İstenen yüzey geometrisi ve boyutta metal üretimi için metalin elektrokimyasal çözünmesine elektrokimyasal metal işleme adı verilir. ECM (Electrochemical Machining) nispeten yeni bir proses olmasına karşın, altında yatan prensip yeni değildir. 19. yy.da Michael Faraday (1791–1867) elektroliz çalışan ilk kişidir. O zamandan beri bilinmektedir ki, elektrolite batırılmış iki elektrik iletken maddeye DC akım uygulandığında, pozitif kutup (anot) tan kopan malzeme negatif kutup (katot) üzerine toplanır. Parçaların üzerine metal kaplamak için yıllarca kullanılan bu elektro kaplama yönteminin ters uygulaması olan malzeme kaldırma, yeni uygulama alanı bulmuştur. Yani elektrokimyasal işleme prensip olarak elektrolitik metal kaplama işleminin tam tersidir. Elektrokimyasal işlemde iş parçası yüzeyinden atomlar koparılır ve elektrolit tarafından taşınarak uzaklaştırılırlar. Elektrokimyasal bir metal erozyonu söz konusudur. İş parçası iletken olmalıdır ve anodu teşkil eder. DC akım kullanıldığı zaman malzeme çözüm hızı büyük oranda artar. Elektrokimyasal işlemenin diğer adı da sıfır kuvvet ile metal işlemedir. Yani metaller üzerinde herhangi bir basınç ve gerilim oluşturmadan istenilen şekli kazandırana kadar sürekli olarak metal erozyonunu gerçekleştirmektir.
Elektrokimyasal işlemede, Faraday kanununa göre pozitif yüklü iş parçasından ayrılan elektronlar ve iyonlar elektrolite geçer. Yüksek hız ve sabit basınçtaki elektrolit bu yüklü partiküllerin katoda gitmesine izin vermez ve taşıyarak işlem bölgesinden uzaklaştırılmasını sağlar. Böylece anot konumundaki iş parçası erozyona uğrar ve katodun (elektrot) şeklini alana kadar erozyon devam eder. Katot üretilecek şeklin bir negatifidir.
Bu proses ilk kez uçak endüstrisinde kullanılmıştır. Bugün yüksek sertlik ve mukavemete sahip süper alaşımlar ve refrakter malzemelerin ekonomik, seri ve karmaşık şekillerde işlenmesinde etkin bir şekilde kullanılan birkaç yöntemden biridir. Bu işlem geleneksel işleme metotları ile zaman alıcı ve üretimi imkansız veya zor olan parçaların özellikle de sertleştirilmiş çelik veya ısıya dirençli alaşımlar işlenir. Örneğin jet motorları, kompresör ve türbin kanatlarında kullanılan yüksek dirençli alaşımların (örneğin nimonic gibi) işlenmesi amacıyla geliştirilmiştir. Sözü edilen bu işlemlerin normal metal işleme prosesleri ile gerçekleştirilmesi zordur. Kullanılan aletlerin yapıldığı madde sayısı sınırlıdır ve pahalıdır, alet ömrü kısa olup metal işleme sırasında harcanan zaman ve enerji fazladır. Bir metalin elektrokimyasal yolla işlenmesi o metalin mekanik özelliklerine bağlı değildir ve çok sert metaller bile yumuşak olanlar kadar kolay çözünürler. Bu işlemde metal sertliğine bakılmaksızın her sertlikteki malzemeler kolaylıkla işlenir ve talaşsız işlem olarak karakterize edilir. Gerekli parça şekli dönmeyen bir takım olan kesici takımdır. Bu nedenle kare veya işlenmesi zor olan şekiller parçadan kolaylıkla üretilebilir. Takım iş parçasına asla temas etmediği için kesici takım üzerinde aşınmanın zor farkına varılabilir. Elektrokimyasal işleme, özellikle yuvarlak delikleri, kare delikleri, yuvarlak ve kare kör delikleri, düz kenarlı, paralel kenarlı ve eğik kenarlara sahip olan parçaların işlenmesinde uygundur. Elektrokimyasal işleme bilhassa sertliği 45 Rc den fazla olan malzemelerin işlenmesinde kullanılır. Keskin köşeler, düz dip kesitli parçalar veya tam radyüsün zor olduğu parçalar da bu işlemle yapılabilir. Elektrokimyasal işlemenin önemli bir avantajı iş parçası yüzeyleri ve kenarlarının deforme olmaması ve yanmamasıdır. Öte yandan elektrokimyasal yöntemle metalin çözündürülmesi yüksek sıcaklık ya da mekanik iç direnç yaratmaz.
PROSES MEKANİZMASI
ECM, önceden şekil verilmiş takım (katot) ve iş parçası (anot) arasından yüksek amperli ve düşük voltajlı bir doğru akım geçirilmesi ile oluşan elektrokimyasal bir anodik eritme prosesidir. Anodik iş parçası üzerinde, deplating reaksiyonu ile metal metalik iyonlar olarak erir ve böylece takımın şekli iş parçası üzerine kopyalanır. Elektrolit, deplating esnasında oluşan metal iyonlarını ve ısıyı ortamdan uzaklaştırmak için elektrotlar arasındaki boşluktan akmaya zorlanır. Takım iş parçası ile aralarında küçük bir boşluk olacak biçimde ilerletilir.
ELEKTRO-KİMYASAL İŞLEME
Elektrokimyasal işleme, bir iş parçasının yüzeyinden atomların kaldırılmasına dayanan gelişmiş bir işleme yöntemidir. Bu işleme yönteminde elektroliz teknikleri kullanılır. ECM yönteminde yüksek akım şiddetli ve düşük voltajlı bir doğru akım iş parçası (anot) ile şekillendirilmiş takım (katot) arasından
geçirilir. Anodik iş parçası yüzeyindeki metal iyonlarına ayrışır ve böylece takımın şekli iş parçasına kopyalanır. Elektrotlar arasındaki boşluktan akan elektrolit, metal iyonlarını ve oluşan ısıyı kaldırır. Takım iş parçası içine doğru ilerletilerek anot ile katot arasındaki boşluk korunur. Anot metali elektrokimyasal olarak çözündüğünden, çözünme hızı Faraday Kanunu’na göre sadece atomik ağırlığına,
birleşme değerine, geçen akıma ve akımın geçtiği süreye bağlıdır. Çözünme hızı metalin sertliğinden ya da diğer özelliklerinden bağımsızdır. Katotta sadece
hidrojen gazı oluştuğundan, bu elektrotun şekli elektroliz boyunca değişmez. Bu özellik ECM’in metal işleme yöntemi olarak kullanılmasındaki en
önemli etkendir.
1. Temel Prensipler
İş parçası ve takım bir elektrolit bataryanın anot ve katodunu oluşturur.
Genelde 10-30 V civarlarında sabitlenmiş bir potansiyel fark tatbik edilir. Uygun bir elektrolit seçilir. Böylece elektroliz boyunca katodun şekli değişmez. İşleme ürünlerini temizlemek, katodik gaz oluşumu ve elektriksel ısınma ile yükselen istenmeyen etkilerin azaltılması amacıyla elektrotların arasındaki boşluktan iletkenliği yaklaşık 0.2 W/cm olan elektrolit yaklaşık 3-60 m/s hızla pompalanır. Anottan metal kaldırma hızı yaklaşık olarak elektrotlar arasındaki mesafenin tersiyle orantılıdır. Katodun anoda doğru yaklaşık 0.02-0.03 mm/s’lik bir besleme
hızıyla işleme devam etmesi ile elektrotlar arasındaki açıklık sabit bir değere ulaşır. Bu şartlar altında katot şeklinin kabaca simetriği (tamamlayıcısı) anot üzerinde oluşur. Tipik elektrot aralığı 0.025-1.3 mm, ortalama akım şiddeti de 20-300 A/cm2’dir.
Katot olarak kullanılacak metal elektriksel ve ısıl iletkenliğe sahip olmalı, elektrolite karşı kimyasal dirence sahip olmalı ve ECM için gerekli sertliğe ve
işlenebilme özelliğine sahip olmalıdır. Bakır, pirinç, bronz, paslanmaz çelik ve titanyum ECM takımları olarak en çok kullanılan malzemelerdir. Elektriği
geçiren neredeyse tüm malzemelerden yapılmış iş parçaları elektrokimyasal olarak işlenebilir. ECM; titanyum, Rene 95, Rene 88 ve IN100 gibi en sert yüksek sıcaklık alaşımlarında bile etkin bir şekilde kullanılabilir. Elektrolit anot ile katot arasında devreyi tamamlayan iletken bir sıvıdır. Elektrolitler temelde inorganik
bileşiklerin sıvı solüsyonlarıdır ve anotta iş parçasını çözündürme yeteneğine sahip olmalıdır. Yüksek elektriksel iletkenlik, özgül ısı, ısıl iletkenlik ve kaynama noktası elektrolitlerin temel özellikleridir. Fakat bunlara ilaveten metal alaşımları, 1818
paslanmaz çelik veya titanyumdan yapılan pompa ve ilgili ekipmanda korozyona neden olmamalıdır. Çelik veya nikel alaşımlarını işlemek için içine bir miktar
sülfürik ya da hidroklorik asit katılmış %24’lük bir sodyum klorür solüsyonu bir elektrolit için baz oluşturabilir. Gaz türbinli motorların pale (blade) ve kanatçıklarına (vane) uygulanan ECM işlemlerinde genelde sodyum nitrat kullanılır.
2. ECM’in Avantaj ve Dezavantajları
Elektrokimyasal işleme ile kazanılan başlıca avantajlar şu şekilde sıralanabilir:
1. Metal işleme hızı metalin sertliğine bağlı değildir.
2. Sert metaller üzerine karmaşık şekiller işlenebilir.
3. Takım aşınması yoktur.
4. Diğer işleme yöntemlerine göre daha hassastır (0.127 mm bazı durumlarda 0.013
mm’ye düşebilir).
5. Sert ya da yumuşak herhangi bir iletken malzemede kullanılabilir.
6. Takım iş parçasına asla temas etmediğinden iş parçasına zarar verme tehlikesi yoktur.
7. Takımda ve iş parçasında kalıntı gerilme ve termal yorulma yoktur.
8. İş parçasında çapak oluşmaz.
Bu avantajların yanında ECM’in birtakım dezavantajları da vardır. Bunlar şu şekilde özetlenebilir:
1. ECM makineleri, kurulması, bakımı ve takımların üretimi çok pahalıdır.
2. Elektrolitin iyi bir şekilde depolanması gerekir. Örneğin sodyum klorür (en çok
kullanılan elektrolit) ekipmanda, takımda ve iş parçasında korozyona neden olabilir. Ayrıca asit ve alkali içeren solüsyon atıkları çevreye zarar vermeyecek şekilde depolanmalıdır.
3. ECM’in Uygulama Alanları
Elektrokimyasal işleme, uçak motor endüstrisinde genelde imalatta kullanılır. Bunlara örnek olarak türbin paleleri, pale diskleri gibi geleneksel yöntemlerle işlenmesi güç motor parçaların şekillendirilmesi verilebilir. Onarım işlemlerinde ise
en yaygın kullanım alanı çapak alma (pürüzlü yüzeylerin düzeltilmesi) ve delik delme işlemleridir.
3.1. Çapak alma
ECM’in en basit ve en yaygın uygulaması çapak almadır. Elektrokimyasal çapak alma hızlı bir işlemdir. İmal edilmiş veya onarım işlemi görmüş (kaynak vb.) komponent yüzeylerinin düzeltilmesi için tipik işlem süresi 5-30 sn’dir. Hızı ve kullanım kolaylığından dolayı elektrokimyasal çapak alma, sabit bir katot takımı ile gerçekleştirilebilir. İşlem bir çok uygulamada kullanılır ve enine delinmiş deliklerin
ara kesit bölgesinin çapaktan arındırılması için özellikle uygundur. Yüzeydeki pürüzlerin giderilmesi için geliştirilen elektrokimyasal parlatma işlemi ile
yüzey pürüzlülüğü 0.05 µm’den daha küçüktür.
3.2. Delik Delme
Delik delme ECM’in kullanıldığı bir diğer yaygın işlemdir. ECM ile çok değişik boyutlarda delikler delmek mümkündür. 0.05 mm’den 20 mm çapa kadar delikler rapor edilmiştir. Elektrokimyasal delme işlemi ile elde edilen yaygın sonuçlar 0.001 mm konik, 0.5 mm aşırı kazılmış (iş parçasının yan çeperi ile katot
takımının merkez ekseni arasındaki radyal uzunluk ile katodun dış çapı arasındaki yerel fark “aşırı kazıma” (overcut) olarak bilinir) ve 2.5 mm köşe yarıçapına
sahip deliklerdir. ECM ile iç çapı 0.8 mm’den ve dış çapı da 0.5 mm’den küçük parçaları işlemek zordur.
ELEKTRO-KİMYASAL İŞLEME YÖNTEMLERİ
Günümüzde sanayida kullanılan elektro ve kimyasal işleme yöntemleri şunlardır;
1) Kimyasal işleme,
2) Elektro-Kimyasal işleme,
3) Elektro erozyonla işleme,
4) Elektro-Kimyasal taşlama,
5) Yüksek enerjili ışınla işleme
Kimyasal İşleme: Metallerin çoğunluğunun ve seramiklerin bazılarının bazı asit veya alkali çözeltiler içinde çözünme gösterdikleri yıllardan beri bilinmektedir.Metal atomları birer birer ayrılarak sıvı ile çevrelenmiş bölgenin tamamı çözülebilir.Endüstriyel uygulamalarda yüzeyin sadece bir kısmı dağlanır.Diğer kısımları balmumu,boya ve polimer film gibi maddelerle korunur.Daldırma veya püskürtme yoluyla tüm yüzeylerde kalın bir film oluşturulur, dağlanarak elde edilecek olan model bu yüzey üzerinde bir şablon boyunca bıçakla kesilir.
Elektro-Kimyasal İşleme: Elektro kimyasal işleme prensip olarak elektrolitik metal kaplama işleminin tam tersidir.Elektrokimyasal işlemede iş parçaı yüzeyinden atomlar koparılır ve takiben elektrolit tarafından taşınarak uzaklaştırılırlar.Elektrokimyasal bir metal erozyonu söz konusudur.İşparçası iletken olmalıdır ve anodu teşkil eder.
Son şekli verilmiş elektrod negatif yüklü takım tutucuya tesbit edilir ve iş parçası pozitif yüklü tablaya bağlanır.Güç kaynağı olarak düşük voltaj ve yüksek amper değerlerinde
DC akım kullanılır.Elektrod ve iş parçasının tesbit edilip yüklenmesinden sonra pompalar vasıtasıyla elektrolitin elektrod ile iş parçası arasında sirkülasyonu sağlanır.
Elektroerozyonla İşleme: Bu yöntemde işleyici takım olarak kullanılan elektrod ile iletken iş parçası arasında meydana gelen elektrikli şarjın oluşturduğu aşırı sıcaklık ile yüzeyden çok küçük parçalar koparılarak şekillendirme gerçekleştirilir.İş parçası ve metal veya grafit katot çoğunlukla hidrokarbondan oluşan dielektrik bir sıvıya daldırılır.Elektrod şeçimi işlenecek malzemeye ve gerçekleştirilecek işleme göre yapılır.Genelde seçilecek takım malzemesinin yüksek ergitme noktalı mükemmel bir elektrik iletkenli ve yüksek aşınma direncine sahip olması istenir.
Elektrokimyasal Taşlama: Elektrolitik taşlama olarak da adlandırılan bu yöntem klasik taşlama ile elektrokimyasal işlemin birleşmesinden meydana gelir.
Elektrolitik taşlama düşük voltajlı doğru akımın kemirici takım ve iş parçasına uygulanmasıyla oluşturulan elektrokimyasal erozyonla meydana getirilir.Elektrokimyasal reaksiyonun sonunda elektrolitin iyonlaşması ve bu iyonların metal yüzeyinde oluşturdukları metal oksit filminin koparılıp elektrolit tarafından uzaklaştırılmasıyla yüzeyler taşlanmış olur.
Yüksek Enerjili Işınla İşleme: Bu yöntemle kontrollü bir şekilde ergitme ve kısmi buharlaştırma ile malzemeler üzerinde kesme ve delme işlemleri gerçekleştirilebilir.Bu proses elektron ışını ve plazma ark gibi kaynak proseslerinin bir alt dalıdır.Yüksek enerjili ışınla kesme operasyonu metalik malzemelerin yanı sıra özellikle seramik ve plastikler gibi işlenmesi güç olan malzemelerin şekillendirilmesinde de çok kullanışlıdır.
