1. TOZ METALÜRJİSİ1.2. Giriş.............................................................................................................................1

1.3. Toz Metalürjisinin Tanımı...........................................................................................2

1.4. Toz Metalürjisinin Tarihçesi........................................................................................2

1.5. Toz Metalürjisinin Avantajları.....................................................................................5

1.6. Toz Metalurjisinin Dezavantajları...............................................................................6

1.7. Toz Metalurjisinin Üretim Teknikleri..........................................................................6

1.7.1. Mekanik Yöntemler..................................................................................................7

1.7.2. Kimyasal Yöntemler.................................................................................................8

1.7.3. Elektroliz Yöntemi....................................................................................................9

1.7.4. Atomizasyon Yöntemi............................................................................................10

2. TOZ METALÜRJİSİNİN KULLANIM ALANI.........................................................15

2.1. Manyetik Kullanım Alanları......................................................................................15

2.2. Fotokopideki Kullanımı.............................................................................................15

2.2.1. Fotokopi Makinesinin Tarihçesi ............................................................................15

2.2.2. Fotokopi Makinesinin Çalışma Prensibi.................................................................19

2.2.3. Toner ve Toner Tozu...............................................................................................20

2.2.4. Taşıyıcı Çekirdek Kompozisyonu..........................................................................22

3. MANYETİK MALZEMELER.....................................................................................23

3.1. Manyetik Alanlar.......................................................................................................23

3.2. Mıknatıs Akı Yoğunluğu............................................................................................24

3.3. Manyetizma Türleri...................................................................................................24

3.3.1. Asal Manyetizma....................................................................................................24

3.4. Yumuşak Manyetik Malzemeler................................................................................25

3.4.1.Yumuşak Manyetik Malzemelerden İstenen Özellikler...........................................25

3.4.2.Önemli Yumuşak Manyetik Malzemeler.................................................................25

3.5.SERT MANYETİK MALZEMELER........................................................................28

3.5.1.Önemli Sert Manyetik Malzemeler.........................................................................28

3.6.FERRİTLER...............................................................................................................31

3.6.1.Yumuşak Manyetik Ferritler....................................................................................31

3.6.2.Yumuşak Manyetik Ferritlerin Özellikleri ve Uygulamaları...................................31

3.6.3.Sert Manyetik Ferritler............................................................................................32

0

4. SONUÇLAR.................................................................................................................32

KAYNAKÇA...................................................................................................................33

1

1. TOZ METALURJİSİ1.2. Giriş

Toz Metalurjisi (T/M); karmaşık şekilli ve boyutları küçük olan metal ve/veya seramik esaslı parçaların net ölçülere yakın değerlerde ve yüksek sayılarda üretilebildiği, parça birim maliyetinin düşük olduğu yüksek kaliteli bir imalat prosesidir.1980’li yıllarda dizayn edilen ve son yıllarda uygulamaya sokulan bu teknoloji, bazı sınırlamaların olmasına rağmen ileri teknoloji prosesleri içerisindeki yerini almıştır. Alternatif imalat prosesleri ile üretilen parçaların birim maliyetlerinin yüksek, ürün kalitelerinin düşük ve talaş kaldırma gibi ikincil operasyonların kaçınılmaz olusu T/M teknolojisinin gelişmesine ve uygulamaya sokulmasına neden olmuştur.

T/M ile plastik parça üretimi yeni olmayan ve uygulamada yaygın olan bir teknolojidir. T/M teknolojisinin iyi bilinmesi ve bu teknolojinin plastik malzeme dışında kalan malzeme grupları için kullanılması fikri ilk T/M çalışmalarını başlatmıştır. T/M genel olarak; farklı bağlayıcılarla karıştırılan metal ve/veya seramik tozların, geleneksel plastik enjeksiyon makineleri kullanılarak şekillendirilmesi ve şekillendirme işlemi sonrasında yapı içerisindeki bağlayıcıların uzaklaştırılarak sinterlenmesi esasına dayanır. Üretilen parçalar sinterleme sonrasında doğrudan servise sunuldukları gibi gerekli olması durumunda ikincil operasyonlarda yapılabilir. Proses ilk bakışta basit görülmesine rağmen, proses parametrelerinin ve birbiri üzerine binen işlemlerin fazla olusu proses kontrolünü güçleştirir.

T/M ile üretilen parçalar metal ve/veya seramik esaslı parçalardan oluşur. Metal esaslı parçalar içerisinde en yüksek oranı demir esaslı malzemeler tutar. Servis şartlarında kullanılan demir esaslı malzemelerin karmaşık şekilli ve demir tozların farklı bağlayıcılarla rahatlıkla kullanılabilmesi, demir tozlarının T/M ile üretilmesini yaygınlaştırmıştır.

Geleneksel toz metalurjisi süreçleriyle üretilen demir esaslı yapısal parçalar, toz metal parçalar içerisinde önemli bir yere sahiptir. Basta otomotiv sanayi olmak üzere bir çok uygulama alanı bulan bu tip parçalar, özellikle geniş bir aralıkta üstün mühendislik özellikleri sergilerler. Toz metalurjisi teknolojisinin seri ve ekonomik yönden üstün bir teknoloji olusu da düşünüldüğünde demir esaslı yapısal parçaların uygulamadaki önemi daha da belirgin hale gelmektedir.

Geleneksel toz metalurjisi süreçleriyle üretilen demir esaslı yapısal parçalara, başlangıç aşamasında yapılan farklı elemental ilaveler bu tip parçaların mühendislik özelliklerini arttırabilmektedir. Bu ilavelerin en önemlilerinin başında Cu, Ni, Mo,C,B ve Ni gibi ilaveler gelmektedir. Başlangıç aşamasında kullanılan farklı Ni-Bor, Bor ve bor bileşikleri bu tip parçaların sinterleme esnasındaki davranışlarını değiştirmesinin yanı sıra mikroyapısal gelişimi iyileştirmektedir. Bu gelişmelere bağlı olarak son ürün özellikleri de arttırılabilmektedir

2

1.3. Tanımı

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.

1.4. Tarihçesi

Toz metalurjisi "kaybolmuş bir sanat" olarak tanımlanabilir. Toz metalurjisi (T/M) kil ve seramik malzemelerinden farklı olarak tarihin ilk çağlarında kalıplama ve pişirme pratiği için veya nadiren dekoratif metalik malzemelerde uygulanmıştır. Yüzyıllar sonra tamamen unutulmuş olan T/M ancak 18.YY sonlarında metallerin sinterlenmesi ile değişik platin toz üretim metotları ile Avrupa’da yeniden hayat kazanmıştır.

İlk insanlar metal toz parçacıklarını çekiçle dövülmesi ile bir araya getirilebildiğini ve sonuçta katı bir metalik yapının elde edildiğini şans eseri öğrenmişlerdir. Zaman içerisinde insanoğlu fırınların nasıl yapıldığını ergime için yeteri kadar yüksek sıcaklıklara çıkmayı ve yine tunç yapımı için bakır ve kalay ile düşük sıcaklıklarda alaşımlama yapılısını öğrenmişlerdir.

Metallerin ergime noktalarına çıkabilen fırınlar geliştirilmeden önce toz metalurjisi prensipleri kullanılmıştır. Yaklaşık M.Ö 3.000'lerde Mısırlılar çeşitli aletlerin yapımında günümüzün sünger demirine benzer tozlar ve parçacıklar kullanmışlardır. Sünger demir tozları ateşle ısıtılmış ve daha sonra çekiçle dövülmüştür. Nihai şekiller basit dövme işlemleriyle elde edilmiştir. Ürün genellikle metalik olmayan empüriteler içermesine rağmen oldukça sağlam yapılar ortaya çıkmıştır. W.D JONES Afrikalı yerliler tarafından geliştirilmiş olan bir prosesi açıklamıştır. İndirgeme reaksiyonlarından sonra sünger metal parçacıklar toz haline getirilmek için kırılmış cüruf ve gangı uzaklaştırmak için elle ayrım yapılmıştır. Daha sonra toz ya da kompaktlanmış veya kompaktlanmadan sinterlenmis ve takibinde dövme işlemi yapılmıştır.

T/M uygulamaları "yeni dünya"nın bulunmasından önce yasayan İnkalarda görülmüştür. İnkalar sementit esaslı tozları düşük ergime sıcaklığına sahip bir veya birkaç metale karıştırıp sinterlemişlerdir. İlerleyen zaman içerisinde platin tozlarının kullanımı başlamıştır. Saf

3

haldeki platinin mekanik olarak öğütülmesiyle (mekanik öğütme, elekten geçirme, yıkama seçme) elde edilen tozlar düşük ergime sıcaklığına sahip tozlarla birlikte karıştırılıp sinterlenmekteydi. Sonraları altın ve gümüş kullanımına geçildi. Bu alaşımlardan yapılan analizlerde %26-72 platin %16-64 altın %3-15 gümüş ve %4'den fazla bakır olduğu anlaşılmıştır.

Modern anlamda T/M yöntemlerinin ilk uygulaması ancak yüzyıllar sonrası 18.ve 19. yüzyıl Avrupa'sında değerli bir maden olan platinin islenmesi sırasında olmuştur. Platin sünger tozundan, platin parça üretimi modern T/M' nin başlangıcı olarak düşünülmektedir. Bu alandaki ilk önemli gelişmeler 1750- 1825 yılları arasında olmuştur. 1755'de LEWIS tarafından sünger yapılı kursun platin alaşımı kullanılmıştır. Bu alaşımın ergime derecesi yaklaşık 600 °C idi.

T/M teknolojisinde ilk olarak karışık şekilli parçaların üretilmesi ve sinterlenmesi 19.yüzyılda olmuştur. 1830'da OSANN, redüksiyon metoduyla elde edilmiş atomik ağırlığı belli olan bakırın preslenmesi ve sinterlenmesini keşfetmiştir. Oysa bakır karbonattan redüksiyonla bakır tozu üretmiştir. Sonra bu tozları elekten geçirerek sınıflandırmıştır. Bu bakır tozlarını ilkel bir kalıpta sıkıştırarak yuvarlak yüzük seklinde parçalar imal etmiştir. Bunları bakırın ergime sıcaklığına yakın sıcaklıklarda sinterlemiştir. Sinterlenen kompaktların dökme bakırdan daha sert olduğunu görmüştür. T/M endüstrisindeki ilk ticari uygulamalar lamba flamanlarının üretilmesiyle başlamıştır.

İlk üretilen flamanlar osmiyum, zirkonyum, vanadyum, tantalyum ve tungsten'den ekstrüzyon yoluyla üretilip sinterlenen karbonlu malzemelerdir. Bu flamanlardan osmiyum flamanları, üretim proseslerinin zorluğundan dolayı ancak birkaç yıl (1898-1900) ilgi görmüştür. Osmiyum flamanlar yerini tantalyum, zirkonyum, tungsten flamanlara bırakmıştır.%2-3 Ni'li tungsten Flamanlarının kompaktlanıp sinterlendikten sonra gayet iyi sonuç verdiği görülmüştür. 20.yüzyıl başlarında Coolidge tarafından geliştirilen proses üzerinde yıllar sonra bile çok az değişiklik yapılmıştır ve bu proses halen akkor lamba flamanları üretiminde standart bir metoddur.

1900 yılında elektronik X-ısını ve kimya endüstrisinde tungsten, molibden tantalyum gibi önemli refrakter metaller kullanıldı. T/M deki bu erken gelişmeyi niyobyum, taryum ve titanyum gibi refrakterlerin kullanımı takip etti.

Refrakter malzemelerin ve karbürlerin gelişimine ilave olarak T/M nin diğer bir önemli alanı 1900'lerin baslarında önem kazanan poröz (gözenekli) metal yataklarıdır. Metalik fiberler poröz malzemelerin gelişiminde bir sonraki basamağı oluşturmuştur. 1900 ile Birinci Dünya Savası yılları arasında filtrasyon teknikleri, poröz yapılı malzemeler, demir esaslı malzemeler ve tungsten-nikel-bakır agır alaşımları hızlı bir ilerleme kaydetmiştir. İkinci Dünya Savaşı başlarında bilhassa ticari alanda demir tozlarının kullanımı iyice yaygınlaşmıştır. İkinci Dünya Savaşı yılarında ise demir esaslı tozlardan yapılan parçalar orduların en çok kullandığı malzemelerdendir. Yine bu yıllarda modern T/M endüstrisinde demir ve bakır esaslı malzemeler otomotiv alanında büyük tonajlarda kullanılmıştır. Bu anlamda otomotiv alanında 1920 de kendinden yağlamalı yataklar kullanılmıştır. Takip eden yıllarda bakır-kalay toz

4

kombinasyonu oldukça ilgi görmüştür.1940 ve 1950 yılları arasında kendinden yağlamalı yatakların kullanımı iyice yaygınlaşmıştır. T/M endüstrideki bu hızlı gelişmeyi demir ve çelik tozlarından üretilen kam milleri dişliler ve diğer mekanik parçaların kullanımı takip etmiştir. Bu yıllarda bakır tozları yılda 27000 ton demir ve demir esaslı tozlar ise 18.000 ton civarında kullanılmıştır.

II. Dünya Savasından sonra nükleer enerji teknolojisi ve havacılık teknolojisinin gelişmesi ile refrakter metal tozlarının kullanımı hız kazanmıştı. Bu tozlardan başlıcaları; tungsten, molibden, niyobyum, titanyum, tantalyum, ve nükleer enerji teknolojisinde kullanılan berilyum, zirkonyum, uranyum, ve toryum metal tozlarıdır. Nükleer enerji teknolojisinde kullanılan disperse uranyum diğer metal tozlarıyla birlikte kullanılmıştır. Kontrol çubuklarında bakır nikel ve alüminyum matrisli boronoksit tozları kullanılmıştır.

Havacılık alanında ise berilyum ve niyobyum kullanımı iyice yaygınlaşmıştır. Roket baslıkları ısı siperli koliler gibi parçalar niyobyum’dan yapılarak işlenmiştir. Roket nozullarında tungsten ve diğer roket parçalarında molibden kullanılmıştır.

1950 ve 1960'lı yıllarda dövme T/M parçalarının imali gerçekleştirilmiştir. Bu dövme işlemi tam yoğunluk elde edilmiş parçaların başlangıcını teşkil etmiştir. Sıcak izostatik preslenmis süper alaşımlar dövme T/M parçaları T/M takım çelikleri haddelenerek kompaktlanmış şeritler ve dispersiyonla sertleştirilmiş bakırla bunların en büyük örnekleridir.1970'lerde yüksek yoğunluk ve yüksek performansa sahip malzemeler ticari alanda boy gösterdiler.1980'lere gelindiğinde hem toz özellikleri hem de T/M prosesleri bir hayli gerçekleşmişti. Bu gelişmelerin sayesinde segregasyon heterojenizasyon ve gözenek olusumu gibi kötü etkenler minimize edilmiştir.

5

Tablo.1 Toz Metalurjisinin Tarih İçindeki Gelişimi

TARİH GELİŞMELER KULLANILDIĞI YERM.Ö.3000 Sünger demir tozuyla takım

nakliMısır/Afrika/Hindistan

M.S. 1200 Platinyum kullanımı Güney Amerika/ İnka1781 Platinyum-Arsenik alaşımı Fransa-Almanya1790 Ticari alanda Pt-Arsenik

kullanımıFransa

1822 İngot içerisinde Platinyum tozlarının şekillendirilmesi

Fransa

1826 Kompakt Platinyum tozlarının yüksek sıcaklıkta

sinterlenmesi

Rusya

1829 Wallaston metoduyla sünger Pt tozlarının kompaktlanması

İngiltere

1830 Çeşitli metallerin kompaktlanması ve

sinterlenmesi

Avrupa

1870 Kendinden yağlamalı yatakların imali

ABD

1878-1900 Lamba filamanlarının imali ABD1900 Kompozit malzemeler, poröz

malzemelerABD

1915-1930 Sementit karbürlerin kullanımı

Almanya

1920 Ticari alanda kendindenyağlamalı yatakların imali

ABD

1940 Demir tozu teknolojisi Orta Avrupa1950-1960 Dövme T/M Dispersiyon

sertleşme, T/M işlemeABD

1970 H.I.P. T/M Takım çelikleri ABD1980 Enjeksiyon dövme

teknolojisi (M.I.M)ABD

1.5. Toz Metalurjisi Uygulamalarının Üretimdeki Avantajları

1-Fireyi önler: Gerekli olduğu kadar metal tozu kullanılması fireyi azaltan sebeptir. Diğer biçimlendirme yöntemlerinde fire bazen % 70 kadar olabilmektedir.

2-Makine işçiliği azdır: Toz Metalurjisi teknolojisinde makine işçiliği, kullanılan pres, son düzeltme ve ölçülendirme ile sınırlıdır. Çoğu zaman başka işlem yapılmaz. Presleme esnasında parçalar gerçek büyüklüğüne getirilir. Pişirme esnasında bu ölçülerde küçük değişikliklerin olması, sonradan küçük düzeltme işlemini gerektirebilir. Diğer yandan bazı uygulamalarda kanal, diş çekme ve delik açılması makine işçiliğini artıran nedenlerdir. Tüm bunlara rağmen, diğer biçimlendirme yöntemlerinden az makine işçiliği söz konusudur.

6

3-Seri üretime elverişlilik: Seri üretime elverişlilik, bir malzemede öncelikli olarak aranılan özelliklerden biridir. Bu yönüyle T/M malzemeler, seri üretime, diğer bir deyişle fabrikasyon üretime uygundur. Özellikle presleme ile üretilen T/M malzemelerinin, üretim süreleri oldukça kısadır. Bir çok uygulamada olduğu gibi, pres kalıplarının çok parça olacak şekilde düzenlenmesiyle bu süre daha da azaltılabilir.

4-Bileşim kontrolü: T/M malzemelerinin iç yapıları oldukça homojendir. Diğer malzemelerde rastlanan bu özellik, iç yapıyı meydana getiren alaşım elemanlarının toz hazırlanması aşamasında kontrol edilebilmelerinden kaynaklanır. İstenilen oranlar, toz karışımı esnasında kolaylıkla ayarlanabilir.

5-Üretimi çok zor parçaların üretimi: Boşluklu iç yapıya sahip metalik filtreler, karmaşık dış yüzeyli parçalar diğer üretim yöntemlerinde olanaksız iken T/M yöntemleriyle üretilebilir.

6-Ham madde ucuzluğu: T/M yöntemlerinde kullanılan metal tozları, diğer üretim yöntemlerinin artıkları kullanılarak üretilebilir. Bu yönüyle ham maddenin düşük maliyetli olması sonucunu doğurur.

1.6. Toz Metalurjik Uygulamaların Üretimdeki Dezavantajları

1-Yüksek maliyetli kalıplar: T/M malzemelerin üretiminde kullanılan presler, yüksek güçlerde olmak zorundadır. Yüksek güçlerde çalışan preslerde kullanılan kalıplarda, bu güçlere dayanabilecek yapıya sahip olmalıdır. Bu durum, kalıpların yapımında kullanılacak olan malzemelerin de kaliteli olması gereğini de ortaya çıkarır. Diğer yandan T/M ‘de kullanılan kalıplarda, tozlardan kaynaklanan nedenlerden ötürü aşınma fazladır. Aşınma, kalıp ömürlerini olumsuz yönde etkiler. Tüm bunlar, kalıp maliyetinin artmasına neden olur.

2-Preslerin güçlü olması: T/M parçaları yüksek basınçlar kullanılarak üretilir. Bu özellikleri üretimlerinde kullanılan preslerin, diğer üretim yöntemlerinde kullanılanlara nazaran daha büyük güçlerde olması gereğini açığa çıkarır.

3-Düşük fiziki özellikler: T/M ile üretilen parçaları oluşturan metal tozları arasındaki bağ zayıftır. Bu yönleri, T/M parçalarının fiziki özelliklerini olumsuz etkiler.

4-Pahalı toz yapımı: Her ne kadar tozların yapımında kullanılan ham maddelerin maliyeti düşük olsa da bunların karışımı, öğütülmesi ve kullanılır hale getirilmesi, pahalıya mal olur.

5-Sınırlı yapım alanı: T/M yöntemlerinde kullanılan metal tozları, sıvılar gibi akıcı değildir. Akıcı olmadıklarından ötürü, her kesitte ve biçimdeki parçanın üretimi yapılamaz. Kanallı, delikli ve kalın kesitten ince kesite doğru geçişli olan parçalar, T/M yöntemleriyle üretilemez, ya da üretilmeleri özel teknikler gerektirir.

1.7. Toz Üretim Teknikleri

Metal tozlarının imalinde kullanılan teknikler, tozların birçok özelliklerini tayin eder.  Tozun geometrik şekli üretim yöntemine bağlı olarak küreselden, karmaşık şekle kadar çok farklı olabilmektedir.  Tozun yüzey durumu da üretim yöntemine göre değişiklik göstermektedir. 

7

Malzemelerin çoğu, özelliklerine uygun bir teknik kullanılarak toz haline getirilebilir.  Birçok toz üretim tekniği arasından, ticari olarak şu teknikler kullanılmaktadır ;

a) Mekanik yöntemlerb) Kimyasal yöntemlerc) Elektroliz yöntemid) Atomizasyon yöntemleri

1.7.1. Mekanik Yöntemler

Mekanik yöntemler talaşlı üretim, öğütme ve mekanik alaşımlama olmak üzere üç grupta incelenebilir.

Talaşlı Üretim: Bu yöntemle tornalama, frezeleme ve taşlama gibi talaş kaldırma teknikleri kullanılarak çok iri ve karmaşık tozlar üretilir.  Üretilen tozlar, öğütülerek ince tozlar haline getirilebilir.  Toz özelliklerinin kontrolündeki zorluk, oksitlenme, yağlanma, kir tutma ve diğer malzeme hurdaları ile karışarak kirlenme problemleri olabilir.  Yüksek karbonlu çelik tozları bu yöntemle üretilir.

Öğütme: Bir metal tozu üretim tekniği olmakla birlikte, diğer tekniklerle üretilmiş tozların kırılması için de kullanılan öğütme, en çok bilyalı değirmenlerde yapılmaktadır.  Kırılgan malzeme tozlarının üretiminin yapıldığı bu yöntemde, temel prensip parçalanacak malzeme ile sert bir cisim arasında bir darbe meydana gelmesini sağlamaktır.

Şekil 1. Bilyalı öğütme

Öğütülecek metal, içinde büyük çaplı sert ve aşınmaya karşı dayanıklı bilyaların bulunduğu kaba, önceden kaba bir biçimde kırılmış olarak yerleştirilir.  İri taneli öğütülecek malzeme öğütücü kap içinde büyük çaplı, sert ve aşınmaya karşı dayanıklı bilyalar ile birlikte döndürülerek veya titreştirilerek darbe etkisiyle çok küçük tozlara bölünür (Şekil 1).

Eğer öğütülen malzeme gevrek ise, bilyalarla çarpışmanın etkisiyle çok küçük tozlara bölünür.  Öğütülen malzeme sünek parçacıklardan oluşuyor ise, çarpışma sonucunda şekil değiştirerek yassılaşırlar.  Homojen bir karışım için kaba konulacak bilyaların hacmi ve

8

öğütülecek malzeme miktarı çok önemlidir.  Bilyaların hacmi kap hacminin yaklaşık yarısı ve öğütülecek malzeme miktarı kap hacminin yaklaşık % 25’i oranında olmalıdır.  Demir alaşımları, demir – krom, demir – silisyum v.b. kırılgan malzemeler mekanik olarak bilyalı değirmenlerde öğütülürler.

Mekanik Alaşımlama: Mekanik alaşımlama (M.A.) yöntemi, kuru ve katı haldeki tozların birbirlerine periyodik olarak kaynaklanmasını ve tekrar bu kaynakların kırılmasını sağlayarak daha ince ve homojen bir mikroyapıya sahip yüksek dayanımlı kompozit malzemelerin üretilmesinde kullanılır.  M.A. yönteminde tozlar kapalı bir kap içerisine konulur ve şaft döndürülür (Şekil 2).  Tozlar, şaft kolları ve bilyalar yardımı ile deforme edilir ve bu tozlarda kırılma ve soğuk kaynaklaşmalar meydana gelir. 

Şekil 2. Mekanik alaşımlama yöntemi

1.7.2. Kimyasal Yöntemler

Metal tozlarının kimyasal yöntemle üretimi, metal oksitlerin (demir, bakır, tungsten, molibden, nikel ve kobalt) CO veya hidrojen gibi indirgeyici gazlarla oksitlerinden kimyasal olarak indirgenmesidir . Kimyasal yöntemle üretilen sünger-demir tozu bu yöntemin önemli bir uygulama örneğidir.  Sünger demir, demir oksit cevherinin uygun nitelikte indirgeyici elemanlara indirgenerek süngerimsi bir kütleye dönüştürülmesiyle elde edilir.  Magnetit (Fe3O4), kok ve kireç taşı ile karıştırılır ve seramik kaplara doldurulur.  Karışım seramik kaplar içerisinde 1260 °C sıcaklıktaki fırınlarda 68 saat bekletilir.  İndirgenmenin tamamlanması ile sünger demir elde edilir.  Şekil 3’de kimyasal yöntemle demir tozu imalatı görülmektedir.  Elde edilen sünger demir külçeleri yüksek sıcaklıkta (1260 °C) birbirine kaynak olmuş tozlardan oluştuğundan öğütülerek istenilen tane büyüklüğüne getirilir.  Hidrojen gazı altında 870°C’de tavlanarak oksijen ve karbondan mümkün olduğu kadar arıtılır ve son olarak elekten geçirilir.

9

Şekil 3. Kimyasal yöntemle demir tozu üretimi

Fe3O4+CO 3FeO+CO2                               FeO + CO Fe + CO2                                     

1.7.3. Elektroliz Yöntemi

Elektroliz yöntemiyle, oksitlerden oluşan tozlar katoda akım vermek suretiyle elektrolitik banyoda çökertilir ya da iyi kırılabilme özelliğinde katot da toplanır (Şekil 4).  Banyo teknesi kurşun kaplıdır.  Elektrolitik olarak bakır sülfat ve sülfirik asit kullanılır.  Anot bakır katod ise antimuanlı kurşundur .  Elektroliz yöntemi ile genel olarak bakır tozları imal edilir.

Şekil 4. Elektroliz ile toz üretimi

10

Elektroliz yönteminde, elektrolitik banyoda çökertilen veya katotta toplanan metal kolaylıkla öğütülerek ince toz haline getirilir ve üretilen tozlar yıkanarak elektrolitten iyice temizlenir.   Kurutma asal gazlar altında yapılarak oksitlenme önlenir.  Elektroliz sırasında oluşan parçacıklar dendritik bir yapı gösterirlerse de daha sonraki işlemlerle bu yapı kaybolur. Elektrolitik tozların en büyük avantajı yüksek safiyetleri, dolayısıyla iyi sıkıştırabilme özelliklerine sahip olmalarıdır.

1.7.4. Atomizasyon Yöntemi

Atomizasyon, bir sıvı demetinin farklı boyutlardaki çok sayıda damlacıklara ayrılmasıdır. Temel prensip, bir potanın dibindeki delikten akmakta olan ergimiş metalin üzerine yüksek basınçlı gaz veya sıvı püskürtülmesidir (Şekil 5).  Hava, azot ve argon sıklıkla kullanılan gazlardandır ve su ise çok sık tercih edilen sıvıdır.  Burada gaz veya sıvı, ergiyik haldeki metal demetini farklı boyutlarda çok sayıda damlacıklara ayırır.  Damlacıklar daha sonra katılaşarak metal tozlarını oluştururlar.  Bu üretim yöntemi üç ana bölüme ayrılır:

i) Ergitme

ii) Atomizasyon

iii) Katılaşma ve soğuma

Şekil 5. Düşey gaz atomizasyon ünitesi.

Bu işlemlerden sonra çoğu zaman yüzey oksitlerinin azaltılması, gazlardan uzaklaştırma ve toz boyutu dağılımı gibi ürünün istenen niteliklere getirilmesi için ek işlemler yapılmaktadır. Metal tozlarının üretiminde yaygın olarak kullanılan atomizasyon yöntemleri paslanmaz çelik, pirinç, demir, alüminyum, çinko, kalay ve kurşun gibi metal ve alaşımları için oldukça iyi sonuçlar vermektedir.  Ayrıca atomizasyon yöntemleri, alüminyum ve alaşımlarının tozlarının

11

üretiminde en yaygın ve en ekonomik olan yöntemlerdir. Atomizasyon yöntemlerinden su atomizasyonu, sıvı metalin su jeti ile parçalanması, gaz atomizasyonu ise gaz jeti ile parçalanması olarak tanımlanır.  Tipik bir suyla atomizasyon tankı Şekil 6’da verilmiştir.  Çevresel olarak yerleştirilmiş olan memelerde oluşan basınçlı su jetleri sıvı metali keserek parçalar.  Oluşan damlacıklar tankın dibine doğru hareket ederken soğuyarak katılaşırlar ve dibe çökelirler.  Su çok iyi bir soğutucu olduğundan, suyla atomizasyon tankları kısadır (1m civarında).  Gazla atomizasyonda benzeri şekilde oluşur.  Ancak gazlar iyi soğutucu olmadıklarından gazla atomizasyon tankları 6 m den uzundur.

Şekil 6. Su atomizasyon işlemi.

Gaz atomize tozlar küresel veya küresele yakın şekillidirler (Şekil 7).  Bu yöntemle üretilen tozların tane boyutu 20 – 300 mm arasındadır.  Su atomize tozlar genel olarak karmaşık şekilli olup, bu tozların sıkıştırılabilirlikleri ve sıkıştırılma sonrası ham mukavemetleri yüksektir.  Su atomizasyon yöntemiyle elde edilen tozların ortalama tane boyutu 30 – 1000 mm arasındadır.

 

12

Şekil 7. Küresel şekilli gaz atomize kalay tozlarının genel yüzey görüntüleri.

    Ergiyik metalden toz üretimi için merkezkaç kuvvetinin kullanılması olarak bilinen döner disk santrifüj atomizasyon yönteminde, sıvı metal dönen bir disk üzerine akıtılır (Şekil 8).  Disk üzerindeki set ve yarıklara çarpan sıvı metal parçalanarak şekildeki gibi saçılır.  Saçılan metal parçacıklar soğutularak katılaşmaları sağlanır.

Şekil 8. Döner disk atomizasyon yöntemi

Döner elektrot kullanılarak yapılan santrifüj atomizasyon yöntemi ise, dönmekte olan elektrotun ergiyen ucundaki sıvı metal damlaların atomize olması esasına dayanır (Şekil 9).

13

Şekil 9. Döner elektrot atomizasyon yöntemi

 Döner elektrot kullanılarak yapılan santrifüj atomizasyon yönteminde tozu elde edilecek metalden yapılmış elektrot ile ergimeyen tungsten elektrot arasında ark oluşturulur.  Ergiyen elektrotun döndürülmesiyle, elektrik arkı altında oluşan damlacıklar savrularak parçalanır ve tankta toplanır.  Oksidasyonu önlemek için toz toplama tankı helyum, argon gibi asal gazlarla doldurulur.  Döner elektrot yöntemiyle, kobalt, krom ve titanyum alaşım tozları üretilmektedir.

Vakum atomizasyonu yöntemi, basınçlı gaz altındaki sıvı metale ani olarak vakum uygulanması sonucu gazın genleşmesi ve metalin atomize olmasıyla gerçekleştirilen bir metottur.  Bu yöntemde, Şekil 10’da görüldüğü gibi silindirik bir tankın alt kısmında sıvı metal potası, üst kısmında da vakum atomizasyon odası bulunmaktadır.  Vakum altındaki sıvı metal önce belirli bir sıcaklığa kadar ile ısıtılır, bundan sonra bu bölüme hidrojen gazı doldurulur.  Potadaki sıvı metalde hidrojen gazı çözündükten sonra potayı yukarı taşıyan mil potayı yukarı iterek seramik boruyu potaya daldırır.  Üst kısımda vakum olduğu için sıvı metal memeden geçerek parçalanır.  Böylece metal ve alaşımlarından ince küresel tozlar üretilir.

Şekil 10. Vakum atomizasyon yöntemi

14

Şekil 11. Ultrasonik gaz atomizasyonu

Ultrasonik gaz atomizasyon yönteminde ise, yüksek basınçlı gaz rezonans boşluklarının birinden diğerine ivmelendirilerek ultrasonik ses dalgaları oluşturulur (Şekil 11) ve yüksek katlılaşma hızına bağlı olarak çok ince ve küresel şekilli tozlar üretilir. Atomizasyon yöntemleriyle bir tozun ortalama boyutu, toz boyutu dağılımı, toz şekli, yüzey kompozisyonu da dahil olmak üzere kimyasal bileşimi ve mikroyapısı kontrol edilebilir.  Bu temel özellikler, tozların ve bitmiş parçaların görünür yoğunluk, sıkıştırılabilirlik ve tokluk gibi özelliklerini belirler.  Bunların yanı sıra, atomizasyon yöntemlerindeki yüksek toz üretim hızı, ekonomik olarak bir üstünlüktür.  Her atomize partikül bir ön alaşım veya küçük bir kütük gibidir ve her partikülde bileşim aynıdır.

15

2. TOZ METALURJİSİNİN KULLANIM ALANLARI

2.1. Metalik Tozların Manyetik Kullanım Alanı

Toz demir, γ-Fe2O3, CrO2 ve Co ile geliştirilmiş γ-Fe2O3 gibi metalik tozlar klasik ve gelişmiş video kaydedicilerde, arabaların fren sistemi vb. gibi bir çok alanda kullanılmıştır. Ancak biz konumuz gereği metalik tozların fotokopi makinesindeki kullanım alanı üzerinde daha detaylı duracağız.

2.2. Fotokopi Makinesindeki Kullanım Alanı

2.2.1. Fotkopi Makinesinin Tarihçesi

Elektrostatik kopyalamanın ilk görüntüleri, Alman bilim adamı Lichtenberg'in cam yüzeyinde elektriksel deşarj etkisi sonucu şekiller oluşturmasıyla ortaya çıkmıştır. Bu görünmez elektrostatik şekilleri toz halindeki bir madde (Lycopodium tozu) ile görüntülenmiştir. Diğer araştırmacılar bu alışılmamış Lichtenberg şekilleriyle deneylerini sürdürdüler ve Carlson'ın çalışmaları sonucu 1938'de xerography bulundu.

Şekil.12 Chester Carlson

Chester Carlson’un bu önemli buluşu, bugün iş yaşamımızda kullandığımız gelişmiş yazıcı, faks, tarayıcı ve dijital baskı sistemleri gibi ürünlerin de ortaya çıkmasına neden oldu. Tüm bu ürünler aynı çalışma prensibinden hareketle geliştirildi. Konu uzmanları, 2004 yılında ofis makineleri ile 4 trilyon sayfa dokümanın çoğaltıldığını tahmin ediyor.

Chester Carlson fakir bir ailenin çocuğu olarak 1906 yılında Amerika’da dünyaya geldi. Köhne bir barakada büyüyen Chester Carlson, anne ve babasını tüberkülozdan kaybettiğinde, bu yaşantıdan ancak bir şey keşfederek kurtulabileceğini anladı. Küçük yaşlardan itibaren çalışmaya başlayan Chester Carlson, zor koşullara rağmen eğitimini sürdürdü ve Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’nde Fizik eğitimi aldı. Okuldan sonra bir tescil ofisinde asistan olarak

16

çalışmaya başlayan Chester Carlson’un kağıt ağırlıklı bir işi vardı ve sürekli olarak belge çoğaltıyordu. O zamanlar bir belgenin çoğaltılması için ya fotoğrafının çekilmesi ya da elle yazılarak kopyalanması gerekiyordu. Bu iki yöntem de, çok pahalı ve zaman alıcıydı. Bu şekilde belge kopyalamanın çok zor olduğunu gören Carlson, kopyalamanın daha kolay bir yolunu bulmaya karar verdi. New York kütüphanesinde aylarca fotoğrafçılık üzerine yazılmış bilimsel araştırmaları inceledi ve bu konuda deneysel araştırmalar yapmaya başladı. Carlson, fotoiletken özellikli materyaller üzerinde elektrostatik denemeler yaptı ve elektrik ışığına maruz kalan nesnelerin görüntülerini yansıttıklarını keşfetti. Carlson, 22 Ekim 1938 tarihinde ilk Xerografik görüntüyü keşfettiğinde 32 yaşındaydı. Bu buluşa daha sonra eski Yunan’da kuru ve yazma anlamlarına gelen kelimelerin birleşiminden Xerografi adı verildi. Carlson, Xerografi keşfi için patent başvurusunda bulundu ve buluşunu nihai bir ürün haline getirmek için büyük firmaların kapısını çaldı ve bu firmaları buluşuna yatırım yapmaya ikna etmeye çalıştı. IBM, General Electric, Kodak, RCA gibi büyük firmalar Chester Carlson’u dinlediler ama bu buluşu yatırım yapmaya değecek kadar önemli bir buluş olarak değerlendirmeyerek, Chester Carlson’un teklifini reddettiler. Yıllar süren bu süreç sonunda Haloid adında fotoğraf malzemeleri satan bir firma, Chester Carlson’un buluşunun önemini kavrayarak, bu buluşa yatırım kararı aldı. Bu riskli yatırım kararını alan Haloid şirketi, 1961 yılında ismini “Xerox Corporation” olarak değiştirdi.

Chester Carlson’un keşfinin, kolay ve hızlıca siyah beyaz fotokopi çeken bir ürün haline gelme süreci yıllar aldı. 1949 yılında kamuoyuna tanıtılan ilk ürün denemesinden sonra, 1961 yılında piyasaya sürülen Xerox 914, basitçe ve çabukça siyah beyaz kopyalama yapan ilk otomatik fotokopi makinasıydı. Xerox 914 ürünü o kadar başarılı oldu ki yıllar sonra, Fortune dergisi Xerox 914’ü Amerika’da satışa sunulan gelmiş geçmiş en başarılı ürün seçti. Xerox, 2000’li yıllara gelene kadar Xerox 914’e servis vermeye devam etti.

Chester Carlson 1968 yılında öldüğünde 62 yaşındaydı. Chester Carlson buluşçu kimliğinin ötesinde hayatını başkalarına yardım etmeye adayan bir kişi idi. Ölmeden önce Xerografi keşfi ile elde ettiği 100 milyon doların üzerindeki servetini hayır kurumlarına bağışladı.

Chester Carlson’un yaşamı ve buluşu ile ilgili yüzlerce makale yazıldı ve bilimsel araştırma yapıldı. Chester Carlson ölmeden önce ve hatta öldükten yıllar sonra bile bir çok başarı ödülüne layık görüldü. Araştırmacı yazar David Owen tarafından 2004 yılında kaleme alınan “Saniyeler içinde kopyalama” adlı kitap, tüm detayları ile Chester Carlson’un bu sıradışı buluşunu ve yaşamını ortaya koyan en son eserlerden biridir. Chester Carlson’un açtığı buluşçu yoldan ilerleyen Xerox, Xerografi buluşunu temel alarak binlerce yeni buluşa imza attı ve dünya üzerinde yenilikçi ve buluşçu kimliği ile bir çok yeni sektör yaratan ve insanoğlunun günlük yaşamını değiştiren bir firma oldu. Xerox, şu an dünya üzerinde 130 ülkede faaliyet gösteren, üç farklı kıtada yer alan bir çok AR-GE Merkezi, 65.000 çalışanı ve 16 milyar dolar cirosu ile alanında pazar lideri ve teknolojiye yön veren büyük firmalardandır.

17

Şekil.13 Modern Fotokopi Makinesi

Tablo.2 Elektrostatik kopya tozlarının tarihsel gelişimi.

YIL OLAY KOPYA TOZU

1777 Lichtenberg elektrostatik görüntü kopyalamayı gerçekleştirdi

Lycopodium tozu

1920 Selenyi elektriklendirilmiş iğne ile baskı kayıt prosesini geliştirdi,

Lycopodium tozu

1938 Chester Carlson düz kağıda elektrostatik görüntülemeyle kopyalama yoluyla “xerography” yi buldu.

Kaplanmamış demirtaşıyıcı ve toner

1950 Haloid ofset baskı için elle çalışan ve "model D" olarak adlandırılan cihazı ortaya çıkardı.

Reçineli 600μm kumtaşıyıcı ve toner

1954 RCA araştırmacıları Greig, Giaimo ve Young manyetik fırça kullanarak kaplanmış kopya kağıdı için elektrostatik görüntüleme prosesi ile Elektrofaks’ ı icat ettiler.

Kaplanmamış düzensizdemir taşıyıcı ve toner

1959 Haloid-Xerox ilk otomatik düz kağıda kopya eden cihazı Carlson’ un xerografik teknolojisini kullanarak ortaya çıkardı. Xerox 914, 7 kopya/dk

Reçineli, 600 μm küreselcam taşıyıcı ve toner

1961 American Photocopy Equipment Co. ilk otomatik fotokopi cihazını RCA’nın elektrofaks teknolojisini kullanarak satışa çıkardı.

Kaplanmamış düzensizdemir taşıyıcı ve toner

1964 Xerox teksir kağıdını dakikada 40 kopya eden ilk Reçineli 600μm kum

18

fotokopi cihazını üretti. taşıyıcı ve toner

1969 Xerox iletken çelik tane taşıyıcı kullanarak xerografik fotokopi kalitesinde önemli ilerleme gösterdi. Xerox 3600-III, 60 kopya/dak

Reçineli 450 μm küreselçelik taşıyıcı ve toner

1970 Xerox mürekkepli yüksek hızlı fotokopiyi ortaya çıkardı. Xerox 4000, 43 kopya/dak

Reçineli 250 μm küreselçelik taşıyıcı ve toner

1971 IBM dakikada 10 kopya yapan fotokopi makinesi ile ofis kopya cihazları alanına giriş yaptı.

Teflon kaplı 170 μmküresel taşıyıcı ve toner

1972 Xerox xerografi için kullanılan en kaliteli küresel çelik taşıyıcıya dayanan fotokopi cihazını piyasaya çıkardı

Reçineli 100 μm küreseldemir taşıyıcı ve toner

1972 3 M Şirketi VQC serisi fotokopiler ile elektrostatik görüntü gelişimini tamamen değiştirmiştir; ilk olarak tek manyetik toner kullanarak.

Manyetik toner 20 μm

1973 Xerox xerografiye dayanan ilk vuruşsuz bilgisayar yazıcısını ortaya çıkardı

Reçineli 450 μm küreselçelik taşıyıcı ve toner

1973 Xerox ilk renkli fotokopi cihazını ortaya çıkardı. Xerox 6500

Reçineli 100 μmyumrumsu nikel taşıyıcı

1975 Xerox dakikada 120 kopya yapan en hızlı xerografik fotokopi makinesini ve toner sergiledi. Xerox 9200

Reçineli 80 μm küreselferrit taşıyıcı ve toner

1975 Eastman Kodak küresel olmayan demir taşıyıcı malzeme kullanarak ofis kopya cihazları alanına girdi. Ektaprint 100/150

Reçineli 170 μm düzensizdemir taşıyıcı ve toner

1976 IBM ilk lazer xerografik bilgisayar yazıcısını ticarileştirdi. IBM 3800. dakikada 150 sayfa.

Teflon kaplı 170 μm küresel demir taşıyıcı ve toner

1979 Minolta “micro-toning” teknolojisini kullanarak fotokopi cihazını satışa çıkardı. EP 310

Termoplastik 40 μmmanyetik taşıyıcı ve toner

1979 Canon tarafından tek komponentli tonerler ki toner projeksiyon developman sistemigeliştirildi.Canon NP 200

Manyetik toner 10-15 μm

1980 Xerox düzensiz demir taşıyıcı kullanarak ilk fotokopi makinesini ortaya çıkardı. Xerox 3300

Reçineli 100 μm düzensizdemir taşıyıcı ve toner

1983 Xerox ilk ofis fotokopi makinesini organik fotoreseptör kullanarak ortaya çıkardı. Xerox 1075

Reçineli 130 μm düzensizdemir taşıyıcı ve toner

19

2.2.2. Fotokopi Makinesinin Çalışma Prensibi

Fotokopi makinesinin çalışma sistemini şemaya göre tanımlayacak olursak, makine şaryo üniteleri denilen optik ünite,toner ve devoleperın bulunduğu tank ünitesi,yazının çıkmasını sağlayan drum(dram, tambur) ünitesi ve çıkan yazının kalıcı olması için bulunan fırın ünitesinden oluşur.

İşlem Başlatılıyor: Makinenin şaryo ünitesi üzerinde bulunan cama fotokopisi çekilecek orijinali koyarız.Optik ünite ayarları yapılır.Bu optik ünite ikişerli iki gurup olmak üzere dört ayna ve bir ince kenarlı mercekten oluşur.Bu mercek hareketlidir ve hareketi sayesinde görüntünün büyültülmesi veya küçültülmesi sağlanır.Orijinal cama konduktan ve büyüklük ayarları yapıldıktan sonra çekim tuşuna basılır.

Makine işlemi Algılıyor: Çekim tuşu ana karta,ana kart ise optik ünite kartına komut verir.İlk önce okuyucu lamba yanar ve kağıdı okumaya başlar.Lambanın kağıda vurduğu ışık aynalar yardımı ile merceğe,mercekten de aşağı yansır.

Artık Görüntü Makinenin İçinde: Bu arada ana kart tank ünitesine komut verir ve toner ile developer karışmaya başlar.Tank ünitesinde bulunan manyetik merdane sayesinde manyetik alan oluşur.Aşağıya yansıtılan şekil krona vasıtası ile dram a geçer.Dramda meydana gelen + ve – yükler sayesinde tonerden karbonun dram üzerinde uygun şekilde yerleşmesi sağlanır.Bu aşamadan sonra ana kart kaset ünitesine komut vererek kağıdın dramın altına gelmesi sağlanır.

Görüntü Kağıtta Cehennem Sıcağına Gidiyor: Bu işlemden sonra dramın altında bulunan krona vasıtası ile yazı kağıda çıkar. Kağıt yoluna devam ederek fırın bölümüne gelir. Fırın ünitesi kağıdı 169oC de pişirilerek yazının kalıcı olması sağlanır.

Şekil.14 Fotokopi Makinesinin Çalışma Prensibi

20

2.2.3. Toner ve Toner TozuToner kartuş, yazıcı ve fotokopi makinelerinde, kağıt üzerinden yazı ve görüntü almakta kullanılan bir çeşit tozdur. İlk zamanlarda toner basit bir karbon tozuydu. Daha sonra baskı kalitesini geliştirmek için polimer ile karıştırılmaya başlandı. Toner partikülleri, yazıcı içerisinde bulunan fırında 180-200 derece arasında ısıtılarak kâğıt üzerine yapıştırılmaktadır. Standart bir tonerden sayfanın %5 doluluk oranında 2000 sayfa baskı elde edilebilmektedir. Toner tozunda ki bir taneciğin boyutu 8 ile 10 micrometre arasında değişmektedir.

İlk zamanlarda ki yazıcılarda toner, dışarıdan şişe yardımıyla yazıcı içerisine boşaltılmaktaydı. Daha sonradan modern makinelerde yazıcılar toner kartuş kullanarak baskı işlemini gerçekleştirmeye başladı.

Toner tozu çok farklı kimyasallardan oluşan ve bir çok çeşidi bulunan bir maddedir. Çok küçük boyutları olduğu için havada belli bir süre asılı kalır ve zamanla zemine iner.

Toner tozunun uzun yıllar solunması ciddi rahatsızlıklar doğurabilir. Toner tozunun göze temas etmesi halinde göz kapakları açık tutularak 10 dakika boyunca gözlerin yıkanması gerekir.

Elbise ya da vücudun herhangi bir yerine toner bulaşması halinde o bölge, soğuk su ile yıkanmalıdır. Sıcak su ya da ılık su ile yıkanması halinde elbiselerden toneri çıkartmak bir daha mümkün olmayacaktır. Çünkü toner belli ısıda sıvı ile birleştiğinde eriyerek bulunduğu bölgeye yapışmaktadır.

Şekil.15 Toner Tozu

21

Toz metal sektörü fotokopi makinelerinde kullanılmak üzere 3 tip toz üretmektedir. Bunlar;

• Atomizasyon yöntemiyle üretilen küresel demir tozları,

• Küresel ferrit(FeO) tozları,

• Plazma ile küreselleştirilen magnetit(Fe3O4) tozları.

Tablo.1 de gösterildiği gibi bu tozlar sürekli geliştirilmektedir. Bu tozlar şu özelliklere göre geliştirilmektedir;

• Minimum yığılma yoğunluğu(Maksimum miktarda toner taşıyabilmek için),

• Maksimum yüzey alanı(gittikçe tane boyutu küçülmektedir),

• İyi akışkanlık,

• Yüksek elektrik iletkenliği,

• Optimum manyetik özellikler.

Tablo.3 ABD’de Tahmin Edilen Kopya Tozu Tüketimi

1981 1983 1986

Toz Şekli Metrik Ton Ton Metrik Ton Ton Metrik Ton Ton

Küresel Tozlar

Demir 4080 4488 4800 5280 6400 7040

Ferit 2165 2381 2700 2970 4140 4550

Magnetit 300 330 360 396 450 495

Nikel 8 9 10 11 8 9

Ara Toplam 6553 7208 7920 8657 10998 12094

Küresel Olmayan Tozlar

Demir ve Çelik 3742 4116 4500 4950 6840 7524

Reçine ve Cam 535 588 540 594 500 550

Alt Toplam 4277 4704 5040 5544 7340 8276

TOPLAM 10830 11912 12960 14201 18338 20370

22

2.2.4. Taşıyıcı Çekirdek Kompozisyonu

Toz developmanda taşıyıcı, kum, cam, demir, çelik, nikel, alüminyum malzemelerinden oluşan bir partiküldür. 40- 60 μm çapında küresel saçma olarak ta adlandırılır. Ya da çapraşık şekildedir, Sekil l 'de gösterildiği gibi. Bu developerlar yüzeyinde çok daha küçük toner partikülünü (5-30 μm çapında) taşırlar. Bunlar developmanın oluşabilmesi için toner partiküllerini yüklenmiş gözükmez görüntüye yeterli düzeyde yaklaştırırlar. Elektrostatik çekme ile ince toner partikülleri taşıyıcı tonerden çekilerek alınır ve fotoreseptor veya kopya levhasındaki görüntü alanlarına yerleştirilirler.

Demir ve Çelik: Çapraşık şekilli demir tozları ilk kez 1960'larda elektrofaks makinelerinde kullanılmıştır. Bu manyetik fırçalama cihazları toneri taşımak için iletken, ferromanyetik bir granül gerektirir. Xerox 3600-III fotokopi cihazının piyasaya girişiyle beraber 1969'da küresel çelik tozu kullanan sağlam developerları ün kazandı. Günümüzde manyetik fırça cihazları oldukça değişik şekillerde (süngervari, kırılmış ve fleyk tipi) tozlar kullanırlar.

Ferrit: Küresel ferrit kopya tozlarının kullanımı taşıyıcı teknolojisinde önemli bir gelişmedir. Küresel ferritler ve küreselleştirilmiş manyetik tozları demir taşıyıcı çekirdek malzemesine göre belirli bazı avantajları vardır. Bu tozların düşük remavenslerinden dolayı akışkanlık özellikleri vardır. Elektrostatik alan kaybolduğu an manyetik fırça silindirini çabucak terk edebilirler. Kaplanmamış olsa bile malzeme tamamen oksitlenmiş olduğundan elektriksel dirençteki değisimlere dayanıklıdır. Dirençteki artış katı dolguda azalmaya neden olur. Ayrıca küresel ferrit kopya tozları hem kimyasal çözücü ile yıkama hem de yüksek sıcaklıkta yakma ile developer karışımından daha kolay eski haline gelir. Ancak metal oksitleri olarak ferritler metalik tozlara nazaran daha yüksek elektriksel direnç gösterir.

Kum: Eşit tane boyutlu kum, çağlan developmanı kullanan ofis fotokopi makinalarında kullanılan ilk taşıyıcı çekirdek malzemesidir. Bu makinalarda ham kum veya temizleme kumu, boyanmış bir rezin-lak bileşimi ile kaplıdır. Kum çağlan makinaları halen birçok pazarda günceldir.

Cam: Cam saçması çağlan developman sistemlerinde kumun yerine kullanılır. Oldukça ince küresel tanelerden meydana gelir. Cam saçmalarında seklin düzeltilmesiyle karıştırma ve akma karakteristiklerinde avantajlar elde ediliyorsa da, yüksek fiyatı yüzünden kullanımı sınırlı kalmıştır.

Alüminyum: Çağlan developmanda kullanılan diğer bir taşıyıcı malzeme de alüminyum tozudur. Başlangıçta düşük yığma yoğunluğundan ötürü alüminyum cihaz dizaynerlerinin oldukça dikkatini çekmiştir, çünkü karıştırmada oluşturduğu moment düşüktür. Düşük maliyeti ve iletkenlik özellikleri ile yalıtkan tip çağlan taşıyıcı çekirdek malzemelerine göre baskı kalitesi daha iyidir. Ancak manyetik olmaması yüzünden kullanımı, daha avantajlı olan manyetik fırça tipi xerografik sistemler tarafından ortadan kaldırılmıştır.

Nikel: Küresel veya nodüler şekilli nikel tozu taşıyıcı çekirdek malzemesi olarak sınırlı uygulamaya sahiptir/19/. Pahalı olmasına rağmen oksidasyona hassas değildir ve developer karışımının ömrü boyunca eşit bir direnç gösterir.

23

3. MANYETİK MALZEMELERMalzemelerin fiziksel davranışları, çeşitli elektrik, manyetik, optik, ısıl ve elastik özelliklerle tanımlanır. Bu özellikler çoğunlukla, atomik yapı(elektronik yapı, bandlar), atomik dizilme ve malzemenin kristal yapısı ile belirlenir

Atomik yapıda, iletken ve valans bandlar, elektronlar arasındaki geçişleri belirleyerek, malzemelerin iletken, yarı iletken ya da yalıtkan olmalarını sağlamaktadır. Bunun yanında, ferromanyetik davranış, yayınma ve saydamlık gibi özellikler de atomik yapıya bağlıdır.

Fiziksel özellikler, atomların kısa mesafeli ve uzun mesafeli diziliş düzenini değiştirmekle ve de atomik dizilmede yabancı atomları katmakla ve kontrol etmekle önemli ölçüde değiştirilebilmektedir. Metal işleme tekniklerinin, metallerin elektrik iletkenliği üzerine büyük etkisi bulunmaktadır. Geliştirilmiş mıknatıslar, kafes hataları ile ya da tane boyutu denetlemekle elde edilebilmektedir.

Bugün “manyetik” ve “mıknatıslı” malzemeler eşanlamlı olup, malzemelerin “manyetik alandaki” davranış özellikleri ile belirlenmektedir. Bu amaçla dikkate alınan en önemli özellik “dielektrik sabiti” dir. Manyetik malzemeler 1930‘lu yıllardan beri kullanılmaktadır. Önceleri, demir metal ve γ-Fe2O3 tozları kaydedicilerde manyetik malzeme olarak kullanılmıştır. Video kaydedicileri gibi yoğun bilgi kaydı gereksinimi nedeniyle bu amaca uygun olarak CrO2 ve Co ile modifiye edilmiş γ-Fe2O3 partikülleri geliştirilmiştir. Son yıllarda ise, baryum ferrit partikülleri manyetik malzeme olarak ortaya çıkmıştır. Klasik kaydedicilerde kayıt ortamı uzunlamasına olup, kaydetme yoğunluğu mıknatısların uzunluğuna bağlıdır. Oysa, baryum ferrit malzemelerde kayıt ortamı dikine olup, kaydetme yoğunluğu, hegzagonal yapıda çubuk şeklindeki partiküllerin boyutuna bağlıdır. Bu nedenle, kayıt etme özelliği daha yoğundur. Yapılan araştırmalar daha çok partikül boyutlarının mikron altına düşmesi ve 0.1 µm ‘nin altında çok ince metal (kobalt) film kaplamaların kullanılması üzerine yoğunlaşmıştır.

Manyetik malzemeler, özellikle elektrik mühendisliği alanındaki mühendislik tasarımlarının çoğunda kullanılan önemli endüstriyel malzemelerdir. Genel olarak iki ana sınıfa ayrılırlar:

- Yumuşak mıknatıslı malzemeler ya da yumuşak mıknatıslar - Sert mıknatıslı malzemeler ya da sert mıknatıslar

Yumuşak mıknatıslı malzemeler, güç transformatörleri göbekleri, küçük elektronik transformatörleri, motorlar ve üreteçlerin stator ve rotorları gibi, kolaylıkla mıknatıslanabilen ve mıknatıslığı giderilebilen malzemelerin gerektiği yerlerde kullanılır. Buna karşılık, mıknatıslığı kolayca giderilemeyen sert mıknatıslı malzemeler, kalıcı mıknatıslık gerektiren yerlerde, örneğin hoparlör, telefon alıcıları, eşzamanlı ve fırçasız motorlar, otomotiv başlatıcı motorlarında kullanılır.

3.1. Manyetik Alanlar

Manyetik malzemeler üzerindeki çalışmalar mıknatıslık ve mıknatıslı alanlarla ilgili temel özelliklere dayanmaktadır. Demir, kobalt ve nikel, oda sıcaklığında mıknatıslandığında, çevrelerinde güçlü bir mıknatıs alanı yaratan üç metalik elementtir ve asal mıknatıslar diye adlandırılır. Altında mıknatıslanmış bir demir çubuk bulunan bir kağıdın üzerine serpilen küçük demir tozlarının dağılması mıknatıs alanın varlığını gösterir. Mıknatıslanmış çubuk iki kutba sahiptir ve mıknatıs çizgileri bir kutuptan çıkıp diğerine girer.

24

*Genel olarak, doğada mıknatıslık çift kutuplu olup, bugüne kadar tek kutuplu mıknatıs bulunamamıştır. * Bir mıknatıs alanın, birbirinden belirli bir uzaklıkla ayrılmış iki mıknatıs kutbu ya da merkezi vardır ve bu çift kutup davranışı, bazı atomlarda bulunan, küçük, mıknatıslı çift kutuplara kadar gider. Mıknatıslı alanlar akım taşıyan iletkenler tarafından da oluşturulur.

3.2. Mıknatıs Akı Yoğunluğu (Manyetik İndüksüyon)Mıknatıslığı giderilmiş bir demir çubuk, yukarıdaki şekilde olduğu gibi, sarmal içine yerleştirilirse ve akım uygulanırsa, sarmal dışındaki mıknatıs alanın, sarmal içinde demir çubuk varken daha güçlü olduğu görülmektedir. Burada sarmal alan ile mıknatıslanmış demir çubuğun mıknatıs alanları toplam etkisi gözlenmektedir. Bu toplam mıknatıs alanı mıknatıs akısı yoğunluğu ya da akı yoğunluğu diye adlandırılır.

3.3. Manyetizma TürleriEksi duyarlık(diamanyetizm), artı duyarlık(paramanyetizm) ve asal mıknatıslık. Ancak biz mühendisler için önemli olan asal mıknatıslıktır.

3.3.1. Asal ManyetizmaEksi duyarlık ve artı duyarlık, uygulanan mıknatıs alanla ortaya çıkar ve alan olduğu sürece varolur. Asal mıknatıslık diye adlandırılan, mühendislik açısından çok önemli, üçüncü tür bir mıknatıslık daha vardır. İstendiği zaman oluşturulan ya da kaldırılan büyük mıknatıs alanları, asal mıknatıslar tarafından yaratılır.

Sanayide en önemli asal mıknatıs elementler demir (Fe), kobalt (Co) ve nikel(Ni) ‘dir. Bir nadir-toprak elementi olan gadolinyum (Gd), 16oC ‘nin altında asal mıknatıs olmasına rağmen sanayideki uygulamaları çok azdır. Fe, Co ve Ni geçiş elementlerinin asal mıknatıslık özellikleri, iç kabuktaki çiftlenmemiş elektronların dönülerinin kristal kafeslerinde aynı yönde dizilmelerinden kaynaklanmaktadır.

Her atomun iç kabuğu birbirlerine ters yönde dönüye sahip elektronlarla dolu olduğundan, bunlardan doğan net mıknatıs çift kutup momenti sıfırdır. Katılarda, dış değerlik elektronları birbirleriyle birleşerek bağ oluştururlar, dolayısıyla önemli bir mıknatıs momenti yaratmazlar. Fe, Co ve Ni ‘in çiftleşmemiş 3d elektronları, bu elementlerin mıknatıslığının nedenidir. Demir atomu dört, kobalt üç ve nikel iki tane çiftlenmemiş 3d elektronu içerir.

Oda sıcaklığında, katı Fe, Co ve Ni örnekte, komşu atomların 3d elektronlarının dönüleri birbirlerine paralel dizilir ve buna istemli mıknatıslanma adı verilir. Ancak, atomların mıknatıs çift kutuplarının bu şekilde paralel dizilmesi, mıknatısçık adı verilen mikroskobik mıknatıslı bölgelerde görülür. Eğer mıknatısçıklar rastgele yönleminde ise kütlede net bir mıknatıslanma görülmeyecektir. Fe, Co ve Ni atomlarının mıknatıslı çift kutuplarının paralel dizilmesi, aralarında oluşan artı değişim enerjisi sonucudur. Bu paralel dizilmenin olması için atomlar arası uzaklığın, 3d yörüngesinin çapına oranının 1.4 – 2.7 aralığında olması ile olanaklıdır. Bu nedenle, Fe, C ve Ni asal mıknatıs iken, manganez(Mn) ve krom(Cr) değildir.

25

3.4. Yumuşak Manyetik MalzemelerYumuşak mıknatıslı malzeme kolayca mıknatıslanır ve mıknatıslığı giderilir, buna karşılık sert mıknatıslı bir malzemenin mıknatıslanması ya da mıknatıslığının giderilmesi güçtür. İlk yıllarda yumuşak ve sert mıknatıslı malzemeler fiziksel olarak yumuşak ve sert olduklarından bu terimler yerleşmiştir. Bugün, bu malzemelerin fiziksel olarak yumuşak ya da sert olmaları zorunlu değildir. Ancak, mıknatıslanmanın kolaylığı ve güçlüğü anlamındadır. Demir - % 3-4 Si alaşımı gibi yumuşak mıknatıslı malzemeler ya da yumuşak mıknatıslar, transformatör çekirdeklerinde, motorlarda ve jeneratörlerde kullanılmakta olup, düşük baskı kuvvetli dar bir histerezis halkasına sahiptir.

3.4.1. Yumuşak Manyetik Malzemelerden İstenen ÖzelliklerBir asal mıknatıs malzemenin yumuşak olması için baskı kuvvetinin mümkün olduğu kadar düşük olması istenir. Yani, malzemenin kolayca mıknatıslanabilmesi ve yüksek mıknatıs geçirgenliğine sahip olabilmesi için histerezis halkası mümkün olduğu kadar ince olmalıdır. Birçok uygulamada, yüksek bir doyma akısı yoğunluğu da yumuşak mıknatıslı malzemelerde istenen bir özelliktir. Buna göre, çok ince ve yüksek bir histerezis halkası yumuşak mıknatıslı malzemelerin çoğu için istenen bir özellik olmaktadır.

3.4.2. Önemli Yumuşak Manyetik Malzemeler

a) Demir-Silisyum AlaşımlarıEn yaygın kullanılan yumuşak mıknatıslı malzemeler demir - % 3-4 silisyum alaşımlarıdır. 1900 yılından önce transformatörler, motorlar ve jeneratörler gibi düşük frekanslı (60 frekans) güç makinelerinde, düşük karbonlu alaşımsız karbon çelikleri kullanılmaktaydı. Fakat, bu tür mıknatıslı malzemelerdeki çekirdek kayıpları oldukça yüksekti.

Demir-silisyum alaşımı yapmak amacıyla demire % 3-4 silisyum katılması mıknatıslı malzemelerde çekirdek kayıplarını azaltıcı etkiler yapmaktadır.

1. Silisyum, düşük karbonlu çeliğin elektrik direncini arttırmakta, dolayısıyla girdap akımları kaybını azaltmaktadır. 2. Silisyum, demirin mıknatıs yönelim enerjisini azaltmakta, mıknatıs geçirgenliğini arttırmakta, dolayısıyla histerezis çekirdek kayıplarını azaltmaktadır. 3. % 3-4 silisyum katılması aynı zamanda mıknatıs gerinmesini azaltarak da histerezis kayıplarını düşürmekte ve transformatör uğultusunu hafifletmektedir. Bunun yanında, silisyumun bazı zararlı etkileri de bulunmaktadır. Demirin sünekliği azalmakta ve ancak % 4 ‘e kadar Si demirle alaşım yapabilmektedir. Aynı zamanda, doyma akısı yoğunluğunu ve demirin Curie sıcaklığını azaltmaktadır. Transformatörlerin girdap akımı kayıplarını azaltmanın bir diğer yolu da üst üste konmuş saçlar kullanmaktır. Modern güç transformatörlerinin çekirdekleri, aralarında ince bir yalıtkan tabaka yerleştirilmiş 0.025 - 0.035 cm kalınlığında, ince demir-silisyum saçların üst üste konmasıyla yapılır. Bu saçların her iki tarafına kaplanan ince yalıtkan malzeme, girdap akımlarının saca dik olarak hareket etmesini önlemektedir.

1940 ‘ta elde edilen bir diğer gelişme sonucu, taneleri yönlenmiş demir-silisyum saçlar kullanarak transformatör çekirdeği enerji kayıplarında bir düşüş daha sağlanmıştır. Fe- % 3 Si saçlar, soğuk işlendikten sonra uygulanan yeniden kristalleştirme ısıl işlemiyle tane yönelimli malzeme olarak sanayi boyutlarında üretilebilmiştir. Yönlenmenin kolay olduğu

26

mıknatıslanma yönü dikkate alınarak, saçın haddelenme yönü bu yöne paralel olacak şekilde işlem yapılmasına gerek duyulmaktadır. Bu nedenle, rastgele dokudaki Fe-Si sacına göre, taneleri yönlenmiş mıknatıs malzemenin geçirgenliği daha yüksek, histerezis kayıpları daha düşüktür.

Tablo.4 Yumuşak mıknatıslı malzemelerin bazı mıknatıs özellikleriMalzeme ve Bileşimi Doyma akısı

yoğunluğuBd, T

Baskı kuvveti

Hb, A/cm

Başlangıçtaki bağıl

geçirgenlik µi

Mınatıslı demir, 0.2 mm sac 2,15 0,88 250

M36 soğuk haddelenmiş Si- Fe(rastgele)

2,04 0,36 500

M6 (110)[001], % 3.2 Si-Fe (yönlenmiş)

2,06 0,03 1500

45 Ni-55 Fe (45 permalloy) 1,6 0,024 2700

75 Ni-5 Cu-2 Cr-18 Fe (Mumetal) 0,8 0,012 30000

79 Ni-5 Mo- 15 Fe-0.5 Mn (supermalloy)

0,78 0,004 100000

% 48 MnO-Fe2O3, % 52 ZnO-Fe2O3(yumuşak ferrit)

0,36 1000

% 36 NiO-Fe2O3, % 64 ZnO-Fe2O3(yumuşak ferrit)

0,29 650

b) Metalik CamlarNormal metaller gibi kristal yapısı olmayan, içbiçimsiz ve nispeten yeni bir metal türüdür. Normal metaller ve alaşımlar sıvı durumdan katı duruma geçerken atomları düzenli bir kristal yapıda dizilir. Aşağıdaki çizelgede mühendislikte önem taşıyan sekiz metalik camın atom bileşimleri verilmektedir. Bu malzemeler önemli mıknatıs özelliklere sahiptir ve Fe, Co, Ni asal mıknatıslarına B ve Si metalsileri katılarak elde edilir. Son derece yumuşak olan bu mıknatısların uygulama alanlarına, çekirdekleri düşük enerji kayıplı transformatörleri, mıknatıslı duyarları (sensor) ve ses kayıt kafalarını örnek olarak verebiliriz.

27

Tablo.5 Metalik camlar : Bileşimleri, Özellikleri ve UygulamalarıAlaşım, % atom Doyma akısı

yoğunluğu Bd, TEn yüksekGeçirgenlik

Uygulamalar

Fe78 B13 Si9 1,56 600000 Güç transformatörleri, düşük çekirdek kayıpları

Fe81B13.5 Si3.5 C2 1,61 300000 Vurulu transformatörler,mıknatıslı şalterler

Fe67 Co18 B14 Si1 1,90 4000000 Vurulu transformatörler,mıknatıslı şalterler

Fe77 Cr2 B16 Si5 1,41 35000 Akım trnasformatörleri, duymaç çekirdekleri

Fe74 Ni4 Mo3 B17 Si2 1,28 100000 Yüksek frekansta düşük çekirdek kayıpları

Co69 Fe4 Ni1 Mo2 B12 Si12 0,70 600000 Mıknatıslı duyarlar, ses kayıt kafaları

Co66 Fe4 Ni1 B14 Si15 0,55 1000000 Mıknatıslı duyarlar, ses kayıt Kafaları

Metalik camlar hızlı katılaştırma tekniği ile üretilir. Bu teknikle 0,0025 cm kadar kalınlıkta ve 10-30 cm genişlikte metalik cam şeritler elde edilebilmektedir. Metalik camların çok ilginç bazı özellikleri vardır. Yüksek dayanımları ( 4500 MPa ‘ kadar), eğilebilir olmakla birlikte çok sert ve korozyona çok dirençli olmaları en belirgin olanlardır. Çok yumuşak olduklarında, kolayca mıknatıslanabilmekte ve mıknatıslığı giderilebilmektedir. Özellikle tane sınırlarının ve uzun mesafeli kristal yönlülüğünün olmaması nedeniyle mıknatıscık sınırları son derece kolay hareket edebilmektedir. Histerezis halkası dar olduğundan histerezis enerjisi kayıpları çok düşüktür. Bu sayede, çekirdek kayıpları geleneksel Fe-Si çekirdeklerinin % 70 ‘i kadar olan, çok katlı transformatörler yapılmıştır.

c) Nikel-Demir AlaşımlarıDüşük bir alan altında, ticari saflıktaki demir-silisyum alaşımlarının mıknatıs geçirgenliği nispeten düşüktür. Bu durum güç uygulamalarında önem taşır. Buna karşılık, küçük sinyalleri taşıma ya da saptırmada kullanılan yüksek duyarlıktaki haberleşme cihazlarında, düşük alanlardaki geçirgenlikleri çok daha yüksek olan nikel-demir alaşımları kullanılır.

Ticari olarak çoğunlukla iki ana Ni-Fe alaşım üretilmekte, birisi % 50 Ni, diğeri % 79 Ni içermektedir.(Yukarıdaki çizelgede bazı değerler bulunmaktadır) %50 Ni alaşımının geçirgenliği ortada bir değerde (µi = 2500, µenb = 25000), doyma akısı yoğunluğu yüksektir.[Bd = 1.6 T (16000G)] % 79 Ni alaşımının geçirgenliği yüksek (µi = 100000, µenb = 1000000), fakat doyma akısı yoğunluğu düşüktür. [Bd = 0.8 T (8000G)] Bu alaşımlar ses ve cihaz transformatörlerinde, alet rölelerinde, rotor ve stator saclarında kullanılır. Elektronik transformatörlerinde kullanılan şerit sarımlı çekirdekler de Ni-Fe alaşımıdır.

28

Bu tür alaşımların geçirgenliklerinin bu kadar yüksek olmasının nedeni, kullanılan bileşimlerde mıknatıs yönlülük enerjisi ve mıknatıs gerinmesi enerjisinin düşük olmasıdır. En yüksek başlangıç geçirgenlik % 78.5 Ni- % 21.5 Fe alaşımı ile elde edilmektedir. Ancak, bu alaşım, düzenli yapı oluşmasını önlemek için 600oC nin altında hızla soğutulmalıdır. Ni-Fe sistemindeki düzenli denge yapısı, Ni atomlarının yüzeylerde Fe atomlarının yüzey köşelerinde yer aldığı YMK birim hücreden kaynaklanmaktadır. % 78.5 Ni içeren alaşıma %5 Mo katılması düzenli yapı oluşmasını bastırdığından, 600oC üzerinden orta bir hızla soğutmak ile düzenli yapı oluşumu engellenir.

% 56-58 Ni içeren alaşımları, olağan yüksek sıcaklık tavlamasından sonra mıknatıslı alan altında tavlayarak başlangıç geçirgenliklerini 3-4 kat arttırmak olanaklıdır. Mıknatıs alanda tavlama, Ni-Fe kafes atomlarının yönlenerek dizilmelerine, dolayısıyla alaşımların başlangıç geçirgenliklerinin yükselmesine neden olur.

3.5. Sert Manyetik MalzemelerSert mıknatıslar ya da kalıcı mıknatıslar, yüksek baskı kuvveti Hb ve yüksek kalıntı mıknatıs akı yoğunluğu Bk ile kendilerini gösterirler. Bu nedenle, sert mıknatıslı malzemelerin histerezis halkaları geniş ve yüksektir. Bu malzemeler, mıknatıscıklarını uygulanan alan yönünde yönlendirecek kadar kuvvetli bir alan altında mıknatıslanırlar. Uygulanan alan enerjisinin bir kısmı, üretilen kalıcı mıknatıs içinde biriken potansiyel enerji haline dönüşür. Tümüyle mıknatıslanmış bir kalıcı mıknatıs, mıknatıslığı giderilmiş bir mıknatıs malzemeye göre daha yüksek enerjili durumdadır. Sert mıknatıslı malzemeler bir kez mıknatıslanmışlarsa mıknatıslığı gidermek güçtür. Sert mıknatıslı bir malzemenin mıknatıslığını giderme eğrisi olarak histerezis eğrisinin ikinci dörtte birinden yararlanılır ve bu kısım kalıcı mıknatısların kuvvetlerini karşılaştırmak için kullanılır.

Kalıcı mıknatıs bir malzemenin kuvveti ya da dış enerjisi, histerezis halkasının boyutuyla doğrudan ilişkilidir. Sert mıknatıslı bir malzemenin mıknatıs potansiyeli, B (mıknatıs akısı yoğunluğu) ile H ‘nin (mıknatıslığın giderildiği alan) çarpımının en büyük değerinden belirlenir ve malzemenin mıknatıslığını giderme eğrisinden elde edilir. Aslında, sert mıknatıslı bir malzemenin en büyük eneji çarpımı, malzemenin histerezis halkasının ikinci dörtte birine sığdırılabilecek en büyük dörtgenin alanıdır. BH ‘nin birimi, SI sisteminde kJ/m3‘dür.

3.5.1. Önemli Sert Manyetik Malzemeler a) Al-Ni-Co AlaşımlarıÖzellikleri ve bileşimleri. Alnico (Al-Ni-Co) alaşımları, günümüzde en yaygın olarak kullanılan sert mıknatıslı malzemelerdir. Aşağıdaki çizelgede bazı alaşımlar ve özellikleri gösterilmektedir.

29

Tablo.6 Sert manyetik malzemelerin bazı mıknatıs özellikleriMalzeme ve Bileşimi Kalıntı akı

yoğunluğuBk, T

Baskı kuvvetiHb, kA/m

En büyük enerjiçarpımı (BH)enb,kJ/m3

Alnico 1, 12 Al, 21Ni, 5 Co, 2 Cu, kalanı Fe

0,72 37 11,0

Alnico 5, 8 Al, 14Ni, 25 Co, 3 Cu, kalanı Fe

1,28 51 44,0

Alnico 8, 7 Al, 15 Ni, 24 Co, 3 Cu, kalanı Fe

0,72 150 40,0

Nadir toprak elementi -Co, 35 Sm,

65 Co

0,90 675-1200 160

Nadir toprak elementi -Co, 25.5 Sm, 8 Cu, 15 Fe, 1.5 Zr, 50 Co

1,10 510-520 240

Fe-Cr-Co, 30 Cr, 10 Co, 1 Si, 59 Fe 1,17 46 34,0

Mo.Fe2O3 (M=Ba,Sr)(sert ferrit) 0,38 245-240 28,0

Alnico ailesi alaşımlar Al, Ni, Co ve % 3 civarında Cu içeren demir asıllı alaşımlardır. Yüksek baskı kuvvetli alaşımlara (Alnico6-8) %1-2 civarında Ti katılır. İlk alaşım Japonya‘da 1931 yılında Mishima tarafından keşfedilmiştir. Alnico 1 ile Alnico 4 arasındakiler izotropik(yönsüz), Alnico 5-9 arasındakiler ise (anizotropik) yönlüdür. Anizotropik olanlar çökeltileri oluşurken mıknatıslı alanda ısıl işlem görmektedir. Kırılgan olan bu alaşımlar dökümle ya da toz metalurjisi ile şekillendirilir. Toz halinde, birinci derecede, çok sayıdaki küçük parçacıkların ve karmaşık şekillerin yapılmasında kullanılır.

Yapı. Alnico alaşımları, yaklaşık 1250oC deki çözündürme ısıl işlemi sıcaklığının üzerinde tek fazlı HMK kristal yapısındadır. Soğuma sırasında, yaklaşık 750-800oC arasında, α ve α’ HMK fazlarına bozunurlar. Anafaz olan α, Ni ve Al ‘ca zengin ve mıknatıslığı zayıftır. α’ çökelti ise Fe ve Co ‘ca zengindir ve mıknatıslanması diğer faza göre daha iyidir. α’ fazı, yönlenme eğiliminde olup, 10 nm çapında ve 100 nm uzunluğunda çubuksu bir şekil alma eğilimindedir. 800oC ısıl işlemi bir mıknatıslı alanda yapılacak olursa, α’ çökelti, α anafazı içinde, mıknatıs alanı yönünde, ince uzun parçacıklar halinde biçimlenir. Alnicoların yüksek baskı kuvvetlerinin, biçimsel yönlülüğe sahip, tek mıknatıscıklı α’ fazı parçacıklarının döndürülme güçlüğünden kaynaklandığı varsayılmaktadır. Çubukların boy-genişlik oranı büyüdükçe ve yüzeyleri düzgünleştikçe alaşımın baskı kuvveti artmaktadır. Bu amaçla, alnicolara Ti katılması sağlanmaktadır.

30

b) Nadir Toprak Elementleri Mıknatıs kuvvetleri ticari malzemelerin hepsinden üstündür. En büyük enerji çarpımları (BH)enb 240 kJ/m3 ve baskı kuvvetleri 3200 kA/m değerlerine ulaşmaktadır. Nadir toprak elementlerinde mıknatıslığın temeli hemen hemen tümüyle, Fe, Co ve Ni elementlerindeki çiftlenmemiş 3d elektronları gibi, çiftlenmemiş 4f elektronlarıdır. Ticari nadir toprak elementli mıknatıslı malzemelerin iki ana grubu vardır; Biri tek fazlı SmCo5 asıllı malzeme, diğeri yaklaşık Sm(Co,Cu)7,5 bileşimindeki çökelti sertleştirmeli alaşımdır.

En yaygın kullanılanlar SmCo5 tek fazlı mıknatıslardır. Bu malzemelerdeki baskı kuvvetinin mekanizması, mıknatıscık sınırlarının yüzeylerde ve tane sınırlarındaki çekirdeklenmesi ve/ya da yüzeylere ve tane sınırlarına tutunmasıdır. Bu malzemeler toz metallurjisi tekniğiyle, 1-10 µm inceliğindeki tozlardan üretilir. Presleme sırasında tozlar mıknatıslı alan içinde yönlenir. Daha sonra, preslenen parçalar, tane büyümesini önlemeye dikkat edilerek sinterlenir. Bu malzemelerin mıknatıslık kuvveti yüksek olup, (BH)enb değerleri 130-160 kJ/m3 arasında değişmektedir.

Çökelti sertleştirmeli Sm(Co,Cu)7,5 alaşımında, SmCo5 alaşımındaki Co atomlarının bir kısmının yerini Cu aldığından, düşük yaşlandırma sıcaklığında (400-500oC) ince çökeltiler (yaklaşık 10 nm) elde edilebilmektedir. Elde edilen çökelti, SmCo5 yapısıyla uyumludur. Buradaki uyum mekanizması, birinci derecede, mıknatıscık sınırlarının çökelti parçacıklarında benzeşik tutunmasıdır. Bu malzemeler de, ticari olarak, toz metallurjisi tekniğiyle ve tozlar mıknatıs alanında yönlendirilerek üretilmektedir. Küçük miktarlarda demir ve zirkonyum katılması baskı kuvvetini güçlendirmektedir. Sm(Co 0,68 Cu 0,10 Fe 0,21 Zr0,01)7,4 ticari alaşımın örneksel değerleri, (BH)enb = 240 kJ/m3 ve Bk = 1.1 T (11000)G)‘dir. Sm-Co mıknatısları implantable pompalardaki motor ve vanalarda ve göz kapağı hareketli yardımcılarında, elektronik kol saatlerinde ve hareketli dalga tüplerinde kullanılmaktadır. Boyutları küçük olabildiğinden, doğru akım motorları, eşzamanlı motorlar ve jeneratörlerde bu tür mıknatıs kullanmak daha uygundur.

c) Neodyum-Demir-Bor Mıknatıs Alaşımları1984 yılında keşfedilen Nd-Fe-B sert mıknatıslı malzemesinin (BH)enb çarpımı 300 kJ/m3

olup, günümüzde hem toz metalurjisi hem de eriyik sürüklemeli hızı katılaştırma yöntemleriyle üretilmektedir. Bu yapıda, Nd2Fe14B anafaz taneleri, asal mıknatıslı olmayan, Nd ‘ce zengin, ince, taneler arası fazla çevrilmiştir. Bu malzemenin yüksek baskı kuvveti ve (BH)enb enerji çarpımı, çoğunlukla anafaz tanelerinin tane sınırlarında çekirdeklenen ters mıknatıscıkların çekirdeklenmesindeki güçlüğün bir sonucudur. Malzemenin mıknatıslığını tersine çevirmek için, asal mıknatıs olmayan taneler arası Nd ‘ce zengin faz, Nd2Fe14B anafaz tanelerini, kendi ters mıknatıscıklarını çekirdeklemek için zorlar. Bu süreç, tüm malzemenin Hb ve (BH)enb değerlerini en büyüğe çıkarır. Bu malzeme tüm elektrik motorları, özellikle de otomotiv başlatma motorları gibi ağırlık azaltmanın ve küçüklüğün önemli olduğu motorlarda, önem taşır.

d) Demir-Krom-Kobalt Mıknatıs AlaşımlarıMetalurji yapıları ve kalıcı mıknatıslık özellikleri alnico alaşımlarına benzeyen, oda sıcaklığında soğuk şekillendirilebilen bir tür Fe-Cr-Co alaşımı olup, 1971 yılında geliştirilmiştir. Bu alaşımların 1200oC üzerindeki yüksek sıcaklık yapıları HMK ‘dır. 650oC üzerindeki bir sıcaklıktan yavaşça soğutulduklarında (15oC/h hızla), demirce zengin α1

31

fazının içinde, 30 nm büyüklüğünde, Cr ‘ca zengin α2 fazı oluşur. Mıknatıscıklar her iki faza da yayıldığından, Fe-Cr-Co alaşımlarının baskı kuvveti mekanizması, mıknatıscık sınırlarının çökelti parçacıkları tarafından bulundukları yere çivilenmesidir. Son yaşlandırma ısıl işleminden önceki biçim değiştirme sonucu çökeltilerin uzaması bu alaşımların baskı kuvvetini büyük ölçüde arttırır. Bu nedenle çökelti parçacığının şekli çok önemlidir. Oda sıcaklığında yüksek hızda şekillendirmeyi gerektiren, sünekliğin önemli olduğu uygulama alanlarında Fe-Cr-Co alaşımları özellikle önemlidir. Modern telefon alıcılarındaki kalıcı mıkantısla, soğuk şekillendirilebilen kalıcı mıknatıs alaşımına iyi bir örnektir.

3.6. Ferritler (Artık Kutuplu Manyetikler)Ferritler ve seramik mıknatıs malzemeler, demiroksit (Fe2O3) toz haldeki diğer oksit ve karbonatlara karıştırılarak elde edilir. Tozlar daha sonra sıkıştırılarak yüksek sıcaklıklarda sinterlenir. Bazen parçalara son şeklini vermek için işlenmeleri gerekebilir. Ferritlerdeki mıknatıslık parçalara ticari değer verecek kadar yüksek olmakla birlikte doyma mıknatıslıkları asal mıknatıs malzemeler kadar yüksek değildir. Ferritlerdeki mıknatıscık yapıları ve histerezisleri asal mıknatıslara benzer. Yumuşak mıknatıslı ve sert mıknatıslı ferritler bulunmaktadır.

3.6.1. Yumuşak Manyetik Ferritler Artık kutuplu mıknatıslanma davranışı gösterirler. Zıt yönlerdeki, çiftlenmemiş iki takım iç elektronun dönü momentleri birbirlerini yoketmediği için, yumuşak ferritler net bir mıknatıs momentine sahiptir.

Kübik Yumuşak Ferritlerin Bileşimi ve Yapısı: Kübik yumuşak ferritlerin çoğu MO.Fe2O3

bileşiminde olup, M iki değerlikli bir metal iyonunu (Fe, Mn, Ni ya da Zn gibi) göstermektedir. Yumuşak ferritlerin yapıları, (MgO.Al2O3) spinel madeninin değişik bir şekli olan, ters spinel yapısındadır.

Ters Spinel Ferritlerdeki Net Mıknatıs Momentleri: Her bir MO.Fe2O3 molekülünün net mıknatıs momentini bulmak için ferrit iyonlarının 3d iç elektron kurulumunu bilmemiz gerekmektedir.

3.6.2. Yumuşak Ferritlerin Özellikleri ve Uygulama AlanlarıMıknatıs Malzemelerde Girdap Akmı Kayıpları: Yumuşak ferritler, faydalı mıknatıs özellikleri yanında, yalıtkanlığa ve yüksek özgül direncine sahip olduklarından, önemli mıknatıs malzemelerdir. Mıknatıs malzemenin iletken olması halinde yüksek frekanslarda girdap akımları kaybı çok yüksek olduğundan, yüksek frekans uygulamalarında, yüksek elektrik özgül direnci önemlidir. Girdap akımlarının nedeni, oluşan gerilim eğimcesidir, dolayısıyla frekans arttıkça girdap akımlarındaki artış büyür. Yumuşak ferritler yalıtkan olduklarından, yüksek frekansta çalışan transformatör çekirdeklerinde kullanılır.

Yumuşak Ferrit Uygulamaları: En önemli uygulama alanları, düşük sinyalli hafıza çekireği, ses ve görüntü cihazları ve kayıt kafalarıdır. Düşük sinyal düzeylerinde, trnasformatörler ve düşük enerji indükleyicilerde yumuşak ferritler kullanılır. Saptırma sargısı çekirdeği, geri uçuş transformatörleri ve televizyon alıcılarının ayar sargıları ferritlerin en çok kullanıldığı yerlerdir.

32

Mn-Zn ve Ni-Zn spinel ferritleri mıknatıslı bantların kayıt kafalarında kullanılır. Çalışma frekansları, yüksek girdap akımı kayıpları nedeniyle, metal alaşımı kafalar için çok yüksek olduğundan, kayıt kafaları çok kristalli Ni-Zn ferrit malzemeden yapılmaktadır

0 ve 1 ikili mantık (logic) temelli mıknatıs çekirdek hafızalar bazı bilgisayarlarda kullanılmaktadır. Mıknatıs kafalar güç akım kesilmesinin bilgi kaybına yol açmaması istenen yerlerde yararlıdır. Mıknatıs çekirdek hafızaların hareketli parçası olmadığından, bazı askeri uygulamalarda olduğu gibi yüksek darbe direncinin istendiği yerlerde kullanılır.

3.6.3. Sert Manyetik Ferritler MO.6Fe2O3 yapısındaki sert ferritler kalıcı mıknatıs olarak kullanılmaktadır. Bu yapının hekzagonal kristal yapısı vardır. En önemli yapı 1952 ‘de piyasaya sürülen BaO.6Fe2O3 ‘dür. Bugün ise, özellikleri daha iyi olan SrO.6Fe2O3 yapısında olanlar tercih edilmektedir. Bu ferritler hemen hemen yumuşak ferritlerle aynı yöntemle, çoğunlukla da kolay mıknatıslanma eksenlerini uygulanan alanla aynı hizaya getirmek için, mıknatıs alanında, yaş preslenerek üretilmektedir.

Hegzagonal ferritlerin maliyeti ve yoğunluğu düşük olup baskı kuvveti yüksektir. Yüksek mıknatıs kuvvetlerinin birinci derecedeki nedeni, mıknatıslı kristallerin yönlülüğüdür. Tane boyutları tek mıknatıscıklı davranış için çok büyük olduğundan, bu malzemelrin mıknatıslanmalarının mıknatıscık sınırı çekirdeklenmesi ve hareketi sonucu olduğuna inanılmaktadır. (BH)enb değerleri 14-28 kJ/m3 arasındadır.

Sert ferrit seramik kalıcı seramikler, jeneratörlerde, rölelerde ve motorlarda geniş bir uygulama alanı bulur. Hoparlör mıknatısları, telefon zilleri ve alıcılarında çok kullanılır. Kapı kapama tutaçlarında, contalarında ve mandallarında, oyuncaklarda da kullanım alanı vardır.

4. SONUÇLARBu proje çalışmasında; metalürji sektörünün sadece kaba demir çelik üretiminden ibaret olmadığını, farklı üretim yöntemleriyle(burada toz metalürjisi ele alınmıştır) çok daha farklı alanlarda bu sektöre ihtiyacın olduğunu anlatabilmek amaçlanmıştır. Bu kapsamda Toz metalürjisinin ve fotokopi makinesinin tanıtımı ve tarihine de değinilmiştir. Öte yandan toz metalürjik yöntemle üretilen ve birçok alanda kullanılan manyetik malzemeler de incelenmiştir.

Toz metalürjisi giderek yaygınlaşan ve diğer metal üretimlerinden farklı bir tarza sahip olan üretim tekniğiyle metalürji sektörünün çeşitliliğini ortaya koymuştur. Gerek toz şeklindeki kullanımı, gerekse toz metalürjik yöntemle üretimi sayesinde toz metal sektörü ileride çok daha yaygın hale gelecektir.

33

KAYNAKÇA

[1] http://www.belgeler.com/blg/9rj/toz-metalurjisi

[2] http://www.belgeler.com/blg/y4p/toz-metalurjisi-ile-uretilen-demir-esasli-yapisal-parcalar-icerisine-katilan-b-ve-nib-ilavelerinin-mikroyapi-ve-mekanik-ozelliklere-etkisi-the-effect-of-b-and-nib-additions-on-microstructure-and-mechanical-properties-of-iron-base-structural-parts-were-produced-by-powder-metallurgy

[3] http://www.buzlu.org/fotokopi-nasil-icat-edildi/

[4] http://www.habersarayi.com/bilgi-bankasi/bilgi-bankasi/2395-fotokopi-makinesi-nedir-fotokopi-makinesi-nasil-calisir.html

[5] http://chem.eng.ankara.edu.tr/345/BOLUM4.pdf

34