BÖLÜM 20 ELEKTROKİMYASAL TAŞLAMA ve JET REVİZYON MÜDÜRLÜĞÜNDEKİ UYGULAMALARI Svl.Müh. Alpaslan EREN 1nci HİBM K.lığı Jet Revizyon Müdürlüğü Şubat 2004, ESKİŞEHİR ÖZET Elektrokimyasal taşlama, elektrokaplama işleminin tam tersi bir yöntem olarak, iş parçasının kullanılan elektrolitler ve aşındırıcı taşlar yardımıyla anodik tepkimelere girerek aşınmasını sağlayan bir taşlama yöntemidir. Bu yöntemle sertliğine bakılmaksızın her türlü iletken malzemenin taşlama işlemi gerçekleştirilmekte, 0.0005 inç e kadar ölçü hassasiyeti sağlanabilmektedir. Elektrokimyasal taşlama işlemi neticesinde parçada ısıl gerilmeler meydana gelmediğinden, bu gerilmelerden dolayı çatlama riski arz eden parçalara bu işlem uygulanmaktadır. Ancak, bu işlemin sertliği düşük malzemelerde işleme hızının yavaş olması, kullanılan elektrolitin korozyon yapma eğiliminden dolayı özel teçhizatlar ve aparatlar kullanılması ve bazı uygulamalarda yüksek akım gereksiniminin doğması gibi bazı dezavantajları da mevcuttur. Bu dokümanda elektrokimyasal taşlama prosesinin temel prensipleri, uygulama adımları, kullanılan teçhizat, gerekli emniyet tedbirleri, prosesin uygunluğunun kontrolü hakkında bilgi verilecektir. 20-1
1 PROSESİN ADI 2 PROSESİN AMACI Elektrokimyasal taşlama, iş parçasını istenilen ölçülere ve yüzey pürüzlülüğüne getirmek amacıyla elektrolit yardımıyla parçanın anodik reaksiyonlara girerek aşınmasını sağlayan bir taşlama yöntemidir. 3 PROSESİN GENEL / DETAYLI TANITIMI Elektrokimyasal taşlama, iletken olan iş parçasının anodik reaksiyonlarla çözündüğü ve oluşan film tabakasının ise dönen, iletken aşındırıcı diskle taşlandığı, kimyasal aşındırma ve klasik aşındırmanın iç içe bulunduğu bir taşlama yöntemidir.bu yöntemde diskten dışarı doğru uzanan aşındırıcı tanecikler disk ile iş parçası arasında yalıtkan bir elektriksel boşluk oluştururlar ve bu boşluk elektrolit ile doldurulur. Elektrolit iş parçasının üzerine akıtılır ve kaldırılan malzeme ile birlikte taş tarafından parça yüzeyinden uzaklaştırılarak, elektrolit deposuna geri döner. Elektrokimyasal taşlama yöntemi ile iş parçasının yaklaşık % 95-98 lik kısmı anodik çözünme yoluyla aşındırılırken, % 2-5 lik kısmı klasik taşlama yöntemiyle aşındırılmaktadır. Doğru akım kaynağından alınan akım, iş parçası (anot) üzerinden elektrot taşa (katot) gelerek tekrar doğru akım kaynağına geri döner. Elektrolitin çok fazla ısınmasını önlemek amacıyla maksimum taş kontak ark uzunlukları 0.75-1 inç arasında olmalıdır. En hızlı malzeme aşındırması elektrolitin kaynama noktasına gelmeden en yüksek akım yoğunluğunun sağlandığı durumlarda gerçekleşir, parçadan malzeme aşındırması metalin sertliğine veya tokluğuna bağlı değildir [1,2,3]. Elektrokimyasal taşlama yöntemi ısıl gerilmelerin iş parçasına zarar verebileceği durumlarda kullanılır. Ayrıca mekanik gerilmeleri, metalurjik değişimleri, çapak oluşumunu, bozulmayı, deformasyonu önlemesi gibi çeşitli avantajları vardır. Metal aşındırmanın büyük kısmını elektrik akımıyla sağladığı ve çok az miktarda klasik aşındırma içerdiği için gereken kuvvet çok azdır ve disk aşınması da minimum düzeydedir. Bu yöntemle bazı durumlar dışında taşlama yanıklarının görülmemesi, ayrıca çapak ve sıvanma oluşmaması ince cidarlı boruların, honeycomb ve lamine sacların taşlanmasına imkan sağlamaktadır. Elektrokimyasal taşlama yöntemi şematik olarak Şekil 1 de gösterilmiştir[1,3]. Elektrokimyasal taşlama işlemi esnasında iş parçası ortam sıcaklığındadır, ısıl çatlaklar ve termal şoklar oluşmaz. Aşındırıcı disk ile iş parçası arasındaki 0.002-0.003 inç arasındaki mesafe elektrolit ile doldurularak kimyasal bir tepkime oluşur ve aşındırılan malzeme bileşiğe karışarak işlem tamamlanır[3]. Elektrokimyasal taşlama işlemi sonucunda 2-12 mikroinç arasında değişen yüzey pürüzlülük değerleri elde edilebilir. Belirli bir zaman periyodu içerisindeki malzeme aşındırma miktarı uygulanan akımla doğru orantılıdır. Uygulanan akım miktarı ise 20-2
aşındırıcı disk ve iş parçası arasındaki kontak alanıyla sınırlanmıştır. Bu prosesle malzeme aşındırma miktarı döküm demir veya semente olmuş karbitlerle aynıdır [2]. Şekil 1 Yönteminin Şematik Olarak Gösterilişi Elektrokimyasal taşlama işleminde taşlama soğutucusu yerine elektrolit çözeltisi kullanılmaktadır. Bu çözelti normal olarak toksik ve korozif olmayan özellikte olmalıdır. Elektrolit çözeltisinin özelliği akımı ileterek iş parçasından malzeme aşınmasını sağlamak ve aşınan malzemenin katotta birikmesini önleyici olmasıdır. Elektrolitin bütün işlem boyunca disk ve iş parçası arasında yeterli miktarda bulunması ve iş parçasının yüzeyini kaplaması gerekmektedir. Taşlama işlemi uygulanacak malzemenin tipine göre çeşitli elektrolit tuzları mevcuttur. Korozyon etkisini azaltan elektrolitlerin kullanılması elektrolitin akım taşıma özelliğini olumsuz etkilemektedir. Ayrıca, elektrolit tankı, pompası ve boru sisteminin metalik olmaması önemlidir. Elektrolit çözeltisinin sağlanacağı tankın ve pompanın minimum kapasitesi 20 galon olmalı, elektrolit akışı 10 galon / dakika nın altına düşmemelidir.değişik malzemelerin taşlanması için kullanılan elektrolitlerin kompozisyonu Tablo 1 de verilmiştir [1,3]. Elektrokimyasal taşlama işlemi esnasındaki taşlar iletken olmayan aşındırıcı parçacıklar ve iletken bağlayıcılardan meydana gelirler. İletken olmayan aşındırıcı parçacıklar iş parçası ile taş arasındaki elektrolit aralığını belirleyerek kısa devre oluşmasını engeller ve ortaya çıkan metal oksitleri parça yüzeyinden uzaklaştırırlar. Parça yüzeyinde oluşan metal oksitler yalıtkandırlar ve elektrik akımına karşı direnirler, eğer bu oksitler yüzeyden uzaklaştırılmazsa gerçekleştirilen işlemin verimliliği düşmektedir. Elektrokimyasal taşlama işlemi esnasında kesme veya metal kaldırma oranı akım yoğunluğuna bağlıdır. Değişik malzemeler için müsaade edilen en fazla akım yoğunluğu aşağıdaki tabloda verilmiştir [1,2,3]. 20-3
Tablo 1 Çeşitli Malzemelerin Taşlanması İçin Kullanılan Elektrolitlerin Kompozisyonları İŞ PARÇASININ MALZEMESİ TAŞ TİPİ ELEKTROLİT (Lb/gal) ANA KİM. H 2 O En Çok Akım Yoğ. (gr/l) H 2 O A/inç² A/cm² Tungsten Karpit Elmas KNO 1.5-1.7 180-200 500 78 Tantal /Titanyum Karpit Elmas KNO 3 1.5-1.7 180-200 500 78 Hss Elmas NaNO 3 1.0-1.5 120-180 500 78 Tungsten Elmas KOH/NaOH 1.0-1.5 120-180 500 78 Düşük Karbonlu Çelik Alüminyum oksit KNO 3 +KNO 2 0.5-1.0 60-120 1000 155 YüksekKarbonluÇelik Alüminyum oksit NaNO 3 1.0-1.5 120-180 1000 155 Paslanmaz Çelik Alüminyum oksit NaNO 3 1.5-1.7 180-200 500 78 Silisli Demir Alüminyum oksit NaCL 1.0-1.5 120-180 500 78 Bakır Alaşımı Alüminyum oksit NaNO 3 /KNO 3 1.5-1.7 180-200 1500 233 Alüminyum Alaşımı Alüminyum oksit NaNO 3 1.0-1.2 120-140 1500 233 Titanyum Alaşımı Alüminyum oksit NaNO 3 1.0-1.2 120-140 1000 155 A286 Alüminyum oksit NaNO 3 1.0-1.2 120-140 750 116 Hastelloy X Alüminyum oksit NaNO 3 1.0-1.2 120-140 750 116 M252 Alüminyum oksit NaNO 3 1.0-1.2 120-140 750 116 Udımet 500,700 Alüminyum oksit NaNO 3 /NaCl 0.9-1.0 110-120 750 116 Waspaloy Alüminyum oksit NaNO 3 1.0-1.2 120-140 750 116 Inconel Alüminyum oksit NaNO 3 1.0-1.2 120-140 750 116 Rene 41 Alüminyum oksit NaNO 3 1.8-2.0 180-230 500 78 Rene 80 Alüminyum oksit NaNO 3 1.5-1.9 120-140 500 78 Nikel Alaşımı Alüminyum oksit NaNO 3 1.0-1.2 120-140 750 116 Kobalt Alaşımı Alüminyum oksit NaNO 3 1.0-1.2 60-80 500 78 HS 31 Alüminyum oksit NaNO 3 +NaCl 0.5-0.7 60-80 500 78 Zirkonyum Alaşımı Alüminyum oksit NaNO 3 1.0-1.5 120-180 750 116 Stellit Alüminyum oksit NaNO 3 1.8-2.0 210-240 500 78 Elektrokimyasal taşlama işlemi esnasında metal ile taş arasında 0.75 inç ten daha uzun ark oluşmamalıdır. Aksi takdirde aşırı miktarda hidrojen, çözünmüş metal, oksitler ve hidroksitler oluşur ki; genelde bunların atılabilmesi için gönderilen elektrod yetersiz kalır. Bu prosesle parça üzerinde keskin kenarlar hariç olmak üzere 0.0005 inç hassasiyete kadar ulaşılabilir. Hassasiyet gerektiren parçalarda istenen ölçüye 0.0005-0.0010 inç kalıncaya kadar taşlanır ve daha sonra akım kesilerek, son paso mekanik olarak verilir [3]. 20-4
Tablo 2 İşlemi İçin Teorik Akım Yoğunluğu Değerleri Jet Revizyon Müdürlüğü TAŞLANAN MALZEME AKIM YOĞUNLUĞU (Amp/inç2) Tungsten karpit 500/800 Titanyum karpit 800/1000 Düşük karbonlu çelik 3000/4000 Yüksek karbonlu çelik 2000/3000 Paslanmaz çelik 3000/4000 Stellitler 300/1000 Süper alaşımlar 3000/4000 4 JET REVİZYON MÜDÜRLÜĞÜNDE PROSES 4.1 Uygulama Alanı Elektrokimyasal taşlama, motor üzerinde kullanım esnasında ısıl gerilmelerden dolayı çatlama riski bulunan parçaların taşlanması esnasında kullanılan bir prosestir. Jet Revizyon Müdürlüğü nde, F110 HPT stationary seal, F110 HPT shroud segment, J79 2-3 kademe interstage seal gibi parçalara ait honeycomb seal lerin taşlanmasında elektrokimyasal taşlama işlemi uygulanmaktadır. 4.2 Uygulama Esnasındaki Ortam Koşulları Prosesin kendisi için özel bir ortam koşulu gerekmemektedir. Ortam şartları MIL- STD-1472D esas alınarak düzenlenmektedir. Sıcaklık, yaz ve kış şartlarına göre 18-27 ºC (65-80 ºF) arasında değişebilmektedir. Aydınlatma, tamir atölyesi standartlarına uygun şekilde, 30-50 FT-C (325-540 LUX) civarında olmalıdır. Havalandırma ihtiyacı, atölye hacmi, çalışan personel sayısı ve ortama verilen gaz ve toz miktarı göz önünde bulundurularak hesaplanır. 4.3 Uygulama İçin Gerekli Teçhizat / Ekipmanlar Elektrokimyasal taşlama işlemi için gereken elektrokimyasal taşlama tezgahı aşağıdaki ekipmanlardan oluşmaktadır. Taşın bağlı olduğu şaft İş parçasının yerleştirildiği tabla Güç kaynağı Şaft için pozisyonlandırma sürgüleri 20-5
Elektrolit tankı Elektrolit filtresi Elektrolit pompası Buhar kollektörü Şekil 2 Jet Revizyon Müdürlüğü nde Bulunan Tezgahı 4.4 Proses Öncesi Yapılması Gerekenler Elektrokimyasal taşlama işleminde kullanılan elektrolit sıvı büyük önem arz etmektedir. Bu sıvının sıcaklığı, ph derecesi, yoğunluğu, iletkenliği, basıncı, debisi gibi parametreler prosesin kalitesini doğrudan etkilemektedir. Dolayısıyla aşağıda belirtilen kriterler limitler içinde tutulmalı ve periyodik olarak kontrol edilmelidir. Elektrolit sıcaklığı tezgahın çalışması esnasında 20-30 ºC arasında bir değerde tutulmalı, tezgah çalışmadığı zamanlarda elektrolit sıcaklığı 7 ºC nin altına düşmemelidir. Elektrolitin ph değeri 7-9.5 arasında olmalı, bu limitlerin dışına çıkıldığında sıvı değiştirilmelidir. Elektrolit yoğunluğu kullanılan tuzlara göre belirlenir ve densimetre ile ölçülerek limit harici tespit edilirse su veya elektrolit tuzu katılarak limitlere getirilir. 20-6
Elektrolit iletkenliği 90-130 milisiemens / cm arasında olmalı, 90 milisiemens / cm nin altına düşerse elektrolit değiştirilmelidir. Elektrolit debisi 500-3000 lt / saat, basınç ise 14-40 psi aralıklarında olmalıdır. Elektrolit tuzları en az % 97 saflıkta olmalı ve taşlama sonucu ortaya çıkan metal ve taş parçacıklarının elektrolit yoluyla parça üzerine gönderilmesini önlemek amacıyla pompa çıkış hattına 140 mikrometre veya daha sık filtre bağlanmalıdır [1,3]. 4.5 Emniyet Tedbirleri Elektrokimyasal taşlama işlemi esnasında uyulması gereken emniyet tedbirleri aşağıda sıralanmıştır : Kullanılan elektrolit cilt, nefes alma ve gözler için tahriş edici özellik taşıdığından dolayı, taşlama esnasında toz maskesi, koruyucu gözlük ve plastik eldiven kullanılmalıdır. Elektrolit deposunun kapağı sürekli kapalı tutulmalıdır. Elektrolit yoğunluğu her gün kontrol edilmeli ve gerekirse su ilave edilmelidir. İşlem esnasında taşlamanın yapıldığı bölmenin kapıları kapalı tutulmalıdır. İşlem esnasında taş ile parça arasına iletken herhangi bir parça sokulmamalıdır. 4.6 Prosesin Uygulama Adımları Elektrokimyasal taşlama işlemi uygulanacak parça tezgaha bağlandıktan sonra aşağıdaki uygulama adımlarına göre işlem tamamlanır. Elektrokimyasal taşlama işleminde öncelikle iş parçası malzemesine uygun taş tipi ve taş boyutu Tablo1 den seçilerek, taş tezgaha yerleştirilir. Daha sonra işlenecek parçaya uygun elektrolit karışımı Tablo1 den seçilerek hazırlanır. Bir sonraki aşamada iş parçası malzemesine uygun akım yoğunluğu Tablo1 den veya denemeler sonucunda belirlenir, bu yoğunluk aşırı ısınmayı önlemek için mümkün olduğu kadar düşük seçilir. Parçanın şekline ve taşın çapına göre mümkün olduğu kadar fazla şekilde paso derinliği belirlenir. Daha sonra taşlanan parçanın temas sahası hesaplanarak, işlem için gereken akım miktarı belirlenir. 20-7
Gerilim ayarı test kuponu veya deneme taşlaması esnasında belirlenir ve kıvılcım oluştuğu noktadan itibaren voltaj arttırılmaz. Parçanın işlenmesi esnasında mekanik taşlama oranını %5 den daha küçük tutmak amacıyla, tezgahın boşta çalışmasına göre iş mili akımının biraz yüksek olması gerekmektedir. Son taşlama için bu değer akımın %115 i, kaba taşlama için %125 idir. Taşlanacak toplam malzeme hacmi ve akım değeriyle hesaplanan toplam taşlama süresi boyunca işleme devam edilir ve bu süre sonunda taşlama işlemi tamamlanır [1,2,3]. 4.7 Prosesin Uygunluğunun Kontrolü Parçaya uygulanan elektrokimyasal taşlama işlemleri esnasında aşağıdaki hususların göz önünde bulundurulması gerekmektedir. Parça yüzeyinde yanma izleri varsa, ilerleme hızı yüksek seviyededir. Taşın aşınması çok fazla ise ilerleme hızı yüksektir. Taşlanan yüzey dağlanmış bir görünüm arz ediyorsa ve yüzeyde küçük batmalar veya limit harici tanecikler arası atak varsa, ilerleme hızı düşüktür. Yüzey kalitesi iyi değilse ilerleme hızı yüksektir. Elektrokimyasal taşlama uygulanan iş parçalarının kontrol işlemleri, iş planlarına ve ilgili teknik dokümanlarına uygun olarak yapılır. 4.8 Proses Bitiminden Sonra Yapılması Gerekenler Taşlama işleminin tamamlanmasından sonra parçanın tezgahtan alınarak, taşlanan yüzeylerin ölçülerinin uygun ölçü aletleriyle kontrol edilmesi gerekmektedir. 4.9 Kapasite Jet Revizyon Müdürlüğü nde kullanılan elektrokimyasal taşlama tezgahında maksimum 190 x 220 x 223 inç ebatlarındaki parçaların 0.0001 inç hassasiyetinde elektrokimyasal taşlama işlemleri gerçekleştirilmektedir 4.10 Kullanılan Tezgahın Özellikleri Söz konusu tezgahın x ekseninde merkezden kurs boyu 44.97 inç, z ekseninde maksimum kurs boyu 51.177 inç olup, milin motor gücü 20HP ve devri 1800 devir / dakika dır. Ayrıca tezgah hava ve su bağıntılı soğutma tankına sahiptir. 20-8
REFERANSLAR [1] Everite Machine Products Company, Electrolytic Grinding Principles and Practices ABD [2] Setco Industries, Electrochemical Grinding, ABD [3] Proses Planı, (1993). Eskişehir: 1nci HİBM.K.lığı 20-9