İmal Usulleri toz metalurjisi TOZ METALURJİSİ ÜRETİM TEKNİKLERİ 1. GİRİŞ Toz metalurjisi (T/M), çeşitli metal işleme teknolojileri arasında en farklı üretim tekniğidir. Yüksek kaliteli ve karmaşık parçaların ekonomik olarak üretilebilmesi, toz metalurjisini cazip kılmaktadır. 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. 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. T/M’nin uygulamaları oldukça geniştir. Tungsten lamba filamentleri, dişçilik, dişli çarklar, yağlamasız yataklar, elektrik kontakları, nükleer güç yakıt elemanları, ortopedik gereçler, ofis makinaları parçaları, yüksek sıcaklık filtreleri, uçak fren balataları, akü elemanları ve jet motor parçaları metal tozlarından üretilen parçalara örnek olarak verilebilir. Ayrıca, metal tozları boyalar, gözenekli betonlar, basılmış devre levhaları, zenginleştirilmiş un, patlayıcılar, kaynak elektrodları, roket yakıtları, baskı mürekkepleri, lehimleme aletleri ve katalizörlerin üretilmesinde de kullanılmaktadır. T/M parçaların dünya genelindeki pazar payı aşağıdaki grafikte verilmiştir. Bu pazarın %75’i otomotiv endüstrisi tarafından kullanılmaktadır. Avrupa yapımı arabalar 7 kg, Japon yapımı arabalar ise 5 kg T/M parçaya sahip olduğu halde, Amerikan arabaları 16 kg’dan daha fazla T/M parça içermektedir. Bir araba içindeki T/M parçaların dağılımı Bakır ve demir esaslı T/M parçalar 2. TOZ ÜRETİMİ Hemen hemen bütün malzemeler toz haline getirilebilir, fakat tozları üretmek için seçilen metodlar malzeme özelliklerine bağlıdır. Öğütme, elektroliz, kimyasal indirgeme ve atomizasyon dört ana toz üretim metodudur. Bu üretim metodlarına ilave olarak, bazı seçilmiş malzemeler için özel toz üretim teknikleri de kullanılır. Endüstride kullanılan tozların % 60’dan fazlası atomizasyon yöntemi ile üretilmektedir. Öğütme Metallerarası bileşikler, demir alaşımları, demir-krom, demir-silisyum v.b. gibi kırılgan malzemeler mekanik olarak bilyalı değirmenlerde öğütülürler. Fakat öğütme işlemi bir çok sünek metal için uygun değildir; çünkü bu metaller kolayca kırılmazlar. Sünek tanecikler kırılma yerine birbirleri ile soğuk olarak kaynaklanır ve daha büyük tanecik oluştururlar. Günümüzde öğütme işlemi alüminyum gibi sünek metallerden pul toz üretiminde de kullanılır. Bu durumda, soğuk kaynaklanmayı ve yapışmayı engellemek için yağlayıcılar kullanılır. Elektroliz Elektrolitin kimyasal bileşimi ve mukavemeti, sıcaklık, akım yoğunluğu gibi şartları uygunca seçerek, bir çok metal sünger veya toz durumunda katot uzerinde biriktirilebilir. Daha sonraki işlemler olarak, yıkama, kurutma, indirgeme, tavlama ve öğütme gerekli olabilir. Bu yöntemle üretilen metallerin başında bakır gelir, aynı zamanda krom ve magnezyum da bu yöntemle üretilebilir. Elektrolitik tozlar çok saftırlar. Kimyasal İndirgeme Demir tozlarının üretiminde bu metod çok kullanılmaktadır. Bu yöntemde seçilen cevher öğütülür, kokla karıştırılır, karışım indirgemenin oluştuğu sürekli fırından geçirilir ve kek şeklinde sünger demir elde edilir. Sünger demir daha sonra öğütülür, metalik olmayan malzemelerden ayrılır ve elenir. Tozların saflığı ham malzemelere bağlıdır. Düzensiz süngerimsi tanecikler yumuşaktır ve kolayca preslenebilir ve böylece ham mukavemeti iyi olan ürünler oluşur. Benzeri şekilde refrakter metaller de oksitlerinin hidrojenle indirgenmesiyle üretilirler. Atomizasyon Bu işlemde ergimiş metal küçük damlacıklara parçalanır ve damlacıklar birbirleri ile veya katı yüzeyle temasa geçmeden hızlıca soğutulur. Ana fikir, ergimiş metali yüksek enerjili gaz veya sıvı çarpmasına maruz bırakarak sıvı metali daha küçük parçalara ayırmaktır. Hava, azot ve argon en çok kullanılan gazlardır. Su ise sıvılar içinde en çok kullanılandır. Nozulun tasarım ve geometrisi, atomize eden akışkanın basıncı ve hacmi, sıvı metalin akış çapı gibi bir çok parametreyi değiştirerek toz boyutu dağılımını kontrol etmek mümkündür. Tanecik şekli ise katılaşma hızı ile belirlenir, düşük soğutma kapasiteli gazlar icin küresel şekilden yüksek soğutma kapasiteli su için karmaşık şekle dönüşür. Genelde bu toz üretim metodu ergitilebilen tüm malzemeler için uygulanabilir ve ticari olarak demir, takım çelikleri, alaşımlı çelikler, bakır, pirinç, bronz, aluminyum, kalay, kurşun, çinko ve kadmiyum tozlarının üretilmesinde kullanılır. Krom içeren alaşımlar gibi kolayca oksitlenen metallerde atomizasyon argon gibi asal gazlar yardımıyla gerçekleştirilir. Atomizasyon, alaşımı oluşturan tüm metallerin ergimiş durumda tamamen alaşımlandığı için, özellikle alaşımların toz halinde üretilmesinde faydalı bir yöntemdir. Böylece her toz taneciği aynı kimyasal biletime sahip olur. Ayrıca, artan oranlarda uygulama alanı bulan diğer bir çok atomizasyon yöntemleri vardır. Bunlardan en önemlisi santrifuj atomizasyonudur, ergimiş metalin damlacıkları yüksek hızda dönen bir diskten fırlatılırlar. İki çeşit santrifuj atomizasyonu vardır. Bunlardan birinde, bir kap içindeki ergiyik metal, ergiyik metalin damlacıklara ayrılması için, uygun bir hızda düşey eksen etrafında döndürülür veya bir metal demeti dönen bir disk veya koni üzerine akıtılır. Diğerinde ise, bir metal çubuk yüksek hızda döndürülür ve serbest uçta elektron ışını veya plazma arkı vb. ile ergitilir. Bu ikinci tip işlem, Döner Elektrot Atomizasyonu olarak bilinir ve çubuk düşey veya yatay eksende döndürülebilir. Bu uygulamanın önemli bir üstünlüğü, atmosfer kontrollü bir ortamda, hatta vakumda bile çalışılabilmesi, böylece çok reaktif olan metallere ait temiz tozlar üretmesidir. Diğer Üretim Yöntemleri Nikel karbonilde olduğu gibi, bazı durumlarda kimyasal bileşiğin ısıl ayrışması kullanılır. Karbonil işlemi ilk olarak nikeli rafine etmek için geliştirilmiştir. Bu yöntemde ham metal basınç altında karbonil oluşturmak için karbon monoksit ile reaksiyona girer. Karbonil reaksiyon sıcaklığında gazdır ve sıcaklığın yükselmesi ve basıncın azalması ile ayrışır. Aynı işlem demir için kullanılır ve karbonil demir tozları yüksek saflık istenen durumlarda kullanılır. Yakın zamanda enjeksiyon kalıplama için ince tozlara olan talep, karbonil işleminine hız vermiştir. Tipik karbonil demir tozunun boyutu 1-5 mm’dir. Isıl ayrışma için diğer bir örnek, platin amonyum klorur tuzunun ısıtılması sonucu üretilen süngerimsi platin tozlardır. Sherritt Gordon işleminde nikel tozlar basınç altındaki nikel tuzlarının çözeltisinin hidrojen ile indirgenmesi ile üretilirler. İndirgeme ile demir tozu üretimi .............Atomizasyon ile demir ve çelik tozu üretimi Demir Tozu Üretimi T/M endustrisinde en çok kullanılan toz demir tozudur. Oksitinden indirgeyerek üretme en eski demir tozu üretme yöntemidir. İsveç sünger demir yöntemi Höganas tarafından İsveç’te 1900’lu yıllarda geliştirilmiştir. Yöntem katı halde ve 1260 °C’de gerçekleşir. Magnetitçe zengin cevher öğütülerek kok ve kireçtaşı ile karıştırılır, ve seramik tüplere doldurulur. Seramik tüpler fırın arabalarına yüklenir ve uzun fırın içinden 68 saatte geçerler. Şema, üretimin aşamalarını açıklamaktadır. Öğütmeden sonraki tavlama işlemi hidrojen gazı altında 870 °C’de gerçekleşir. Sonuç toz, sünger görünümlüdür. Atomizasyon yöntemi de demir ve özellikle çelik tozu üretmek için kullanılır. Demirin atomizasyonu için su kullanılır, ancak çelik için su veya alaşımın içeriğine göre asal gazlar kullanılır. Su ile atomize edilmiş demir ve çelik tozları yüzeylerindeki oksiti indirgemek ve basılabilirliklerini geliştirmek için 900 °C’de indirgeyici gaz altında tavlanırlar. Toz Özellikleri Sinterlenmiş parçaların özellikleri toz boyutu, boyut dağılımı ve yüzey şartları gibi toz özellikleri tarafından etkilenir. Tozların görünür yoğunluğu, yani preslenmemiş ve yerleşmemiş tozların verilen hacminin kütlesi, önemli bir parametredir. Görünür yoğunluk tozlardaki boşluk derecesi ve toz şeklinin bir fonksiyonudur. Toz seçimi çeşitli zıt toz özellikleri arasında pazarlık yaparak gerçekleşir. Mesela toz şeklinin karmaşıklaşması ve gözenekliliğin artması görünür yoğunluğu dütürür. Görünür yoğunluğun düşmesi ise presleme aşamasında hacim azalmasını artırır ve böylece soğuk kaynak miktarını artırır. Neticede daha yüksek ham mukavemetli parça elde edilmiş olur. Parçanın sinterlenme verimi de soğuk kaynak miktarının artmasından dolayı artacaktır. Belirli bir basınçta elde edilen yoğunluk, basılabilirlik de önemli bir toz özelliğidir. Düşük basılabilirliğe sahip tozlar çok yüksek basınca, yüksek kapasiteli preslere ve daha dayanıklı kalıplara ihtiyaç duyarlar. Kalıp içerisindeki tozların paketlenme verimliliği toz boyut dağılımına geniş ölçüde bağlıdır. Büyük tozlar arasında oluşan boşluklar küçük boyuttaki tozlar ile doldurulabilir. İndirgenmiş “Sünger demir” tozu Atomize demir tozu Tozların saflığı da cok önemlidir. Müsade edilebilecek yabancı madde seviyesi büyük oranda maddelerin tamamının yapı ve durumuna bağlıdır. Mesela, demir içinde birleşmiş karbon varlığı sertleşmeye yol açar, böylece sıkıştırma esnasında daha yüksek basınca ihtiyaç duyulur. Fakat serbest karbon, presleme operasyonu esnasında yağlayıcı olarak davrandığı için bir avantajdır. Pek çok metal tozunun ince bir oksit tabakası ile kaplı olması presleme işlemine fazla etkili olmaz. Çünkü tozlar arası sürtünme ile bu tabaka kolayca yırtılır ve açığa çıkan metal yüzeyler hemen soğuk kaynak olurlar. Ancak bu oksitlerin sinterleme aşamasında indirgenmeleri yüksek mukavemet için şarttır. 3. T/M PARÇALARIN ÜRETİMİ T/M uygulamasındaki genel işlemler şematik olarak akış şemasında gösterilmiştir. 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. Küresel ve iri bronz tozlarından filtre elemanlarının basınç kullanılmadan üretimi istisnai bir durumdur. Bu işlemde tozlar uygun şekilli kalıp içerisine doldurulur ve kalıpla birlikte sinterlenir. Tozları sıkıştırmanın tek eksenli presleme, haddeleme, ekstrüzyon, enjeksiyon kalıplama, izostatik presleme gibi bir çok metodları vardır. Bu metodların seçimi parça geometrisine ve üretim miktarına bağlıdır. Karıştırma Metalik tozlar, yağlayıcılar ve isteğe bağlı alaşım elementleri ile homojen bir karışım elde etmek için karıştırılır. Karışım içerisine genellikle %0.5-1.5 arası yağlayıcı eklenir. Metalik stearit ve parafin en çok kullanılan yağlayıcılardır. Yağlayıcı kullanmanın ana amacı, toz kütleleri ile takım yüzeyleri ve kalıp duvarları arasındaki sürtünmeyi azaltmak, tozların sıkıştırma esnasında kaymalarını sağlamaktır. Bunlar parçanın tabanından tavanına kadar düzgün bir yoğunluğun oluşmasına yardımcı olur. Sürtünmenin azalması parçaların kalıptan kolayca çıkmasını da sağlar. Önceden alaşımlanmış tozlara alternatif olarak alaşım elemanları karıştırma aşamasında da birbirine katılabilir. Böylece saf demirin yüksek olan basılabilirliği korunmuş ve alaşım elemanlarının demiri sertleştirmesi önlenmiş olur. En çok kullanılan alaşım elemanı karbondur ve grafit olarak demir tozuna katılır. Presleme En yaygın sıkıştırma yolu, bir çelik veya sert metal kalıp içerisinde 300-800 MPa basınç altında eksenel preslemedir. Tek bir operasyonla karmaşık parçaları yüksek üretim hızıyla (dakikada 25 parça) üretmek mümkündür. Presleme sonrası parça kalıptan çıkarılabilecek yeterli mukavemete sahiptir ve sinterleme öncesi taşıma işlemleri yapılabilir. Yüksek basılabilme kabiliyetindeki demir tozları 800 MPa basınç altında 7.3 g/cm 3 (veya % 93 teorik yoğunluk) yoğunluğa ulaşabilir. Ilık presleme kullanılarak, özel yağlayıcı katılmış toz 130 ºC’ye ve kalıp 150 ºC’ye ısıtılır, yoğunluk soğuk preslemeye göre 0.2 g/cm 3 daha artırılabilir. Ilık preslenmiş parçalar sinterleme öncesi talaşlı imalat için gerekli olan mukavemete sahiptirler. Ham parçanın talaşlı imalati kesici takım aşınmasını hemen hemen ortadan kaldırır. Presleme basamakları Sinterleme Sinterleme, preslenmiş parçaların mukavemet kazandığı bir ısıl işlemdir. En yaygın sinterleme sıcaklığı aralığı demir esaslı alaşımlar için 1100-1150 ºC’dir. Bazı durumlar için 1250 ºC’ye kadar olan yüksek sinterleme sıcaklıklarına ihtiyaç duyulur. Uygulamaya bağlı olarak sıcaklıktaki bekleme zamanı 10 ile 60 dakika arasında değişir. En yaygın kullanılan fırın çelik-tel örgülü kayışlı fırındır. Çelik-tel örgülü kayışlı fırınların sıcaklıkları en fazla 1150 ºC’dir. Daha yüksek sıcaklıklar için yürüyen kiriş veya itmeli fırınlar yaygındır. Eğer sinterleme sıcaklığı 1150 ºC üzerinde ise sinterleme maliyetleri önemli ölçüde yükselir. Sinterleme fırını içinde oksitlenmeyi önleyen bir atmosfer gereklidir. Kırılmış amonyak, endo-gaz veya azot-bazlı atmosferler yaygınca kullanılır. Sinterlenmiş parçaların boyut toleranslarının ve mekanik özelliklerinin sağlanması için fırın ortamında kontrollü karbon potansiyeline sahip olmak önemlidir. Sinterleme işlemi yağlayıcıyı alma, sinterleme ve soğutma basamaklarını kapsar. Fırının yağlayıcı alma bölgesinde, yağlayıcı yanar. Sinterleme esnasında bir çok reaksiyon meydana gelir. Başlangıçta, fırın atmosferi tozların yüzeyindeki oksitleri indirger ve birbirleri ile temas halindeki tozlar arasında bağ oluşur. Sinterlemenin ana mekanizmaları yüzey ve hacim difüzyonudur. Difüzyon ile metalin yapışık gövdesi oluşur ve alaşım elementleri demir içerisine yayılırlar. Termodinamik kanunlar ile ifade edilen serbest enerjiyi en aza indiren kuvvet ile gözenek küreselleşmesi meydana gelir ve küçük gözenekler yok olurlar. Sinterlenmiş parçalar fırının soğutma bölgesinde koruyucu atmosfer içinde soğutulur. Özellikle 850-500 ºC sıcaklıklar arasındaki soğutma hızı malzeme içerisindeki faz dönüşümlerinden dolayı mekanik özellikleri etkiler. Sinterleme esnasında makul boyut değişimi meydana gelir. Malzemelerin bir çoğu boyutca daralır, fakat alaşım elementleri mesela bakır büyümeye sebep olur. Pres takımlarının tasarımında boyut değişimi miktarı dikkate alınmalıdır. İnfiltrasyon Parça içerisindeki birbirleri ile bağlantılı gözenekler, ana metalin sinterleme sıcaklığından daha düşük bir ergime sıcaklığına sahip bir alaşımla doldurulur. Mesela, bakır esaslı alaşımlar sinterleme esnasında demir esaslı parçalara sızarlar. İnfiltrasyon işlemi parçaları sızdırmaz yapar ve mekanik özelliklerde artışa sebep olur. Ancak boyut hassaslığı azalır. İnfiltrasyon işlemi bazı ısıl işlemleri kolaylaştırır. Mesela, birbirine bağlı gözenek kalmadığı için yüzey sertleştirme işleminde sertlik derinliği kontrolu kolaylaşır. Yağ Emdirme Sinterlenmiş parçalara yağ ve diğer metalik olmayan malzemeler emdirilerek korozyona karşı koruma artırılır. Kendi kendine yağlamalı yataklar, sinterlenmiş gözenekli yataklara yağ emdirilmesi sonucu ve sadece T/M yöntemi ile üretilir. Boyutlandırma Boyutlandırma sinterleme sonrası yapılan ilave presleme işlemidir. Ana amaç, boyut hassasiyetini ve beraberinde yüzey kalitesini artırmaktır. Az miktarda plastik deformasyona ihtiyaç olduğu için orta büyüklükteki basınçlara ihtiyaç vardır. İkinci Presleme İstenilen mekanik ve manyetik özelliklerin sağlanmasında gerekli olan parca yoğunluğunu elde etmek için bir gözenek azaltma işlemi olan ikinci presleme kullanılır. Preslenmiş parçanın 700-800 °C arasında ön sinterlenmesi ile yağlayıcılar yanar ve yeniden kristalleşme meydana gelir. Pekleşme ve iç gerilmeler kaldırıldığından malzeme sünekliğini tekrar kazanır. İkinci preslemeden sonra parçalar ikinci defa sinterlenir. Buharlama İşlemi Bu işlem sadece demir esaslı parçalara uygulanabilir. Parçaları 550 °C kadar ısıtarak ve onları su buharına maruz bırakarak dış yüzeylerinde ve iç bağlantılı boşluklar boyunca ince bir Fe 3 O 4 tabakası oluşturulur. Buharlama işlemi korozyon mukavemeti, sertlik, basmaya karşı dayanım ve aşınma dayanımında artışa sebep olur. Talaşlı İmalat Sinterlenmiş parçaların üretilmesindeki en önemli çekicilik karmaşık şekiller ve dar toleransa sahip parçaların üretilebilmesi olmasına rağmen, bazı sınırlamalar bulunur. Bundan dolayı frezeleme, delik delme (presleme doğrultusuna dik delikler), diş açma gibi talaşlı imalat operasyonları, kalıpta presleme ile elde edilemeyen şekillerin başarılabilmesinde kullanılır. Sinterlenmiş metallerin talaşlı imalatı genellikle aynı biletimdeki döküm-dövme alaşımla- rınkinden daha kolaydır. Bundan dolayı kesme hızı ve kesme takımları optimum sonuçları almak için ayarlanmalıdır. Takım ömrünü artırmak için, MnS gibi işlenebilirliği artırıcı katkılar toz ile karıştırılabilir. Sinterleme sonrası bu katkılar yapı içerisinde düzgünce dağılmış olarak kalırlar ve mekanik özellikler belirgince etkilenmez. Çapak Alma Bu işlem, presleme ve talaşlı imalattan kaynaklanan çapakları almak icin kullanılır. En yaygın metod tamburlamadır ve bazı durumlarda içinde aşındırıcı toz bulunan sıvı ortamlar kullanılır. Birlettirme Karmaşık ve büyük parçalar birleştirme ile üretilebilir. Difüzyonla birleştirme, sinter- birleştirme ve lazer kaynağı gibi bir çok birleştirme tekniği vardır. Isıl İşlem Alaşımlarda faz dönüşümleri gözenek miktarına değil kimyasal bileşim ve alaşımın homojenliğine bağlıdır. Böylece döküm-dövme alaşımlara uygulanan tüm ısıl işlemler sinterlenmiş malzemeler içinde de uygulanabilir. Sertleştirme operasyonu önemli ölçüde mukavemeti ve aşınma direncini artırır, fakat süneklik azalır. Sinterlenmiş parçalarda karbürleme ve karbo-nitrürleme gibi yüzey sertleştirme işlemleri yaygınca kullanılır. Yüzey Kaplama İhtiyaç duyulduğu zaman, korozyondan korunma kaplama ile gerçekleştirilebilir. Fakat düşük yoğunluktaki parçalar kaplama öncesi elektrodun boşluklara girmesini önlemek için doyurulmalıdır 4. T/M PARÇALARININ ÖZELLİKLERİ Sinterlenmiş malzemelerin özellikleri bir çok faktöre bağlıdır ve özel talepleri karşılamak için optimize edilebilir. Belirli bir uygulama için bir malzeme seçiminde, kimyasal bileşim ve parçaların yoğunluğu dikkate alınması gereken önemli faktörlerdir. Kimyasal bileşim ve mekanik özellikler sinterlenmiş makina parçalarının özelliklerini belirlemede yaygınca kullanılan faktörlerdendir. Bazı örnekler aşağıda verilmiştir. Kimyasal biletim Mekanik özellikler Fe Sertlik Fe-Cu Yoğunluk Fe-Cu-C Çekme ve akma mukavemeti Fe-Ni-Cu-Mo-C Çapraz kırılma mukavemeti Fe-P Young modülü Fe-P-C Young modülü T/M malzemelerin mekanik özellikleri gözeneklerin varlığından dolayı düşer. Çekme mukavemeti ve sertlik gözenek miktari ile doğrusal olarak düşerken, % uzama ve darbe enerjisi eğrisel olarak düşerler. Mekanik özellikler ya zorunlu değerler veya tipik değerler olarak verilirler. Sinterlenmiş malzemelerin döküm-dövme malzemeler ile karşılaştırılması ve değişik malzemelerin akma mukavemetleri aşagıdaki grafikte verilmiştir.