Farklı sac kalıp malzemeleri üzerine elektrospark biriktirme yöntem parametrelerinin araştırılması
Investigation of electrospark deposition method parameters on different sheet mold materials
Yazar: ORHAN DEMİRBİLEK
Danışman: DOÇ. DR. NECİP ÜNLÜ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Elektrospark biriktirme yöntemi = Electrospark deposition method ; Kalıp malzemeleri = Mold materials ; Karbon çeliği = Carbon steel ; Sac metal presi = Sheet metal press

Özet:
Endüstride ihtiyaç duyulan makine, ekipman ve malzemelerin kullanım alanlarındaki ortaya çıkan hızlı artış, çok daha fazla çeşitte ve adette malzeme üretilmesi ve geliştirilmesini gerekli kılmıştır. Otomotiv endüstrisi başta olmak üzere gıda endüstrisi, beyaz eşya sektörü gibi alanlarda yaygın olarak kullanılan sac metal şekillendirme çok fazla çeşit ve adette parça üretimine olanak sağlar. 
Sac metal şekillendirmede yassı bir çelik sac malzeme bükme kalıbı, derin çekme kalıbı ve kesme kalıbı gibi bir veya birden fazla kalıba koyularak plastik olarak deforme edilir ve nihai şekle getirilir. Kullanılan kalıp ve ekipmanlarına ait parçaların çalışma prensipleri incelendiğinde büyük çoğunluğunda parçaların genelde yüzeylerinin çalıştığını görmekteyiz. 
Aktif olarak çalışan yüzeyler diğer bölümlere nazaran daha fazla sürtünme, ısı, korozyon gibi etkilere maruz kalmaktadır. Kullanılan kalıpların yüzey kısımları sürekli olarak sürtünme ve aşınmaya maruz kalırken kalıp dış kısmında böyle bir etkiden söz edilemez. Bu yüzeylerin sürtünme ve aşınma özelliklerinin diğer yüzeylere göre daha iyi olması beklenir. Bunun gibi yüzey özelliklerini geliştirmek, malzeme yüzeyinde istenilen özellikleri kazandırmak için malzeme yüzeyine çeşitli prosesler uygulanmalıdır.
Kaplamalar yüzey özellikleri geliştirme yöntemlerinde yaygın olarak tercih edilirler. Kaplamalar, aşırı şartlara maruz kalan makine elemanlarının, kalıp yüzeylerinin güçlendirmenin ve yenilemenin önemli bir yoludur. Kaplamalar, havacılık ve otomotiv endüstrisinden insan vücudundaki küçük biyomedikal cihazlara ve implantlara kadar farklı alanlarda sert ve aşındırıcı ortamlara maruz kalan bir yapının belirli bir parçasına veya tümüne koruma sağlar.
İstenilen düzeyde yüzey özelliklerine sahip kaplama elde etmek oldukça zor bir konu olup, kaplama yöntem ve parametrelerinin geliştirilmesine duyulan ihtiyaç her geçen gün artmaktadır. Bu yöntemlerden bir tanesi de zorlu ortamlarda kullanılmak üzere metalürjik kaplamalarda en umut verici gelişmelerden biri elektrospark biriktirme (ESD) prosesidir. 
ESD, esas olarak, bir elektrot malzemesini metal bir alt tabakaya kaynaklamak için kısa süreli, yüksek akımlı elektrik darbeleri kullanan bir darbeli mikro ark kaynak işlemidir. Demir üzerine benzer bir elektrot kullanılarak ark uygulanmış ve bu uygulamanın sonucunda demir yüzeyinin sertliğininin arttığı 1924 yılında keşfedilmiştir. Bu keşif ESD kaplamanın temelini oluşturmakta olup üzerine çalışmalar devam etmektedir.
Sac metal şekillendirme kalıplarının imalatında kalıp malzemelerinin seçimi şekillendirilecek parça özelliklerine ve üretim adetlerine göre belirlenmektedir. Karbon çelikleri, küresel grafitli dökme demirler ve takım çelikleri yaygın olarak kullanılmaktadır.
Bu çalışmada elektrospark biriktirme yöntemi kullanılarak sac şekillendirme kalıplarında yaygın olarak kullanılan Ck45, 1.2379 ve EN JS 1050 altlık malzemelerinin paslanmaz çelik elektrot ile kaplanması için optimum kaplama parametrelerinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Farklı parametrelerde yapılan kaplama işlemi sonucunda elde edilen numunelerin kaplama yüzeyleri incelenmiştir. Oluşan mikroyapılar, optik mikroskop, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDX) ile karakterize edilmiştir.
Optimum kaplama parametrelerinin malzeme türüne göre değişkenlik gösterdiği görülmüştür. Artan çıkış gücü ile kaplama kalınlığı genel olarak artmaktadır. Aynı çıkış gücüne sahip malzemelerin farklı frekans değerlerinde de kaplamalar görülmüştür. 
Optimum kaplama Ck 45 ve 1.2379 malzemeler için %70 çıkış gücü ve 500 Hz de sağlanırken, EN JS 1050 malzemesinde %50 çıkış gücü ve 400 ve 500 Hz de sağlanmıştır. Kaplama kalınlıkları altlık malzemeye göre değişmekte olup yoğun ve kuvvetli bir yapışkan kaplama tabakası elde edilmiştir.

Abstract:
The rapid increase in the usage areas of machinery, equipment and materials needed in the industry necessitated the production and development of much more types and quantities of materials. Sheet metal forming, which is widely used in areas such as the automotive industry, the food industry, and the white goods industry, allows the production of many types and quantities of parts.
In sheet metal forming, a flat steel sheet material is plastically deformed and formed into its final shape by placing it in one or more molds, such as a bending die, a deep drawing die, and a cutting die. When the working principles of the parts of the molds and equipment used are examined, we see that the surfaces of the parts generally work in the vast majority of them. 
Actively working surfaces are exposed to effects such as friction, heat and corrosion more than other parts. While the surface parts of the molds used are constantly exposed to friction and wear, such an effect cannot be mentioned on the outer part of the mold. The friction and wear properties of these surfaces are expected to be better than other surfaces. Various processes should be applied to the surface of the material in order to improve the surface properties like this and to give the desired properties on the material surface.
Coatings are widely preferred in surface properties improvement methods. Coatings are an important way of reinforcing and renewing machine elements and mold surfaces that are exposed to extreme conditions. In order to improve the physical and chemical properties such as appearance, corrosion resistance, wear resistance, thermal resistance, optical, electrical or heat conduction, the coating material is not damaged and the friction behavior is improved, by means of gas, liquid or vacuum, simple or complex equipment. It is a surface treatment in which different metal, ceramic and even plastic materials are transferred to the desired material surface under the environment. Coatings provide protection to a particular part or all of a structure exposed to harsh and corrosive environments in areas ranging from the aerospace and automotive industries to small biomedical devices and implants in the human body.
It is very difficult to obtain a coating with the desired level of surface properties, and the need for the development of coating methods and parameters is increasing day by day. One of these methods, one of the most promising developments in metallurgical coatings for use in harsh environments is the electrospark deposition (ESD) process.
ESD is essentially a pulsed micro-arc welding process that uses short-duration, high-current electrical pulses to weld an electrode material to a metal substrate. An arc was applied on iron using a similar electrode, and it was discovered in 1924 that the hardness of the iron surface increased as a result of this application. This discovery forms the basis of ESD coating and studies continue on it.
The electrical energy accumulated in the series capacitor on the pulsed current generator is discharged in milliseconds while the electrode touches the substrate. The energy generated during this discharge creates arcs in the space between the electrode and the substrate. As a result of the arcs formed, it causes the temperature to rise to thousands of degrees Celsius in this intermediate region, thus forming plasma channels in these regions. The electrode material (anode), which has almost become molten due to the vacuum effect resulting from the high temperature and sudden expansion created by the plasma channels, is drawn on the substrate material with the effect of gravity and contacts the liquefied region. As a result of this contact, alloying occurs as a result of the mixing of the molten mass with the liquefied region on the substrate. At the end of one cycle, the instantaneously alloyed areas solidify on the substrate surface. The electrode is constantly moved from one end to the other on the surface for the coating to accumulate. The coating process continues by repeating the cycle and the coating thickness is increased layer by layer. Electrospark deposition (ESD) technique consists of a capacitor-based power source, applicator (electrode holder), consumable electrode (anode), substrate material (cathode), and shielding gas that protects the coating surface from the atmosphere. These equipment used in ESD are relatively inexpensive and have a portable structure. In this way, it can be easily transported and installed.
In the manufacture of sheet metal forming molds, the selection of mold materials is determined according to the characteristics of the part to be formed and the number of production. Carbon steels, spheroidal graphite cast irons and tool steels are commonly used. Tool steels have varying degrees of carbon content. These steels are materials that contain higher proportions of alloying elements such as Cr, Mo, W, Ti, V, Ni, Co compared to other steels according to their intended use and can have high strength, toughness and wear resistance with the applied hardening and tempering heat treatments.
Carbon steels are one of the most widely used materials in industry. It is frequently used in the manufacture of some mold parts as well as auxiliary mold components. Carbon steels used for molds are mainly used because of their good strength and weldability rather than wear resistance.
Cast irons are used to form sheet metal by forming, drawing or cutting with dies. While such molds are sometimes made in one piece, they are usually composite. Composite dies are dies in which mold tools made of carbon, alloy, or tool steel or other materials are placed in the parts of the cast body that are most subject to wear or breakage. Cast mold elements are cheaper, require less machining, and are structurally strong. Cast irons are relatively low cost, easily cast and machined. Another advantage of cast irons is their ability to resist friction. However, these materials have relatively poor weldability.
In this study, it was aimed to determine the optimum coating parameters for the coating of Ck45, 1.2379 and EN JS 1050 substrate materials, which are widely used in sheet metal forming molds, with stainless steel electrode using the electrospark deposition method. The coating surfaces of the samples obtained as a result of the coating process performed in different parameters were examined. The resulting microstructures were characterized by optical microscope, scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX).
It has been observed that the optimum coating parameters vary according to the material type. The coating thickness generally increases with increasing output power. Coatings were also observed at different frequency values of materials with the same output power. In Ck45 material, there is a cementite phase structure (Fe3C) in the coating layer, the possibility of formation of a Cr7C3 layer is due to the distribution of carbon and Cr in stainless steel. Since the amount of Cr in the 1.2379 substrate material and coming from the electrode is much higher than that of C, it should be considered that there are Cr7C3, Cr23C6 carbide structures in the coating layer, and hardness can be obtained through these carbide networks. The structure of spheroidal graphite at the coating interface in EN JS 1050 material is deteriorated due to increased heat input. Increasing heat input causes thermal instability and facilitates C diffusion, and then there is a tendency to form more cementite structure.
While the optimum coating is provided for Ck 45 and 1.2379 materials at 70% output power and 500 Hz, 50% output power and 400 and 500 Hz are provided for EN JS 1050 material. The coating thicknesses vary according to the substrate material, and a dense and strong adhesive coating layer is obtained.