Bölüm 1. GİRİŞ
Toz metalürjisi çok küçük partikülleri birbirine bağlayarak parça haline getirme işlemidir. Daha geniş bir ifade ile toz metalürjisi, toz şeklindeki malzemelerin preslenesi ve takiben yüksek sıcaklıkta sinterlenmesi ile parça imalatını kapsamaktadır. İnce partikül şeklindeki saf metaller, alaşımlar, karbon, seramik ve plastik malzemeler birbirleriyle karıştırılarak basınç altında şekillendirilirler. Daha sonra bu parçalar ana bileşenin ergime sıcaklığının altında bir sıcaklıkta sinterlenerek partiküllerinin temas yüzeyleri arasında kuvvetli bir bağ oluşturulur ve böylece istenilen özellikler elde edilir. Toz metalürjisi küçük, karmaşık ve boyutsal hassasiyeti yüksek parçaların seri imalatına son derece uygundur. Malzeme kaybı çok azdır, belirli derece porozite (gözenek) ve geçirgenlik elde edilir.
Metal tozlarının boyutları mikron mertebesindedir. Presleme işlemi oda sıcaklığında ve bazen de yüksek sıcaklıklarda yapılır. Toz metalürjisi ile üretilen parçaların büyük bir kısmında elde edilen boyutsal hassasiyet ve yüzey kalitesi talaşlı işlem gibi ekstra operasyonlara olan gereksinimi ortadan kaldırmaktadır.
Bölüm 2. METALSEL TOZLAR
Toz metalürjisinde kullanılan malzeme madenler, alaşımlar, madensel metalloid tozların karışımlarıdır. Bu tozların hazırlanmasında sanayide bir çok usuller vardır. Bu usuller mekanik ve fiziko-kimyasal olarak iki kısma ayrılır. Bu tozlar arasında tane büyüklüğü, tane şekli ve granülometrik intizam bakımından önemli farklar vardır.
2.1 TOZLARIN HAZIRLANMASI
2.1.1 Mekanik Usuller:
a-)Kaba ve ince öğütme:Metalsel tozlar elde etmek gayesiyle kullanılan bu çok basit usul, metali tornalama, planyalama, frezeleme ve eğeleme gibi işlemelerde mekanik olarak küçük zerreler haline getirilmesinden ibarettir. Fakat bu şekilde elde edilen demir ve magnezyum tozlarının toz metalürjisinde önemli bir tatbikatı yoktur.
Hammadde kafi derecede kırılgan ise, kaba bir öğütmeden sonra ince bir öğütme yapılır. Çimento endüstrisindeki gibi sert maddelerin öğütülmesinde kullanılan tesisat, toz metalürjisinde malzeme miktarı az olduğundan fazla kullanılmaz. Malzemenin cinsine göre sert porselenden bilyeli öğütücüler veya sert alaşımla kaplı çelik öğütücüler kullanılır.
Ancak az sayıda metaller (manganez, krom, antimon, bizmut gibi) bilyeli öğütücülerde öğütülebilirler. Bu mahzur muhtelif usullerle giderilebilir. Mesela mümkün olduğu kadar yüksek safiyette bir demir cevherinden, direkt redükleme ile elde edilecek gözenekli demir, bilyeli öğütücülerde istenildiği kadar ince bir toz haline getirilebilir. Redükleme esnasın da elimine edilmeyen ve toza karışan gayri safiyetlerin mevcudiyetlerini unutmamak gerekir.
Diğer taraftan, elektroliz yolu ile, kırılgan ve küçük taneli elektrolitik demir de elde edilebilir. Bu da bilyeli bir öğütücüde istenen incelikte bir toz haline getirilebilir. Böylece elde edilen demir tozu özellikle yüksek frekans bobinlerinin nüvelerinde kullanılır.
Demir-Nikel alaşımlarının magnetik özelliklerinin iyiliği ve nüve imalinde yumuşak demir imalinde kullanabilecekleri anlaşılınca, bu alaşımları toz metalürjisi yolu ile hazırlamak icabetti. Kolaylıkla haddelenebilmeleri ve sıcakta dövülebilmeleri için demir – nikel alaşımları manganez ve magnezyum vasıtasıyla deokside ve desülfüre etmek düşünüldü. Manganez ve magnezyum ilavesi ihmal edilse bile malzeme belirli bir minimum sıcaklığın altında yapılırsa malzeme parçacıklar (kırıntılar) haline gelir.Küçük taneler elde etmek için blok yüksek sıcaklığa kadar ısıtılır ve müteaddid haddeleme tabi tutulur. Son haddeleme sıcaklığını yukarda sözü edilen minimum sıcaklığın biraz üstünde olacak şekilde seçmelidir. Böylece son haddeleme ile metal toz haline gelir.
Sünek metallerinin bilyeli öğütücülerde öğütülmeleri imkan bulunamamıştır, zira öğütme esnasında iri taneler sadece yuvarlaklaşmakta, küçük taneler ise öğütücü cidarlarına ve bilyelere yapışmaktadır. Tok bileşenli metallerin pervaneli öğütücülerde arzu edilen granülometrik terkipte bir toz haline getirilebilmeleri önemli bir ilerlemedir. Bu usule “Hametag” usulü denir. Bu usul tok metallerin (demir, bakır, alüminyum gibi) tozların hazırlanmasında, kaba toz haline getirilmiş kırılgan alaşım ve metallerin ince olarak öğütülmelerinde kullanılır.
Şekil 2.1 Pervaneli (Hametag) öğütücünün şeması
Pervaneli öğütücü, içinde karşılıklı iki mil üzerinde sert manganezli çelikten veya sinterlenmiş sert alaşımdan birer pervane bulunan bir kaptan ibarettir. Bu pervaneler ters yönde çok yüksek ve eşit hızlarda dönerler. Toz haline getirilecek malzeme böylece öğütülürken meydana gelen iki ters ve çok hızlı gaz cereyanı da toz haline gelmiş partikülleri sürükler. Öğütücüler otomatik olarak yüklenebilirler. Toz partiküllerinin oksitlenmesine mani olmak için genellikle azot gibi redükleyici veya inert bir atmosfer altında çalışabilir. Pervanelerin şekillerine, boyutlarına ve dönüş hızlarına bağlı olarak muhtelif şekilli taneler ve farklı granülometride tozlar elde edilir. Bu tozların müstesna sıkıştırılabilme özellikleri vardır. Kullanılma sahalarına misal olarak: makine parçaları ve gözenekli yatak imalinde kullanılan bakır tozları gösterilebilir.
Yukarıda sözü geçen toz hazırlama usullerinin avantajları, basitlikleri ve ucuz olmaları; dezavantajları ise elde edilen tozlarda, öğütülen maddeden ileri gelen gayri safiyetlerin bulunmalarıdır.
b-)Granülasyon ve pülverizasyon:Ergimiş bir metalin granülasyonu metalsel tozların hazırlanmasında kolay tatbik edilen ve çok ucuz bir usuldür. Granülasyon, suda granülasyon veya ergimiş metalin katılaşması esnasında karıştırılarak elde edilen granülasyon diye ikiye ayrılır. Su içine ergimiş metalin dökülmesiyle elde edilen granülasyon eskiden beri bilinmektedir. Mesela ergimiş kurşun su ile dolu bir kaba bir elekten geçirilerek dökülür. Kurşun damlaları daha havada düşerken önemli bir soğumaya uğrarlar. Kurşuna arsenik ilave ederek damlaların uzaması önlenir.
Birçok metaller katılaşırken karıştırıldıklarında toz haline gelirler. Bu usul, kaba alüminyum tozlarının elde edilmesinde kullanılır. Ergimiş alüminyum soğuması esnasında mekanik olarak karıştırılır. Kadmiyum, çinko, kalay tozları da bazen böyle elde edilir. Bu usulle kurşun – kalay alaşımı tozlarının hazırlanması teklif edilmiştir. Tozun hazırlanması denge diyagramının likidüs ve solidüs eğrileri arasındaki sıcaklık aralığında olur.
Pülverizasyon usullerinden biri, sıvı dar bir püskürtücüden fışkırtmak ve fışkıran metal hüzmesi üzerine su buharı, basınçlı hava veya başka bir gaz cereyanı yollamaktan ibarettir. Böylece sıvı metal toz haline getirilirken aynı zamanda da partiküllerin çabuk soğumaları sağlanır. Tozun oksidasyonu azdır. Tanelerin boyut ve şekilleri su buharının, basınçlı hava veya gazın hızı ayarlanarak değiştirilebilir. Bu usul bilhassa alüminyum, bakır ve demir tozlarının elde edilmesinde kullanılır.
Diğer bir usul de şöyledir:Suyla çevrelenmiş ince bir metal malzemesi, yüksek hızla dönen ve kanatları haiz bir disk vasıtasıyla santrifüj kuvvetten faydalanarak ince partiküllere ayrılır(şekil 2.2).Bu usulle bileşenleri karışabilen bütün alaşımlar toz haline getirilebileceği gibi aynı usul bileşenleri sadece sıvı halde karışabilen alaşımlara da tatbik edilebilir(Fe-Cu ve Cu-Pb alaşımları).
Şekil 2.2 Santrifüj (D.P.G.) usulü
2.1.2 Fiziko –Kimyasal Usuller:
a-)Gaz fazından itibaren hazırlanması:Genellikle kaynama sıcaklıkları düşük olan metal tozlarının hazırlanmasında kullanılan bu usul, önce metali buharlaştırmak ve bu buharı yoğunlaştırmaktan ibarettir. Çinko tozu bu usulle hazırlanır. Çinko oksidinin karbon ve karbon monoksit vasıtasıyla redüklenmesiyle elde edilen çinko bir karni içinde buharlaştırılır. Elde edilen buhar yoğuşturulur. Karbon monoksit atmosferinin içinde az miktarda karbon dioksit ve oksijen bulunmalıdır. Böylece yoğuşan çinko partikülleri ince bir oksit tabakasıyla kaplanır. Bu ise partiküllerin aglomerasyonunu önler.
Çinko partikülleri küresel olup dış görünüşleri karbonil metallerinkine benzer. Karbonil usul, özellikle sanayide saf demir ve nikel tozlarının hazırlanmasında kullanılır. Yüksek basınç altında demir ve nikel mineralleri karbon oksidi ile muamele edilir; bunlardan en önemlileri demir pentakarbonil [Fe(CO)5] ve nikel tetrakarbonil [Ni(CO)5] ‘dir.
b-)Yüksek sıcaklıkta metalsel terkiplerin redüklenmesi:Bu usulle hazırlanan volfram ve molibden tozları, elektrik ampulleri ve vakumlu tüplerin imalinde, kobalt tozu ise sert alaşımların elde edilmesinde kullanılır. Bu tozlar tercihen oksitlerin hidrojenle redüklenmesiyle elde edilirler. Aynı usul ile büyük miktarlarda demir, nikel ve bakır tozları hazırlanabilir. Redükleme sıcaklığı metalin veya metalsel terkibin ergime sıcaklığının altında olmalıdır. Oksit partiküllerinin boyutlarının, hidrojenin saflığının ve rutubet derecesinin, redükleme müddet ve sıcaklığının uygun olarak seçilmesiyle toz tanelerinin şekli, büyüklük ve dağılışını belirli sınırlar içinde değiştirmek mümkündür. Genel olarak en ince tozlar alçak sıcaklıkta redükleme ile elde edilir. Toz tanelerinin iriliği redükleme sıcaklığı ve müddetiyle ve redükleyici gazın içindeki su miktarıyla artar. Redükleyici olarak hidrojen, karbon monoksit, amonyak, metal buharları (alkali metal buharları gibi) kullanılabilir. Endüstride bu işlem devamlı çalışan fırınlarda yapılır. Kullanılan oksit, nikel veya demirden mamul yassı sepetler içinde fırına sokulurken aksi yönde de hidrojen sevk edilir.
c-)Ergimiş veya erimiş tozların redüklenmesi: Metalin tuzlu bir solüsyonunun, redüksyonla kimyasal olarak çökeltilmesi, metalsel tozların hazırlanmasında kullanılan en eski usullerden biridir. Platin, altın ve gümüş tozları bu usulle elde edilir. Diğer bir misal de, çok ince kalay tozlarının çinko talaşları ile, kalay klorürlü bir klorüdrik solüsyonda çökeltilmesidir. Çökeltme gereci olarak alüminyum da kullanılabilir. Redükleme veya alüminyum tozunun oksit tabakalarını elimine etmek ve böylece reaksiyonu mümkün kılmak için bir aktivasyon vasıtası kullanılmalıdır(sulandırılmış bir kloridrik asit, sodyum klorür veya cıva klorürü solüsyonu gibi).
Çökelen metalin sünger gibi bir görünüşü olup öğütme ile kolayca toz haline getirilebilir. Tantal, niobyum, titan ve diğer nadir metallerin (uranyum, toryum, berilyum, zirkonyum) tozlarını hazırlamak için metalin klorür, florür gibi alkali veya alkali toprak bir metalle ergimiş bir tuzunu bir bomba içinde dekompoze edebiliriz. Elde edilen reaksiyon ürünü suda yıkanıp saf metalsel bir toz elde edilir.
d-)Metalsel tozların elektrolitik olarak hazırlanması:Ergimiş veya erimiş bir tuzun elektrolizi ile metalsel tozların hazırlanması teknikte önemli bir yer işgal eder. Sulu solüsyonların elektrolizi, demir, bakır, kurşun ve kalay tozlarının hazırlanması için bilhassa uygundur. Direkt olarak metalsel tozun elde edilmesi için akım şiddetinin büyük, elektrolit solüsyonunun hızlı banyo sıcaklığının yüksek olması gerekir. Uygun tuz karışımının elektrolizi başlıca vanadyum, niobyum, tantal, titan, zirkonyum, toryum ve uranyum tozlarının hazırlanmasında kullanılır.
e-)Diğer fiziko – kimyasal usuller:Oksitlerin veya diğer metalsel tertiplerin yüksek sıcaklıkta dekompozisyonu ile de metalsel tozlar hazırlanabilir.
Metalsel bir hidrürü (kalsiyum hidrür gibi) metalsel bir oksit (titan veya zirkonyum oksit ) üzerine tesir ettirerek ve meydana gelen hidrürü ayrıştırarak kullanılan oksidi meydana getiren metalin tozunu elde etmek mümkündür.
f-)Sert mamullerin tozlarının hazırlanması:Sert alaşımların imalinde kullanılan volfram, molibden, titan ve tantal karbürlerin sert tozları, tozların ise (kurum) müvacehedesinde 1300 ile 1900 arasında ısıtılmalarıyla elde edilir. Karbürler genellikle levhalar halinde çökelirler. Bu levhalar bilyeli veya pervaneli öğütücülerde ince toz haline getirilir.
Ergime dereceleri yüksek nitrürler metal tozunun veya karbon ve metalsel oksit karışımının azot veya amonyak cereyanı içinde yüksek sıcaklıkta (1100 ile 1300 derece) ısıtılmasıyla elde edilir. Toz haline saf borür, saf metal tozunun bor ile vakumda 1800 ila 2200 derece arasında ısıtılmasıyla elde edilir.
Metalsel silisyürler de metal tozunun silisyum veya silisyürler üzerinde etkimesiyle elde edilirler.
2.2 METALSEL TOZLARIN FİZİKO-KİMYASAL ÖZELLİKLERİ
Sinterlenen cisimlerin özellikleri kullanılan metalsel tozun kimyasal fiziksel özelliklerine sıkı sıkıya bağlıdır.
2.2.1 Fiziksel özellikleri:Bu özelliklerden en önemlileri yığmadan evvel ve sonraki hacim, tanelerin şekli ve büyüklüğüdür.
a-)Yığmadan evvel ve sonra hacim ve yoğunluk:Yığmadan evvel ve sonraki hacim, imalatın endüstriyel kontrolünde çok kullanılan kaba bir kriterdir. Yığmadan evvelki yoğunluğu bulmak için toz, hacmi bilinen bir kaba doldurulur. Kap hacmi genellikle 100 cm alınır. Kap tartılır(boyut: gr/100 cm). Tozun ağırlığı bulunduktan sonra, yığmadan evvelki yoğunluğu (boyut: gr/1 cm) bulmak için 1 cm tozun ağırlığı hesap edilir. Yığmadan evvelki yoğunluğun tersi yığmadan evvelki özgül hacmi verir (boyut:cm/1 gr). Bu değer daha ziyade belirli bir miktarda tozu (mesela 100 gr) bir silindire doldurarak ve silindir üzerinden tozun işgal ettiği hacmi okuyarak tayin edilir (boyut: cm/100 gr).
Yığmadan sonraki hacmi tayin etmek için belirli ağırlıkta toz (tercihen 100 gr) bir silindire doldurulur ve elle veya mekanik bir tertibatla sıkıştırılır. Böylece mümkün olduğu kadar yoğun bir aglomerasyon elde edilir. Tozun işgal ettiği hacim silindirin üzerinden okunur. 1 gr tozun işgal edeceği hacim hesaplanarak yığmadan sonraki özgül hacim bulunur (boyut: cm/1 gr). Bu değerin tersi yığmadan sonraki özgül kütle veya yığmadan sonraki yoğunluğu verir (boyut:gr/1 cm).
b-)Tanelerin büyüklüğü ve granülometrik analizi:Metalsel bir tozun tanelerinin boyut ve şekilleri birbirinden farklıdır. Toz metalürjisinde kullanılan tozların tanelerinin boyutları 1ila 4 mikron arasındadır. Granülometrik dağılımı tayin etmek için toz tanelerinin ortalama büyüklüğüne göre elek analizi, mikroskobik muayene vs. gibi farklı usuller tatbik edilir.
Elek analizi:Bu usulle, tanelerin 50 mikrondan büyük olmaları halinde, granülometri hakkında bir fikir edinilebilir. Analizin laboratuarda yapılması için muhtelif boyda elekleri bulunan birçok ticari aletler vardır. Elekler metalsel veya ipek tellerden yapılmıştır. Birim alanda mevcut delik sayısı eleği karakterize eder.
Elek analizinde standart bir ölçü tavsiye edilir. Bunun için 100gr. toz belirli bir zaman sarsılır. Muhtelif eleklerde toplanan tozlar tartılarak granülometrik dağılım elde edilir. Sarsma müddetini değiştirerek yapılan muhtelif analizlerin neticeleri arasındaki farklar, sarsma müddeti uzadıkça azalır. Sarsma müddetini 20 dakika alırsak hata ihmal edilebilir. 3 ila 5 dakikalık bir sarsma neticesinde yapılacak hata da kabul edilebilir.
n tane elek kullanılırsa n+1 sınıfa ayrılır. Genellikle tozu 4 veya5 sınıfa ayırmakla iktifa edilir.
Tablo 2.1 Çeşitli metalsel tozların imal usulleri ve tatbikat sahaları
Usuller
İmalat
Tozlar
Tane şekilleri
Tane ölçüleri Kullanma yerleri
1 – Mekanik usuller
a-Kaba ve ince öğütme
I-Bilyalı öğütücülerde öğütme a-Gevrek madenler Mn,Cr,Sb,Bi,Co Gari muntazam şekiller Sinterlenmiş çelikten makine parçaları
b-Sun’i olarak gevrekleştirilen sünek madenler
I-Filizdeki süngerler
II-Gevrek elektrolitik malzeme
III-Sıcakta haddelenince gevrekleşen
Fe
Fe
Fe, Ni Gözenekli kristaller
Dantelalı, iğneli şekiller
Gayri muntazam şekiller
10 - 100 Masif nüveler, gözenekli yataklar, makine parçaları vs.
c- Gevrek alaşımlar Fe-Al, Fe-Al-Ti,
Ni-Al, Ni-Ti,
Fe-Cr, Fe-Si Gayri muntazam şekiller Sinterlenmiş mıknatıslar, demir esaslı sinterlenmiş makine parçaları
II-Helisel öğütücülerde öğütme (a),(b),(c) gibi ayrıca sünek madenler Fe, Ni-Fe, Cu, Ag, Al, Ag-Sn Çanak şeklinde taneler
20 - 400 Gözenekli yataklar, metallografitik kömür
b-Granülasyon ve pülverizasyon
I-Suda granülasyon
II-Sıvı metali karıştırarak granülasyon
III-Hava veya su buharıyla pülvrizasyon
IV-Hava veya su ile santrifüj(D.F.G. usulü)
Sıvı halde sünek olan madenler veya alaşımlar I-Pb, Fe, Cu, Ag Glöbüler 100-500 Metalografitik kömür, gözenekli yataklar, filtreler, sinterli mıknatıslar, makine parçaları, psödo-alaşımları, masif nüveler vs.
II-Al, Cd, Sn, Zn Glöbüler 250
III-Al, Cu, Fe Kısmen Globüler, muntazam şekiller
20-400
IV-Fe, Cu,Ni, Al, Ag, bronz, pirinç, kompleks tozlar, Pb-Cu, Pb-Ag vs. Kısmen globüler, gayrı muntazam şekiller
2-Fiziko-kimyasal usuller
a-Gaz fazından itibaren
I-yoğunlaştırma usulü
II-buharlaştırma usulü
III-karbonil usul Ergimiş metal Zn Globüler 0,1-10 Gözenekli yataklar, metallografitik kömür, masif nüveler, sinterlenmiş mıknatıslar, saf alaşımlar, sert alaşımlar, filtreler vs.
Ergimiş metal Pb Globüler
0,1-5
Karbonil metal Ni, Fe Globüler
b-Metalik kombinezonlarla yüksek sıcaklıkta redükleme Oksitler, mineraller ve organik tuzlar W, Mo, Fe, Ni, Co, Cu Dantelalı
0,1-10 Elektrik ampulleri, vakumtüpleri, yüksek sıcaklık için fırnlar, psödo-alaşımlar, sert alaşımlar, sinterlenmiş mıknatıslar, gözenekli yataklar
c-Redükleme
I-tuzlu solüsyonlar
II-erimiş tuzlar Ag, Au, Pt, Sn vs. tuzları Ag, Au, Pt, Sn Dantelalı, iğneli 0,1-10 Gözenekli yataklar, elektrik kontakları malzemeleri(W-Ag)
Ta, Nb, Ti, Th, Zr, V flüorürleri ve çifte tuzları Ta, Ti, Nb, Th, Zr, V Dantelalı, iğneli
0,1-10 Paftalar, vakum vidaları ve kimya endüstrisi malzemeleri
d-Elektroliz
I-Sulu solüsyonlar
II-Erimiş tuzlar
Fe, Cu, Pb, Sn, vs. tuzları Fe, Cu, Pb, Sn
İğne şeklinde dendritik 0,1-30 Gözenekli yataklar, metalografik kömür, psödo alaşımları, sinterlenmiş yataklar, masif nüveler, paftalar, vakum malzemesi vs.
Ta, Nb, Ti, Th, Zr, V
vs. tuzları Ta, Nb, Ti, Th, Zr, V
0,-10
e-Metalloidlerle kimyasal
reaksiyon Madenler ve madensel oksitler W, Mo, Nb, Ti vs. karbürleri, nitrürleri, silisürleri,
Kısmi aglomera
1-50 Sert mamuller, sert-alaşımlar
Mikroskobik analiz:50 mikrondan küçük tanelerin büyüklük ve dağılımını veren yegane
direkt metot olan mikroskobik analiz sayesinde tanelerin hakiki boyutları, belirli bir miktar
toz içindeki tane sayısı tespit edilir. Bu metot aynı zamanda tanelerin şekli hakkında kati bilgiler de verir.
Tanelerin boyutlarını ölçmek için toz ince bir tabaka halinde bir levha üzerine yayılır veya özel bir malzeme içine gömülür. Mesela volfram tozu bakır veya bronz tozu ile karıştırılıp sinterlenir veya bakırın veya bronzun ergime noktasına kadar ısıtılır. Gömme işleminin saydam (Plexiglass gibi) plastik malzeme içinde yapılması çok pratiktir. Plastik malzemenin tozu ile incelenen metalsel toz karıştırılarak elde edilen karışım takriben 150 sıcaklıkta preslenir. Bu şekilde hazırlanan malzeme adi bir metalografik preparat gibi muamele edilir. Partiküllerin boyutları direkt olarak ölçüldüğü gibi, görüş alanı içindeki bir bölgede mevcut partiküllerin sayısı da tespit edilir. Bu son halde, yardımcı maddenin belirli bir hacmi içindeki toz miktarından hareketle tanelerin büyüklüğü hesap edilebilir. Hakiki D çapı ile, ölçülen ortalama d çapı arasındaki bağıntı aşağıdaki gibi olur:
c-)Tanelerin şekli:Tanelerin şekli ve yüzeysel yapıları tozun sıkıştırılabilme özellikleri üzerine çok tesir eder. Partiküllerin şekli tozun hazırlanışına bağlıdır.
Mekanik usullerle hazırlanan metalsel tozların şekilleri küresel olmaktan çok uzaktır.Lamel şeklinde olan partiküllerin kenarları gayrı muntazam ve dantelli olup genişlik ve uzunlukları genellikle kalınlıklarından daha büyüktür.
Granülasyon ve pülverizasyonla elde edilen veya bir gaz fazından itibaren hazırlanan tozların şekilleri genellikle küreseldir. Bunların yüzeyleri düz ve muntazam (karbonil metaller, çinko, kurşun) olabileceği gibi, pürtüklü ve çatlak (Alüminyum, demir) da olabilir.
Metalsel bir terkibin yüksek sıcaklıkta redüklenmesi ile veya erimiş veya ergitilmiş bir tuzun redüklenmesi ile hazırlanan tozların taneleri iğne şeklinde olup sünger gibi yapıları vardır. Elektronik mikroskopla bakılınca, bu tozlar bir “Kaktüs” görünüşünü andırırlar. Bunun sebebi iğne şeklinde kristallerin mevcudiyetidir. Bu iğneler en büyük kristallere saplanmışlardır.
Elektrolize hazırlanan metalsel tozların “Fujer” şeklinde dendritik yapıları vardır. Redükeme ve elektrolize hazırlanan tozların dış görünüşleri arasında bir benzerlik vardır.
Alçak sıcaklıkta hazırlanan sert mamul tozlarının tane şekilleri temel metallerin tozlarının tane şekillerine benzer. Yüksek sıcaklıkta hazırlanan sert maddelerin tozları genellikle mekanik olarak öğütülmesi gerekir. Bunların mikroskobik görünüşleri sert taş parçacıklarına benzer.
d-)Akma faktörü: Bu faktör, gözenekli yatak imalatçıları tarafından tayin edilen ve sıvıların viskozitesine benzeyen bir büyüklüktür. Bu büyüklük tepe açısı belirli, konik bir kabın alt kısmında açılan bir delikten birim zamanda geçen toz miktarıyla ölçülür. Akma faktörü, yatak malzemelerinin imalinde sık sık kullanılan mekanik preslerin çalışma intizamının tayininde mühim rol oynar. Bu faktör, ölçüldüğü yerin sıcaklığına ve rutubet durumuna göre değişir.
e-)Tozların sıkıştırılabilmesi: Yukarda incelenen fiziksel özellikler, tozların preslenmesinde büyük rol oynayan faktörlerdir. Tozun preslenme esnasındaki hareketi, şekil verilebilme özelliğine (yani presleme ile elde edilen parçanın şekil ve kenarlarının kararlılığına) ve sıkıştırma endisi’ne (yani bir basınç tatbikiyle elde edilen numunenin yoğunluğuna) tabidir. Şekil verebilme özelliği herhangi şekilli parçalar üzerinde tayin edilebilir. Granüle tozdan mamul (mesela karbonil demir tozu) preslenmiş malzemenin sıkıştırma endisi nispeten büyük; şekil ve açıların muhafaza edilme özelliği ise kötüdür. Dolayısıyla bu malzemeler, sıkıştırmadan sonra dikkatle kullanılmalıdır.
2.2.2 Kimyasal özellikler:Metalsel tozların en önemli kimyasal özellikleri saflıklarıdır. Saflık adi kimyasal analizle tayin edilebilir ve sinterlenmiş cisimlerin imalatına ve bilhassa özelliklerine birinci derecede tesir eder. Metalsel tozların saflığı büyük ölçüde temel maddelerin sağlığına bağlıdır . Mesela kendi oksitlerinin hidrojenle redüklenmesiyle elde dilen volfram, kobalt ve demir tozlarının saflığı, pratik olarak, kullanılan oksidin saflığındadır.
Oksijen ve karbon gibi gayri safiyetlerin malzeme içinde ne şekilde bulundukları da önemlidir. Mesela oksijen levhaları, erimiş oksit veya absorbe edilmiş gazlar halinde bulunabilir. Oksitlerin redüklenmesi ile hazırlanan metalsel tozlar genellikle muntazam oksit enlüzyonları (kalıntı) ihtiva ederler. Elektroliz, granülasyon veya pülverizasyonla elde edilen tozlardan oksijen genellikle oksit enlüzyonları halinde bulunur. Karbon ise serbest karbon (grafit), karbür veya katı solüsyon hallerinde bulunur.
Mekanik olarak hazırlanmış metalsel tozlar öğütücü organlarından ileri gelen gayrı safiyetler ihtiva ederler (demir, manganez, karbon vs.). Mesela sert alaşımların imalinde kullanılan sert mamullerin veya bir karbürle bir yardımcı metal karışımının ince tozları, 0,5 ila 1,5 demir ihtiva ederler. Elektrolize hazırlanan metalsel tozlar çok saftır; toplam gayrı safiyet 2 yi geçmez. Karbonil tozların ihtiva ettikleri oksijen ve karbon miktarı 1,5’e kadar yükselebilir. Karbon monoksitin dekompozisyonundan ileri gelen bu gayrı safiyetler tozun bir ön ısıtma ameliyesinden sonra sinterlenmesiyle elimine edilebilirler. Demirde bulunan kükürt, fosfor, manganez silisyum gibi gayrı safiyetler tozlarda bulunmazlar. Granülasyonla elde edilen tozların kimyasal bileşimi ergiyen metalin bileşimine tekabül eder. Bunların ihtiva ettikleri oksit filmleri hidrojen içinde yapılan bir tretmanla elimine edilirler.
Metalsel bir tozun kimyasal kararlılığı yüzeyi çok büyük olduğundan topak metalin kararlılığından çok daha azdır. Mesela tel veya yaprak halinde bulunan tantal, asitlere iyi dayanan metallerden sayıldığı halde toz halinde, kloridrik asit, sülfürik asit ve nitrik asit tarafından nispeten daha kolaylıkla etkilenir. Metalsel tozların, havada bir oksit tabakasıyla kaplanmaya, örtülmeye temayülleri de yüzeylerinin büyük olmasıyla izah edilebilir. Su buharı da ince metalsel tozlar tarafından kolaylıkla absorbe edilir (yüzeye yapışır). Metalsel karbürlerin imali gibi bazı hallerde, ince tozların kimyasal afiniteleri bir avantaj teşkil eder. Volfram, hidrojen içinde, 1400ila 1600 arasında kömür veya grafitle karbür vermediği halde, volfram tozu-is karışımı, 1250 nin üzerinde ısıtılarak kolayca volfram karbür elde edilebilir.
Birçok hallerde tozlarda bazı gayrı safiyetlerin bulunmasına müsaade edildiği gibi, sinterlenen malzemenin tozlarına bilhassa yabancı maddeler katılır. Mesela elektrik ampullerinde kullanılan volfram tellerinde yeniden billurlaşmayı önlemek için saf volfram tozuna toryum veya alüminyum oksit ilave edilir.
Metalsel tozların renkleri kimyasal bileşimlerine, bilhassa ihtiva ettikleri oksijen miktarına bağlıdır. Elektrolize hazırlanmış bakır tozu, genellikle başlangıçta bakırın tipik kırmızı rengindedir. Fakat, elektrolitin elimine edilmesi ve yüzeysel kurutmadan sonra, bakır tozu oksidasyona uğrayarak parlaklığını kaybeder ve kırmızı-kahverengi bir renk alır. Redükleme ile hazırlanarak billurlaşmış ve oksijen ihtiva etmeyen volfram tozu açık gri renkte, alçak sıcaklıkta redüklenen ve çok az oksijen ihtiva eden tozun rengi koyu gri ile siyah arasındadır. Tozun rengi tanelerin büyüklüğüne de çok bağlıdır. Eşit miktarda oksijen ihtiva eden tozlardan ince öğütülmüş olanları kaba öğütülenlerden daha koyudur.
Çok miktarda 1 mikrondan küçük partiküller ihtiva eden ince metalsel tozlar piroforik özellikler gösterirler. Bu özellikler bir taraftan tozun geniş yüzeyine dolayısıyla büyük kimyasal afinitesine, diğer taraftan metalsel oksitlere bağlıdır.
Oksalatın redüklenmesiyle elde edilen tozların ani tutuşma özellikleri bilhassa kobalt, nikel ve demir tozlarında görülür. Bu piroforik özellikler, yeni redüklenen tozun karbon dioksitle soğutulması veya redüklemenin grafit sepetlerde yapılmasıyla önlenir. Tozun kendi kendine tutuşması ise redüklemenin tekrar edilmesiyle önlenir.
Yukarda bahsi geçen bütün kimyasal özelliklerin, metalsel tozların sinterlemede kullanılabilmelerine büyük tesirleri vardır. Oksijen, karbon, kükürt, fosfor, demir vs. gibi gayrı safiyetlere ve karbon dioksit, su buharı vs. gibi absorbe edilmiş gazlara büyük ehemmiyet verilmelidir.
Bölüm 3. PRESLEMEDEN EVVEL TOZUN ISIL İŞLEMİ
Birçok hallerde, metalsel tozun preslemeden evvel, 400 ila 800 arasında bir ön redükleme işlemi gerekir. Böylece oksitler, rutubet, absorbe edilmiş gazlar, karbon, kükürt ve fosfor mümkün mertebede elimine edilmiş olur. Gayrı safiyetlerin kısmen veya tamamen elimine edilmesinden gayrı olarak, ısıl işlem, mekanik usullerle hazırlanmış metalsel tozların sertliklerinin azalmasını da sağlar. Böylece tozun sıkıştırılabilme imkanı da artar. Havadaki oksijen, su buharı vs. gibi yeni gayrı safiyetlerden sakınmak için tozun bu ısıl işleminden hemen sonra işlenmesi gerekir. Bu redükleyici ısıl işlem, saf metal veya alaşımların hazırlanmalarında, karbonil toz kullanılması halinde tavsiye edilir. Karbon ve oksijen ihtiva eden demir veya nikel karbonil tozu 600ila 800 arasında hidrojen içinde ısıtılırsa gayrı safiyet oranı 0,0001 mertebesine indirilebilir. Toz nadiren 1000 nin üzerinde ısıtıldığında nikel-krom veya molibden rezistanslı fırınlar tavsiye edilir.
Demir tozu 30 dakika müddetle hidrojen içinde 900 de tavlanırsa sıkıştırılabilme özelliği iyileşir. Ayrıca içindeki karbon, kükürt ve oksijen oranı da azalır. Aşağıda bu işleme tabi tutulan ve tutulmayan demir tozlarının bileşimleri görülmektedir.
Tablo 3.1 Tavlı ve tavsız demir tozlarının analizi
Demir Tozları C % Si % Mn % P % S %
Tavsız demir tozu
Tavlı demir tozu
(H’de 30 dakika, 900)
0,010
0,001
0,015
0,015
0,025
0,025
0,010
0,010
0,020
0,005
Demir tozlarının sıkıştırılabilmesi özellikleriyle sinterlemeye uygunluklarının sıcaklıkla değişimi aşağıda verilmiştir. Sıcaklık arttıkça ve oksijen azaldıkça tozun sıkıştırılabilme özelliği artar.
Tablo 3.2 Tav sıcaklığına bağlı olarak (D.P.G.) demiri tozunun sinterleme ve sıkıştırılabilme özelliklerinin değişimi
Tav Sıcaklığı 700 800 900 1000
Silindirik epruvetin yüksekliği(mm)
(basınç:4 t/cm²)
Sinterlenmiş epruvetin yoğunluğu (gr/cm²)
(H’de 1 saat, 1200º)
Sinterleme basıncıyla ağırlık kaybı (%)
17,5
5,9
1,3
16,6
6,3
0,8
16,2
6,5
0,4
16,0
6,6
0,1
Dövme işlemine tabi tutulmuş bakır tozunun da 700º ila 940º arasında ısıtılmasıyla sıkıştırılabilme özelliği iyileşir. Neticeler aşağıdaki tabloda verilmiştir.
Tablo 3.3 Şekil değiştirme derecesinin ve tav sıcaklığının bakır tozunun sıkıştırılabilme özelliğine ve yığmadan sonraki yoğunluğa tesir
Şekil Değiştirme Derecesi
Tav süresi
(dak) Tav sıcaklığı
(ºC) Yığma sonu yoğunluğu (gr/cm³) Sıkıştırılabilme
Özelliği
İşlenmemiş toz
Hafif deformasyon
Orta deformasyon
Şiddetli deformasyon
Şiddetli deformasyon
Şiddetli deformasyon
-
45
45
10
30
60
10
30
60
10
30
60
0
880
880
700
700
700
820
820
820
940
940
940
2,45
2,67
2,78
2,60
2,68
2,75
2,65
2,75
2,82
2,65
2,75
2,95
1,10
1,10
1,05
1,08
1,06
1,05
1,07
1,05
1,03
1,06
1,02
0,95
Sıkıştırılabilme özelliğini veren değerler hassasiyetle tarif edilmemiştir. Fakat numunelerin belirli bir basınç altında preslenmesiyle elde edilen yoğunluklarla mukayese edilebilirler.
Saf sinterlenmiş kobalt veya kobalt ihtiva eden sinter alaşım tozları hidrojen içinde ısıtılmadan evvel bol miktarda su içinde yıkanmaları gerekir. Böylece kobalt oksidinin çökelmesinden ileri gelen alkaliler yok edilmiş olur. Tungstik asidin karbonla redüklenmesiyle elde edilen volfram tozu (teknik volfram tozu) asitler içinde eriyebilen gayrı safiyetlerinden (alkaliler, demir, yabancı metallerin karbürleri) arınarak kloridrik asitle yıkanıp sinterlemeye müsait duruma gelir. Süngerleşmiş demir tozu gang tabir edilen kısmından magnetik elemeyle ayrılır.
Metalsel tozların buraya kadar sözü edilen ön-ısıl işlemlerinin hedefi tozun saflaştırılması ve sıkıştırılabilme özelliğinin iyileştirilmesidir. Kurşun tozunun elektrolitik olarak bir bakır tabakasıyla kaplanması (veya bakırın kurşunla kaplanması) bakır-kurşun yatak alaşımları imalinde kullanılır. Sert alaşımların imalinde, sert maddelerin elektrolitik olarak yardımcı bir metalle korunması teklif edilmiştir. Alkol veya su içinde erimiş toryum nitratın tungstenik aside ilavesi, lambaların enkandesan volfram filamanlarında çok önemli olan tanelerin büyümesini önler. Aynı şekilde, az miktarda alümin ilavesiyle de demir grubundaki saf metal esaslı sinterlenmiş cisimlerin tanelerinin büyümesini önler.
Tozun sıkıştırılabilme özelliği yetersiz ise sentetik reçineler, kolofan, aseton, eter-parafin (veya kafuru) solüsyonları gibi organik terkipler ilave edilir. Bu ilaveler daha sonra sinterlemede buharlaşırlar. Karbonun elde edilecek parçaya fena tesir edeceği hallerde bu işlemlerden kaçınılır. Bu organik terkipler en iyi şekilde metalsel tozla birlikte öğütülerek katılırlar. Toz, organik maddeler ihtiva eden eriyiklerle nemlendirilince, organik terkiplerden ekonomi sağlanabilir. Volfram tellerinin imalinde organik kolloidler ve amalgamlar kullanılır.
İnce öğütme, basit tozların veya toz karışımlarının sinterlemde en önemli ön işlemleridir. Tek bileşenli tozların kuru veya rutubetli olarak ince öğütülmesiyle kristaller parçalanır, billursal malzeme parçalara ayrılır. Bunun sonucu olarak da yığmadan önceki ve sonraki hacimler azalır ve bunlara tekabül eden yoğunluklarda artar. Mesela demir karbonil tozu 12 yerine 96 saat öğütülürse, yığmadan evvelki yoğunluk % 20, sinterlemeden sonraki yoğunluk ise % 25 artar. Birden fazla bileşenli sistemlerde ise (metalloid, metal-metal, metalsel terkipler), ince öğütme, karışımının daha homojen olmasını ve plastik bileşenlerin sert bileşenler üzerine ince bir tabaka halinde dağılmasını temin eder. Bir tozun rutubetli olarak çamurun kolloidal yapısını elde edene kadar iletilebilir.
Aşağıdaki tabloda bir volfram-karbür (%92 WC , %8 CO) karışımının hidrojen içinde rutubetli öğütülmesinin yığmadan önceki ve sonraki hacimler üzerindeki tesiri görülmektedir. Tane boyutları, küçüldükçe sözü geçen hacimlerin arttığına dikkat edilmelidir.
Tablo 3.4 Muhtelif sürelerde öğütme neticesi, WC-Co (%92 WC, %8 Co) karışımının yığmadan evvel ve sonraki hacimleri
Öğütme süresi (saat) Mikroskopta granülometri Yığmadan evvel hacim (cm³/100 gr) Yığmadan sonra hacim (cm³/100 gr)
6 30 % 5,0
50 % 3,0
20 % 1,0
8,4
7,1
12 30 % 4,0
40 % 2,0
30 % 1,6
9,3
7,3
24 15 % 2,5
50 % 1,1
35 % 0,8
10,6
7,5
48 20 % 0,8
70 % 0,8
10 % 0,6
17,2
12,0
96 10 % 2,0
50 % 1,0
40 % 0,6
20,5
15,6
Bölüm 4. TOZLARIN PRESLENMESİ
Toz metalürjisindeki en öneli adım preslemedir. Metal tozlar, özel olarak hazırlanmış çelik kalıp içersinde basınç etkisiyle kompakt bir hale getirilir. Bu işlem için genellikle hidrolik, mekanik ve pnömatik presler kullanılmaktadır. Preslerin uyguladıkları basınç değerleri 70 ila 700 MPa arasındadır ve pratikte kullanılan basınç değerleri ise genellikle 145-450 MPa arasındadır. Presleri büyük bir kısmının kapasitesi 100 ton civarındadır. Son zamanlarda 200-300 ton kapasiteli presler yapılmıştır ve hatta 3000 tonluk bir pres imal edilmiştir.Toz metalürjisi ürünlerinin kesit alanı maksimum 2000 mm²dir. Ancak yüksek kapasiteli özel preslerin kullanılması halinde bu değer 6500 mm²ye kadar çıkabilmektedir.
Uygulamaların çoğunluğunda, toz karışım yerçekimi etkisiyle kalıbı doldurur, fazla kısımlar alınır ve tozu sıkıştırmak için pres kapatılır. Toz miktarı için hacim veya ağırlık esasına göre bir başlangıç ölçüsü oluşturulur.
Sıkıştırma işlemi esnasında toz partikülleri önce uygulanan kuvvet yönünde hareket ederler.Tozlar sıvı gibi akmaz; kalıp yüzeyi ile partiküller arasında sürtünme neticesi bir reaksiyon kuvveti gelişir. Bu kuvvet uygulanan kuvvete eşit bir değere ulaşana kadar sıkışma eksenel yönde devam eder. Daha sonra partiküller yatay yönde hareket ederler. Basınç bir darbe şeklinde uygulanırsa, maksimum yoğunluk ıstampanın hemen altında meydana gelir ve ıstampa ile temas eden yüzeyden itibaren artan mesafe ile birlikte azalır. Bu yüzden ürün boyunca homojen yoğunluğun sağlanması amacıyla basıncın homojen bir şekilde transferi nadiren mümkündür. Çift aksiyonlu presler daha homojen yoğunluk elde edilmesini ve daha kalın ürünlerin kalıplanabilmesini sağlarlar. Yoğunlaştırma veya sıkıştırma işleminde kenar duvarların sürtünmesi anahtar bir faktör olduğundan, presleme ile elde edilen yoğunluk kalıplanan parçanın kalınlığı ve genişliğinin bir fonksiyonudur.Homojen yoğunluk dağılımını sağlayabilmek için kalınlık : genişlik (t/w) oranı 2 den küçük olmalıdır. Kalınlık : genişlik oranı 2 den büyük olan ürünlerde yoğunluk parça içinde bir noktadan diğer bir noktaya değişiklik gösterebilir.
Yukarıda da belirtildiği üzere ürün yoğunluğu kalınlığın bir fonksiyonu olduğundan, çoklu kalınlığa (kalınlığın parça içinde bir bölgeden diğerine değişimi) sahip parçalarda şekilde gösterildiği gibi tek bir ıstampa hareketi ile homojen yoğunluk eldesi olanaksızdır.
a-)Preslemeden önce b-)Preslemeden sonra
Farklı kalınlıklara sahip parçaların üretiminde bu nedenle daha kompleks pres ve metotlar kullanmak zorundadır. Aşağıdaki şekilde iki farklı et kalınlığına sahip bir parçanın preslenmesinde kullanılan iki metot gösterilmiştir.
Istampalar değişik miktarlarda hareket ettirilerek üniform olarak sıkıştırılmış parça üretilebilir. Son derece girifit ürünlerin preslenmesi için partiküller bir plastik kalıba veya kaba yerleştirilerek ve basınçlı bir gaz veya sıvıya daldırılır. Bu yöntem izostatik presleme (üniform basınç) olarak adlandırılır. Presleme hızı son derece düşüktür., ancak ağırlığı yüzlerce kg a varan parçalar etkin bir şekilde preslenebilirler. Homojen yoğunluk eldesinin diğer bir yolu toz karışımdaki yağ oranının arttırılmasıdır. Yağlayıcı, tozlar ile kalıp duvarı arasındaki sürtünmeyi azaltır ve karşıt sürtünmenin meydana gelebilmesi için daha fazla toz hareketini gerektirir. Ancak yağlayıcı oranının artışı preslenmiş ürünlerin yaş mukavemetini azaltarak ürünlerin kalıptan çıkarılması ve taşınmaları esnasında kırılma ve dağılmalara sebep olur.
Presleme hızı dakikada 6 ile 100 parça arasında değişebilir. Presleme sonrası, parçalar mekanik olarak kalıptan çıkarılırlar. Partiküllerin hareketi, bireysel deformasyonu ve kırılma ile toz ürünlerinin yoğunluğu dövme ve dökümle üretilen parçaların yoğunluğunun %80 ine ulaşmaktadır.
Presleme sırasında partiküllerin yüzeyindeki çıkıntılar ve düzgünsüzlükler kaybolur. Kayma, dönme ve yuvarlanma hareketleriyle partiküller kalıp içinde daha düzenli bir şekilde dizilirler. Büyük partiküller arasındaki boşluklar küçük partiküllerle doldurularak parçaların yoğunluğu arttırılır ve buna paralel olarak sertlik ve mukavemet değerleri de yükselir.
Preslemede kullanılan yüksek basınç altında toz partikülleri kalıp duvarlarının zamanla aşınmasına neden olur. Bu sebeple kalıplar takım çeliklerinden imal edilirler. Özellikle aşındırıcı tozların şekillendirilmesinde ve üretilecek parça sayısının fazla olduğu hallerde kalıp malzemesi olarak karbürlü malzemeler (sinter karbür) kullanılır. Kalıp yüzeyleri oldukça parlak ve kalıp yüksek basınca dayanabilecek kesit kalınlıklarına sahip olmalıdır. Bazı hallerde toz karışıma yağlayıcı ilavesi yerine kalıp yüzeylerine sprey uygulanır. Pres basıncındaki artışa paralel olarak kalıplanmış ürünlerin yaş mukavemetleri artar.
Enjeksiyon kalıplama:Konvansiyonel metoda alternatif olarak basınçlı dökümde kullanılan metoda benzeyen bir enjeksiyon kalıplama yöntemi geliştirilmiştir. Daha önceleri sadece hassas dökümle veya talaşlı işlemle üretilen küçük ve karmaşık şekilli parçalar artık günümüzde metal tozların termoplastik bir malzeme ile harmanlanarak takiben plastik bir forma gelene kadar ısıtılıp, basınç altında kalıp boşluğuna enjeksiyonu ile üretilebilmektedir. Kalıptan çıkarılan parçalardaki bağlayıcı malzeme solvent ekstraksiyonu veya kontrollü ısıtma ile buharlaştırılarak uzaklaştırılmaktadır. Daha sonra uygulanan normal sinterleme süresince parçalarda % 20-25 oranında hacimsel büzülme meydana gelir, yoğunluk ideal koşulların % 95 ine kadar yükselir ve özellikler artar.
Bağlayıcının uzaklaştırılması bu prosesin en pahalı ve zaman alıcı yanıdır. Isıtma hızı, sıcaklık ve yeniden bağlanma (bağlayıcıların uzaklaştırılmasından sonra partiküller arasında yeni bir bağın teşekkülü) süresi dikkatlice kontrol edilmeli ve parça kalınlığı ile uyumlu olmalıdır. İşlem süresi et kalınlığı büyük parçalarda üç güne kadar uzayabilir. Yeni keşfedilen ve suda çözünebilen metil-selüloz bağlayıcı bu dezavantajları kısmen ortadan kaldırmaktadır. Bağlayıcıdaki su ısıtma esnasında buharlaşır ve metil-selüloz sinterleme sırasında yanar.
Enjeksiyon kalıplama veya presleme yukarıda ifade edildiği üzere diğer proseslerle eldesi güç küçük, kompleks ve ince et kalınlığına sahip parçaların üretimine oldukça caziptir. Ancak kalıp dizaynı ve kalıp imalatı oldukça pahalı olduğu için seri ve kütlesel üretimde kullanılır. Bununla birlikte nihai yoğunluğun ideal yoğunluğun % 94-98 ine ulaşması ve % 0,3-0,5 mertebesindeki boyutsal toleransların elde edilmesi bazı uygulamalar için bu yöntemi daha da cazip hale getirmektedir. Spor, diş, tıp malzemeleri, büro makineleri ve ev aletleri parçaları, uzay ve uçak, dizel ve türbin motorları parçaları günümüzde bu yöntemle üretilmektedir.
Soğukta preslemede genellikle basıncın bir veya daha çok doğrultuda tatbik edilmesini sağlayan hidrolik presler veya mekanik presler yer alır. Günümüzde ekseriyetle üstte sıkıştırıcı altta ise dışarı itici pistonlar bulunan hidrolik presler kullanılır. Otomatik mekanik presler bilhassa gözenekli bronz yatakların ve basit makine parçalarının seri imalatında elverişlidir.
Sıcakta presleme veya basınç altında sinterleme soğuk presleme ve sonra sinterlemeye nazaran daha az pratiktir. Sadece sert alaşımdan tel çekme haddelerinin, elmas alaşımlarının imali gibi istisnai hallerde kullanılmış olan bu usul, tozların veya özel bir şekilde ısıtılmış kömür, çelik veya grafit bir matris içine yerleştirilerek sıkıştırılmış parçaların sinterlenmesi esnasında basınç tatbik edilmesinden ibarettir.
4.1 PRESLEMEDE GÖRÜLEN OLAYLAR
Teorik olarak düzlemsel ve temiz iki yüzeyin başlangıçta temasları sağlandığı taktirde, bu iki yüzeyin adi sıcaklıkta birleşmeleri prensip olarak mümkündür. Metallerin yüzeyinde, oksit tabakaları gibi fena tesirleri olan maddeler olmadığını farz edelim. Bu durumda dahi kendini çekme kuvvetleri tesirinin görülebilmesi için yüzeyler arasındaki mesafenin çok küçük olması lazımdır. Adi sıcaklıkta ve yüksek basınçlar altında, iki masif metal cismin nazari olarak düzlemsel yüzeylerini atom mertebesinden temasa getirmek için, halledilmeyecek derecede zorluklarda karşılaşıldığı düşünülürse, metalsel bir tozun preslenmesinde yukarıdaki ideal durumdan ne kadar uzak bulunulduğu anlaşılır. Bunun başlıca üç sebebi vardır:
1-Toz partiküllerinin yüzeyleri genellikle gayrı muntazam ve çok komplekstir. Dolayısıyla karşılıklı temas yüzeyi çok küçüktür.
2-Tozların saflığı imalat şekline göre çok değişir; ayrıca partiküller havada çok moleküllü oksit ve gaz tabakalarıyla kaplıdır. Bu ise çekme kuvvetlerinin tesirini engeller.
3-Ergime ile elde edilen bir metal yüzeyini çevreleyen atom tabakasının yapısı, içinde bulunan bir kristalin dış tabakasındakinden genellikle tamamen farklıdır. Ayrıca taneler arasındaki birim hakiki temas alanına tekabül eden kohezyon kuvveti ve ergime ile elde edilmiş bir metal kristalitlerin arasındakinden farklı ve genellikle daha küçüktür.
Metalsel bir tozdan, basınç tesiri altında katı cisim elde edebilmek, basınç yardımıyla yüzeysel kuvvetlerin hiç olmazsa bir kısmından faydalanmak demektir. Fakat bu gibi hallerde mekanik kuvvet çok ufaktır. Buna sebep yukarda izah edilen üç faktörün tamamen yok edilmemesidir. Preslemenin tesirleri şöyle sıralanabilir:
1-Toz partiküllerinin toplam temas yüzeyi, karşılıklı yaklaşma sonucu artar.
2-Basınç tesiri altında, birçok taneler birbirleriyle sürtünür. Bu ise birçok noktada oksit ve gaz tabakalarının yüzeylerinin temasını sağlar.
3-Toz tanelerinin karşılıklı sıkıştırılmaları çok kısa süreli lokal sıcaklık yükselmelerine sebep olarak atomların temas yüzeyinde yeni ve kısmi bir organizasyon sağlanır (atom hareketleri, sıcakta birleşme).
Soğukta presleme ile elde edilmiş parçaların mekanik kuvvetleri basınçtan başka tozun plastik özelliklerine de bağlıdır. 30 lt/cm² lik basınçla, kompakt bakır yoğunluğunun %95 ila 97 sine erişerek, yüksek mukavemetli çubuklar elde edilebilir. Buna karşılık, redükleme ile elde edilmiş volfram tozuna çok yüksek basınçlar tatbik edilse dahi teorik yoğunluğun sadece %65 ila 75 kadarı elde edilebilir. Aynı zamanda bir volfram çubuğun mukavemeti çok az olduğundan, parçalanmaması için çok dikkatli davranmak gerekir. Sünek sinterlenmiş kaba volfram tozu kullanılırsa, bu volfram partiküllerinin plastisiteleri daha büyük olduğundan, daha mukavemetli cisimler elde edilir.
Presleme esnasında iki ideal durum düşünülebilir : elastik deformasyon ve plastik deformasyon. Birinci halde, yozun ideal elastikliğine ilave olarak şu hipotezleri yapacağız : toz mümkün olduğu kadar ince ve çok muntazam, basit şekilli, parlak yüzeyli partiküllerden ibarettir; presleme tek taraftan, çelik bir matris içinde, ortalama bir basınçta yapılmaktadır ; basınç yavaş yavaş artmaktadır. Bu ideal şartların gerçekleşmesiyle, basınç kalıp içinde, sıvı içindeki hidrostatik bir basınç gibi, muntazam olarak dağılır. Böylece maksimum kesafet elde edilir. Çekme kuvvetleri, toz partiküllerinin atomsal temasta oldukları noktalara tesir ederler. Presin hareketli pistonu civarında yoğunluk daha büyüktür. Kalıbın titreşmesi de bir avantaj teşkil eder. Partiküllerin tuğla gibi üst üste yığılmalarının iyi olmadığı yerlerde, bilhassa bazı partiküller basıncı bir kubbenin taşları gibi taşınıyorsa, bu kubbe altında birçok boşluklar vardır. Yoğunluğun bu gayrı muntazamlığını göz önüne almazsak, yukarda izah edilen ideal presleme usulünde toz partikülleri hiçbir plastik deformasyona maruz kalmazlar. Bu çok basit limit bir hal olduğundan, hiçbir sıvı faz görülmediği kabul edilirse, sonradan yapılacak ısıtma esnasında ortaya çıkacak sinterleme olayları (billurlaşma gibi) da çok basit olacaktır.
İkinci limit hal yukarıdakilere zıt şartlarda görülür. Toz partikülleri kaba, yüzeyleri gayrı muntazam, kompleks ve dantelli, toz çok plastik ve basınç çok yüksekte, partiküllerin tuğla gibi muntazam olarak dizilmesiyle kesafette muntazam bir artış sağlanamaz.Elemanter partiküllerin plastik deformasyonu daha önem kazanır, zira yoğunluğun artması partiküllerin birbirlerine yaklaşabilmelerine bağlıdır. Temas yüzeyleri halinde gelir. Partiküllerin kohezyonu, çekme kuvvetlerinin bazı noktalarda değil, fakat bölgelerde tesir etmesiyle ve hacimli parçaların kaba olarak tuğla gibi dizilmeleriyle elde edilir. Bütün bunlardan, bu gibi cisimlerin yüksek mekanik mukavemetlerinin sebebi anlaşılmaktadır. Sinterleme esnasında görülen olaylar, bilhassa billurlaşma olayları (yeniden billurlaşma) tabii ki daha karışıktır. Toz partiküllerinin iç kararsızlıklarına sebep olan faktörler de rol oynar.
4.2 SICAKTA PRESLEME
Ergime sıcaklıkları düşük olan metal tozlarının iyi sıkıştırılabilme özellikleri ve yüksek sıcaklıkta sinterleme üzerinde elde edilen deneysel neticeler, ergime sıcaklıkları yüksek metallerin sinterleme ve preslemesinin yüksek sıcaklıkta bir tek işlemle yapılmasını düşündürmüştür. Bu işlene sıcakta presleme ve basınç altında sinterleme denilir.
Sıcakta presleme tekniği pratikte sadece sert alaşımdan tel çekme haddelerinin ve sinterlenmiş masif yatakların imalinde önemli bir rol oynar. Fakat elde edilen özelliklerin daha iyi olması sebebiyle, başka sinterlenmiş maddelerin imalatında da bu usulün kullanılması mecburiyeti hasıl olmaktadır.
4.3 SICAKTA PRESLENEN CİSİMLERİN ÖZELLİKLERİ
Sıcakta preslenen parçalar normal olarak sinterlenmiş parçalara nazaran daha serttir. Numunelerin direkt veya endirekt olarak elektrik akımıyla ısıtılmış grafit bir matris içinde, iki grafit pistonla, 80 ila 300 kg/cm² basınç altında iki taraftan sıcak olan preslenmeleri, normal sinterlemeye nazaran çok daha kısa bir zamanda gerçeklendiği görülmüştür. Sıcakta presleme toz tanelerinin çok kompakt bir bütün haline gelmesini ve gözeneksiz bir yapı elde edilmesini sağlar. Matris yüzeyinin sıcaklığı optik bir pirometre ile ölçülerek işlem sıcaklığı tespit edilmiştir; seçilecek sıcaklık kullanılan basıncın fonksiyonudur. Matris yüzeyinde ışıma sebebiyle büyük bir ısı kaybı olduğundan numune parçanın sıcaklığı 150º ila 200º kadar daha yüksektir. Sıcakta presleme sıcaklığı ile basınç arasındaki bağıntı hakkında, uygun şartlarda tespit edilmiş olan şu malumat verilebilir: 1350º ila 1400º arasındaki sıcaklıklar için basınç :105 kg/cm² ; 1400º den yüksek sıcaklıklar için, basınç : 70 kg/cm².
Bu, sıcaklık tesirinin basıncın yerini tutabileceği (veya tersi) manasına gelmez. Fakat, optimum özellikleri haiz sert alaşımların elde edildiği sıcaklık ve basınç değerleri arasında bir bağıntı olduğu aşikardır. Basınç altında sinterlenmiş sert alaşımların sertlik, eğme mukavemeti, tokluk ve kesme kapasitesi değerleri aynı malzemelerin soğukta preslendikten sonra sinterlenmeleri halinde elde edilecek değerlerden genellikle daha yüksektir. Presleme ve sinterleme şartlarının aynen tekrar elde edilebilmesi güç olduğu gibi matris malzemesinde de zorluklarla karşılaşılması kesme aletleri için sert alaşım plaketleri imalinde sıcakta presleme usulünün yaygın olarak kullanılmasını önlemiştir. Normal yollardan imal edilmiş (volfram karbür ve kobalt) sert alaşımlarının Rockwell A 92, sıcakta preslenmiş sert alaşımlarınki ise Rockwell A 95,6 olarak bulunmuştur. Sert alaşımların grafit kalıplar içinde aynı zamanda sinterlenme ve preslenmeleriyle maksimum sertlik elde edilir. Sertliğin artması şu şekilde izah edilir : Sıcakta presleme esnasında daha büyük yoğunluk elde edilir ; diğer taraftan biraz da kobalt numuneden çıkar (böylece diğer metotlarla elde edilenlere nazaran daha az kobalt ihtiva eder). Aşağıdaki tablo bu şartlar altında sinterlenmiş demir ve bakırın mekanik mukavemetinin ne kadar iyileştiğini göstermektedir.
Tablo 4.1 Sıcakta sıkıştırılmış bakır ve demirin çekme mukavemetinin adi sıcaklıkta sıkıştırıldıktan sonra sinterlenmiş olanlarınkiyle mukayesesi
Sıcakta sıkıştırma veya sıkıştırma sıcaklığı (ºC) Adi sıcaklıkta sıkıştırdıktan sonra sinterlenen malzemenin çekme mukavemeti (kg/mm²) Sıcakta sıkıştırıldıktan
sonra çekme mukavemeti (kg/mm²)
Cu Fe Cu Fe
610
715
810
920 14,2
13,2
12,3
10,2 4,2
6,6
11,5
14,7 26,3
24,1
23,5
22,3 19,7
27,3
34,6
39,4
Toz metalürjisi çok küçük partikülleri birbirine bağlayarak parça haline getirme işlemidir. Daha geniş bir ifade ile toz metalürjisi, toz şeklindeki malzemelerin preslenesi ve takiben yüksek sıcaklıkta sinterlenmesi ile parça imalatını kapsamaktadır. İnce partikül şeklindeki saf metaller, alaşımlar, karbon, seramik ve plastik malzemeler birbirleriyle karıştırılarak basınç altında şekillendirilirler. Daha sonra bu parçalar ana bileşenin ergime sıcaklığının altında bir sıcaklıkta sinterlenerek partiküllerinin temas yüzeyleri arasında kuvvetli bir bağ oluşturulur ve böylece istenilen özellikler elde edilir. Toz metalürjisi küçük, karmaşık ve boyutsal hassasiyeti yüksek parçaların seri imalatına son derece uygundur. Malzeme kaybı çok azdır, belirli derece porozite (gözenek) ve geçirgenlik elde edilir.
Metal tozlarının boyutları mikron mertebesindedir. Presleme işlemi oda sıcaklığında ve bazen de yüksek sıcaklıklarda yapılır. Toz metalürjisi ile üretilen parçaların büyük bir kısmında elde edilen boyutsal hassasiyet ve yüzey kalitesi talaşlı işlem gibi ekstra operasyonlara olan gereksinimi ortadan kaldırmaktadır.
Bölüm 2. METALSEL TOZLAR
Toz metalürjisinde kullanılan malzeme madenler, alaşımlar, madensel metalloid tozların karışımlarıdır. Bu tozların hazırlanmasında sanayide bir çok usuller vardır. Bu usuller mekanik ve fiziko-kimyasal olarak iki kısma ayrılır. Bu tozlar arasında tane büyüklüğü, tane şekli ve granülometrik intizam bakımından önemli farklar vardır.
2.1 TOZLARIN HAZIRLANMASI
2.1.1 Mekanik Usuller:
a-)Kaba ve ince öğütme:Metalsel tozlar elde etmek gayesiyle kullanılan bu çok basit usul, metali tornalama, planyalama, frezeleme ve eğeleme gibi işlemelerde mekanik olarak küçük zerreler haline getirilmesinden ibarettir. Fakat bu şekilde elde edilen demir ve magnezyum tozlarının toz metalürjisinde önemli bir tatbikatı yoktur.
Hammadde kafi derecede kırılgan ise, kaba bir öğütmeden sonra ince bir öğütme yapılır. Çimento endüstrisindeki gibi sert maddelerin öğütülmesinde kullanılan tesisat, toz metalürjisinde malzeme miktarı az olduğundan fazla kullanılmaz. Malzemenin cinsine göre sert porselenden bilyeli öğütücüler veya sert alaşımla kaplı çelik öğütücüler kullanılır.
Ancak az sayıda metaller (manganez, krom, antimon, bizmut gibi) bilyeli öğütücülerde öğütülebilirler. Bu mahzur muhtelif usullerle giderilebilir. Mesela mümkün olduğu kadar yüksek safiyette bir demir cevherinden, direkt redükleme ile elde edilecek gözenekli demir, bilyeli öğütücülerde istenildiği kadar ince bir toz haline getirilebilir. Redükleme esnasın da elimine edilmeyen ve toza karışan gayri safiyetlerin mevcudiyetlerini unutmamak gerekir.
Diğer taraftan, elektroliz yolu ile, kırılgan ve küçük taneli elektrolitik demir de elde edilebilir. Bu da bilyeli bir öğütücüde istenen incelikte bir toz haline getirilebilir. Böylece elde edilen demir tozu özellikle yüksek frekans bobinlerinin nüvelerinde kullanılır.
Demir-Nikel alaşımlarının magnetik özelliklerinin iyiliği ve nüve imalinde yumuşak demir imalinde kullanabilecekleri anlaşılınca, bu alaşımları toz metalürjisi yolu ile hazırlamak icabetti. Kolaylıkla haddelenebilmeleri ve sıcakta dövülebilmeleri için demir – nikel alaşımları manganez ve magnezyum vasıtasıyla deokside ve desülfüre etmek düşünüldü. Manganez ve magnezyum ilavesi ihmal edilse bile malzeme belirli bir minimum sıcaklığın altında yapılırsa malzeme parçacıklar (kırıntılar) haline gelir.Küçük taneler elde etmek için blok yüksek sıcaklığa kadar ısıtılır ve müteaddid haddeleme tabi tutulur. Son haddeleme sıcaklığını yukarda sözü edilen minimum sıcaklığın biraz üstünde olacak şekilde seçmelidir. Böylece son haddeleme ile metal toz haline gelir.
Sünek metallerinin bilyeli öğütücülerde öğütülmeleri imkan bulunamamıştır, zira öğütme esnasında iri taneler sadece yuvarlaklaşmakta, küçük taneler ise öğütücü cidarlarına ve bilyelere yapışmaktadır. Tok bileşenli metallerin pervaneli öğütücülerde arzu edilen granülometrik terkipte bir toz haline getirilebilmeleri önemli bir ilerlemedir. Bu usule “Hametag” usulü denir. Bu usul tok metallerin (demir, bakır, alüminyum gibi) tozların hazırlanmasında, kaba toz haline getirilmiş kırılgan alaşım ve metallerin ince olarak öğütülmelerinde kullanılır.
Şekil 2.1 Pervaneli (Hametag) öğütücünün şeması
Pervaneli öğütücü, içinde karşılıklı iki mil üzerinde sert manganezli çelikten veya sinterlenmiş sert alaşımdan birer pervane bulunan bir kaptan ibarettir. Bu pervaneler ters yönde çok yüksek ve eşit hızlarda dönerler. Toz haline getirilecek malzeme böylece öğütülürken meydana gelen iki ters ve çok hızlı gaz cereyanı da toz haline gelmiş partikülleri sürükler. Öğütücüler otomatik olarak yüklenebilirler. Toz partiküllerinin oksitlenmesine mani olmak için genellikle azot gibi redükleyici veya inert bir atmosfer altında çalışabilir. Pervanelerin şekillerine, boyutlarına ve dönüş hızlarına bağlı olarak muhtelif şekilli taneler ve farklı granülometride tozlar elde edilir. Bu tozların müstesna sıkıştırılabilme özellikleri vardır. Kullanılma sahalarına misal olarak: makine parçaları ve gözenekli yatak imalinde kullanılan bakır tozları gösterilebilir.
Yukarıda sözü geçen toz hazırlama usullerinin avantajları, basitlikleri ve ucuz olmaları; dezavantajları ise elde edilen tozlarda, öğütülen maddeden ileri gelen gayri safiyetlerin bulunmalarıdır.
b-)Granülasyon ve pülverizasyon:Ergimiş bir metalin granülasyonu metalsel tozların hazırlanmasında kolay tatbik edilen ve çok ucuz bir usuldür. Granülasyon, suda granülasyon veya ergimiş metalin katılaşması esnasında karıştırılarak elde edilen granülasyon diye ikiye ayrılır. Su içine ergimiş metalin dökülmesiyle elde edilen granülasyon eskiden beri bilinmektedir. Mesela ergimiş kurşun su ile dolu bir kaba bir elekten geçirilerek dökülür. Kurşun damlaları daha havada düşerken önemli bir soğumaya uğrarlar. Kurşuna arsenik ilave ederek damlaların uzaması önlenir.
Birçok metaller katılaşırken karıştırıldıklarında toz haline gelirler. Bu usul, kaba alüminyum tozlarının elde edilmesinde kullanılır. Ergimiş alüminyum soğuması esnasında mekanik olarak karıştırılır. Kadmiyum, çinko, kalay tozları da bazen böyle elde edilir. Bu usulle kurşun – kalay alaşımı tozlarının hazırlanması teklif edilmiştir. Tozun hazırlanması denge diyagramının likidüs ve solidüs eğrileri arasındaki sıcaklık aralığında olur.
Pülverizasyon usullerinden biri, sıvı dar bir püskürtücüden fışkırtmak ve fışkıran metal hüzmesi üzerine su buharı, basınçlı hava veya başka bir gaz cereyanı yollamaktan ibarettir. Böylece sıvı metal toz haline getirilirken aynı zamanda da partiküllerin çabuk soğumaları sağlanır. Tozun oksidasyonu azdır. Tanelerin boyut ve şekilleri su buharının, basınçlı hava veya gazın hızı ayarlanarak değiştirilebilir. Bu usul bilhassa alüminyum, bakır ve demir tozlarının elde edilmesinde kullanılır.
Diğer bir usul de şöyledir:Suyla çevrelenmiş ince bir metal malzemesi, yüksek hızla dönen ve kanatları haiz bir disk vasıtasıyla santrifüj kuvvetten faydalanarak ince partiküllere ayrılır(şekil 2.2).Bu usulle bileşenleri karışabilen bütün alaşımlar toz haline getirilebileceği gibi aynı usul bileşenleri sadece sıvı halde karışabilen alaşımlara da tatbik edilebilir(Fe-Cu ve Cu-Pb alaşımları).
Şekil 2.2 Santrifüj (D.P.G.) usulü
2.1.2 Fiziko –Kimyasal Usuller:
a-)Gaz fazından itibaren hazırlanması:Genellikle kaynama sıcaklıkları düşük olan metal tozlarının hazırlanmasında kullanılan bu usul, önce metali buharlaştırmak ve bu buharı yoğunlaştırmaktan ibarettir. Çinko tozu bu usulle hazırlanır. Çinko oksidinin karbon ve karbon monoksit vasıtasıyla redüklenmesiyle elde edilen çinko bir karni içinde buharlaştırılır. Elde edilen buhar yoğuşturulur. Karbon monoksit atmosferinin içinde az miktarda karbon dioksit ve oksijen bulunmalıdır. Böylece yoğuşan çinko partikülleri ince bir oksit tabakasıyla kaplanır. Bu ise partiküllerin aglomerasyonunu önler.
Çinko partikülleri küresel olup dış görünüşleri karbonil metallerinkine benzer. Karbonil usul, özellikle sanayide saf demir ve nikel tozlarının hazırlanmasında kullanılır. Yüksek basınç altında demir ve nikel mineralleri karbon oksidi ile muamele edilir; bunlardan en önemlileri demir pentakarbonil [Fe(CO)5] ve nikel tetrakarbonil [Ni(CO)5] ‘dir.
b-)Yüksek sıcaklıkta metalsel terkiplerin redüklenmesi:Bu usulle hazırlanan volfram ve molibden tozları, elektrik ampulleri ve vakumlu tüplerin imalinde, kobalt tozu ise sert alaşımların elde edilmesinde kullanılır. Bu tozlar tercihen oksitlerin hidrojenle redüklenmesiyle elde edilirler. Aynı usul ile büyük miktarlarda demir, nikel ve bakır tozları hazırlanabilir. Redükleme sıcaklığı metalin veya metalsel terkibin ergime sıcaklığının altında olmalıdır. Oksit partiküllerinin boyutlarının, hidrojenin saflığının ve rutubet derecesinin, redükleme müddet ve sıcaklığının uygun olarak seçilmesiyle toz tanelerinin şekli, büyüklük ve dağılışını belirli sınırlar içinde değiştirmek mümkündür. Genel olarak en ince tozlar alçak sıcaklıkta redükleme ile elde edilir. Toz tanelerinin iriliği redükleme sıcaklığı ve müddetiyle ve redükleyici gazın içindeki su miktarıyla artar. Redükleyici olarak hidrojen, karbon monoksit, amonyak, metal buharları (alkali metal buharları gibi) kullanılabilir. Endüstride bu işlem devamlı çalışan fırınlarda yapılır. Kullanılan oksit, nikel veya demirden mamul yassı sepetler içinde fırına sokulurken aksi yönde de hidrojen sevk edilir.
c-)Ergimiş veya erimiş tozların redüklenmesi: Metalin tuzlu bir solüsyonunun, redüksyonla kimyasal olarak çökeltilmesi, metalsel tozların hazırlanmasında kullanılan en eski usullerden biridir. Platin, altın ve gümüş tozları bu usulle elde edilir. Diğer bir misal de, çok ince kalay tozlarının çinko talaşları ile, kalay klorürlü bir klorüdrik solüsyonda çökeltilmesidir. Çökeltme gereci olarak alüminyum da kullanılabilir. Redükleme veya alüminyum tozunun oksit tabakalarını elimine etmek ve böylece reaksiyonu mümkün kılmak için bir aktivasyon vasıtası kullanılmalıdır(sulandırılmış bir kloridrik asit, sodyum klorür veya cıva klorürü solüsyonu gibi).
Çökelen metalin sünger gibi bir görünüşü olup öğütme ile kolayca toz haline getirilebilir. Tantal, niobyum, titan ve diğer nadir metallerin (uranyum, toryum, berilyum, zirkonyum) tozlarını hazırlamak için metalin klorür, florür gibi alkali veya alkali toprak bir metalle ergimiş bir tuzunu bir bomba içinde dekompoze edebiliriz. Elde edilen reaksiyon ürünü suda yıkanıp saf metalsel bir toz elde edilir.
d-)Metalsel tozların elektrolitik olarak hazırlanması:Ergimiş veya erimiş bir tuzun elektrolizi ile metalsel tozların hazırlanması teknikte önemli bir yer işgal eder. Sulu solüsyonların elektrolizi, demir, bakır, kurşun ve kalay tozlarının hazırlanması için bilhassa uygundur. Direkt olarak metalsel tozun elde edilmesi için akım şiddetinin büyük, elektrolit solüsyonunun hızlı banyo sıcaklığının yüksek olması gerekir. Uygun tuz karışımının elektrolizi başlıca vanadyum, niobyum, tantal, titan, zirkonyum, toryum ve uranyum tozlarının hazırlanmasında kullanılır.
e-)Diğer fiziko – kimyasal usuller:Oksitlerin veya diğer metalsel tertiplerin yüksek sıcaklıkta dekompozisyonu ile de metalsel tozlar hazırlanabilir.
Metalsel bir hidrürü (kalsiyum hidrür gibi) metalsel bir oksit (titan veya zirkonyum oksit ) üzerine tesir ettirerek ve meydana gelen hidrürü ayrıştırarak kullanılan oksidi meydana getiren metalin tozunu elde etmek mümkündür.
f-)Sert mamullerin tozlarının hazırlanması:Sert alaşımların imalinde kullanılan volfram, molibden, titan ve tantal karbürlerin sert tozları, tozların ise (kurum) müvacehedesinde 1300 ile 1900 arasında ısıtılmalarıyla elde edilir. Karbürler genellikle levhalar halinde çökelirler. Bu levhalar bilyeli veya pervaneli öğütücülerde ince toz haline getirilir.
Ergime dereceleri yüksek nitrürler metal tozunun veya karbon ve metalsel oksit karışımının azot veya amonyak cereyanı içinde yüksek sıcaklıkta (1100 ile 1300 derece) ısıtılmasıyla elde edilir. Toz haline saf borür, saf metal tozunun bor ile vakumda 1800 ila 2200 derece arasında ısıtılmasıyla elde edilir.
Metalsel silisyürler de metal tozunun silisyum veya silisyürler üzerinde etkimesiyle elde edilirler.
2.2 METALSEL TOZLARIN FİZİKO-KİMYASAL ÖZELLİKLERİ
Sinterlenen cisimlerin özellikleri kullanılan metalsel tozun kimyasal fiziksel özelliklerine sıkı sıkıya bağlıdır.
2.2.1 Fiziksel özellikleri:Bu özelliklerden en önemlileri yığmadan evvel ve sonraki hacim, tanelerin şekli ve büyüklüğüdür.
a-)Yığmadan evvel ve sonra hacim ve yoğunluk:Yığmadan evvel ve sonraki hacim, imalatın endüstriyel kontrolünde çok kullanılan kaba bir kriterdir. Yığmadan evvelki yoğunluğu bulmak için toz, hacmi bilinen bir kaba doldurulur. Kap hacmi genellikle 100 cm alınır. Kap tartılır(boyut: gr/100 cm). Tozun ağırlığı bulunduktan sonra, yığmadan evvelki yoğunluğu (boyut: gr/1 cm) bulmak için 1 cm tozun ağırlığı hesap edilir. Yığmadan evvelki yoğunluğun tersi yığmadan evvelki özgül hacmi verir (boyut:cm/1 gr). Bu değer daha ziyade belirli bir miktarda tozu (mesela 100 gr) bir silindire doldurarak ve silindir üzerinden tozun işgal ettiği hacmi okuyarak tayin edilir (boyut: cm/100 gr).
Yığmadan sonraki hacmi tayin etmek için belirli ağırlıkta toz (tercihen 100 gr) bir silindire doldurulur ve elle veya mekanik bir tertibatla sıkıştırılır. Böylece mümkün olduğu kadar yoğun bir aglomerasyon elde edilir. Tozun işgal ettiği hacim silindirin üzerinden okunur. 1 gr tozun işgal edeceği hacim hesaplanarak yığmadan sonraki özgül hacim bulunur (boyut: cm/1 gr). Bu değerin tersi yığmadan sonraki özgül kütle veya yığmadan sonraki yoğunluğu verir (boyut:gr/1 cm).
b-)Tanelerin büyüklüğü ve granülometrik analizi:Metalsel bir tozun tanelerinin boyut ve şekilleri birbirinden farklıdır. Toz metalürjisinde kullanılan tozların tanelerinin boyutları 1ila 4 mikron arasındadır. Granülometrik dağılımı tayin etmek için toz tanelerinin ortalama büyüklüğüne göre elek analizi, mikroskobik muayene vs. gibi farklı usuller tatbik edilir.
Elek analizi:Bu usulle, tanelerin 50 mikrondan büyük olmaları halinde, granülometri hakkında bir fikir edinilebilir. Analizin laboratuarda yapılması için muhtelif boyda elekleri bulunan birçok ticari aletler vardır. Elekler metalsel veya ipek tellerden yapılmıştır. Birim alanda mevcut delik sayısı eleği karakterize eder.
Elek analizinde standart bir ölçü tavsiye edilir. Bunun için 100gr. toz belirli bir zaman sarsılır. Muhtelif eleklerde toplanan tozlar tartılarak granülometrik dağılım elde edilir. Sarsma müddetini değiştirerek yapılan muhtelif analizlerin neticeleri arasındaki farklar, sarsma müddeti uzadıkça azalır. Sarsma müddetini 20 dakika alırsak hata ihmal edilebilir. 3 ila 5 dakikalık bir sarsma neticesinde yapılacak hata da kabul edilebilir.
n tane elek kullanılırsa n+1 sınıfa ayrılır. Genellikle tozu 4 veya5 sınıfa ayırmakla iktifa edilir.
Tablo 2.1 Çeşitli metalsel tozların imal usulleri ve tatbikat sahaları
Usuller
İmalat
Tozlar
Tane şekilleri
Tane ölçüleri Kullanma yerleri
1 – Mekanik usuller
a-Kaba ve ince öğütme
I-Bilyalı öğütücülerde öğütme a-Gevrek madenler Mn,Cr,Sb,Bi,Co Gari muntazam şekiller Sinterlenmiş çelikten makine parçaları
b-Sun’i olarak gevrekleştirilen sünek madenler
I-Filizdeki süngerler
II-Gevrek elektrolitik malzeme
III-Sıcakta haddelenince gevrekleşen
Fe
Fe
Fe, Ni Gözenekli kristaller
Dantelalı, iğneli şekiller
Gayri muntazam şekiller
10 - 100 Masif nüveler, gözenekli yataklar, makine parçaları vs.
c- Gevrek alaşımlar Fe-Al, Fe-Al-Ti,
Ni-Al, Ni-Ti,
Fe-Cr, Fe-Si Gayri muntazam şekiller Sinterlenmiş mıknatıslar, demir esaslı sinterlenmiş makine parçaları
II-Helisel öğütücülerde öğütme (a),(b),(c) gibi ayrıca sünek madenler Fe, Ni-Fe, Cu, Ag, Al, Ag-Sn Çanak şeklinde taneler
20 - 400 Gözenekli yataklar, metallografitik kömür
b-Granülasyon ve pülverizasyon
I-Suda granülasyon
II-Sıvı metali karıştırarak granülasyon
III-Hava veya su buharıyla pülvrizasyon
IV-Hava veya su ile santrifüj(D.F.G. usulü)
Sıvı halde sünek olan madenler veya alaşımlar I-Pb, Fe, Cu, Ag Glöbüler 100-500 Metalografitik kömür, gözenekli yataklar, filtreler, sinterli mıknatıslar, makine parçaları, psödo-alaşımları, masif nüveler vs.
II-Al, Cd, Sn, Zn Glöbüler 250
III-Al, Cu, Fe Kısmen Globüler, muntazam şekiller
20-400
IV-Fe, Cu,Ni, Al, Ag, bronz, pirinç, kompleks tozlar, Pb-Cu, Pb-Ag vs. Kısmen globüler, gayrı muntazam şekiller
2-Fiziko-kimyasal usuller
a-Gaz fazından itibaren
I-yoğunlaştırma usulü
II-buharlaştırma usulü
III-karbonil usul Ergimiş metal Zn Globüler 0,1-10 Gözenekli yataklar, metallografitik kömür, masif nüveler, sinterlenmiş mıknatıslar, saf alaşımlar, sert alaşımlar, filtreler vs.
Ergimiş metal Pb Globüler
0,1-5
Karbonil metal Ni, Fe Globüler
b-Metalik kombinezonlarla yüksek sıcaklıkta redükleme Oksitler, mineraller ve organik tuzlar W, Mo, Fe, Ni, Co, Cu Dantelalı
0,1-10 Elektrik ampulleri, vakumtüpleri, yüksek sıcaklık için fırnlar, psödo-alaşımlar, sert alaşımlar, sinterlenmiş mıknatıslar, gözenekli yataklar
c-Redükleme
I-tuzlu solüsyonlar
II-erimiş tuzlar Ag, Au, Pt, Sn vs. tuzları Ag, Au, Pt, Sn Dantelalı, iğneli 0,1-10 Gözenekli yataklar, elektrik kontakları malzemeleri(W-Ag)
Ta, Nb, Ti, Th, Zr, V flüorürleri ve çifte tuzları Ta, Ti, Nb, Th, Zr, V Dantelalı, iğneli
0,1-10 Paftalar, vakum vidaları ve kimya endüstrisi malzemeleri
d-Elektroliz
I-Sulu solüsyonlar
II-Erimiş tuzlar
Fe, Cu, Pb, Sn, vs. tuzları Fe, Cu, Pb, Sn
İğne şeklinde dendritik 0,1-30 Gözenekli yataklar, metalografik kömür, psödo alaşımları, sinterlenmiş yataklar, masif nüveler, paftalar, vakum malzemesi vs.
Ta, Nb, Ti, Th, Zr, V
vs. tuzları Ta, Nb, Ti, Th, Zr, V
0,-10
e-Metalloidlerle kimyasal
reaksiyon Madenler ve madensel oksitler W, Mo, Nb, Ti vs. karbürleri, nitrürleri, silisürleri,
Kısmi aglomera
1-50 Sert mamuller, sert-alaşımlar
Mikroskobik analiz:50 mikrondan küçük tanelerin büyüklük ve dağılımını veren yegane
direkt metot olan mikroskobik analiz sayesinde tanelerin hakiki boyutları, belirli bir miktar
toz içindeki tane sayısı tespit edilir. Bu metot aynı zamanda tanelerin şekli hakkında kati bilgiler de verir.
Tanelerin boyutlarını ölçmek için toz ince bir tabaka halinde bir levha üzerine yayılır veya özel bir malzeme içine gömülür. Mesela volfram tozu bakır veya bronz tozu ile karıştırılıp sinterlenir veya bakırın veya bronzun ergime noktasına kadar ısıtılır. Gömme işleminin saydam (Plexiglass gibi) plastik malzeme içinde yapılması çok pratiktir. Plastik malzemenin tozu ile incelenen metalsel toz karıştırılarak elde edilen karışım takriben 150 sıcaklıkta preslenir. Bu şekilde hazırlanan malzeme adi bir metalografik preparat gibi muamele edilir. Partiküllerin boyutları direkt olarak ölçüldüğü gibi, görüş alanı içindeki bir bölgede mevcut partiküllerin sayısı da tespit edilir. Bu son halde, yardımcı maddenin belirli bir hacmi içindeki toz miktarından hareketle tanelerin büyüklüğü hesap edilebilir. Hakiki D çapı ile, ölçülen ortalama d çapı arasındaki bağıntı aşağıdaki gibi olur:
c-)Tanelerin şekli:Tanelerin şekli ve yüzeysel yapıları tozun sıkıştırılabilme özellikleri üzerine çok tesir eder. Partiküllerin şekli tozun hazırlanışına bağlıdır.
Mekanik usullerle hazırlanan metalsel tozların şekilleri küresel olmaktan çok uzaktır.Lamel şeklinde olan partiküllerin kenarları gayrı muntazam ve dantelli olup genişlik ve uzunlukları genellikle kalınlıklarından daha büyüktür.
Granülasyon ve pülverizasyonla elde edilen veya bir gaz fazından itibaren hazırlanan tozların şekilleri genellikle küreseldir. Bunların yüzeyleri düz ve muntazam (karbonil metaller, çinko, kurşun) olabileceği gibi, pürtüklü ve çatlak (Alüminyum, demir) da olabilir.
Metalsel bir terkibin yüksek sıcaklıkta redüklenmesi ile veya erimiş veya ergitilmiş bir tuzun redüklenmesi ile hazırlanan tozların taneleri iğne şeklinde olup sünger gibi yapıları vardır. Elektronik mikroskopla bakılınca, bu tozlar bir “Kaktüs” görünüşünü andırırlar. Bunun sebebi iğne şeklinde kristallerin mevcudiyetidir. Bu iğneler en büyük kristallere saplanmışlardır.
Elektrolize hazırlanan metalsel tozların “Fujer” şeklinde dendritik yapıları vardır. Redükeme ve elektrolize hazırlanan tozların dış görünüşleri arasında bir benzerlik vardır.
Alçak sıcaklıkta hazırlanan sert mamul tozlarının tane şekilleri temel metallerin tozlarının tane şekillerine benzer. Yüksek sıcaklıkta hazırlanan sert maddelerin tozları genellikle mekanik olarak öğütülmesi gerekir. Bunların mikroskobik görünüşleri sert taş parçacıklarına benzer.
d-)Akma faktörü: Bu faktör, gözenekli yatak imalatçıları tarafından tayin edilen ve sıvıların viskozitesine benzeyen bir büyüklüktür. Bu büyüklük tepe açısı belirli, konik bir kabın alt kısmında açılan bir delikten birim zamanda geçen toz miktarıyla ölçülür. Akma faktörü, yatak malzemelerinin imalinde sık sık kullanılan mekanik preslerin çalışma intizamının tayininde mühim rol oynar. Bu faktör, ölçüldüğü yerin sıcaklığına ve rutubet durumuna göre değişir.
e-)Tozların sıkıştırılabilmesi: Yukarda incelenen fiziksel özellikler, tozların preslenmesinde büyük rol oynayan faktörlerdir. Tozun preslenme esnasındaki hareketi, şekil verilebilme özelliğine (yani presleme ile elde edilen parçanın şekil ve kenarlarının kararlılığına) ve sıkıştırma endisi’ne (yani bir basınç tatbikiyle elde edilen numunenin yoğunluğuna) tabidir. Şekil verebilme özelliği herhangi şekilli parçalar üzerinde tayin edilebilir. Granüle tozdan mamul (mesela karbonil demir tozu) preslenmiş malzemenin sıkıştırma endisi nispeten büyük; şekil ve açıların muhafaza edilme özelliği ise kötüdür. Dolayısıyla bu malzemeler, sıkıştırmadan sonra dikkatle kullanılmalıdır.
2.2.2 Kimyasal özellikler:Metalsel tozların en önemli kimyasal özellikleri saflıklarıdır. Saflık adi kimyasal analizle tayin edilebilir ve sinterlenmiş cisimlerin imalatına ve bilhassa özelliklerine birinci derecede tesir eder. Metalsel tozların saflığı büyük ölçüde temel maddelerin sağlığına bağlıdır . Mesela kendi oksitlerinin hidrojenle redüklenmesiyle elde dilen volfram, kobalt ve demir tozlarının saflığı, pratik olarak, kullanılan oksidin saflığındadır.
Oksijen ve karbon gibi gayri safiyetlerin malzeme içinde ne şekilde bulundukları da önemlidir. Mesela oksijen levhaları, erimiş oksit veya absorbe edilmiş gazlar halinde bulunabilir. Oksitlerin redüklenmesi ile hazırlanan metalsel tozlar genellikle muntazam oksit enlüzyonları (kalıntı) ihtiva ederler. Elektroliz, granülasyon veya pülverizasyonla elde edilen tozlardan oksijen genellikle oksit enlüzyonları halinde bulunur. Karbon ise serbest karbon (grafit), karbür veya katı solüsyon hallerinde bulunur.
Mekanik olarak hazırlanmış metalsel tozlar öğütücü organlarından ileri gelen gayrı safiyetler ihtiva ederler (demir, manganez, karbon vs.). Mesela sert alaşımların imalinde kullanılan sert mamullerin veya bir karbürle bir yardımcı metal karışımının ince tozları, 0,5 ila 1,5 demir ihtiva ederler. Elektrolize hazırlanan metalsel tozlar çok saftır; toplam gayrı safiyet 2 yi geçmez. Karbonil tozların ihtiva ettikleri oksijen ve karbon miktarı 1,5’e kadar yükselebilir. Karbon monoksitin dekompozisyonundan ileri gelen bu gayrı safiyetler tozun bir ön ısıtma ameliyesinden sonra sinterlenmesiyle elimine edilebilirler. Demirde bulunan kükürt, fosfor, manganez silisyum gibi gayrı safiyetler tozlarda bulunmazlar. Granülasyonla elde edilen tozların kimyasal bileşimi ergiyen metalin bileşimine tekabül eder. Bunların ihtiva ettikleri oksit filmleri hidrojen içinde yapılan bir tretmanla elimine edilirler.
Metalsel bir tozun kimyasal kararlılığı yüzeyi çok büyük olduğundan topak metalin kararlılığından çok daha azdır. Mesela tel veya yaprak halinde bulunan tantal, asitlere iyi dayanan metallerden sayıldığı halde toz halinde, kloridrik asit, sülfürik asit ve nitrik asit tarafından nispeten daha kolaylıkla etkilenir. Metalsel tozların, havada bir oksit tabakasıyla kaplanmaya, örtülmeye temayülleri de yüzeylerinin büyük olmasıyla izah edilebilir. Su buharı da ince metalsel tozlar tarafından kolaylıkla absorbe edilir (yüzeye yapışır). Metalsel karbürlerin imali gibi bazı hallerde, ince tozların kimyasal afiniteleri bir avantaj teşkil eder. Volfram, hidrojen içinde, 1400ila 1600 arasında kömür veya grafitle karbür vermediği halde, volfram tozu-is karışımı, 1250 nin üzerinde ısıtılarak kolayca volfram karbür elde edilebilir.
Birçok hallerde tozlarda bazı gayrı safiyetlerin bulunmasına müsaade edildiği gibi, sinterlenen malzemenin tozlarına bilhassa yabancı maddeler katılır. Mesela elektrik ampullerinde kullanılan volfram tellerinde yeniden billurlaşmayı önlemek için saf volfram tozuna toryum veya alüminyum oksit ilave edilir.
Metalsel tozların renkleri kimyasal bileşimlerine, bilhassa ihtiva ettikleri oksijen miktarına bağlıdır. Elektrolize hazırlanmış bakır tozu, genellikle başlangıçta bakırın tipik kırmızı rengindedir. Fakat, elektrolitin elimine edilmesi ve yüzeysel kurutmadan sonra, bakır tozu oksidasyona uğrayarak parlaklığını kaybeder ve kırmızı-kahverengi bir renk alır. Redükleme ile hazırlanarak billurlaşmış ve oksijen ihtiva etmeyen volfram tozu açık gri renkte, alçak sıcaklıkta redüklenen ve çok az oksijen ihtiva eden tozun rengi koyu gri ile siyah arasındadır. Tozun rengi tanelerin büyüklüğüne de çok bağlıdır. Eşit miktarda oksijen ihtiva eden tozlardan ince öğütülmüş olanları kaba öğütülenlerden daha koyudur.
Çok miktarda 1 mikrondan küçük partiküller ihtiva eden ince metalsel tozlar piroforik özellikler gösterirler. Bu özellikler bir taraftan tozun geniş yüzeyine dolayısıyla büyük kimyasal afinitesine, diğer taraftan metalsel oksitlere bağlıdır.
Oksalatın redüklenmesiyle elde edilen tozların ani tutuşma özellikleri bilhassa kobalt, nikel ve demir tozlarında görülür. Bu piroforik özellikler, yeni redüklenen tozun karbon dioksitle soğutulması veya redüklemenin grafit sepetlerde yapılmasıyla önlenir. Tozun kendi kendine tutuşması ise redüklemenin tekrar edilmesiyle önlenir.
Yukarda bahsi geçen bütün kimyasal özelliklerin, metalsel tozların sinterlemede kullanılabilmelerine büyük tesirleri vardır. Oksijen, karbon, kükürt, fosfor, demir vs. gibi gayrı safiyetlere ve karbon dioksit, su buharı vs. gibi absorbe edilmiş gazlara büyük ehemmiyet verilmelidir.
Bölüm 3. PRESLEMEDEN EVVEL TOZUN ISIL İŞLEMİ
Birçok hallerde, metalsel tozun preslemeden evvel, 400 ila 800 arasında bir ön redükleme işlemi gerekir. Böylece oksitler, rutubet, absorbe edilmiş gazlar, karbon, kükürt ve fosfor mümkün mertebede elimine edilmiş olur. Gayrı safiyetlerin kısmen veya tamamen elimine edilmesinden gayrı olarak, ısıl işlem, mekanik usullerle hazırlanmış metalsel tozların sertliklerinin azalmasını da sağlar. Böylece tozun sıkıştırılabilme imkanı da artar. Havadaki oksijen, su buharı vs. gibi yeni gayrı safiyetlerden sakınmak için tozun bu ısıl işleminden hemen sonra işlenmesi gerekir. Bu redükleyici ısıl işlem, saf metal veya alaşımların hazırlanmalarında, karbonil toz kullanılması halinde tavsiye edilir. Karbon ve oksijen ihtiva eden demir veya nikel karbonil tozu 600ila 800 arasında hidrojen içinde ısıtılırsa gayrı safiyet oranı 0,0001 mertebesine indirilebilir. Toz nadiren 1000 nin üzerinde ısıtıldığında nikel-krom veya molibden rezistanslı fırınlar tavsiye edilir.
Demir tozu 30 dakika müddetle hidrojen içinde 900 de tavlanırsa sıkıştırılabilme özelliği iyileşir. Ayrıca içindeki karbon, kükürt ve oksijen oranı da azalır. Aşağıda bu işleme tabi tutulan ve tutulmayan demir tozlarının bileşimleri görülmektedir.
Tablo 3.1 Tavlı ve tavsız demir tozlarının analizi
Demir Tozları C % Si % Mn % P % S %
Tavsız demir tozu
Tavlı demir tozu
(H’de 30 dakika, 900)
0,010
0,001
0,015
0,015
0,025
0,025
0,010
0,010
0,020
0,005
Demir tozlarının sıkıştırılabilmesi özellikleriyle sinterlemeye uygunluklarının sıcaklıkla değişimi aşağıda verilmiştir. Sıcaklık arttıkça ve oksijen azaldıkça tozun sıkıştırılabilme özelliği artar.
Tablo 3.2 Tav sıcaklığına bağlı olarak (D.P.G.) demiri tozunun sinterleme ve sıkıştırılabilme özelliklerinin değişimi
Tav Sıcaklığı 700 800 900 1000
Silindirik epruvetin yüksekliği(mm)
(basınç:4 t/cm²)
Sinterlenmiş epruvetin yoğunluğu (gr/cm²)
(H’de 1 saat, 1200º)
Sinterleme basıncıyla ağırlık kaybı (%)
17,5
5,9
1,3
16,6
6,3
0,8
16,2
6,5
0,4
16,0
6,6
0,1
Dövme işlemine tabi tutulmuş bakır tozunun da 700º ila 940º arasında ısıtılmasıyla sıkıştırılabilme özelliği iyileşir. Neticeler aşağıdaki tabloda verilmiştir.
Tablo 3.3 Şekil değiştirme derecesinin ve tav sıcaklığının bakır tozunun sıkıştırılabilme özelliğine ve yığmadan sonraki yoğunluğa tesir
Şekil Değiştirme Derecesi
Tav süresi
(dak) Tav sıcaklığı
(ºC) Yığma sonu yoğunluğu (gr/cm³) Sıkıştırılabilme
Özelliği
İşlenmemiş toz
Hafif deformasyon
Orta deformasyon
Şiddetli deformasyon
Şiddetli deformasyon
Şiddetli deformasyon
-
45
45
10
30
60
10
30
60
10
30
60
0
880
880
700
700
700
820
820
820
940
940
940
2,45
2,67
2,78
2,60
2,68
2,75
2,65
2,75
2,82
2,65
2,75
2,95
1,10
1,10
1,05
1,08
1,06
1,05
1,07
1,05
1,03
1,06
1,02
0,95
Sıkıştırılabilme özelliğini veren değerler hassasiyetle tarif edilmemiştir. Fakat numunelerin belirli bir basınç altında preslenmesiyle elde edilen yoğunluklarla mukayese edilebilirler.
Saf sinterlenmiş kobalt veya kobalt ihtiva eden sinter alaşım tozları hidrojen içinde ısıtılmadan evvel bol miktarda su içinde yıkanmaları gerekir. Böylece kobalt oksidinin çökelmesinden ileri gelen alkaliler yok edilmiş olur. Tungstik asidin karbonla redüklenmesiyle elde edilen volfram tozu (teknik volfram tozu) asitler içinde eriyebilen gayrı safiyetlerinden (alkaliler, demir, yabancı metallerin karbürleri) arınarak kloridrik asitle yıkanıp sinterlemeye müsait duruma gelir. Süngerleşmiş demir tozu gang tabir edilen kısmından magnetik elemeyle ayrılır.
Metalsel tozların buraya kadar sözü edilen ön-ısıl işlemlerinin hedefi tozun saflaştırılması ve sıkıştırılabilme özelliğinin iyileştirilmesidir. Kurşun tozunun elektrolitik olarak bir bakır tabakasıyla kaplanması (veya bakırın kurşunla kaplanması) bakır-kurşun yatak alaşımları imalinde kullanılır. Sert alaşımların imalinde, sert maddelerin elektrolitik olarak yardımcı bir metalle korunması teklif edilmiştir. Alkol veya su içinde erimiş toryum nitratın tungstenik aside ilavesi, lambaların enkandesan volfram filamanlarında çok önemli olan tanelerin büyümesini önler. Aynı şekilde, az miktarda alümin ilavesiyle de demir grubundaki saf metal esaslı sinterlenmiş cisimlerin tanelerinin büyümesini önler.
Tozun sıkıştırılabilme özelliği yetersiz ise sentetik reçineler, kolofan, aseton, eter-parafin (veya kafuru) solüsyonları gibi organik terkipler ilave edilir. Bu ilaveler daha sonra sinterlemede buharlaşırlar. Karbonun elde edilecek parçaya fena tesir edeceği hallerde bu işlemlerden kaçınılır. Bu organik terkipler en iyi şekilde metalsel tozla birlikte öğütülerek katılırlar. Toz, organik maddeler ihtiva eden eriyiklerle nemlendirilince, organik terkiplerden ekonomi sağlanabilir. Volfram tellerinin imalinde organik kolloidler ve amalgamlar kullanılır.
İnce öğütme, basit tozların veya toz karışımlarının sinterlemde en önemli ön işlemleridir. Tek bileşenli tozların kuru veya rutubetli olarak ince öğütülmesiyle kristaller parçalanır, billursal malzeme parçalara ayrılır. Bunun sonucu olarak da yığmadan önceki ve sonraki hacimler azalır ve bunlara tekabül eden yoğunluklarda artar. Mesela demir karbonil tozu 12 yerine 96 saat öğütülürse, yığmadan evvelki yoğunluk % 20, sinterlemeden sonraki yoğunluk ise % 25 artar. Birden fazla bileşenli sistemlerde ise (metalloid, metal-metal, metalsel terkipler), ince öğütme, karışımının daha homojen olmasını ve plastik bileşenlerin sert bileşenler üzerine ince bir tabaka halinde dağılmasını temin eder. Bir tozun rutubetli olarak çamurun kolloidal yapısını elde edene kadar iletilebilir.
Aşağıdaki tabloda bir volfram-karbür (%92 WC , %8 CO) karışımının hidrojen içinde rutubetli öğütülmesinin yığmadan önceki ve sonraki hacimler üzerindeki tesiri görülmektedir. Tane boyutları, küçüldükçe sözü geçen hacimlerin arttığına dikkat edilmelidir.
Tablo 3.4 Muhtelif sürelerde öğütme neticesi, WC-Co (%92 WC, %8 Co) karışımının yığmadan evvel ve sonraki hacimleri
Öğütme süresi (saat) Mikroskopta granülometri Yığmadan evvel hacim (cm³/100 gr) Yığmadan sonra hacim (cm³/100 gr)
6 30 % 5,0
50 % 3,0
20 % 1,0
8,4
7,1
12 30 % 4,0
40 % 2,0
30 % 1,6
9,3
7,3
24 15 % 2,5
50 % 1,1
35 % 0,8
10,6
7,5
48 20 % 0,8
70 % 0,8
10 % 0,6
17,2
12,0
96 10 % 2,0
50 % 1,0
40 % 0,6
20,5
15,6
Bölüm 4. TOZLARIN PRESLENMESİ
Toz metalürjisindeki en öneli adım preslemedir. Metal tozlar, özel olarak hazırlanmış çelik kalıp içersinde basınç etkisiyle kompakt bir hale getirilir. Bu işlem için genellikle hidrolik, mekanik ve pnömatik presler kullanılmaktadır. Preslerin uyguladıkları basınç değerleri 70 ila 700 MPa arasındadır ve pratikte kullanılan basınç değerleri ise genellikle 145-450 MPa arasındadır. Presleri büyük bir kısmının kapasitesi 100 ton civarındadır. Son zamanlarda 200-300 ton kapasiteli presler yapılmıştır ve hatta 3000 tonluk bir pres imal edilmiştir.Toz metalürjisi ürünlerinin kesit alanı maksimum 2000 mm²dir. Ancak yüksek kapasiteli özel preslerin kullanılması halinde bu değer 6500 mm²ye kadar çıkabilmektedir.
Uygulamaların çoğunluğunda, toz karışım yerçekimi etkisiyle kalıbı doldurur, fazla kısımlar alınır ve tozu sıkıştırmak için pres kapatılır. Toz miktarı için hacim veya ağırlık esasına göre bir başlangıç ölçüsü oluşturulur.
Sıkıştırma işlemi esnasında toz partikülleri önce uygulanan kuvvet yönünde hareket ederler.Tozlar sıvı gibi akmaz; kalıp yüzeyi ile partiküller arasında sürtünme neticesi bir reaksiyon kuvveti gelişir. Bu kuvvet uygulanan kuvvete eşit bir değere ulaşana kadar sıkışma eksenel yönde devam eder. Daha sonra partiküller yatay yönde hareket ederler. Basınç bir darbe şeklinde uygulanırsa, maksimum yoğunluk ıstampanın hemen altında meydana gelir ve ıstampa ile temas eden yüzeyden itibaren artan mesafe ile birlikte azalır. Bu yüzden ürün boyunca homojen yoğunluğun sağlanması amacıyla basıncın homojen bir şekilde transferi nadiren mümkündür. Çift aksiyonlu presler daha homojen yoğunluk elde edilmesini ve daha kalın ürünlerin kalıplanabilmesini sağlarlar. Yoğunlaştırma veya sıkıştırma işleminde kenar duvarların sürtünmesi anahtar bir faktör olduğundan, presleme ile elde edilen yoğunluk kalıplanan parçanın kalınlığı ve genişliğinin bir fonksiyonudur.Homojen yoğunluk dağılımını sağlayabilmek için kalınlık : genişlik (t/w) oranı 2 den küçük olmalıdır. Kalınlık : genişlik oranı 2 den büyük olan ürünlerde yoğunluk parça içinde bir noktadan diğer bir noktaya değişiklik gösterebilir.
Yukarıda da belirtildiği üzere ürün yoğunluğu kalınlığın bir fonksiyonu olduğundan, çoklu kalınlığa (kalınlığın parça içinde bir bölgeden diğerine değişimi) sahip parçalarda şekilde gösterildiği gibi tek bir ıstampa hareketi ile homojen yoğunluk eldesi olanaksızdır.
a-)Preslemeden önce b-)Preslemeden sonra
Farklı kalınlıklara sahip parçaların üretiminde bu nedenle daha kompleks pres ve metotlar kullanmak zorundadır. Aşağıdaki şekilde iki farklı et kalınlığına sahip bir parçanın preslenmesinde kullanılan iki metot gösterilmiştir.
Istampalar değişik miktarlarda hareket ettirilerek üniform olarak sıkıştırılmış parça üretilebilir. Son derece girifit ürünlerin preslenmesi için partiküller bir plastik kalıba veya kaba yerleştirilerek ve basınçlı bir gaz veya sıvıya daldırılır. Bu yöntem izostatik presleme (üniform basınç) olarak adlandırılır. Presleme hızı son derece düşüktür., ancak ağırlığı yüzlerce kg a varan parçalar etkin bir şekilde preslenebilirler. Homojen yoğunluk eldesinin diğer bir yolu toz karışımdaki yağ oranının arttırılmasıdır. Yağlayıcı, tozlar ile kalıp duvarı arasındaki sürtünmeyi azaltır ve karşıt sürtünmenin meydana gelebilmesi için daha fazla toz hareketini gerektirir. Ancak yağlayıcı oranının artışı preslenmiş ürünlerin yaş mukavemetini azaltarak ürünlerin kalıptan çıkarılması ve taşınmaları esnasında kırılma ve dağılmalara sebep olur.
Presleme hızı dakikada 6 ile 100 parça arasında değişebilir. Presleme sonrası, parçalar mekanik olarak kalıptan çıkarılırlar. Partiküllerin hareketi, bireysel deformasyonu ve kırılma ile toz ürünlerinin yoğunluğu dövme ve dökümle üretilen parçaların yoğunluğunun %80 ine ulaşmaktadır.
Presleme sırasında partiküllerin yüzeyindeki çıkıntılar ve düzgünsüzlükler kaybolur. Kayma, dönme ve yuvarlanma hareketleriyle partiküller kalıp içinde daha düzenli bir şekilde dizilirler. Büyük partiküller arasındaki boşluklar küçük partiküllerle doldurularak parçaların yoğunluğu arttırılır ve buna paralel olarak sertlik ve mukavemet değerleri de yükselir.
Preslemede kullanılan yüksek basınç altında toz partikülleri kalıp duvarlarının zamanla aşınmasına neden olur. Bu sebeple kalıplar takım çeliklerinden imal edilirler. Özellikle aşındırıcı tozların şekillendirilmesinde ve üretilecek parça sayısının fazla olduğu hallerde kalıp malzemesi olarak karbürlü malzemeler (sinter karbür) kullanılır. Kalıp yüzeyleri oldukça parlak ve kalıp yüksek basınca dayanabilecek kesit kalınlıklarına sahip olmalıdır. Bazı hallerde toz karışıma yağlayıcı ilavesi yerine kalıp yüzeylerine sprey uygulanır. Pres basıncındaki artışa paralel olarak kalıplanmış ürünlerin yaş mukavemetleri artar.
Enjeksiyon kalıplama:Konvansiyonel metoda alternatif olarak basınçlı dökümde kullanılan metoda benzeyen bir enjeksiyon kalıplama yöntemi geliştirilmiştir. Daha önceleri sadece hassas dökümle veya talaşlı işlemle üretilen küçük ve karmaşık şekilli parçalar artık günümüzde metal tozların termoplastik bir malzeme ile harmanlanarak takiben plastik bir forma gelene kadar ısıtılıp, basınç altında kalıp boşluğuna enjeksiyonu ile üretilebilmektedir. Kalıptan çıkarılan parçalardaki bağlayıcı malzeme solvent ekstraksiyonu veya kontrollü ısıtma ile buharlaştırılarak uzaklaştırılmaktadır. Daha sonra uygulanan normal sinterleme süresince parçalarda % 20-25 oranında hacimsel büzülme meydana gelir, yoğunluk ideal koşulların % 95 ine kadar yükselir ve özellikler artar.
Bağlayıcının uzaklaştırılması bu prosesin en pahalı ve zaman alıcı yanıdır. Isıtma hızı, sıcaklık ve yeniden bağlanma (bağlayıcıların uzaklaştırılmasından sonra partiküller arasında yeni bir bağın teşekkülü) süresi dikkatlice kontrol edilmeli ve parça kalınlığı ile uyumlu olmalıdır. İşlem süresi et kalınlığı büyük parçalarda üç güne kadar uzayabilir. Yeni keşfedilen ve suda çözünebilen metil-selüloz bağlayıcı bu dezavantajları kısmen ortadan kaldırmaktadır. Bağlayıcıdaki su ısıtma esnasında buharlaşır ve metil-selüloz sinterleme sırasında yanar.
Enjeksiyon kalıplama veya presleme yukarıda ifade edildiği üzere diğer proseslerle eldesi güç küçük, kompleks ve ince et kalınlığına sahip parçaların üretimine oldukça caziptir. Ancak kalıp dizaynı ve kalıp imalatı oldukça pahalı olduğu için seri ve kütlesel üretimde kullanılır. Bununla birlikte nihai yoğunluğun ideal yoğunluğun % 94-98 ine ulaşması ve % 0,3-0,5 mertebesindeki boyutsal toleransların elde edilmesi bazı uygulamalar için bu yöntemi daha da cazip hale getirmektedir. Spor, diş, tıp malzemeleri, büro makineleri ve ev aletleri parçaları, uzay ve uçak, dizel ve türbin motorları parçaları günümüzde bu yöntemle üretilmektedir.
Soğukta preslemede genellikle basıncın bir veya daha çok doğrultuda tatbik edilmesini sağlayan hidrolik presler veya mekanik presler yer alır. Günümüzde ekseriyetle üstte sıkıştırıcı altta ise dışarı itici pistonlar bulunan hidrolik presler kullanılır. Otomatik mekanik presler bilhassa gözenekli bronz yatakların ve basit makine parçalarının seri imalatında elverişlidir.
Sıcakta presleme veya basınç altında sinterleme soğuk presleme ve sonra sinterlemeye nazaran daha az pratiktir. Sadece sert alaşımdan tel çekme haddelerinin, elmas alaşımlarının imali gibi istisnai hallerde kullanılmış olan bu usul, tozların veya özel bir şekilde ısıtılmış kömür, çelik veya grafit bir matris içine yerleştirilerek sıkıştırılmış parçaların sinterlenmesi esnasında basınç tatbik edilmesinden ibarettir.
4.1 PRESLEMEDE GÖRÜLEN OLAYLAR
Teorik olarak düzlemsel ve temiz iki yüzeyin başlangıçta temasları sağlandığı taktirde, bu iki yüzeyin adi sıcaklıkta birleşmeleri prensip olarak mümkündür. Metallerin yüzeyinde, oksit tabakaları gibi fena tesirleri olan maddeler olmadığını farz edelim. Bu durumda dahi kendini çekme kuvvetleri tesirinin görülebilmesi için yüzeyler arasındaki mesafenin çok küçük olması lazımdır. Adi sıcaklıkta ve yüksek basınçlar altında, iki masif metal cismin nazari olarak düzlemsel yüzeylerini atom mertebesinden temasa getirmek için, halledilmeyecek derecede zorluklarda karşılaşıldığı düşünülürse, metalsel bir tozun preslenmesinde yukarıdaki ideal durumdan ne kadar uzak bulunulduğu anlaşılır. Bunun başlıca üç sebebi vardır:
1-Toz partiküllerinin yüzeyleri genellikle gayrı muntazam ve çok komplekstir. Dolayısıyla karşılıklı temas yüzeyi çok küçüktür.
2-Tozların saflığı imalat şekline göre çok değişir; ayrıca partiküller havada çok moleküllü oksit ve gaz tabakalarıyla kaplıdır. Bu ise çekme kuvvetlerinin tesirini engeller.
3-Ergime ile elde edilen bir metal yüzeyini çevreleyen atom tabakasının yapısı, içinde bulunan bir kristalin dış tabakasındakinden genellikle tamamen farklıdır. Ayrıca taneler arasındaki birim hakiki temas alanına tekabül eden kohezyon kuvveti ve ergime ile elde edilmiş bir metal kristalitlerin arasındakinden farklı ve genellikle daha küçüktür.
Metalsel bir tozdan, basınç tesiri altında katı cisim elde edebilmek, basınç yardımıyla yüzeysel kuvvetlerin hiç olmazsa bir kısmından faydalanmak demektir. Fakat bu gibi hallerde mekanik kuvvet çok ufaktır. Buna sebep yukarda izah edilen üç faktörün tamamen yok edilmemesidir. Preslemenin tesirleri şöyle sıralanabilir:
1-Toz partiküllerinin toplam temas yüzeyi, karşılıklı yaklaşma sonucu artar.
2-Basınç tesiri altında, birçok taneler birbirleriyle sürtünür. Bu ise birçok noktada oksit ve gaz tabakalarının yüzeylerinin temasını sağlar.
3-Toz tanelerinin karşılıklı sıkıştırılmaları çok kısa süreli lokal sıcaklık yükselmelerine sebep olarak atomların temas yüzeyinde yeni ve kısmi bir organizasyon sağlanır (atom hareketleri, sıcakta birleşme).
Soğukta presleme ile elde edilmiş parçaların mekanik kuvvetleri basınçtan başka tozun plastik özelliklerine de bağlıdır. 30 lt/cm² lik basınçla, kompakt bakır yoğunluğunun %95 ila 97 sine erişerek, yüksek mukavemetli çubuklar elde edilebilir. Buna karşılık, redükleme ile elde edilmiş volfram tozuna çok yüksek basınçlar tatbik edilse dahi teorik yoğunluğun sadece %65 ila 75 kadarı elde edilebilir. Aynı zamanda bir volfram çubuğun mukavemeti çok az olduğundan, parçalanmaması için çok dikkatli davranmak gerekir. Sünek sinterlenmiş kaba volfram tozu kullanılırsa, bu volfram partiküllerinin plastisiteleri daha büyük olduğundan, daha mukavemetli cisimler elde edilir.
Presleme esnasında iki ideal durum düşünülebilir : elastik deformasyon ve plastik deformasyon. Birinci halde, yozun ideal elastikliğine ilave olarak şu hipotezleri yapacağız : toz mümkün olduğu kadar ince ve çok muntazam, basit şekilli, parlak yüzeyli partiküllerden ibarettir; presleme tek taraftan, çelik bir matris içinde, ortalama bir basınçta yapılmaktadır ; basınç yavaş yavaş artmaktadır. Bu ideal şartların gerçekleşmesiyle, basınç kalıp içinde, sıvı içindeki hidrostatik bir basınç gibi, muntazam olarak dağılır. Böylece maksimum kesafet elde edilir. Çekme kuvvetleri, toz partiküllerinin atomsal temasta oldukları noktalara tesir ederler. Presin hareketli pistonu civarında yoğunluk daha büyüktür. Kalıbın titreşmesi de bir avantaj teşkil eder. Partiküllerin tuğla gibi üst üste yığılmalarının iyi olmadığı yerlerde, bilhassa bazı partiküller basıncı bir kubbenin taşları gibi taşınıyorsa, bu kubbe altında birçok boşluklar vardır. Yoğunluğun bu gayrı muntazamlığını göz önüne almazsak, yukarda izah edilen ideal presleme usulünde toz partikülleri hiçbir plastik deformasyona maruz kalmazlar. Bu çok basit limit bir hal olduğundan, hiçbir sıvı faz görülmediği kabul edilirse, sonradan yapılacak ısıtma esnasında ortaya çıkacak sinterleme olayları (billurlaşma gibi) da çok basit olacaktır.
İkinci limit hal yukarıdakilere zıt şartlarda görülür. Toz partikülleri kaba, yüzeyleri gayrı muntazam, kompleks ve dantelli, toz çok plastik ve basınç çok yüksekte, partiküllerin tuğla gibi muntazam olarak dizilmesiyle kesafette muntazam bir artış sağlanamaz.Elemanter partiküllerin plastik deformasyonu daha önem kazanır, zira yoğunluğun artması partiküllerin birbirlerine yaklaşabilmelerine bağlıdır. Temas yüzeyleri halinde gelir. Partiküllerin kohezyonu, çekme kuvvetlerinin bazı noktalarda değil, fakat bölgelerde tesir etmesiyle ve hacimli parçaların kaba olarak tuğla gibi dizilmeleriyle elde edilir. Bütün bunlardan, bu gibi cisimlerin yüksek mekanik mukavemetlerinin sebebi anlaşılmaktadır. Sinterleme esnasında görülen olaylar, bilhassa billurlaşma olayları (yeniden billurlaşma) tabii ki daha karışıktır. Toz partiküllerinin iç kararsızlıklarına sebep olan faktörler de rol oynar.
4.2 SICAKTA PRESLEME
Ergime sıcaklıkları düşük olan metal tozlarının iyi sıkıştırılabilme özellikleri ve yüksek sıcaklıkta sinterleme üzerinde elde edilen deneysel neticeler, ergime sıcaklıkları yüksek metallerin sinterleme ve preslemesinin yüksek sıcaklıkta bir tek işlemle yapılmasını düşündürmüştür. Bu işlene sıcakta presleme ve basınç altında sinterleme denilir.
Sıcakta presleme tekniği pratikte sadece sert alaşımdan tel çekme haddelerinin ve sinterlenmiş masif yatakların imalinde önemli bir rol oynar. Fakat elde edilen özelliklerin daha iyi olması sebebiyle, başka sinterlenmiş maddelerin imalatında da bu usulün kullanılması mecburiyeti hasıl olmaktadır.
4.3 SICAKTA PRESLENEN CİSİMLERİN ÖZELLİKLERİ
Sıcakta preslenen parçalar normal olarak sinterlenmiş parçalara nazaran daha serttir. Numunelerin direkt veya endirekt olarak elektrik akımıyla ısıtılmış grafit bir matris içinde, iki grafit pistonla, 80 ila 300 kg/cm² basınç altında iki taraftan sıcak olan preslenmeleri, normal sinterlemeye nazaran çok daha kısa bir zamanda gerçeklendiği görülmüştür. Sıcakta presleme toz tanelerinin çok kompakt bir bütün haline gelmesini ve gözeneksiz bir yapı elde edilmesini sağlar. Matris yüzeyinin sıcaklığı optik bir pirometre ile ölçülerek işlem sıcaklığı tespit edilmiştir; seçilecek sıcaklık kullanılan basıncın fonksiyonudur. Matris yüzeyinde ışıma sebebiyle büyük bir ısı kaybı olduğundan numune parçanın sıcaklığı 150º ila 200º kadar daha yüksektir. Sıcakta presleme sıcaklığı ile basınç arasındaki bağıntı hakkında, uygun şartlarda tespit edilmiş olan şu malumat verilebilir: 1350º ila 1400º arasındaki sıcaklıklar için basınç :105 kg/cm² ; 1400º den yüksek sıcaklıklar için, basınç : 70 kg/cm².
Bu, sıcaklık tesirinin basıncın yerini tutabileceği (veya tersi) manasına gelmez. Fakat, optimum özellikleri haiz sert alaşımların elde edildiği sıcaklık ve basınç değerleri arasında bir bağıntı olduğu aşikardır. Basınç altında sinterlenmiş sert alaşımların sertlik, eğme mukavemeti, tokluk ve kesme kapasitesi değerleri aynı malzemelerin soğukta preslendikten sonra sinterlenmeleri halinde elde edilecek değerlerden genellikle daha yüksektir. Presleme ve sinterleme şartlarının aynen tekrar elde edilebilmesi güç olduğu gibi matris malzemesinde de zorluklarla karşılaşılması kesme aletleri için sert alaşım plaketleri imalinde sıcakta presleme usulünün yaygın olarak kullanılmasını önlemiştir. Normal yollardan imal edilmiş (volfram karbür ve kobalt) sert alaşımlarının Rockwell A 92, sıcakta preslenmiş sert alaşımlarınki ise Rockwell A 95,6 olarak bulunmuştur. Sert alaşımların grafit kalıplar içinde aynı zamanda sinterlenme ve preslenmeleriyle maksimum sertlik elde edilir. Sertliğin artması şu şekilde izah edilir : Sıcakta presleme esnasında daha büyük yoğunluk elde edilir ; diğer taraftan biraz da kobalt numuneden çıkar (böylece diğer metotlarla elde edilenlere nazaran daha az kobalt ihtiva eder). Aşağıdaki tablo bu şartlar altında sinterlenmiş demir ve bakırın mekanik mukavemetinin ne kadar iyileştiğini göstermektedir.
Tablo 4.1 Sıcakta sıkıştırılmış bakır ve demirin çekme mukavemetinin adi sıcaklıkta sıkıştırıldıktan sonra sinterlenmiş olanlarınkiyle mukayesesi
Sıcakta sıkıştırma veya sıkıştırma sıcaklığı (ºC) Adi sıcaklıkta sıkıştırdıktan sonra sinterlenen malzemenin çekme mukavemeti (kg/mm²) Sıcakta sıkıştırıldıktan
sonra çekme mukavemeti (kg/mm²)
Cu Fe Cu Fe
610
715
810
920 14,2
13,2
12,3
10,2 4,2
6,6
11,5
14,7 26,3
24,1
23,5
22,3 19,7
27,3
34,6
39,4
