MİKRO ARK OKSİDASYON TEKNİĞİ 1
MİKRO ARK OKSİDASYON İŞLEMİ Mikro Ark Oksidasyon İşleminin Tarihçesi Mikro ark oksidasyon (MAO) işlemi, yaklaşık 40 yıl önce Sovyetler Birliği'nde, önceleri akademik, sonraki yıllarda ise denizaltı parçalarının üretimi çerçevesinde askeri uygulamalarda kullanılmaya başlanmış bir yüzey işlemidir. Amerika'da 1970'li yıllarda, 1980'lerin sonunda ise tüm dünyaya tanınan mikro ark oksidasyon, günümüzde halen güncel ve yaygın çalışılan bir araştırma konusudur. 2
MİKRO ARK OKSİDASYON İŞLEMİ Mikro ark oksidasyon işlemini tanımlamak için pek çok terim kullanılmaktadır: Bunlar arasında, kıvılcımlı anodik oksidasyon (spark anodizing), anodik kıvılcımlı biriktirme (anodic spark deposition), mikro ark anodik oksidasyon (micro arc anodizing), mikro plazma anodik oksidasyon (microplasma anodizing), mikro plazma oksidasyon (mikro plazma oxidation), plazma elektrolitik oksidasyon (plasma electrolytic oxidation) ve elektroplazma oksidasyon (elektroplasma oxidation) sayılabilir 3
Mikro Ark Oksidasyon Düzeneği ve Proses Mikro ark oksidasyon işlemi en basit haliyle bir güç kaynağı, bir elektrolit banyosu, anot, katot ve soğutma sisteminden meydana gelmektedir. Mikro ark oksidasyon işlemi, elektrolit içerisine daldırılmış anot numuneye negatif voltaj, katoda ise pozitif voltaj verilmesi ile anot üzerinde ark oluşturulması ve numune yüzeyinin oksit kaplanması olarak tanımlanabilir 4
Mikro Ark Oksidasyon Düzeneği ve Proses 1- Güç kaynağı 2-Karıştırıcı 3-Anot 4-Katot 5-Elektrolit 6-Soğutma suyu 5
MAO yöntemi ile her tip alüminyum alaşımları kaplanabilmektedir. Bu bir çeşit elektro kimyasal işlem olup kontrollü doğru akım (DC, DA) gücünün belirli kompozisyondaki elektrolitik banyoya alüminyum parçayı daldırmak suretiyle uygulanır. Yeterli voltaj ile akım sayesinde yoğun plazma, model yüzeyi üzerinde mikro arklama ile oluşturulur ve bu plazma, Al model yüzeyini oksitler. Al yüzeyin yani kaplama yapılacak yüzeyin oksitlenmesi ile oksit filmi oluşturulur ve geleneksel metotlara kıyasla çok daha kalın kaplamalar üretilir. 6
Elektrotların ph dereceleri 8-12 arasında olur. Geleneksel anotlama prosesinde ise ph derecesi düşük asit elektrotları çalıştırılmaktadır. Proses ortalama voltaj ve akımdaki doğru akımları çalıştırır. Oluşan voltaj nedeniyle, mikro plazma etrafı elektrotlar tarafından çevrilir ve plazmada oluşan oksijen iyonları anodik filmden Al altlığa difüze olur ve orada film oluşturur. Oluşan voltaj ve akım, geleneksel prosesle uzun zaman diliminde oluşan benzer kalınlıktaki filmlerin oluşumunu çok kısa bir sürede sağlar. Daha kalın ve yoğun, gözeneksiz film tabakası oluşmaktadır. 7
Elektrolitik banyo derecesinin korunması için ekstra büyük çabalara ihtiyaç yoktur. Hatta eğer solüsyon sıcaklığı 40-70 C arasında ise son derece başarılı kaplamalar elde edilir. Ayrıca bu sıcaklık aralığında prosesi de kolaylaştırır. Kaplamanın yüksek yoğunluğu nedeniyle anotlanmış parçanın boyutunda hiçbir değişim gerçekleşmez ve tamamıyla bitirilmiş parça daha sonraki aşamalara gerek kalmadan kaplanabilir. 8
MAO ile üretilen kaplamalarda iki bölge oluşur. (Malzemenin yüzeyinde oluşan dış kaplama iç ve dış kaplama) Dış kaplamanın yaklaşık 15 %'si soyulabilir, ama bu az bir orandır. İç kaplama ise son derece sert bir seramik kaplamadır. Oluşan sert seramik kaplama mükemmel derecede aşınma, ısıya direnç gösterir ve kimyasal korozyonu da mükemmeldir. Ayrıca kaplama elektriksel yalıtkanlık da sağlar. 9
MAO kaplanmış 7075 alaşımının ara tabakası, kalınlık 120µm 10
Yukarıdaki kaplamada dış tabaka 30-60µm kalınlıkta, mikro sertlik 500-1000 HV ve porozite>15% biçimindedir. Fonksiyonel tabaka ise 200 µm kadar kalınlık göstermekte, mikro sertlik 900-2000 HV ve porozite 2-15% şeklindedir. Sert tabaka hücresel yapıya sahiptir, sert kristaller (2000 HV'e kadar) yumuşak yapı (800-1200 HV) içerisinde paketlendirilmiştir. İnce geçiş tabakası (5 µm kadar) ana metal ile seramikler arasındadır. 11
Tüm bu belirtilenlere ilaveten geleneksel anotlama prosesinden farklı olarak herhangi bir kompozisyona sahip Al alaşım parçaları, mikro ark oksidasyon prosesi ile başarıyla kaplanabilir. Değişik türdeki seramik alaşım kaplamaları, örneğin; AI2O3.3SİO2, Al 2 03.Mg0, Aİ203.Ca0 sadece bu metotla üretilir. Proses ayrıca parça iç yüzeyinde sert kaplama oluşturmak için de uygundur. Örneğin; silindirik, konik veya küresel oyuk parçaların kaplanması için en uygun prosestir. 12
BAŞLICA ÖZELLİKLERİ Yüksek adhezyon Yüksek sertlik (Vikers>25GPa) Yüksek erozyon& abrasif aşınma direnci Yüksek termal şok direnci Dielektrik özellikleri Kimyasal özellikleri: Korozyon: Kaplanmış alaşımlar 7000 saat tuzlubulanık test odası içerisinde direnç gösterirler. Kompozisyon: Kristalin α- Al2O3 Elektriksel özellikleri: Elektrik direnci> 5x 100 Ohm.cm Kırılma voltajı: 800V 13
Termik özellikleri: Isı rezistansı: 3000+ F soğutma ile beraber Mekanik özellikleri: Kalınlığı: 0-150 mikron Sertliği: 1400+Vikers Sertlik: Yumuşak (kaplama): 90:10 Bağlanma: >1000 psi Kaplama Yoğunluğu: 3.8 gms/cm 3 Young Modülü: 277 GPa 14
NEDEN MAO KULLANILMAKTADIR? Hafif ve pahalı olmayan alüminyum, MAO teknolojisi ile kaplanarak ağır çelik ve birçok imalat veya sanayi prosesleri ve ürünleri (nakliyat, elektronik, kimyasallar, spor faaliyet alanları ve diğer sanayi dallarını da içerir) için istenilen diğer kompozitlerin yerini alabilir. En önemlisi ise, alüminyumun düşük maliyeti, bu prosesi ekonomik açıdan uygun kılar. Arzu edilen seramik kaplama kalınlığına, hızlı üretim, ham malzemelerin ekonomikliği ve uygulamanın bütününde çevresel olarak güvenli olması ile birlikte ulaşılır. 15
ÇEVRESEL BAZDA DEĞERLENDİRİLMESİ MAO teknolojisinde asitler ve asidik malzemeler kullanılmamaktadır. Asidik atıklara neden olmaz Zehirli ve tehlikeli gazlar üretilmemektedir Bir ürün olan, ISI, kolayca atmosferde dağılabilmektedir. Zararlı atıklara da neden olmamaktadır. MAO çevreye dost ve sürekli bir teknolojidir. 16
MALİYET AÇISINDAN DEĞERLENDİRİLMESİ MAO teknolojisi ile alüminyum kaplamanın maliyeti çok düşüktür. Çelik alüminyumdan üç kat ağırdır, bu nedenle çeliği aynı ebattaki alüminyum ile değiştirmek üretimde ağırlıkta azalma olarak kendini gösterir. MAO ile işlem görmüş alüminyumun sertliği çeliğin iki katıdır. Bu da yüksek çarpma (darbe) istenen durumlarda çelik yerine MAO işlenmiş alüminyumu tercih ettirir. Örneğin; kalıplarda, pistonlarda vb. Sürtünme, korozyon ve ısı özellikleri aynı derece de kusursuzdur. Alüminyum kullanımındaki artış yaygın çelik kullanımının yerini almaktadır 17
UYGULAMA ALANLARI MAO teknolojisiyle yapılan seramik kaplamalar çeşitli alanlarda kullanılan alüminyum parçaların sertleştirilmesi için kullanılmaktadır. Bu alanlar içinde; makine konstrüksiyon, örneğin; motor imalatı, hidrolik, tekstil sanayisi vb. sayılabilir. Bu metot pistonlara uygulanabilir, dizel yakıtlı pompalar, ergime fırınları için termokupul valflar, abrasif sıvı pompaları için parçalarda, dönel pompalar için ön yüzey contalarda vb. metot uygulanabilir. Al alaşımından yapılan ve MAO metotla işlem görmüş parçalar; ısıl işlem çeliğinden yapılan parçaların, yüksek mukavemetli dökme demirin, sert metalin, seramiğin, sert krom kaplama ile sertleştirilmiş parçaların, sert anotlamanın ve gaz-termal spreyleme metoduyla yapılan parçaların yerine geçer. 18
UYGULAMA ALANLARI Kimyasal uygulamalar: seramik kaplama sulu ortamlara, orta yükseklikteki sıcaklıklara ve güçlü asitler ile bazlara karşı dirençlidir. Bu sebeple kimyasal ve gıda endüstrilerinde kullanılabilir. Mekanik uygulamalar: Film kalınlığı 1300 kg/mm 2 'den yukarıdır. Filmin kayma, abrasif ve erozif aşınma dirençli kullanımını mümkün kılar. İlaveten, sürtünme katsayısı düşüktür ve bundan ötürü sınırlı yağlayıcı sistemler içinde kullanılabilir. Termal uygulamalar: Anot filmin ısısal iletkeni diğer metallerden daha düşüktür. Bu sebepten dolayı, anotlanmış parçalar sıcaklığın eşit dağılımını korumak ve termal şok direnç için kullanılabilirler 19
DEZAVANTAJLARI Diğer teknolojilerde olduğu gibi mikro ark oksidasyonun da limitleri vardır. Büyük ölçekli ürünlerde mikro ark oksidasyonu işlemini yürütmek için yüksek voltaj (1000 V'un üzerinde) ve güç kaynağı kapasitesi (1 MW'tan fazla) gerekmektedir. Bu yüksek enerji tüketimi ve ürün ölçeği ile parça büyüklüğünde olduğu gibi tehlikeli bir üretim ortamı anlamına gelir. Dişli yapım aletlerinin ve malzemelerinin beklenen yüksek voltaj kullanımı ile büyük ilgisi vardır. Bu teknoloji sülfürik katı anotlama da olduğu gibi yanmaya yol açmaz. Bununla birlikte dişli, parça ve maskeleme arasındaki temas sırasında oluşan arkı kaldırmak ciddi bir problemdir. 20
21