A Mechatronic System Design for The Coating of WC on Stainless Steel Using Electro Spark Deposition Method

Abstract

Today, Electro Spark Deposition (ESD) systems are increasingly used in automotive, textile, chemistry, space, medicine, food and military fields. However, ESD coating processes are performed manually by hand force. For this reason, it is necessary to equip the coating systems with control technology equipment and to be used with various auxiliary systems in order to make the coating systems automatically. In this study, a multi-axis mechatronic system design has been applied in order to make automatic coating on stainless steel by using Electro Spark Deposition method. In addition, two different auxiliary designs were determined and produced for this system. These; Spring loaded coating system and weight balance-controlled force measurement feedback systems in the Z axis. In the developed system, WC coating was applied to the surface of AISI 304 stainless steel. During the coating of stainless steel, computer controlled automatic coating process was carried out in three different coating patterns at P: 50, I:1.2, D: 0.6 PID values at the parameter determined as 100 µF, 80V and 80 Hz. At the end of the study, weight-balance analysis, micro and macro structure analysis were made. As a result of the studies, it has been observed that the stainless-steel surfaces are successfully coated with the desired 100-gram weight strength sensitivity. It is concluded that more coating processes are performed automatically in continuous time compared to manual coating and more efficiency is obtained per unit time.

Keywords

• Electro Spark Deposition
• Coating
• Stainless Steel
• Wolfram Carbide (WC)

Elektro Kıvılcım Biriktirme Yöntemi ile WC’nin Paslanmaz Çelik Üzerine Kaplanması İçin Bir Mekatronik Sistem Tasarımı

Öz

Günümüzde Elektro Kıvılcım Biriktirme (EKB) sistemleri ile yapılan uygulamaların otomotiv, kimya, uzay, tıp, gıda ve askeri alanlardaki kullanımı giderek artmaktadır. Bununla birlikte EKB ile kaplama işlemleri manuel olarak yapılmakta ve bunun için el kuvveti ve becerisi kullanılmaktadır. Bu sebeple, kaplama sistemlerinin otomatik olarak yapılabilmesi için kontrol teknolojisi ekipmanları ile donatılması ve çeşitli yardımcı sistemlerle birlikte kullanılmasının gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Bu çalışmada, Elektro Kıvılcım Biriktirme yöntemi kullanılarak paslanmaz çelik üzerine otomatik kaplama yapmak için çok eksenli bir Mekatronik sistem tasarımı uygulanmıştır. Ayrıca bu sistem için iki farklı yardımcı tasarım belirlenerek üretilmiştir. Bunlar; Z ekseninde yay geri beslemeli kaplama sistemi ve ağırlık dengesi kontrollü kuvvet ölçüm geri besleme sistemleridir. Geliştirilen sistemde AISI 304 paslanmaz çelik yüzeyine volfram karbür (WC) kaplaması gerçekleştirilmiştir. Paslanmaz çeliğin kaplanması sırasında bilgisayar kontrollü olarak 100 µF, 80V ve 80 Hz olarak belirlenen parametrede, P:50, I:1.2, D:0,6 PID değerlerinde üç farklı kaplama deseninde otomatik kaplama işlemi gerçekleştirmiştir. Çalışma sonucunda ağırlık-denge analizleri ile mikro ve makro yapı analizleri yapılmıştır. Çalışmalar sonucunda paslanmaz çelik yüzeyinde istenilen 100 gram ağırlık kuvvet hassasiyetinde kaplamanın otomatik olarak yapıldığı gözlemlenmiştir. Manuel kaplamaya göre sürekli zamanda daha fazla kaplama işleminin otomatik olarak yapıldığı ve birim zamanda daha fazla verim sağlandığı sonucuna varılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Elektro Kıvılcım Biriktirme
• Kaplama
• Paslanmaz Çelik
• Volfram Karbür (WC)

References

1. Bingül Z., Küçük S., Robot Kinematiği, Umuttepe Yayınları, 4. Baskı, Kocaeli, 2017.
2. Bozkurt A., ESD ile Sert Faz Kaplanmış Titanyum Alaşımlarının ve Çeliklerin Lazer ile İşlenmesi ve Karakterizasyonu, Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi (Basılmış), 2019.
3. Coşkun A., Elektro kıvılcım yöntemi ile yapılan balistik amaçlı kaplamaların test edilmesi ve karakterizasyonu, Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi (Basılmış), 2019.
4. Felix L.M., The effect of Electro Spark Deposition on the microstructure and mechanical properties of IN718, University of Waterloo, Master Thesis, 2018.
5. Galinov I.V., Luban R.B., Mass transfer trends during electro spark alloying. Surface and Coatings Technology 79(1-3), 9-18, 1996.
6. Huang H., Liu C., Guo S., Simulation Study of Electro Spark Deposition on Die Steel. 4th International Conference on Mechanical Materials and Manufacturing Engineering, Wuhan, China, October 15-16, 2016, pp: 728-731.
7. Jiao Z., Peterkin S., Felix L., Liang R., Oliveira J. P., Schell N., Zhou Y., Surface Modification of 304 Stainless Steel by Electro-Spark Deposition. Journal of Materials Engineering and Performance 27(9), 4799-4809, 2018.
8. Jiao Z., Surface Modification of Stainless Steel by Electro-Spark Deposition, University of Waterloo, Master Thesis, 2016.

9. Johnson R.N., Sheldon, G.L., Advances in the electrospark deposition coating process. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 4(6), 2740-2746, 1986.
10. Karaca M.M., Endüstriyel Amaçlı Küresel Robot Kolu ve Tutucunun Tasarımı ve Kontrolü. Necmettin Erbakan Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi, Konya 2020.
11. Korkmaz K., Elektrospark Biriktirme Yöntemiyle Mikro Alaşımlı Çeliklerin Volfram Karbür ile Kaplanması. Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Mühendislik ve Fen Bilimleri, Doktora Tezi (Basılı), 2008.
12. Lešnjak A., Tušek J., Processes and properties of deposits in electrospark deposition. Science and Technology of Welding and Joining 7(6), 391-396, 2002.
13. Liu J., Wang R., Qian Y., The formation of a single-pulse electrospark deposition spot. Surface and Coatings Technology 200(7), 2433-2437, 2005.
14. Młynarczyk P., Spadło S., Bartos’ J., Selected properties of electro-spark deposition on carbon steel using the Alloy 400 electrodes. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 461, 012055, 2018.
15. Perju M. C., Vizureanu P., Nejneru C., The study of energy transfer on thin layers achieved by electro-spark deposition with TiC electrode, Proceedings of the Scientific Conference AFASES; Vol. 1, p79, 2014.
16. Syed M., Automation of Electrospark Deposition of TiCp/Ni on RSW Copper Electrodes, University of Waterloo, Master Thesis, 2010.
17. Topală P., Slătineanu L., Dodun O., Coteaţă M., Pınzaru N., Electrospark deposition by using powder materials. Materials and Manufacturing Processes 25(9), 932-938, 2010.
18. Vizureanu P., Perju M. C., Achiţei D. C., Nejneru C., Advanced Electro-Spark Deposition Process on Metallic Alloys. Advanced Surface Engineering Research, Section II, InTechOpen Open Access Publishing, 2018.
19. Shah B. C., Nagal D. D., Sharma D. S., Coordinate Systems for Industrial Robots. International Journal for Technological Research in Engineering 2347-4718, 2016.
20. Wang X. R., Wang Z. Q., Lin T. S., He P., Wang R. J., Bao M. Y., Preparation of complex surface coatings based on electrospark computer integrated deposition system. Assembly Automation 40(2), 165-173, 2020.