Biyomedikal endüstrisinde kullanılan östenitik paslanmaz çeliklerin talaşlı imalat sürecinde yüzey bütünlüğü ve fonksiyonel performansının geliştirilmesi
Improvement of surface integrity and functional performance in machining process of the austenitic stainless steels used in the biomedical industry
Yazar: EMİN ÖZDEMİR
Danışman: PROF. DR. ABDULKADİR GÜLLÜ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Östenitik paslanmaz çelik ve alaşımları medikal implant malzemesi olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Medikal implantların güvenilirliği özellikle yüzey kalitesine ve yüzey katmanındaki fiziksel durumuna bağlıdır. Bu çalışmada, AISI 316LVM östenitik paslanmaz çeliğin işlenmesinde, kesme parametreleri ile kesme şartlarının, yüzey-altı tabakanın mikroyapısı, tane boyutu, pekleşmesi, mikrosertliği, faz dönüşümü, kristalografik yönelimi ve pürüzlülükten oluşan yüzey bütünlüğü özelliklerine etkileri deneysel olarak araştırılmıştır. Ayrıca işlenen numunelerin yapay vücut sıvısında elektrokimyasal korozyon testleri yapılmıştır. Deneyler; iki farklı kesici takım geometrisi, altı farklı kesme hızı (50-100-150-200-250-300 m/min), altı farklı ilerleme oranı (0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6 mm/rev) ile sabit talaş derinliğinden (1,2 mm) oluşan kesme parametreleri ve beş farklı kesme şartı (kuru, kesme sıvısı, MQL, kriyojenik LCO2 ve kriyojenik LN2) altında gerçekleştirilmiştir. Deney sonuçları; yüzey-altı tabakadaki mikroyapının, tane boyutunun, mikrosertliğin, kristalografik yönelimin ve yüzey pürüzlülüğünün AISI 316LVM biyomedikal implantların fonksiyonel performansı üzerinde önemli etkisi olduğunu göstermiştir. Kesme şartları içinde en iyi yüzey kalitesi MQL ve kesme sıvısı ile elde edilmiştir. Azalan pürüzlülüğün, korozyon potansiyelini yükseltip, korozyon hızını düşürerek numunelerin elektrokimyasal korozyon özelliklerini geliştirdiği görülmüştür. Kriyojenik kesme şartlarında, artan kesme hızı ve ilerleme ile işlenen yüzeyde daha ince bir mikroyapı oluştuğu tespit edilmiştir. Ayrıca yüzey-altı tabakadaki küçülen tane boyutunun korozyon hızını yükselttiği tespit edilmiştir. Diğer yandan yüzey-altı tabakadaki tane boyutu küçüldükçe lokal korozyon direncinin arttığı görülmüştür. Talaşlı imalat sürecinde artan ilerleme ve etkin soğutma altında artan kesme hızı ile yüzey-altı tabaka sertliğinin yükseldiği tespit edilmiştir. Etkin soğutma uygulanan kesme sıvısı ve kriyojenik sıvı azot şartlarına nazaran kuru kesme şartının daha güçlü {111} tekstürüne yol açtığı görülmüştür.

Abstract:
Austenitic stainless steel and its alloys are widely used as medical implant materials. The reliability of medical implants depends mostly on surface quality and physical properties of surface layers. In this study, in the machining of AISI 316LVM austenitic stainless steel, the effects of cutting parameters and cooling conditions on the microstructure, grain size, hardening, microhardness, phase transformation, crystallographic orientation of the subsurface layer and roughness of the machined surface were investigated experimentally. In addition, electrochemical corrosion tests were performed in simulated body fluid (SBF) to examine the effect of surface integrity parameters on the functional performance of the machined samples. Machining tests were performed under five different cutting conditions (dry, flood, MQL, cryogenic LCO2 and cryogenic LN2) besides cutting parameters of two different cutting tool geometries, five different cutting speeds (50, 100, 150, 200, 250, 300 m/min), six different feed rates (0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6 mm/rev) and constant depth of cut (1,2 mm). Experiment results showed that the microstructure, grain size, microhardness, crystallographic orientation of the subsurface layer and surface roughness have an important effect on the functional performance of AISI 316LVM biomedical implants. Within the cooling conditions, the best surface quality was obtained with MQL and flood. Reduced roughness has been shown to improve the electrochemical corrosion properties of the samples by increasing the corrosion potential and reducing the corrosion rate. In cryogenic cooling conditions, it has been determined that a finer microstructure is formed in the subsurface ot the machined surface with increasing cutting speed and feed rate. In addition, it has been determined that the decreasing grain size in the subsurface layer increases the corrosion rate. On the other hand, it was observed that local corrosion resistance increases as the grain size decreases in the subsurface layer. It has been determined that the hardness in the subsurface increased with increasing feed rate and cutting speed during machining under effective cooling. It has been observed that dry cutting leads to stronger {111} texture compared to effective cooling applied flood and cryogenic liquid nitrogen conditions.