Toz Metalurjisi:

1—Genel Bilgi:

1.1--Toz metalurjisi (T/M) metal veya seramik tozlarının üretimi ve bu tozların mekanik ve termik etkilerle birleştirilerek parça haline getirme işlemidir.

1.2--Toz metalurjisi yöntemiyle parça üretimi günümüzde çok yaygın olarak kullanılmakta olup, giderek bilinen klasik üretim yöntemlerine alternatif olmaktadır.

1.3--T/M yöntemiyle üretilmiş toz metal parçalardan, bakır, demir, alüminyum esaslı malzemeler endüstride yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.

1.4--Bu malzemeler üretim sonunda hiçbir talaşlı işlem gerektirmeden son ürünün şeklini alması, kendinden yağlama özelliği olması nedeniyle yatak malzemesi olarak ve ayrıca tıp vb. endüstri uygulamalarında kullanılabilmesi açısından önem teşkil etmektedir.

1.5--Modern bir imalat yöntemi olan “Toz Metalürjisi”; ileri teknoloji malzemelerinin üretilmesine çok uygun ve küçük parçaların çok sayıda ve ekonomik üretimini sağlayan önemli bir teknolojidir.

1.6--Toz Metalürjisi, "son şekle yakın üretim" süreçleri olarak sinterleme, sıcak presleme, sıcak izostatik presleme, toz metal enjeksiyonu, nano-parçacık teknikleri, mekanik alaşımlama gibi konularla sürekli büyüyen bir pazara hitap eden yüksek teknolojilerden birisidir.

1.7--Çok karmaşık şekilli ürünlerin elde edilmesinde uygulanan ileri bir teknolojidir.

1.8--Toz metalurjisi metal tozlarının uygun basınçlarda preslenmesi ve sonrasında fırınlanmasından oluşan parça üretim yöntemidir.Bu yöntem, parçaların direkt olarak şekillenmesini sağlayan bir teknolojidir.

1.8.1--Karıştırma, presleme, sinterleme ve sinterleme sonrası işlemlerden oluşur . Bu yöntem, aynı zamanda mekanik ve termik etkilerle birleştirilerek parça haline getirme işlemidir.

1.8.2--Bu yöntemde işlem sırası toz şeklindeki malzemelerin preslenerek ön şekillendirilmesi, yüksek sıcaklıklarda ve koruyucu atmosfer ortamında sinterlemeden oluşur. Sinterleme sırasında preslenmiş tozlar yayınma ile bağlanarak parçanın dayanımının artması sağlanır.

1.8.3--Başka bir açıdan, toz metalurjisi kompozit malzeme üretim yöntemlerinden biridir. Kompozit malzeme üretiminde ana kütleyi oluşturan matris, sürekli, süreksiz, elyafla yada toz taneleri bir güçlendirici ile takviye edilir .

9--Toz metalurjisinin en önemli avantajlarından biri karmaşık şekilli parçaların üretimine elverişli olmasıdır. Bu yöntem net şekle yakın boyutlarda parça üretimine uygun bir teknolojidir.

1.9.1--Bunun yanında üretimden sonra da talaşlı işleme ve ısıl işleme elverişlidir. Ayrıca, ilave edilen tozlarla ve bazı ısıl işlemlerle talaşlı işleme ve mekanik özellikler iyileştirilir .

1.10--Toz metalurjisi sıvı fazda hiç çözünmeyen elementlerden mekanik alaşımlama ile yüksek dayanımlı parça üretimine imkan verdiği gibi, mıknatıs, filtre, kesici takım uçları, kontaktörler, kendinden yağlamalı yataklar vb. birçok özel doku ve yapıdaki parçalarında en uygun üretim yöntemidir . Bu çalışmada, toz metalurjisinin üretim, karakterizasyon, karıştırma, presleme, sinterleme aşamaları ve kullanım alanları belirtilmiştir.

1.11-- T/M farklı boyut, şekil ve paketlenme özelliğine sahip metal tozlarını sağlam, hassas ve yüksek performanslı parçalara dönüştürür. Bu işlem; şekillendirme veya presleme ve daha sonra parçacıkların sinterleme yolu ile ısıl bağlanması basamaklarını içerir.

1.12--T/M nispeten düşük enerji tüketimine, yüksek malzeme kullanımına ve düşük maliyete sahip otomatikleşmiş işlemleri verimlice kullanır. Sahip olunan bu özellikler ile T/M verimlilik, enerji ve hammadde gibi günümüz kaygılarını ortadan kaldırır. Bunların sonucu olarak, T/M konusu sürekli gelişmekte ve geleneksel metal şekillendirme operasyonlarının yerini almaktadır .

1.13--Toz metalurjisi bilinen en eski metal şekillendirme yöntemidir. T/M yöntemi ile tarihsel süreçte , altın tozları ile mücevher yapımı,Rusya da tedavüle çıkarılan platin para,Gözenekli gereçler, mıknatıslar ve emdirilmiş demir tozu parçalar bu yıllarda üretilmiştir. ,bakır esaslı kendi kendini yağlayan yataklar , demir ve çelik tozlarından üretilen dişliler, kamlar , dövme çelik parçalar, takım çelikleri, yayılma sertleştirilmiş bakır ve izostatik preslenmiş süper-alaşımlar gibi tam yoğun T/M yöntemi ile üretilmiştir.

1.14--Ergitme yöntemlerinin gelişmesiyle bakır, gümüş ve demir gibi metallerin şekillendirilmesinde T/M yöntemi önemini kaybetmiştir.

1.14.1--Ancak platin gibi refrakter metallerin elde edilmesinin tek yolu T/M yöntemidir. 19. yüzyılın ortalarında tungsten, molibden ve osmiyum tozlarından elektrik lambası filamanı üretilmiştir.

2—Üretim:

2.1—Genel Bilgi:

1.1--Metal tozlarının birçok özellikleri (tane şekli ve boyutu) toz üretim yöntemleri ile belirlenir. Tozların birçok özelliği üretim yöntemine göre değişir.

1.2--Örneğin gaz atomizasyonu ile küresel şekilli tozlar üretilirken, su atomizasyonu ile üretilen tozlar genellikle karmaşık şekillidir.

1.3--Metal tozlarını üretmek için bir veya birkaç yöntem aynı anda kullanılabilir.

1.3.1--Genel olarak metal tozu üretim teknikleri; atomizasyon, doğrudan İndirgeme, öğütme, elektrokimyasal yöntemler, sıvı veya gazdan çökeltmedir.

2.2--Atomizasyon:

1--Atomizasyon metal tozunun üretildiği yaygın bir yöntemdir. Bu yöntemin üretim tekniği; bir sıvı metalin pota dibindeki bir delikten akması sırasında, üzerine basınçlı gaz veya sıvı gönderilmesi ile ergimiş metalin çok ince parçalara ayrılarak katılaştırılmasıdır.

2--Günümüzde üretilen metal tozlarının % 80 ‘i atomizasyon yöntemi ile üretilmektedir.

3--Atomizasyon yöntemleri su, gaz, santrufüj, döner elektrot ve vakum atomizasyon olmak üzere beş ana gruba ayrılmaktadır.

4--Bunların içerisinde su atomizasyonu en yaygın olarak kullanılan yöntemdir. Özellikle bir akışkan atomizasyonu da denilen gaz ve su atomizasyonu, ucuz ve yüksek kapasitede toz üretimi için tercih edilmektedir.

2.3--Doğrudan İndirgeme:

1--1965 yılına kadar kimyasal indirgeme en çok metal tozu üreten yöntem olmuştur.

2--Demir, bakır, tungsten, molibden,nikel ve kobaltın oksitlerinden indirgeme yoluyla tozlarının üretilmesi çok bilinen endüstriyel yöntemlerdir.

3--Toz halinde öğütülen oksitler indirgeyici atmosfer altında uygun sıcaklıklara ısıtılarak indirgenmektedir.

4--En ucuz indirgeyici ortam karbondur, ancak hidrojen de bu amaçla kullanılmaktadır.

2.4—Öğütme:

1--Malzemelerin öğütülmesi, toz metalurjisi sanayiinde önemli ve ekonomik bir metottur. Malzemeler sert ve kırılgan veya yumuşak ve sünek olabilir.

2--Mekanik öğütme, oksit tozlarının üretiminde en çok kullanılan bir yöntemdir. İndirgenmiş atomize veya elektrolitik tozlar, boyut küçültmesi için öğütülmektedir.

3--Toz metal sanayiinde öğütme ile boyut küçültülebilir, boyut büyültülebilir, şekil değiştirilebilir, katı hal alaşımlama yapılabilir (mekanik alaşımlama) ve çeşitli tozlar karıştırılabilir.

4--Öğütme en çok bilyalı değirmenlerde yapılmaktadır.

5--Öğütülecek malzeme, içinde büyük çaplı sert ve aşınmaya dirençli bilyaların bulunduğu kaba, önceden iri kırılmış olarak yerleştirilir. Kap dönerek veya titreştirilerek bilyalar harekete geçirilir.

6--Bilyaların çarpışması sırasında tozlara ne olacağı parçacığın özelliğine bağlıdır.

7--Yüksek enerjili bir öğütme işlemi olan 1960’larda Benjamin ve arkadaşları tarafından geliştirilen mekanik alaşımlama yöntemiyle, kontrollü mikroyapıya sahip ve ince tane boyutlu tozlardan oluşan kompozit metal tozlarının üretimi yaygın olarak yapılmaktadır.

2.5-- Elektrokimyasal Yöntemler:

1--Bu yöntemlerde metal tozu üretimi sulu çözeltiden veya sıvı tuz banyosundan metallerin elektroliz yöntemi ile ayrıştırılmasıyla yapılmaktadır.

2--Sulu solüsyonlarının elektrolizi özellikle Cu, Fe, Ni, Co, Zn, S ve Pb tozlarının üretilmesi için uygundur.

3--Bu yöntemle tozlar doğrudan veya elektrotta birikmiş gevrek kütle öğütülmek suretiyle dolaylı olarak elde edilebilir.

4--Prosesi etkileyen ana parametreler; ortamdaki metal iyonlarının konsantrasyonu, elektrodun iletkenliği, sıcaklık, gerilim değeri ve akım yoğunluğu, sıvı banyonun kinetiği ve tane büyümesini engellemeye yönelik olarak çekirdeklenme için partikül ilavesi sıralanabilir.

5--Bu yöntemle yüksek safiyette gözenekli tozlar değişik toz boyutlarında imal edilebilmektedir.

6--Çok popüler olmamakla birlikte bakırda olduğu üzere benzer şekilde demir tozları FeSO4 ve FeCI2 solüsyonlarından üretilmektedir.

7--Elektrolitik yöntemle üretilen tozların sıkıştırılabilirlilikleri ve presleme sonrası dayanımları yüksek olmaktadır.

2.6-- Sıvı veya Gazdan Çökeltme:

1--Hidro–metalurji olarak da bilinen bu yöntemde, çökeltme bir sıvı veya tuz çözeltisine yapılmaktadır.

2--Bu yöntemde, çözeltiden önce bir hidroksit çökeltilmekte, daha sonra bu hidroksit ısıtılarak parçalanmaktadır.

3--Günümüzde bakır, nikel, kobalt tozları hidro–metalurji yöntemiyle üretilir.

3-- Metal Tozlarının Özellikleri:

1--Sinterlenmiş malzemelerin özellikleri bir çok faktöre bağlıdır ve özel talepleri karşılamak için optimize edilebilir.

2--Belirli bir uygulama için bir malzeme seçiminde, kimyasal bileşim ve parçaların yoğunluğu dikkate alınması gereken önemli faktörlerdir. Kimyasal bileşim ve mekanik özellikler sinterlenmiş makine parçalarının özelliklerini belirlemede yaygınca kullanılan faktörlerdendir.

3--T/M parçaların mekanik özellikleri gözeneklerin varlığından dolayı düşer.

3.1--Çekme mukavemeti ve sertlik gözenek miktarı ile doğrusal olarak düşerken, metal uzama ve darbe enerjisi metal gözenek miktarına daha hassastırlar.

3.2--Mekanik özellikler parçalar için zorunlu değerler veya tipik değerler olarak verilirler.

4--Toz metalurjisi ile üretilen parçaların özelliklerini büyük oranda bu parçaların üretiminde kullanılan tozların sahip olduğu özellikler belirlemektedir.

4.1--Bu nedenle tozların özelliklerinin önemi ve aldıkları rolün iyi anlaşılması ve bazı uygun kantitatif karakterizasyon metotlarının uygulanması önemlidir. Bu özellikler: toz akıcılığı, görünür yoğunluk, titreşimli yoğunluk ve sıkıştırılabilirliktir.

4-- Metal Tozların Karekterizasyonu:

1--Toz partikülleri tek bir taneden oluşur. Taneler düzenli kristal yapıda olabilecekleri gibi amorf yapıda da olabilir.

2--Taneler tek kristalli tek bir tane yapısında olabileceği gibi polikristal (çok kristalli) tane yapısına sahip olabilir.

3--Toz taneleri bazen ikincil taneler oluşturabilir. Bu ikincil tane oluşumuna aglomerasyon denir ve daha çok kontrol edilemeyen toz üretim süreçlerinde istem dışı oluşur.

4--Aglomerasyon, birden çok partikülün katı halde tek yapıda bir arada bulunmasıdır. Partiküller bir birlerine zayıf bağlanmış ise aglomer, güçlü bir şekilde bağlanmışlarsa sert-aglomer yani agreget denir.

5--Tozların karekterizasyonunda önemli bir özellikte toz boyutudur. Toz boyutu daima uzunluk birimi olarak belirtilir.

6--Bir çok metal ve seramik tozları bir mikrondan bir kaç yüz mikrona kadar değişen boyutlarda bulunur.

7--Kırk mikron altı (< -40 µm) tozlar elek altı tozlar olarak nitelendirilir ve tozların kuru olarak elenebilen minimum boyutudur.

8--Şayet boyutla bağlantılı fiziksel bir tanımlama yapılacaksa toz şekli tanımlanabilir.

9--Toz şekli önemli bir özellik olup uluslararası standartlarda basit kantitatif karekterizasyonla dentritik, çubuksu, yassı-tabakamsı, lifsi, küresel, açılı, düzensiz şekilli ve granül olarak nitelendirilmiştir.

10--Tozun boyutla ilgili özellikleri iki faktör ile belirlenir: birincisi geometrik olarak şekli ve ikincisi ise bu faktörün istatiksel dağılımı yani toz boyutu dağılımıdır [13].

5—Karıştırma:

1-- Parçayı oluşturan tozlar ve yağlayıcılar homojen bir karışım elde edilinceye kadar karıştırılırlar. Karışım daha sonra kalıbın içerisine doldurulur ve basınç altında sıkıştırılır, son olarak parçalar sinterlenir.

2--Küresel ve iri bronz tozlarından filtre elemanlarının basınç kullanılmadan üretimi istisnai bir durumdur.

3--Bu işlemde tozlar uygun şekilli kalıp içerisine doldurulur ve kalıpla birlikte sinterlenir. Tozları sıkıştırmanın tek eksenli presleme, haddeleme, ekstrüzyon, enjeksiyon kalıplama, izo-statik presleme gibi bir çok metotları vardır. Bu metotların seçimi parça geometrisine ve üretim miktarına bağlıdır.

4--Metalik tozlar, yağlayıcılar ve isteğe bağlı alaşım elementleri ile homojen bir karışım elde etmek için karıştırılır.

4.1--Karışım içerisine genellikle % 0.5-1.5 arası yağlayıcı eklenir. Metalik stearit ve parafin en çok kullanılan yağlayıcılardır.

4.2--Yağlayıcı kullanmanın ana amacı, toz partikülleri ile takım yüzeyleri ve kalıp duvarları arasındaki sürtünmeyi azaltmak, tozların sıkıştırma esnasında kolay kaymasını sağlamaktır.

4.3--Böylece parçanın alt yüzeyinden üst yüzeyine kadar homojen bir yoğunluğa sahip olmasına yardımcı olur. Sürtünmenin azalması parçaların kalıptan kolayca çıkmasını da sağlar. Önceden alaşımlanmış tozlara da alaşım elemanları karıştırma aşamasında ilave edilebilir .

6—Presleme:

1--En yaygın sıkıştırma yolu, bir çelik veya sert metal kalıp içerisinde 300-800 MPa basınç altında eksenel preslemedir.

2--Tek bir operasyonla karmaşık parçaları yüksek üretim hızıyla (dakikada 25 parça) üretmek mümkündür.

3--Presleme sonrası parça kalıptan çıkarılabilecek yeterli mukavemete sahiptir ve sinterleme öncesi taşıma işlemleri yapılabilir.

4--Yüksek basılabilme kabiliyetindeki demir tozları 800 MPa basınç altında 7.3 Mg/m3 (veya % 93 teorik yoğunluk) yoğunluğa ulaşabilir.

5-- Ilık presleme kullanılarak, özel yağlayıcı katılmış toz 130 ºC’ ye ve kalıp 150 ºC’ ye ısıtılır, yoğunluk soğuk preslemeye göre 0.2 Mg/m3 daha artırılabilir.

6--Ilık preslenmiş parçalar sinterleme öncesi talaşlı imalat için gerekli olan mukavemete sahiptirler.

7--Ham parçanın talaşlı imalatı kesici takım aşınmasını hemen hemen ortadan kaldırır.

7—Sinterleme:

1--Sinterleme, preslenmiş parçaların mukavemet kazandığı bir ısıl işlemdir.

2-- En yaygın sinterleme sıcaklığı aralığı demir esaslı alaşımlar için 1100-1150 ºC’dir.

2.1--Bazı durumlar için 1250 ºC’ye kadar olan yüksek sinterleme sıcaklıklarına ihtiyaç duyulur.

3--Uygulamaya bağlı olarak sıcaklıktaki bekleme zamanı 10 ile 60 dakika arasında değişir.

4--En yaygın kullanılan fırın çelik-tel örgülü kayışlı fırındır.

5--Çelik-tel örgülü kayışlı fırınların sıcaklıkları en fazla 1150 ºC’dir. Daha yüksek sıcaklıklar için yürüyen kiriş veya itmeli fırınlar yaygındır.

6--Eğer sinterleme sıcaklığı 1150 ºC üzerinde ise sinterleme maliyetleri önemli ölçüde yükselir.

7--Sinterleme fırını içinde oksitlenmeyi önleyen bir atmosfer gereklidir. Kırılmış amonyak, endo-gaz veya azot-bazlı atmosferler -yaygınca kullanılır.

8--Sinterlenmiş parçaların boyut toleranslarının ve mekanik özelliklerinin sağlanması için fırın ortamında kontrollü karbon potansiyeline sahip olmak önemlidir.

9--Sinterleme işlemi yağlayıcıyı alma, sinterleme ve soğutma basamaklarını kapsar.

10--Fırının yağlayıcı alma bölgesinde, yağlayıcı yanar.

11--Sinterleme esnasında bir çok reaksiyon meydana gelir. Başlangıçta, fırın atmosferi tozların yüzeyindeki oksitleri indirger ve birbirleri ile temas halindeki tozlar arasında bağ oluşur.

11.1--Bu işlem kademesinden sonra ise, boyutlandırma, ikinci presleme, talaşlı üretim, birleştirme, ısıl işlem ve yüzey kaplama işlemleri de isteğe göre yapılmaktadır.

12--Sinterlemenin ana mekanizmaları yüzey ve hacim difüzyonudur.

12.1--Difüzyon ile metalin yapışık gövdesi oluşur ve alaşım elementleri demir içerisine yayılırlar.

12.2--Termodinamik kanunlar ile ifade edilen serbest enerjiyi en aza indiren kuvvet ile gözenek küreselleşmesi meydana gelir ve küçük gözenekler yok olurlar.

13--Sinterlenmiş parçalar fırının soğutma bölgesinde koruyucu atmosfer içinde soğutulur.

13.1--Özellikle 850-500ºC sıcaklıklar arasındaki soğutma hızı malzeme içerisindeki faz dönüşümlerinden dolayı mekanik özellikleri etkiler.

14--Termodinamiğe göre herhangi bir katı malzemenin ergime derecesinin altında kararlı durumu tek kristalli halidir.

14.1--Bu durum sinterlemede pratik olarak mümkün değildir. Çünkü çoğu zaman sinterlenmiş bir parça kalıntı gözeneklerin bulunduğu polikristal yapıdadır.

14.2--İstenen dayanımın ve sertliğin elde edilebilmesi için yüksek yoğunlukta küçük ve homojen dağılımlı tane yapısına sahip parçalar elde edilmelidir.

Kaynakça: Toz metalurjisi ve kullanım alanları--Bekir Sadık ÜNLÜ*, Selim Sarper YILMAZ**, Naci Kurgan***--* Celal Bayar Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, Manisa--** Celal Bayar Üniversitesi Gölmarmara MYO, Manisa ***Erdemir Demir-Çelik İşletmeleri, Ereğli