 μs, 30 μs, 36 μs) were determined. AISI 316L stainless steel was used as the electrode material and all experimental processes were carried out with a constant processing time of 10 minutes. Experimental sets were determined by Taguchi Analysis (4x4) and surface roughness (Ra / Rz), tool wear rate and workpiece wear rate were evaluated by creating regression models with the response surface method and creating three-dimensional (3D) surface models. In addition to these, surface properties were evaluated with SEM images and EDS analyzes on both the machining surface and the cross-section of the machined surface, while the residues formed by the electrode, workpiece and additional powder on the workpiece were also examined. As a result of the investigations carried out, the minimum Ra value was obtained as a result of the processing in the experimental parameters with dust ratio (w) = 8 g/l, peak current (I) = 9 A, pulse time (Ton) = 360 µs, waiting time (Toff) = 36 µs. The minimum Rz value was realized as a result of processing with the experimental parameters of dust content (w) = 8 g/l, peak current (I) = 18 A, pulse duration (Ton) = 180 µs, dwell time (Toff) = 36 µs. The most important factor affecting the workpiece wear rate (MRR) is the peak current (I). After the peak current, the factors that affect the wear rate of the workpiece are, respectively, the stroke time (Ton), dust rate (w) and dwell time (Toff). Among these factors, w and Toff affect the workpiece wear rate negatively. The effect of peak current on workpiece wear rate increases at high dust rates. While peak current (I) and powder rate (w) are important accelerating factors for tool wear rate (TWR), the effect of stroke duration (Ton) and dwell time (Toff) is limited. All factors have an accelerating effect on TWR. As a result of SEM images and EDS analysis, it is seen that the frequency of the residues seen on the surface decreases with the increase in the powder ratio. It is seen that the increase in current generally decreases the residue density. It is observed that the powder material does not leave a significant residue. It is thought that the particles that break off at low dwell times do not have time to move away from the surface. With the increase in current, fluctuations on the surface increase, as well as cracks are formed with the temperature differences. Since high currents create a temperature difference between the surface and deep regions, it is observed that the cracks go deeper. It was observed from the cross-sectional images that the fragments broken off from the workpiece and electrode were also embedded in the hot surface.