T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

OTOMOBİL ENDÜSTRİSİNDE TOZ METALURJİSİ YÖNTEMİYLE ÜRETİLEN PARÇA KULLANIMI ve

PERFORMANSININ ARAŞTIRILMASI

Engin ALEV

Danışman: Yrd. Doç. Dr. Nihat YILMAZ

YÜKSEK LİSANS TEZİ MAKİNA EĞİTİMİ ANABİLİM DALI

ISPARTA–2011

2

i

İÇİNDEKİLER

Sayfa

İÇİNDEKİLER............................................................................................................. i

ÖZET...........................................................................................................................iii

ABSTRACT................................................................................................................iv

TEŞEKKÜR .................................................................................................................v

ŞEKİLLER DİZİNİ.....................................................................................................vi

ÇİZELGELER DİZİNİ............................................................................................. viii

SİMGELER DİZİNİ…................................................................................................ix

1. GİRİŞ………………………………………………………………………………1

1.1. Toz Metalürjisi…………………………………………………………………...2

1.1.1. Metal tozlarının üretimi…..…………………………………………………....4

1.1.1.1. Mekanik yöntemle toz üretimi……...………………………………………..5

1.1.1.2. Kimyasal yöntemle toz üretimi…………...………………………………….7

1.1.1.3. Elektrolitik yöntemle toz üretimi……………………...……………………..8

1.1.1.4. Atomizasyon yöntemiyle toz üretimi…...……………………………………9

1.1.2. Metal tozlarının karıştırılması ve yağlayıcı ilavesi……...…………………....10

1.1.3. Tozların preslenip şekil alması (sıkıştırma)………………………..……...….11

1.1.4. Sinterleme………………………………………………………………...…..14

1.1.5. Sinterleme atmosferleri…….………………………………………………....16

1.1.6. Sinterleme sonrası işlemleri (ikincil işlemler)…….………………………….18

1.1.7. Toz özellikleri ve karakterizasyonu……..……………………………………19

1.1.8. Demir tozlarına alaşım elementlerinin etkisi…………………………………25

1.1.9. Toz metalurjisinin avantaj ve sınırlılıkları…..……………………………..…27

1.1.10. Toz metalurjisi ürünlerinin dizaynı………………...………………………..29

1.1.11. T/M uygulamaları…….………………………………………………….….30

1.1.12. Otomotiv uygulamaları için toz metal parçalar……...…………………...…32

1.1.12.1. Motor parçaları……….……………………………………………………33

1.1.12.2. Dişli kutusu parçaları….…………………………………………………..33

1.1.12.3. Şasi ve diğer parçalar….…………………………………………………..34

1.1.12.4. Daha karmaşık parçalar…..………………………………………………..35

1.1.12.5. Yüksek mukavemetli parçalar…..…………………………………………36

ii

1.1.12.6. Daha fonksiyonel parçalar…………….…………………………….…….36

2. KAYNAK ÖZETLERİ….…………………………...……………………...……37

3. MATERYAL VE YÖNTEM………………………………………………….….41

3.1. Deneyler İçin Hazırlanan Toz Karışımları ve Üretim Parametreleri……..…….41

3.2. Sertlik Ölçümleri……………………………………………………………..…42

3.3. Basma Deneyi…………………………………………………………………..43

3.4. Çekme Deneyi……………………...………………………………………..….44

3.5. Üç Nokta Eğme Deneyi……………………..…………………………...……..45

3.6. Aşınma Deneyi………...………………………………………………….…….46

3.7. Metalografik Çalışmalar…………………………………………………….….48

4. ARAŞTIRMA BULGULARI ………………...………………………………….50

4.1. Sertlik Ölçüm Sonuçları………….………………………………………….….50

4.2. Basma Deneyi Sonuçları……….……………………………………………….52

4.3. Çekme Deneyi Sonuçları………………………..………………………...……56

4.4. Üç Nokta Eğme Deneyi Sonuçları…………………………………………...…60

4.5. Aşınnma Deneyi Sonuçları………………………………………………..……64

4.6. Metalografik çalışma sonuçları…………...……………….……………………68

4.6.1. Aşnma deneyinin optik mikroskop görüntü incelemeleri…………………….68

4.6.2. Üç nokta eğme numunelerinin kırık yüzey SEM

analizlerinin sonuçları………………………………………………………..70

4.6.3. Mikro yapı inceleme sonuçları………………….…………………………….72

5. TARTIŞMA VE SONUÇ………………………………………………………...77

6. KAYNAKLAR………………………………………………………………...…81

ÖZGEÇMİŞ……………………………………………………………………...….85

iii

ÖZET

Yüksek Lisans Tezi

OTOMOBİL ENDÜSTRİSİNDE TOZ METALÜRJİSİ YÖNTEMİYLE ÜRETİLEN PARÇA KULLANIMI ve PERFORMANSININ

ARAŞTIRILMASI

Engin ALEV

Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü

Makine Eğitimi Anabilim Dalı

Danışman: Yrd. Doç. Dr. Nihat YILMAZ

Bu tez çalışmasında, otomobil endüstrisinde toz metal parça kullanımını arttırmak, doğru parça seçimi yapmak ve parçalar üzerinde iyileştirme sağlamak amacıyla tez çalışması yürütülmüştür. Toz Metaurjisi (T/M) yöntemi ile ağırlıklı olarak otomobil parçaları üretilen Mo, C, Cu, Ni, MnS gibi elementlerden değişik oranlar katılarak oluşturulmuş dört farklı toz alaşım çeşidi ele alınmıştır. T/M üretim işletmelerinde 507, 505, 53, 45 olarak isimlendirilen alaşım çeşitleri için standartlarda belirtilen deney numuneleri 50 tonluk presler yardımı ile ilk (ham) şekillendirilmeleri yapıldı ve ardından sinterleme işlemine geçildi. Sinterleme işlemi 507, 505, 45 isimli tozlar için 400 oC’de ön ısıtmalı max. 1120 oC sıcaklığında içerisinde metan gazı ortamı bulunan fırınlarda sinterleme işlemi yapılmıştır ve sinterleme süresi yaklaşık olarak 1 saat 45 dk dır. 53 isimli toz ise 750 oC ön ısıtmalı, max. 1120 oC sıcaklığında içerisinde farklı olarak amonyak gazı ortamı sağlanmış şartlar altında sinterlenmiştir ve sinterleme süresi yaklaşık olarak 1 saat 30 dk dır. Ardından basma, çekme, üç nokta eğme ve aşınma gibi mekanik deneylere ilave olarak mikro yapı incelemeleri, sertlik ölçümleri ile Arşimet prensibine göre yoğunluk ölçümleri yapıldı. Deneyler neticesinde kırılan parçaların yüzeyleri SEM görüntüleri ile incelenmiştir. Sonuç olarak numunelerdeki alaşım ve üretim parametrelerine bağlı olarak deneylerdeki sonuçlar değişkenlik göstermiştir. Her deney kendi içerisinde ve sonrasında deneylerin tümü genel olarak değerlendirilmiştir. Sonuçlar genelinde karbon gibi malzemenin sertliğine büyük katkısı olan elementlerin alaşım içerisine katılması ile sertlik, aşınma gibi deney sonuçlarından iyi değerler elde edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Toz metalurjisi, sinterleme, otomotiv endüstrisi, mekanik özellikler, aşınma 2011, 85 sayfa

iv

ABSTRACT

M.Sc. Thesis

INVESTIGATION OF UTILISING AND PERFORMANCES OF THE PARTS

PRODUCTED BY POWDER METALLURGY METHODS IN AUTOMOTIVE INDUSTRY

Engin ALEV

Süleyman Demirel University

Graduate School of Applied and Natural Sciences Department of Mechanical Education

Supervisor: Assist. Prof. Dr. Nihat YILMAZ

In this thesis pactice, thesis practice was conducted with purpose of increasing to use powder metal component, making a choice of correct component and providing improvement on components. With particle metallurgy (T/M) method mostly four different particle compound types which were formed by adding different rates of chemical elements such as Mo, C, Cu, Ni, MnS from which automobile components are prodced were handled. In T/M production firms for compound types called 507, 505, 53, 45 first forming of experiment samples which are stated at standards were done with the help of fifty toner pressing machines and then continued with sintering process. For 507, 505, 45 particles sintering process was done in furnaces in which there is marsh gas at 400 degree Celsius preheating maximum 1120 degree Celsius and sintering period is approximately one hour forty five minutes. The participle 53 was sintered under the circumstances of 750 degree Celsius preheating at maximum 1120 degree Celsius in which there is ammoniac gas provided and sintering period is approximately one hour thirty minutes. After that, in addition to mechanic experiments such as compression, towing, bending three point and abrasion micro structure examinations, hydrotimetrie and density measurements according to Archimedean principles were done. In consequence of the experiments surfaces of broken components were examined with SEM images. After all, compounds in samples and experiment results according as production parameters varied. Each experiment in itself and then all the experiments were evaluated on the whole. Throughout the results by adding chemical elements which contributes hardness of materials such as carbon into the compound, good dignities were held from experiment results such as hardness and abrasion. Key Words: Powder Metallurgy, sintering, automotive industry, mechanical properties, wear 2011, 85 page

v

TEŞEKKÜR Yüksek Lisans çalışmam süresince bilgi ve tecrübelerinden istifade ettiğim, yapıcı ve

teşvik edici yaklaşımıyla çalışmalarımı yönlendiren değerli danışman hocam Yrd.

Doç. Dr. Nihat YILMAZ’a teşekkürlerimi sunarım. Yine çalışma süresince gerek

moral olarak gerekse de deneysel çalışmalarda katkı sağlayan değerli hocalarıma ve

arkadaşlarıma desteklerinden dolayı teşekkür ederim.

Deneysel çalışmalarımda önemli katkılarını gördüğüm Toz Metal A.Ş Üretim

Müdürü Yük. Metalürji Müh. Aytaç ATAŞ’a ve tüm fabrika çalışanlarına, laboratuar

imkânlarını ve bilgilerini paylaşmaktan çekinmeyen Sakarya Üniversitesi Teknik

Eğitim Fakültesi Yapı Eğitimi Bölümü Dekan yardımcısı Doç. Dr. Mehmet

SARIBIYIK’a, Metal Eğitimi Bölümü değerli hocalarından Prof. Dr. Hüseyin ÜNAL

ve Doç. Dr. Ramazan YILMAZ’a ve Arş. Gör. Murat ÇOLAK ile S.Hakan

YETGİN’e, Mühendislik Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği bölümü

hocalarından Prof. Dr. Fatih ÜSTEL’e, İstanbul Üniversitesi Mühendislik Fakültesi

Metalurji ve Malzeme Mühendisliği bölümü Arş. Gör. Nuray BEKÖZ’e ve Kocaeli/

Gölcük Tek. End. Mes. Lisesi Makine Atölyesi şefi değerli hocam Selahattin

DURAN’a teşekkürü bir borç bilirim.

Son olarak bugüne kadar yetişmemde maddi-manevi en büyük emeği olan başta anne

ve babam olmak üzere bütün aileme ve büyüklerime; saygı, sevgi ve şükranlarımı

sunarım.

Engin ALEV ISPARTA–2011

vi

ŞEKİLLER DİZİNİ

Şekil 1.1. Toz metalurjisi aşamaları…………………………………..…………….4

Şekil 1.2. Mekanik ufalama yöntemi…………………………………..………...…5

Şekil 1.3. Mekanik atritör…………………..……………………………..…...….. 6

Şekil 1.4. Elektrolitik hücreden metal tozlarının oluşumu……………………..…..8

Şekil 1.5. Atomizasyon Yöntemi ………………………………………...…...……9

Şekil 1.6. Santrifüj atomizasyon yöntemleri………………………..………..……10

Şekil 1.7. Karıştırıcı geometrileri……………………………………………....….10

Şekil 1.8. Toz metal parçaların sıkıştırma basamakları…………………...…...….12

Şekil 1.9. Metalürjik açıdan sıkıştırma işlemi……………………………..…..….12

Şekil 1.10. Yoğunluk – Basınç ilişkisi…………………………………………..….13

Şekil 1.11. Sinterlemede tipik bir ısıl işlem döngüsü……..………………………..14

Şekil 1.12. Serbest tozların sinterleme aşamaları………………………………..…15

Şekil 1.13. Sinterlemenin orta aşamasında yapısal değişimler…………………..…16

Şekil 1.14. Sinterleme ünitesi…………………………………………………..…..17

Şekil 1.15. Toz metalurjisinde bazı partikül şekilleri ve tanımları……………...….21

Şekil.1.16. Muhtemel partikül şekilleri ve boyut belirlemede kullanılan

parametreleri…………………………………...…………….…..……..22

Şekil 1.17. T/M otomobil parçaları………………..………………………….….…33

Şekil 1.18. T/M ile üretilmiş dişli……………………………………….……….…34

Şekil 1.19. Araçlardaki T/M parçaların gelişimi ile ilgili beklentiler…………...….35

Şekil 3.1. Makro sertlik ölçümü yapılmış numune…………….…………….……42

Şekil 3.2. Sertlik ölçme cihazı………………...………………………...….…..…43

Şekil 3.3. Basma deneyi numunesi……………...………………...…………...….43

Şekil 3.4. Basma deneyi cihazının görüntüsü………..…………...…………....….44

Şekil 3.5. Çekme deneyi numunesinin ölçüleri……...……………...…….………44

Şekil 3.6. Üç nokta eğme deneyi şematik görünüşü…………...……….…………46

Şekil 3.7. Aşınma deneyi görüntüsü………….……………………….……….….47

Şekil 3.8. Pim-disk aşınma cihazının şematik gösterimi……………......…..…….48

Şekil 3.9. Metalografik cihazlar………………….…………………………..……49

Şekil 4.1. Numunelerin Brinell sertlik ölçüm sonuçları grafiği………….…......…50

Şekil 4.2. Bazı alaşım elementlerinin çeliğin sertliğine etkileri…………….….…51

vii

Şekil 4.3. 507 numaralı numunenin boy-çap değişim grafiği……………………...52

Şekil 4.4. 505 numaralı numunenin boy-çap değişim grafiği………...…………....53

Şekil 4.5. 53 numaralı numunenin boy-çap değişim grafiği ……………………...54

Şekil4.6. 45 numaralı numunenin boy-çap değişim grafiği ……………….….….54

Şekil 4.7. Numunelerin ortalama boy azalması ve çap artışı miktarları…………..55

Şekil 4.8. Farklı ortamlarda sinterlenen T/M parçaların gerilme-uzama

eğrilerinin değişimi.………………………………………………….....57

Şekil 4.9. Numunelerin çekme deneyi grafikleri …………………………………58

Şekil 4.10. Yoğunluğun çekme mukavemetine etkisi …...…………………….…..59

Şekil 4.11. Numunelerin üç nokta eğme deneyi grafikleri………………..………..62

Şekil 4.12. Üç nokta eğme deneyi kırılma kuvveti-çapraz kırılma

mukavemeti ilişkisi…………………………………………………..…63

Şekil 4.13. Üç nokta eğme deneyi numunelerinin uzama oranları………..…..……63

Şekil 4.14. Numunelerin kayma mesafesi-sürtünme katsayısı ilişkisi…...……..…..65

Şekil 4.15. Numunelerin aşınma deneyi kayma mesafesi-sürtünme

katsayısı eğrisi…………………………………………………………..66

Şekil 4.16. Numunelerin aşınma oranları..………………..………………..……....66

Şekil 4.17. Numunelerin aşınma deneyi sonrası pim ve disk parçası

optik görüntüleri………….……..…………………………………...….69

Şekil 4.18. Numunelerin üç nokta eğme deneyi sonrası kırık yüzey

SEM görüntüleri……………..…..……………………………………...73

Şekil 4.19. Numunelerin optik mikroskop görüntüleri……………...………..…….73

Şekil 4.20. T/M malzemelere ilave edilen alaşım elementlerinin

preslenebilirliğin azalmasına etkisi..…………………………………....74

Şekil 4.21. Numunelerin dağlanmış mikroyapı görüntüleri……………………..….75

viii

ÇİZELGELER DİZİNİ

Çizelge 1.1. Tozların özellikleri ve üretim yöntemleri…………………….…...….23

Çizelge 1.2. Metal tozlarının ana uygulama alanları…………………………....…30

Çizelge 3.1. Deney parçaları için toz karışım oranları………………………….….41

Çizelge 3.2. Basma deneyi numunelerinin yoğunluk- bağıl yoğunluk ilişkisi.........43

Çizelge 3.3. Çekme deneyi numunelerinin yoğunluk- bağıl yoğunluk ilişkisi…….45

Çizelge 3.4. Üç nokta eğme deneyi numunelerinin yoğunluk-bağıl

yoğunluk ilişkisi....................................................................................45

Çizelge 4.1. 507 numaralı numunenin boy ve çap değişim oranları……..……...…52

Çizelge 4.2. 505 numaralı numunenin boy ve çap değişim oranları…..………...…53

Çizelge 4.3. 53 numaralı numunenin boy ve çap değişim oranları……..……….....53

Çizelge 4.4. 45 numaralı numunenin boy ve çap değişim oranları….……..……....54

Çizelge 4.5. 507 numaralı numunenin çekme deneyi sonuçları………………...…56

Çizelge 4.6. 505 numaralı numunenin çekme deneyi sonuçları………………...…56

Çizelge 4.7. 45 numaralı numunenin çekme deneyi sonuçları……………….…....57

Çizelge 4.8. 507 numaralı numunenin üç nokta eğme deneyi sonuçları………..…60

Çizelge 4.9. 505 numaralı numunenin üç nokta eğme deneyi sonuçları.………….60

Çizelge 4.10. 53 numaralı numunenin üç nokta eğme deneyi sonuçları…………....60

Çizelge 4.11. 45 numaralı numunenin üç nokta eğme deneyi sonuçları…………....60

Çizelge 4.12. Numunelerin aşınma deneyi sonrası ağırlık kayıpları……………......64

ix

SİMGELER DİZİNİ

T/M Toz Metalürjisi

CNC Bilgisayar sayısal kontrolü

MPIF Metal Toz Endüstrileri Federasyonu

EPMA Avrupa Toz Metalürjisi Birliği

ISO Uluslararası Standart Örgütü

TS Türk Standartı

MPa Mega paskal (basınç birimi)

HB Brinell sertlik değeri

SEM Tarama elektron mikroskobu

TRS Çapraz kırılma mukavemeti

μ Sürtünme katsayısı

μm Mikrometre

δ Yoğunluk

D Çap

F Kuvvet

γ Bağıl yoğunluk

MIM Metal enjeksiyon kalıplama

2P2S Çift pres çift sinterleme

Cu Bakır

C Karbon

Ni Nikel

Mo Molibden

Zn Çinko

Zn-st Çinko sterat

TRS Çapraz kırılma mukavemeti

P Kırılma Yükü

L Çenelerin destek noktası arası mesafesi

T Parça kalınlığı

W Parça genişliği

1

1. GİRİŞ

Demir, metal ve bunların alaşımlarından yararlanarak üretim yapan işletmelerin

sahip oldukları teknolojilerini sürekli geliştirerek parça üretimi esnasındaki proses

sürelerini en kısa zamana indirmek, az sayıda aşama ile net şekle yakın üretim

yapabilmek ve bunu yaparken üretilen parçanın mekanik özeliklerinin olumsuz

etkilenmemesini sağlamak hatta sertlik, çekme, basma, burulma gibi mukavemet

değerlerinin iyileştirilmesi istenmektedir.

Yukarıda belirtilen aşamaları sağlayarak üretim yapılmasına olanak tanıyan çeşitli

metotlar vardır ve bunlar arasında demir, metal, karbon ve bunlara benzer alaşımların

malzeme cinsi olarak kullanılan ve parçanın mekanik özelliklerinde çok iyi bir sonuç

veren metot, toz metalurjisi ile üretim diyebiliriz.

Toz Metalurjisi (T/M), çeşitli metal işleme teknolojileri arasında en farklı üretim

tekniğidir. Yüksek kaliteli ve karmaşık parçaların ekonomik olarak üretilebilmesi,

toz metalurjisi yöntemini cazip kılmaktadır. Toz metalurjisi farklı boyut, şekil ve

paketleme özelliğine sahip metal tozlarını sağlam, hassas ve yüksek performanslı

parçalara dönüştürür. Toz metalurjisi, diğer üretim yöntemlerine nispeten düşük

enerji tüketimine, yüksek malzeme kullanımına ve düşük maliyete sahip seri

üretimde verimlice kullanılır. Sahip olunan bu özellikler ile Toz metalurjisi

verimlilik, enerji ve hammadde gibi günümüzün sorunlarını ortadan kaldırır.

Bunların sonucu olarak, toz metalurjisi konusu sürekli gelişmekte ve geleneksel

metal şekillendirme işlemlerinin yerini almaktadır (Karaaslan, 2002).

Dünya T/M piyasası yıllık %12 oranında genişlemektedir. En çok kullanılan metal

tozu %85'le demir-çelik tozudur. İkinci sırada %6–7 ile bakır alaşımları gelir.

Otomotiv sektörü % 71 ile en büyük T/M parça kullanımına sahiptir (Sarıtaş, 1995).

Bu yüksek lisans tez çalışmasında özelikle otomotiv parçası üretilen demir tozu

ağırlıklı dört karışım çeşidi seçilmiş ve standartlar çerçevesinde numuneler üretilerek

çekme deneyi, basma deneyi, üç nokta eğme deneyi, aşınma deneyi gibi mekanik

2

deneyler yapılmış ve sertlik değerleri ölçülmüştür. Ayrıca numuneler optik - sem

görüntüler yardımıyla kendi aralarında bir incelemeye tabi tutulmuştur.

1.1. Toz Metalurjisi

Toz Metalurjisi ( T/M ) bilinen en eski metal şekillendirme yöntemidir. İlk insanlar

doğada saf haliyle bulduğu metalleri ergitemediğinden, onları çekiçlerle döverek

birleştirmeyi gerçekleştirmişlerdir. Mısırlılar, M.Ö. 3000 yılında sünger demirden

çeşitli el aletleri üretmiştir. Yeni Delhi Kolonu 6,5 ton ağırlığında olup, M.Ö. 414-

375 yılında sünger demirden şekillendirilmiştir (Sarıtaş, 1995).

Modern anlamda T/M yöntemlerinin ilk uygulaması ancak yüzyıllar sonra 18. ve 19.

yüzyıl Avrupa'sında değerli bir metal olan platinin işlenmesi sırasında oluşmuştur.

Platin sünger tozundan kompakt platin üretimi, modern T/M' nin başlangıcı olarak

düşünülmektedir. Toz metalurjisinin ilk ticari uygulamaları Karbon ve daha sonra

Zirkonyum, Vanadyum, Tantalyum, Tungsten'in akkor lamba flamaları için

kullanılmasıyla oluşmuştur (Ünlü ve Öveçoğlu, 1995).

İlk olarak Lewis (1755), kurşun-platin alaşımından kurşun oksidin giderilmesi

sonucu süngerimsi bir platin kütlesinin kaldığını keşfetti. Buna benzer ısıtmaya bağlı

olarak arseniğin uçurulması ile dövülerek toz haline getirilebilen, platin süngerinin

kaldığı tespit edildi. Bu gelişimi takiben Rochon (1798) ve Tilloch (1805) platin

tozlarından tam pekişmiş kompakt kütleler üretmeyi başardılar. Bu gelişmenin

devamında 1829 yılında Wollaston tarafından sıvı çözeltilerde amonyak-platin klorür

çökelmesiyle başlayan ve son olarak katı platin külçesine ulaşılan aşamalar modern

anlamda toz metalurjisi tekniklerinin ilk uygulamaları olmuştur (Öveçoğlu,1997).

T/M yönteminde modern gelişmeler 1. Dünya savaşı yıllarında başlamıştır.

Gözenekli gereçler, mıknatıslar ve emdirilmiş demir tozu parçalar bu yıllarda

üretilmiştir. Otomotiv sanayinde olan büyük gelişmeler T/M yöntemlerini birlikte

büyütmüştür. 1940'lı yıllarda T/M ürünü olarak en çok bakır esaslı kendi kendini

yağlayan yataklar üretilmiştir. 1950'li yıllardan itibaren demir ve çelik tozlarından

üretilen dişliler, kamlar ve çeşitli makine parçaları piyasaya egemen olmaya

3

başlamıştır. 1960' lı yıllarda dövme çelik parçalar, takım çelikleri ve izostatik

preslenmiş süper-alaşımlar gibi tam yoğun T/M gereçler üretilmiştir (Sarıtaş, 1995).

Seri üretimin otomotiv endüstrisine geçmesi, büyük tonajlarda demir ve bakır

tozlarının ve modern T/M' nin teknolojik birçok avantajının doğmasına sebep

olmuştur. 1940 ve 1950'lerin başlarına kadar, otomotiv endüstrisinde kullanılan bakır

tozu ve kendinden yağlamalı yataklar, toz metalurjisinin temel ürünleri olmuştur.

Özellikle uzay teknolojisinin ve nükleer teknolojinin gelişmesiyle reaktif ve refrakter

metallerin toz metalurjisi yöntemi ile üretilmesi yaygın hale gelmiştir (Karaaslan,

2002).

1970'lerin ortalarından itibaren hemen hemen tüm ikili, üçlü ve daha fazla metal

sistemlerini içine alan yeni bir metalürji dalı olan toz metalurjisi, endüstride yaygın

olarak kullanılmaya başlamıştır. Ergime döküm süreçleri ile eldesi mümkün olmayan

ve şekillendirilemeyen bu tür sistemlerde gerçekleştirilen çeşitli toz metalurjisi

yöntemleri ile tam olarak homojen, segragasyonsuz, yoğun ince taneli ve yüksek

mukavemetli malzemeleri üretmek mümkündür (Ünlü ve Öveçoğlu, 1995).

Bir son şekle yakın parça üretim teknolojisi olan Toz Metalurjisi, oldukça farklı bir

üretim yaklaşımıyla sürekli ve hızlı gelişen bir teknik olarak kullanılmaktadır.

Yöntemin başlangıç malzemesi, çeşitli tekniklerle 1mm’ den daha küçük boyutlara

ayrılmış bir katı olarak tanımlanan toz parçacıklarıdır. Çoğu durumda, tozlar metalik

olabileceği gibi, seramik ve polimer gibi diğer fazların birleştiği örneklerde vardır.

Tozun en önemli karakteristiği; hacimle orantılı relativ yüksek yüzey alanıdır

(German, 1989).

Toz Metalurjisi, metal veya metal dışı malzemelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri

ile ilgili tüm bilgileri kullanır. Ayrıca fiziksel kimya, metal fiziği, malzeme bilimi,

şekillendirme teknolojisi bilgileri ile geometrik olarak tamamlanmış parçalarla

fiziksel olarak tanımlı ve ön şekillendirilmiş malzemelerin ve toz malzemelerin

şekillendirilmesine ısının etkisi üzerine verilerin tümünü başarılı bir şekilde sentezler

ve kullanır (Šalak, 1995).

4

Bu üretim yöntemi temel olarak; tozların elde edilmesi, tozların sıkıştırılması

(preslenmesi) ve daha sonra sinterleme yoluyla ısıl bağlanması basamaklarını içerir

(Şekil 1.1) (Orban, 2004).

Şekil 1. 1. Toz metalurjisi aşamaları Demir esaslı T/M’ nin gelişimi başlıca otomotiv endüstrisindeki gelişmelerle birlikte

tüm T/M endüstrisinin gelişiminin ölçütü olarak kabul edilir. Bu durum, T/M

teknolojisinin çoğu zaman büyük seri üretim gerektirdiğini ve T/M prosedürünün en

çok istenen yükleme şartları için ve direkt olarak kullanılan ve bu yüzden boyutsal

olarak hassasiyet gerektiren malzemelerin hazırlanmasında kullanılabileceğini

gerçeğiyle ifade edilir (Šalak, 1995).

1.1.1 Metal Tozlarının Üretimi

Toz metalurjisinde başlangıç malzemesi metal tozlardır. Bunlar doğada direk

kullanılacak halde bulunmayan ve üretim metodu nihai ürün özelliklerini büyük

oranda etkileyen bir başlangıç üründür. Böylece T/M yöntemiyle üretilen malzeme

ve parçalar için başlangıçta gerekli olan, ürünün muhtemel özelliklerini mümkün

olduğu kadar yüksek oranda sağlayacak, proses şartlarına uygun özellik aralığında

tozların üretilmesidir (Šalak, 1995).

Metal tozlarının üretimi

Tozların karıştırılması (Yağlayıcı ilavesi)

Tozların preslenip şekil alması

Sinterleme

Sinterleme sonrası ikincil işlemler

Bitmiş ürün

1 2 3

4 5 6

5

Toz metal teknolojisinin kullanımının yaygınlaşması ve buna paralel olarak yeni toz

tiplerine olan ihtiyaç sonucu, metal toz üretim teknikleri de kalite, maliyet, mevcut

performans gereksinimleri ve yeni uygulamalara cevap verebilmek için sürekli

gelişmekte ve teknik olarak iyileşmektedir. Toz üretim teknikleri başlıca dört

kategoride incelenebilir. Bunlar; mekanik, kimyasal, elektrolitik ve atomizasyon

teknikleridir (German,1984). Uygun metal toz üretim tekniğinin seçimi; üretim

miktarı, toz özellikleri, malzemenin fiziksel ve kimyasal özelliklerine bağlıdır (ASM,

1998).

1.1.1.1.Mekanik Yöntemle Toz Üretimi

Mekanik yöntemle toz üretimi; öğütme, talaşlı işleme, mekanik alaşımlama gibi

yöntemleri kapsar, ancak en yaygın kullanılan yöntem mekanik öğütmedir. Metaller

arası bileşikler, demir alaşımları, demir-krom, demir-silisyum v.b. gibi kırılgan

malzemeler mekanik olarak bilyalı değirmenlerde öğütülürler (Şekil 1.2).

Şekil 1. 2. Mekanik ufalama yöntemi (German, 1984)

Fakat öğütme işlemi birçok sünek metal için uygun değildir; çünkü bu metaller

kolayca kırılmazlar. Sünek tanecikler kırılma yerine birbirleri ile soğuk olarak

kaynaklanır ve daha büyük tanecik oluştururlar. Bu durumda, soğuk kaynaklanmayı

ve yapışmayı engellemek için yağlayıcılar kullanılır. (German, 1984). Bu yöntemde

kritik faktör; sürülen silindirlerin dönme hızıdır (Şekil 1.2).

6

Çok yüksek hız, malzeme ve bilyalar arasındaki santrifüj (merkezkaç) kuvvet ve

relativ hareketten dolayı, malzeme ve bilyaların, silindir duvarlarına sıkışmasına

neden olacaktır. Düşük hız ise silindirin daha düşük parçalarda önemsiz hareket

miktarıyla sonuçlanacaktır. Optimum hız, bilya ve malzemenin belli miktarının

silindirin üzerine yükselmesine ve ufalanan malzemenin aşağıya düşmesine izin

veren duruma karşılık gelen hızdır (Yılmaz, 2006).

Diğer bir mekanik yöntem de mekanik alaşımlamadır. Mekanik alaşımlama (MA),

elementel tozlardan başlayarak ticari olarak faydalı malzemelerin dengeli ve

dengesiz fazlarından sentezlemek için kullanışlı ve basit bir yöntemdir. Önemli

teknik avantajlarıyla birlikte aynı zamanda ekonomik bir prosestir. MA’ nın en

büyük avantajlarından birisi, normalde birbiriyle karışmayan elementlerin

alaşımlanması gibi diğer tekniklerle mümkün olmayan yeni alaşımları

ortayaçıkmasıdır. Bu, MA’ nın tamamen katı-durum prosesi olması nedeniyledir ve

bu yüzden sınırlılığı bu alana uygulanamayan faz diyagramlarıdır. MA alaşım

tozlarını oluşturmak için elementel tozlar ve bilyaların karışımını kullanır.

Şekil 1.3, mekanik atritörü göstermektedir. Giriş malzemesi sırasıyla, soğuk kaynak

ve kırılma adımlarını izler. Alttaki şekilde de, aşındırıcı bilyalarla tozların sürtüşmesi

sonucu mikro yapının mikroskobik olarak homojenleşmesi gösterilmiştir (German,

1984).

Şekil 1.3. Mekanik atritör (German, 1984)

7

1.1.1.2. Kimyasal Yöntemle Toz Üretimi

Hemen hemen tüm metaller kimyasal yöntemle üretilebilir. Kimyasal ve

fizikokimyasal yöntemlerle metal tozlarının üretimi, toz özelliklerinde önemli

farklılıklara izin verir. Proses değişkenlerinin ve üretim parametrelerinin çok

çeşitliliği partikül boyutu ve şeklinin sıkı kontrolüne müsaade eder (Yılmaz, 2006).

Bu yöntemde tozlar, oksitlerin indirgenmesi, çözelti veya bir gazdan çökelme, termal

ayrışma, kimyasal gevrekleştirme, hidrit çökelme gibi farklı kimyasal işlemlerle

üretilir. Bu kategoride en yaygın kullanılan proses, oksit indirgeme, ayrıştırma ve ısıl

çöktürmedir (ASM, 1998).

Oksit indirgeme, demir, bakır, tungsten ve molibden tozlarının kendi oksitlerinden

üretimi, ticari olarak oldukça iyi yapılmaktadır. İndirgeme ortamı katı, gaz ve sulu

çözelti olabilmektedir (Upadhyaya, 1996). Daha küçük ölçekte, oksit indirgeme

kobalt ve nikel tozlarının üretiminde de kullanılır. Bu yöntemle üretilen tozlar,

karakteristik olarak, sünger toz olarak isimlendirilir. Höganas yöntemi katı indirgeme

ortamlarıyla demir oksitlerinin indirgenmesiyle demir tozu üretiminde en önemli

yöntemdir. Bu yöntemde, başlangıç malzemesi yüksek saflıkta magnetit filizlerdir

(Fe3O4). Bu cevherin uygun indirgeyici ortamlarla indirgenmesiyle sünger yapılı

demir tozları elde edilir (Yılmaz, 1999).

Bu süngerimsi yapı, gözeneklerin boyut ve miktarıyla kontrol edilir ve iyi

sıkıştırılabilirlik (yüksek ham mukavemet) için kullanılır (Yılmaz, 2006).

Oldukça yaygın kullanılan diğer bir kimyasal yöntem olan ayrıştırma prosesi ile iki

kategoride toz üretimi yapılır; bunlar metal hidritler ve metal karbonillerin

ayrıştırılmasıdır. Metal hidritleme; Ti, Zr, Hf, V,Th veya U gibi refrakter metallerin

sünger formda ısıtılmasıyla hidritlenmesini içerir. Metaller talaş formunda hidrojenle

ısıtılır. Kırılgan hidritler toz haline öğütülür, daha sonra artırılmış sıcaklıkta vakum

altında dehidritlenir. Örneğin, TiH2 300–500 °C arasındaki sıcaklık aralığında

titanyumdan şekillenir. Bu hidritler, oldukça kırılgandır ve istenen incelikteki toza

bilyalı öğütülmeye hazırdır (Upadhyaya,1996).

8

Bir diğer kimyasal yöntem olan ısıl çöktürme ile hem demir hem de nikel kendi

karbonillerinin çöktürülmesiyle üretilir. 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.

Karboniller, özel sıcaklık ve basınçta süngersi metal üzerinden karbon monoksitin

geçirilmesiyle elde edilir (ASM, 1998).

1.1.1.3. Elektrolitik Yöntemle Toz üretimi

Elektrolitin kimyasal bileşimi ve mukavemeti, sıcaklık, akım yoğunluğu gibi şartları

uygunca seçerek, birçok metal sünger veya toz durumunda katot üzerinde

biriktirilebilir. Metallerin yaygın örnekleri, titanyum, paladyum, bakır, demir ve

berilyum elektrolitik yöntemle yüksek saflıkta tozlara şekillendirilebilir. Elektrolitik

yaklaşımın ana cazibesi yüksek saflıkta toz üretmesidir. Çevrim, Şekil 1.4’de

gösterildiği gibi elektrolitik hücreye uygulanan gerilim altında anodun çözünmesiyle

başlar. Bakır ve demirle ilgili anot ve katot reaksiyonları şekildeki gibidir. Elektrolit

(sülfat bazlı) içerisine taşıma katotta şekillenen tozları saflaştırmada kullanılır. Daha

sonraki işlemlerde, katot tortusu kaldırılır ve yıkama, kurutma, indirgeme, tavlama

ve öğütme aşamalarından geçirilir (German, 1984).

Şekil 1.4. Elektrolitik hücreden metal tozlarının oluşumu

9

1.1.1.4. Atomizasyon Yöntemiyle Toz Üretimi

Bu işlemde ergimiş metal, küçük damlacıklara parçalanır ve damlacıklar birbirleri ile

veya katı yüzeyle temasa geçmeden hızlıca soğutulur. Bu yöntemde, ergimiş metal

yüksek enerjili gaz veya sıvı çarpmasına, ultrason, merkezkaç veya bazı diğer

mekanik etkilere maruz bırakarak sıvı metali daha küçük parçalara ayrılmaktadır. En

yaygın kullanılan atomizasyon yöntemleri su ve gaz atomizasyondur. Sonuç olarak

bir atomize ortamda veya ilave soğuma etkisi altında hızlıca soğuyan ergimiş metal

damlacıklar halinde dağılır. Oluşan toz partiküllerinin yapısı, şekli ve dispersiyon

derecesi; sıcaklık, viskozite ve eriyiğin yüzey gerilimi, soğutma şartları ve ergiyik

üzerine etkileyen enerjinin değişimiyle geniş aralıkta değişebilir (Šalak,1995). Hava,

azot, helyum ve argon en çok kullanılan gazlardır (Şekil 1.5). Su ise sıvılar içinde en

çok kullanılandır.

Şekil 1.5. Atomizasyon Yöntemi a) Su Atomizasyon b) Gaz Atomizasyon (German, 1984)

Ayrıca, artan oranlarda uygulama alanı bulan diğer birçok atomizasyon yöntemleri

vardır. Bunlardan en önemlisi santrifüj atomizasyonudur. Ergimiş metalin

damlacıkları yüksek hızda dönen bir diskten fırlatılırlar. Başlıca iki çeşit santrifüj

atomizasyonu vardır. Bunlardan birincisinde, bir kap içindeki ergiyik metal, ergiyik

metalin damlacıklara ayrılması için uygun bir hızda düşey eksen etrafında

a) b)

10

döndürülür veya bir metal demeti dönen bir disk, kupa veya elek üzerine akıtılır veya

son olarak da dönen bir çark ergimiş metal içine daldırılarak ergimiş metali

damlacıklar halinde savurur (Şekil 1.6).

Şekil 1.6 Santrifüj atomizasyon yöntemleri a) döner disk, b) döner kupa, c) döner çark, d) döner elek (German, 1984)

1.1.2 Metal Tozlarının Karıştırılması ve Yağlayıcı İlavesi

T/M teknolojisinin toz imalatından sonraki önemli bir aşaması, homojen bir şekilde

karıştırılmasıdır. Metalik tozlar, yağlayıcılar ve isteğe bağlı alaşım elementleriyle

homojen bir karışım elde etmek için karıştırılır. Karışım, imalatı yapılacak parçanın

ağırlığına göre, % olarak karışım elementlerinin ağırlığı belirlenerek oluşturulur.

Karışım içerisine, genellikle % 0,5–1,5 arası yağlayıcı ilave edilmektedir. Yağlayıcı

olarak çinko stearat, stearik asit, metalik stearatlar ve parafin en çok kullanılanlarıdır.

Özellikle küresel tozların paketlenmesinde, parafin, polivinil alkol (PVA) gibi

bağlayıcılar sıklıkla kullanılmaktadır. Yağlayıcının temel amacı, toz taneleriyle

takım yüzeyleri ve kalıp duvarları arasındaki sürtünmeyi azaltmak, tozların

sıkıştırma sırasında kolay kaymalarını sağlamaktır (Hale, 2003). Karıştırma işlemi,

Şekil 1.7.’ de verilen prizmatik, V şekilli ve çift taraflı konik kaplar tarafından

gerçekleştirilir.

Şekil 1.7 Karıştırıcı geometrileri a)silindirik, b)döner küp, c) çift taraflı konik, d) V tipi (German, 1984)

11

Karıştırma işleminde karıştırıcı doluluk oranının, minimum % 30–40 olması tavsiye

edilmektedir. Karıştırma işleminin 20–30 d/d hızda, 20–30 dakika süreyle yapılması

tavsiye edilmektedir. Optimum karıştırma işlemi, ham yoğunluğu ve sinterleme

sonrası yoğunluğu etkilemektedir.

Uygun karıştırma yapılmazsa, partiküller arasında mekanik kilitlenme meydana

gelerek sinterleme sonrası daha büyük gözenekli yapı meydana gelmekte ve bu

mekanik özelliklerin kötüleşmesine neden olmaktadır. Yüksek hızda karıştırma

homojenliği ortadan kaldırır ve toz tanelerinde plastik deformasyon meydana

getirebilmektedir. (German, 1989).

1.1.3 Tozların Preslenip Şekil Alması ( Sıkıştırma )

Toz metalurjisindeki en önemli ve üçüncü işlem basamağı sıkıştırmadır. Metal tozlar,

özel olarak hazırlanmış kalıp içersinde basınç etkisiyle briket hale getirilir.

Sıkıştırmanın (sıkıştırma) temel amacı, toz partiküllerinin istenilen şekle

dönüştürülmesi için, yapıya kendi ağırlığını taşıyabilecek kadar yoğunluk

kazandırılmasıdır. Sıkıştırma, eksenel, izostatik ve hacim deformasyonu olarak üç

farklı yöntemde gerçekleştirilir. Eksenel sıkıştırma; tek ve çift etkili olabildiği gibi

soğuk, sıcak ve ılık sıkıştırma şeklinde de olabilmektedir. İzostatik sıkıştırma soğuk

ve sıcak olmak üzere iki farklı şekilde uygulanabilir. Hacimsel deformasyon

işlemleri ise, toz dövme, toz extrüzyon ve toz haddeleme olarak uygulanmaktadır

(ASM, 1998).

Değişik sıkıştırma teknikleri olmakla beraber en yaygın kullanılanı tek eksenli bir

kalıp ile basma işlemidir. Tek eksenli kalıp ile sıkıştırma tekniği kesintisiz üretim,

otomasyon sistemleri, yüksek miktarlarda metal ve seramik parçalar ile ilaç ve

patlayıcı endüstrisinde yaygın kullanım alanına sahiptir. Bu nedenlerden dolayı

endüstriyel uygulamalardaki çoğu T/M parçaları bu teknik kullanılarak üretilirler

(Kurt, 2004).

12

Şekil 1.8. Toz metal parçaların sıkıştırma basamakları ( Türk TM Derneği, 2006)

Çift etkili sıkıştırmada, zımbaların her ikisi de hareketlidir. Şekil 1.8.a ilk aşamadır

ve imal edilecek parçanın kalıbı daha önceden tasarlanmış olup, bu aşamada kalıp

prese montajlanır. Şekil 1.8.b ikinci aşamada, toz partikülleri kalıp doldurma

pabucundan kalıba serbest akış durumunda doldurulur. Üçüncü aşamada, kalıp

boşluğuna doldurulan toz, sistemin titreşim mekanizmasıyla sıkıştırma öncesi

titreşimli yoğunluk kazandırma işlemi yapılarak doldurulan tozun kalıpta düzgün bir

şekilde yerleşmesi sağlanır. Bu sırada da, ıstampa ile kalıp yüzeyinde artan tozlar

diğer toz haznesine itilir ve üst zımba sıkıştırmak için dişi kalıp boşluğuna yerleşir

(Şekil 1.8.c). Dördüncü aşamada, sıkıştırma işlemi gerçekleştirilir. Bu aşamada, toz

taneleri sıkıştırmanın etkisiyle belli bir değerde yoğunluk ve mukavemet kazanarak

briket hale gelmektedir. Beşinci aşamada ise mukavemet ve yoğunluk kazandırılmış

ham briket, belli bir sıyırma kuvvetiyle alt zımba tarafından kalıp boşluğundan

çıkartılır. Altıncı ve son aşamada (Şekil 1.8.f), kalıp boşluğundan çıkarılan ham

briket toz doldurma pabucu tarafından itilir ve ikinci parçanın preslenmesi için toz

doldurma işlemi gerçekleştirilir. Şekil 1.9.’ da görüldüğü gibi, sıkıştırma işlemi

metalürjik açıdan üç aşamada ele alınabilir (German, 1989; Kurt, 2004)

Şekil 1.9. Metalürjik açıdan sıkıştırma işlemi (German, 1989)

13

• İlk aşamada, sıkıştırma basıncının uygulamasından sonra, toz tanelerinin yer

değiştirmesi ve yeniden pozisyon belirlemesi sağlanır. Bu aşamada, plastik

şekillendirme yoktur, ancak bir kısım toz tanelerinde kırılma olabilir. Partikül

boyutu, şekli, toz boyut dağılımı ve taneler arası sürtünme önemli rol oynar.

• İkinci aşamada elastisite ve plastik deformasyon faktörleri baskındır.

Partiküller arası soğuk şekillendirmeye bağlı olarak bağlar oluşabilir. Ayrıca,

tanelerin mekaniksel kilitlenmeleri ve tane-tane etkileşimleri bu aşamada

gerçekleşir.

• Sıkıştırma basıncının arttığı ve sıkıştırmanın son aşamasında, toz tanelerinin

kırılması, boşlukların dolması ve toz taneleri arasında soğuk kaynaklanma

oluşmakta ve ham yoğunluk kazandırılmış olur (Yalçın, 2007).

Şekil 1.10. Yoğunluk – Basınç ilişkisi ( Toz Metalurjisi Dergisi, 2010) Şekillendirme ve sıkıştırma yöntemine karar verilirken aşağıdaki parametreler

dikkate alınır (Yalçın, 2007):

Kullanılacak tozun tipi (küresel, sünger, pul) ve toz imalat yöntemi

Bağlayıcı ve yağlayıcı kullanımı

Rijit kalıp kullanımı

Üretilecek malzemeden istenilen özellikler

14

1.1.4 Sinterleme TM teknolojisinin diğer önemli bir adımı da sinterleme ısıl işlemidir. Sinterleme

işlemi, gözenekli yapıda şekil kazandırılmış tozların, özgül yüzey alanının

küçülmesi, partikül temas alanının büyümesi ve buna bağlı olarak gözenek hacminin

küçülmesine neden olan ısıl olarak aktive edilmiş malzeme taşınımı olarak

tanımlanabilir. Tek bileşenli sistemlerde genellikle sinterleme sıcaklığı olarak

metalin mutlak ergime sıcaklığının 2/3 veya 4/5 i alınır. Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb gibi

çok bileşenli sistemlerde sinterleme sıcaklığı, bu alaşımların sinterleme sıcaklığının

ergime sıcaklığına oranı (T/TE) 0,75’ in üzerinde seçilmesi önerilmektedir

(Archbold, 1999).

Şekil 1.11. (a) Sinterleme’ de tipik bir ısıl işlem döngüsü, (b) Sinterleme’ de fırının

şematik kesiti. (Toz metalurjisi dergisi, 2010) Preslenmiş toz parçalarının arasındaki bağlantı, mekanik kilitlenme, yapışma ve

benzeri türden zayıf bağlar olup, kristal kafes sistemi içerisindeki bağ dayanımına

nazaran zayıftır. Sıkıştırılmış toz taneleri birbirine temas veya nüfuz etmiş durumda

olsa bile, her bir tane diğerinden bağımsızdır (Şekil 1.12.a). Sinterleme ile tane temas

noktalarının büyümesi sonucu özgül yüzey alanının küçülmesine, gözenek hacminin

azalması veya küreselleşmesi, yapıda oluşabilecek atom boşlukları, dislokasyon gibi

kristal hataların azaltılması sağlanır (Şekil 1.12.d.). Bu sayede, atomlar ve iyonlar

arasında fiziksel bir bağ oluşmaktadır. Oluşan bu bağ, kristal kafes sistemindeki bağa

benzemektedir (Yalçın, 2007).

15

Şekil 1.12. Serbest tozların sinterleme aşamaları (Powder Metallurgy, 2010) Sinterleme genellikle ardışık olması gerekmeyen altı ayrı aşamayı içerir. Bunlar;

Başlangıç partikül bağlanması

Boyun oluşumu

Gözenek yuvarlaklaşması

Gözenek kanallarının kapanması

Yoğunlaşma ve gözenek büzülmesi

Gözenek kabalaşması

Şekil 1.12’de görüldüğü gibi ilk aşamada, partiküller arasında nokta temas mevcuttur

ve bu noktalarda sinterlemenin ileri aşamalarında boyun oluşumu başlayacaktır.

Sinterlemenin ilk aşaması için sürücü kuvvetin analizi, kütle akışını yöneten boyun

bölgelerinde eğrilik gradyanını göstermektedir. Orta aşamada, gözenek yapısı

oldukça düzdür. Gözenekler iç bağlantılıdır ve silindirik yapıdadır. Başlangıçta, Şekil

1.12.(a)’da görüldüğü gibi gözenekler tane sınırı arakesitlerinde yerleşir. Bu noktada

durum, partiküller arası boyun gelişiminden, tane-gözenek yapısına doğru değişir.

Kompakt özelliklerinde baskın gelişmeler orta aşamada oluşur. Sürücü kuvvet, hem

yüzey hem de tane sınırı enerjisini içeren ara yüzey enerjisidir. Orta aşamanın

sonraki kısmında tane gelişimini oluşumu görülür. Bir sonuç olarak, gözenek

16

hareketi veya gözenek izolasyonu oluşur. Tane sınırları yüksek sinterleme hızını

korumak için oldukça önemlidir. Böylece tane gelişimi ve gözenek izolasyonu

olumsuz bir durumdur. Şekil 1.13.b’de görüldüğü gibi iki muhtemel gözenek-sınır

konfigürasyonu düşünülür. Gözenekler tane sınırlarında veya tanelerin içinde yer

tutabilir. Tane kenarında gözeneklerin yerleşmesinde; toplam tane sınırı alanları

gözenek tarafından azaltıldığı için sistem enerjisi daha düşüktür. Gözenek yapısının

büzülmesiyle, silindir yaklaşık %8 gözenekilikle kararsız hale gelir. Bu noktada,

silindirik gözenekler yavaşlayan tane gelişiminde etkili olmadan, küresel

gözeneklerin içine toplanır. Birçok durumda, mikroyapı tane sınırlarından ayrılmış

gözenekler gösterir. Tane içlerindeki gözeneklerin izolasyonu, yoğunlaşma hızında

etkili azalmalarla sonuçlanır. Küresel görünüm, izole gözenekler sinterlemenin final

aşamasının başlangıcına işaret eder. Final aşamasında kinetik oldukça yavaştır.

Sürücü kuvvet kesinlikle gözenek-katı arayüzey alanının elimine edilmesidir.

Gözeneklerde bir gazın varlığı, final aşama yoğunlaşmanın miktarını sınırlayacaktır

(German, 1984)

Şekil 1.13. Sinterlemenin orta aşamasında yapısal değişimler a) gözenek yapısı ve ara bağlantının diyagramı, b) gözenek-tane sınırı konfigürasyonunu iki muhtemel

durumu (German, 1984) 1.1.5 Sinterleme Atmosferleri

Sinterleme atmosferleri dikkatli seçilmelidir. T/M ürünler boşlukludurlar. Bu yüzden

teorik yoğunluğa sahip aynı malzemelere karşılık, bu ürünlerin çok daha büyük bir

alanı fırın atmosferine maruz kalmaktadır. Sinterleme sıcaklığı da ısıl işlem

sıcaklığından daha yüksek olarak düşünülebilir. Dolayısıyla, malzeme ile içinde

bulunduğu atmosfer arasında kimyasal reaksiyonlar gelişebilir. Ticari uygulamalarda

a) b)

17

sinterlemede kullanılan atmosferler; endotermik gaz, ekzotermik gaz, kırılmış

amonyak gazı, hidrojen ve vakumdur. En çok kullanılan sinterleme atmosferi

endotermik gazdır. Endotermik gaz doğal gazın yanmasıyla elde edilir.

Şekil 1.14. Sinterleme ünitesi Fırın atmosferi; azot, su buharı, karbon monoksit, hidrojen, karbon dioksit ve metan

karışımından oluşur. Fırın atmosferine hava ilavesi ile yanmanın özellikleri kontrol

edilir. Bu hava-gaz oranı çıkan yanmış gazların özelliklerini belirler. Endotermik gaz

ortamında hava/gaz oranı yaklaşık 2,4 iken ekzotermik gaz ortamında yaklaşık 9 ve

üzerindedir. Ekzotermik gaz ortamı tam yanma ile sağlanır (Başaran, 2007).

Sinterleme Atmosferi Gereksinimleri: Sinterlemede kullanılan atmosferler, aşağıdaki

fonksiyonları sağlamalıdırlar,

Havanın fırın içine girmesini engellemelidir.

Çiğlenmeyi önleyebilmelidir.

T/M ürün üzerinde oluşabilecek oksitlenmeyi azaltmalıdır.

Çelik parçalardaki karbon miktarını koruyabilmelidir.

18

Özel uygulamalarda karbonu çıkarabilmelidir.

Özel uygulamalarda soğutma esnasında oksidasyonu kontrol edebilmelidir.

Isıl verimi üniform olarak taşıyabilmelidir (Nayar,1984)

1.1.6 Sinterleme Sonrası İşlemleri (İkincil işlemler)

Çoğu uygulamalarda, sıkıştırma ve sinterlemeyle üretilen bir T/M parça her türlü

performans ihtiyaçlarını karşılamaktadır. Fakat bazen de sıkıştırma ve sinterleme

kapasitesinin ötesinde, mekanik özellikler, yüzey bitirme ve/veya boyut toleransı gibi

fonksiyonel ihtiyaçlar bir veya daha fazla ikincil işlemleri gerektirir. Bu işlemler

genellikle sinterlemeden sonra gerçekleştiği için “sinterleme sonrası” işlemlerde

denir. İkincil işlemler parça maliyetini artırmakla birlikte, fonksiyonel olarak bir

katma değer kazandırması bakımından çoğu durumda zorunlu olmaktadır (Šalak,

2005).

İkincil işlemler genel anlamıyla aşağıdaki maddeleri kapsar:

1) Ölçü hassasiyetinin sağlanması

Üretilecek parçanın belirlenen değerlerdeki ölçüleri metal tozlarının ilk presleme

aşamasında büyük ölçüde sağlanmaktadır, ancak yüksek hassasiyet istenen

parçalarda ilave olarak sinterleme işleminin ardından tekrar preslenmesi söz

konusudur. Burada yapılan işlemin amacı çeşitli değerler yardımıyla seçilmiş olan

pres makineleri ile parça üzerine baskı uygulanarak en hassas ölçü değerlerine

ulaşılması sağlanır. Uygulanan bu işlemin diğer bir faydası ise sıkıştırılacak olan

parçadaki taneler arası boşluk miktarı oldukça azalacak ve sonucunda artı bir sertlik

mukavemeti sağlanmış olacaktır. Ölçülerin iyileştirilmesinde kullanılan bir diğer

yöntem ise taşlama v.b makineler yardımıyla parça üzerinden talaş kaldırmak sureti

ile yapılabilir.

2) İlave sertlik kazandırma işlemleri

T/M yardımı ile üretilen parçalarda su verme işlemi, su buharı emdirme, tuz

banyolarına batırma gibi ilave sertlik kazandırma işlemleri uygulanmak istenebilir.

19

Bu gibi durumlarda sayılan maddeler sayesinde sertlik bakımından iyileşmeler

sağlanabilir.

3) Çapak alma

Presleme ve talaşlı imalattan kaynaklanan parça üzerinde istenmeyen kalıntılar

kalmış olabilir ve T/M yöntemi ile üretilen parçalar genellikle hassas çalışması

istenen parçalar olduğu için bu istenmeyen bir durumdur. Tamburlama, taşlama,

içerisinde aşındırıcı toz bulunan sıvı ortama daldırma gibi işlemler uygulanarak

parçanın çapaklardan arındırılması sağlanır.

4) Yağ emdirme

Sinterleme işleminden sonra parçaya yağ emdirilmesi sayesinde aşınmaya ve

korozyon oluşumuna karşı iyileşme sağlanabilir. Yağ emdirme işlemi belli

sıcaklıktaki parçanın yağın içerisine daldırılarak soğuması ve aynı zamanda yağı

içerisine emmesi esasına dayanır. T/M ile üretilen kendinden yağlamalı yataklarda

özellikle yağ emdirme işlemi büyük önem taşır, bu parçalar içerisine emdirilen yağ

sayesinde aşınmaya, sıcaklığa karşı daha dayanıklı parçalar olarak kabul edilirler ve

daha zor koşullar altında çalışması istenen yerler için üretilirler.

1.1.7. Toz Özellikleri ve Karakterizasyonu

Toz metalurjisi ile imal edilen parçaların özelliklerini büyük oranda bu parçaların

imalinde kullanılan tozların sahip olduğu özellikler belirlemektedir. Bu nedenle

tozların özelliklerinin önemi ve aldıkları rolün iyi anlaşılması ve bazı uygun

niceleyici (kantitatif) karakterizasyon metotlarının uygulanması önemlidir. Toz

özellikleri iki ana bölümde ele alınabilir (Kurt, 2004).

1) Teknolojik özellikler

Toz akıcılığı

Görünür yoğunluk

Vurgu yoğunluk

Sıkıştırılabilirlik

20

2) Fiziksel Özellikler

Toz şekli

Toz boyutu dağılımı

Spesifik yüzey alanı

Safsızlık (oksijen, karbon, Na, Ca, Fe miktarı)

Toz Akılcığı:

Tozların akma yeteneklerinin belirlenmesinde kullanılan bir yöntemdir. Prensip

olarak sabit ağırlıkta (50g) alınan tozların yer çekimi etkisinde bir huni içerisinden ne

kadar sürede geçtiği tespit edilerek hesaplanır. Akış süresi, toz parçacıkları

arasındaki sürtünme, tozlarla huni yüzeyi arasındaki sürtünme, huni ağzı ve parçacık

boyutu arasındaki ilişki, parçacıkların şekli ve yoğunluğu, huninin geometrisi gibi

faktörlere bağlıdır. Bu nedenle bu test sadece mukayeseli karşılaştırma amacıyla

serbest akabilir (yapışkan olmayan) tozlar için uygulanabilir.

Görünür Yoğunluk:

Toz kütlesinin serbest düşüş sonrası tozun kapladığı hacme bölünmesi ile elde edilir.

Diğer bir değişle hacmi sabit (~25cm3) silindirik bir kabı serbest düşüş ile doldurulan

tozların kütlesi tespit edilir. Elde edilen kütle değeri toz hacmine bölünerek görünür

yoğunluk hesaplanır. Serbest düşüş sonrası toz hacmi doldurma modu, kap ölçüsü ve

titreşim gibi parametrelerden etkilenen parçacıkların paketlenmeleri ile doğrudan

ilgilidir. Bu nedenle deneyde bu parametreler sabit tutulmalıdır.

Vurgu Yoğunluk:

Görünür yoğunlukla paketlenmiş tozların düşey yönde titreşime tabi tutulduktan

sonra tekrardan ölçülmesi ile elde edilen değerdir. Titreşim sonrası toz hacmini

hassas bir şekilde ölçmek için bölüntülü ölçü silindirleri kullanılmaktadır. Tozların

titreşim esnasında paketlenme yeteneğini parçacıkların karakteristikleri (boyut

dağılımı, şekli, kütlesi, esneklik, doldurulan kap, yığılma parametreleri, vb) kontrol

eder. Örneğin mükemmel tek tip küresel parçacıkların maksimum erişebilecekleri

teorik paketleme yoğunluğu %74`tür. Aynı tozların rasgele dizilişleri ile %63`lük bir

paketleme yoğunluğu elde edilirken gelişigüzel gevşek dizilişte maksimum %60

21

paketleme yoğunluğuna ulaşılabilir. Paketleme yoğunluğu küçük küresel

parçacıkların büyük küresel parçacıklar arasında kalan ara yer boşlukları

doldurmaları suretiyle %74`ün üzerine çıkarılabilir. Metalürjik tozların

paketlenebilme (yoğunluk kazandırma) yeteneği küresel şekilden sapma ve toz

ortalama boyutundaki azalma ile birlikte düşmektedir.

Sıkıştırılabilirlik:

ASTM B 243–94 standartlarına göre metal tozun kapalı bir kalıp içerisinde tek yönlü

olarak yoğunluk kazandırılabilme kapasitesi şeklinde tanımlanmaktadır. Sayısal

olarak istenilen yoğunluğu elde etmek için gerekli basınç değeri veya verilen basınç

değeri için elde edilen yoğunluk olarak belirtilir. Yüksek sıkıştırılabilirlik, basma

(yoğunluk kazandırma) ve sinterleme (pişirme) yöntemi ile yapılan parça imalatında

birincil öneme sahip faktördür (Kurt, 2004).

Toz (Partikül) Şekli:

Toz şekli, doldurma, akış ve tozun sıkıştırılabilirliği etkileyen dağılımlı bir

parametredir. Partikül şekli toz üretimi hakkında bilgi sağlar ve birçok prosesleme

karakteristiğini açıklamaya yardımcı olur. Partikül şeklinin nicel olarak belirlenmesi

zor olduğundan, nitel tanımlamalar kullanılır. Partikül şekli, tozun üretim yöntemi

kadar toz boyutuyla da değişir (German, 1984). Şekil 1.14 değişik toz şekillerini

göstermektedir.

Şekil 1.15. Toz metalurjisinde bazı partikül şekilleri ve tanımları (German, 1984).

Toz (Partikül) Boyutu:

Partikül boyutu terimini tanımlamak zordur, çünkü yalnızca küresel şekilli partiküller

tek başına çap ölçüsüyle tanımlanabilir. Endüstride kullanılan tozların çoğu küresel

değildir. Bu yüzden, partikül boyutunu karakterize etmek için partiküllerin nicel

22

olarak ifade edilebilir, uzunluk, hacim veya kütle, yüzey veya izdüşüm alanı,

yerleşme hızı veya elektrik alanıyla etkileşim, gibi belirli fiziksel özellikleri

kullanılır. Bazı örnek partikül boyutu parametreleri Şekil 1.16’da gösterilmiştir.

Şekil 1.16. Muhtemel partikül şekilleri ve boyut belirlemede kullanılan parametreleri

(Yılmaz, 2006). Şekilden de görüleceği gibi (Şekil 1.16 a) küresel partiküller için boyut parametresi

yalnızca çaptır. Pul şeklindeki bir partikül, çap ve yükseklik gibi en az iki

parametreyle boyutu tanımlanabilir (Şekil 1.16 b). Fakat partikül şekli karmaşık

olduğunda, tek bir boyut parametresiyle tanımlamak zordur. Şekil karmaşıklaştıkça

muhtemel boyut parametresi artar. Şekil 1.16 c’de karmaşık şekil için boyut, kabul

edilen yükseklik (tesadüfî) (H), maksimum uzunluk (M), yatay genişlik (W), eşdeğer

küresel hacim, eşdeğer yüzey alanındaki bir kürenin çapı (D) gibi parametrelerle

tanımlanır (Yılmaz, 2006).

Spesifik Yüzey Alanı:

Spesifik yüzey alanı da partiküllerin önemli bir geometrik özelliğidir. Bu sinterleme

süresince toz kompaktların yüzey aktivitesi olarak isimlendirilen özelliğini etkiler ve

böylece sinterleme süresince malzeme taşınması için önemli bir sürücü kuvvet sağlar

(Scatt, 1997). Diğer bir ifadeyle direk sinterlenebilirliği etkiler. Yüksek yüzey

pürüzlülüğüne ve düzensiz şekle sahip partiküllerin spesifik yüzey alanı dolayısıyla

da sinterlenme özelliği oldukça yüksek olacaktır (Upadhyaya, 1996). Bir tozun

spesifik yüzey alanı kütlenin 1 gramı için spesifik yüzey alanıdır ve m2/g ile

gösterilir.

a) küre b) pul c) yuvarlatılmış düzensiz

d) düzensiz

23

Safsızlık:

Sinterlemede yüksek yoğunluğa ulaşıldıktan sonra genel olarak tane boyutu

büyümesi gözlemlenir. Bu durum sinter sonrası yüksek yoğunluk ve ince taneli yapı

istenmesi durumda göz önünde bulundurulmalıdır. Bu durumun sağlanması çoğu

zaman zor olmakla birlikte yüksek yoğunluk ve ince taneli yapı malzemenin

mekaniksel mukavemetini arttıran bir etki yapar. Dolayısıyla sinterleme süreci en

küçük tane boyutunu ve yüksek yoğunluk verecek şekilde optimize edilmelidir.

Diğer bir değişle, dayanım gözenek miktarı ve tane boyutuna bağlıdır. Bu durum

hem seramik ve hem de metalik parçalar için geçerlidir. Sinterlemede düşük

yoğunluklarda gözenekler tane büyümesini engellemektedir. Ancak tane büyümesi

daha çok boşlukların tamamen kaybolması ve tane sınırlarının artması ile birlikte

gözlenmektedir. Bu aşamaya gelinmeden önce yardımcı sinterleme elemanlarının

(inhibitörler) veya toz üretim süreçlerinden gelen safsızlıklar tane büyümesini

önlerler ve yoğunluk artışına yardımcı olurlar (Kurt, 2004).

Aşağıdaki çizelge 1.1. da tozların özellikleri, üretim yöntemleri ve kullanım alanları

verilmiştir.

Çizelge.1.1. Tozların özellikleri ve üretim yöntemleri (End. Müh. İnt. Sit., 2010)

Usuller İmalat Tozlar Tane şekilleri

Tane ölçüleri

Kullanma yerleri

a-Gevrek madenler

Mn. Cr. Sb. Bi. Co

Gayri muntazam şekiller

Sinterlenmiş çelikten makine parçaları

b-Suni olarak gevrekleştirilen sünek madenler I-Filizdeki süngerler II-Gevrek elektrolitik malzeme III-Sıcakta haddelenince gevrekleşen

—Fe —Fe —Fe, Ni

Gözenekli kristaller, Dantelâlı iğneli şekiller, Gayri muntazam şekiller

Masif nüveler, gözenekli yataklar, makine parçaları vs.

1- Mekanik usuller

a- Kaba ve ince öğütme

I – Bilyalı öğütücülerde öğütme

c-Gevrek alaşımlar

Fe-Al, Fe-Al-Ti, Ni-Al, Ni-Ti, Fe-Cr, Fe-Si

Gayri muntazam şekiller

10 – 100

Sinterlenmiş mıknatıslar, demir esaslı sinterlenmiş makine parçaları

24

II- Helisel öğütücülerde öğütme

(a),(b),(c) gibi ayrıca sünek madenler

Fe, Ni-Fe, Cu, Ag, Al, Ag-Sn

Çanak şeklinde taneler

20 – 400

Gözenekli yataklar, metalografik kömür

I-Pb, Fe, Cu, Ag Glöbüler 100 – 500

II-Al, Cd, Sn, Zn Glöbüler 250

III-Al, Cu, Fe

Kısmen Globüler, muntazam şekiller

b- Granülasyon ve pülverizasyon I- Suda granülasyon II-Sıvı metali karıştırarak granülasyon III-Hava veya su buharıyla pülverizasyon IV-Hava veya su ile santrifüj (D.F.G usulü)

Sıvı halde sünek olan madenler veya alaşımlar

IV-Fe, Cu, Ni, Al, Ag, bronz, pirinç, kompleks tozlar, Pb-Cu, Pb-Ag vs.

Kısmen globüler, Gayri muntazam şekiller

20 – 400

Metallografitik kömür, gözenekli yataklar, filtreler, sinterli mıknatıslar, makine parçaları, psödo-alaşımları, masif nüveler vs.

Ergimiş metal Zn Globüler 0,1 – 10

Ergimiş metal Pb Globüler

2-Fiziko-kimyasal usuller a-Gaz fazından itibaren I-yoğunlaştırma usulü II-buharlaştırma usulü III-karbonil usul Karbonil metal Ni, Fe Globüler

0,1 – 5

Gözenekli yataklar, metallografitik kömür, masif nüveler, sinterlenmiş mıknatıslar, saf alaşımlar, sert alaşımlar, filtreler vs.

b-Metalik kombinezonlarla yüksek sıcaklıkta redükleme

Oksitler, mineraller ve organik tuzlar

W, Mo, Fe, Ni, Co, Cu Dantelâlı 0,1 – 10

Elektrik ampulleri, vakum tüpleri, yüksek sıcaklı için fırınlar, psödo alaşımlar, sert alaşımlar, sinterlenmiş mıknatıslar, gözenekli yataklar

Ag, Au, Pt, Sn, vs. tuzları Ag, Au, Pt, Sn Dantelâlı,

iğneli 0,1 – 10 Gözenekli yataklar, elektrik kontakları malzemeleri (W-Ag) c-Redükleme

I-tuzlu solüsyonlar II-erimiş tuzlar Ta, Nb, Ti, Th,

Zr, V flüorürleri ve çifte tuzları

Ta, Ti, Nb, Th, Zr, V

Dantelâlı, iğneli 0,1 - 10

Paftalar, vakum vidaları ve kimya endüstrisi malzemeleri

Fe, Cu, Pb, Sn vs. tuzları

Fe, Cu, Pb, Sn

0,1 – 30 d-Elektroliz I-Sulu solüsyonlar II-Erimiş tuzlar Ta, Nb, Ti, Th,

Zr, V vs. tuzları Ta, Nb, Ti, Th, Zr, V

İğne şeklinde dendritik

0,1 – 10

Gözenekli yataklar, metalografik kömür, psödo alaşımları, sinterlenmiş yataklar, masif nüveler, paftalar, vakum malzemesi vs.

e-Metalloidlerle kimyasal reaksiyon

Madenler ve madensel oksitler

W, Mo, Nb, Ti vs. karbürleri,

nitrürleri, silisürleri

Kısmi aglomera 1 – 50

Sert mamüller, sert alaşımlar

Çizelge 1.1 (devam)

25

1.1.8. Demir Tozlarına Alaşım Elementlerinin Etkisi

Demir tozlarına, mukavemeti arttırmak ve daha iyi mekanik özellikler elde etmek

için çeşitli alaşım elementleri ilave edilir. Bu elementlerden bazılarının etkileri

aşağıda sıralanmaktadır (Özgün, 2007).

Toz metalurjisinde demir-karbon sistemi iki farklı amaç için kullanılmaktadır.

Birincisi parçanın karbürlenmiş durumda yüksek sertlik ve aşınma direncine sahip

olmasını ve parçanın iç kısımlarının yumuşak kalmasını sağlamaktır. Karbürizasyon

ve sertleştirme, sinterleme işleminden sonra ilave ısıl işlemlerle yapılır. İkinci amaç

ise elastik özelliğin aranmadığı durumlarda daha ekonomik olarak yüksek çekme

mukavemetine sahip parçalar üretmektir. Bu, parçanın her yerinde (yani homojen bir

şekilde) demiri karbonla alaşımlandırarak sağlanır. Bu tip malzeme üretiminin en

yaygın yöntemi demir tozuyla grafiti karıştırmaktır (Ataş, 2003).

Bakır tozu, demir tozuna temelde sinterlenmiş peletin mukavemetini arttırmak için

ilave edilir. Demir-bakır peletlerin sinterlenmesi sırasında bakır yüzdesine bağlı

olarak boyutsal değişmeler meydana gelmektedir. Saf demir parçalar genellikle

sinterleme esnasında büzülürler. Artan miktarlarda bakır tozu ilave edilerek ve

bakırın ergime sıcaklığının (1083oC) üzerinde sinterleme yapılarak bu büzülme

tersine çevrilir ve sonuç olarak genleşmeye dönüştürülür. Genleşme %8–10 bakır

ilavesine kadar, artan bakır miktarına paralel olarak artar. Bu, bakırın demir içinde

çözünebilme sınırına bağlı olup bu değerden sonra azalmaktadır. Az miktarda bakır

ilavesi ise (%1–2) saf demir peletlerin sinterleme esnasındaki büzülmelerini telafi

etmek için kullanılabilir (Höganas, 1996).

Demir tozlarına hem bakır hem de karbonun birlikte ilave edilmesiyle, bunların tek

başına ilave edilmesinden çok daha iyi mukavemet ve yüksek sertlik değerleri elde

edilir. Demir-bakır karışımlarına grafit ilave edilmesi sinterleme sırasında bakırdan

kaynaklanan genleşmeleri azaltır. Demir-karbon karışımlarına bakır ilavesi atmosfer

kalitesine bağımlılığı azaltma eğilimi de oluşturur. Diğer bir deyişle bakır ilavesi,

dekarbürleyici atmosferlerde dekarbürizasyonu önlemeye yardımcı olur (Ataş, 2003).

26

Demir-nikel karışımları yüksek mukavemet ve uzama özellikleri istenen

malzemelerin yapımında kullanılır. Demir tozuna eklenen nikel miktarı genellikle

%2–5 arasında değişir. Nikel ferritte katı çözelti sertleşmesi sağlayarak çeliğin

mukavemetini arttırır. Dayanımı arttırırken süneklikte önemli bir miktarda azalma

olmaz. Nikel, demir içine çok yavaş bir şekilde difüze olur. Bu nedenle demir-nikel

karışımlarının sinterlenmesinde yüksek sinterleme sıcaklığına ve uzun sinterleme

süresine ihtiyaç duyulur. Eğer nikel tozunun tane boyutu çok küçükse alaşım

oluşturma hızı arttırılmış olur. Bu sebeple genlikle 5μm tane büyüklüğüne sahip

nikel-karbon tozu kullanılır. Bu toz çok pahalıdır. Fakat küçük ve komple parçaların

üretiminde hammadde maliyeti bu toza kıyasla önemsiz sayılabilecek kadar düşükse

nikel karbonil kullanımı ekonomik olabilir. Sinterleme sıcaklığı en az 1250–1350 0C

civarında olmalıdır ve sinterleme süresi 1–2 saat olmalıdır. Parçalanmış amonyak bu

işlem için en uygun sinterleme atmosferidir. Demir-nikel karışımından yapılmış

peletler sinterleme esnasında büzülürler. Sinterleme sıcaklığında veya sinterleme

süresinde yapılacak en ufak değişiklikler bile büzülme miktarı üzerinde çok önemli

etkiler oluşturabilirler. Bu nedenle fırına her saat başı beslenen peletlerin ağırlıkları

dâhil olmak üzere bütün değişkenler mümkün olduğunca sabit tutulmalıdır. Aksi

takdirde, sinterleme esnasında parçaların boyutları değişiklik gösterebilir. Ticari

uygulamalarda toz üreticileri, demir tozuna nikeli alaşımlandırarak üretmektedirler.

Bu alaşımlı tozların kullanımı normal sıcaklıklarda sinterlemeye olanak

sağlamaktadır. Demir-nikel karışımlarının büzülme problemi bakır ilavesiyle

dengelenebilmektedir. Ayrıca bu yöntemle çok iyi mekanik özellikler elde edildiği

için demir-nikel-bakır karışımları toz metalurjisinde sıklıkla kullanılmaya

başlanmıştır.

Fosfor bakırdan kaynaklanan genleşmelere engel olmak amacıyla kullanılır. Eğer

fosfor, bakır ya da demir-fosfor olarak ilave edilirse sinterlemede herhangi bir

problemle karşılaşılmaz. Sinterlenmiş bir lot içindeki boyutsal değişkenlik en az

seviyeye indirilebilir. %2,5 Cu ve %2,5 Cu3P içeren bir demir tozu karışımının

1150oC’de sinterlenmesi sonucu 100–104 HB arasında değişen sertlik değerleri elde

edilmiştir (Ataş, 2003).

27

Kükürt demir tozuna temel alaşım tozu olarak ilave edilebilir. Kükürt ilavesi

genellikle %0,5 civarındadır. Son zamanlarda yapılan deneyler az miktarda kükürt

ilavesinin (yaklaşık %0,25–0,5) sinterleme sırasında açık gözeneklerin kapanmasına

sebep olduğunu göstermiştir. Bu olay birbirine bağlı gözeneklerin sorun teşkil

edebileceği kaynak, elektro kaplama ve karbürizasyon gibi ek işlemler öncesi çok

avantajlıdır (Höganas, 1996; Ataş, 2003)

Çeliklere %0,003–0,004 oranında bor katkısı tane incelmesini ve su alma

kabiliyetinin artmasını sağlamaktadır. Bor, yüksek oranda Mn, Ni, Cr ve Mo’in

sağlayabileceği sertleşebilirlik özelliğini sağlar.

Molibden kuvvetli karbür ve nitrür yapıcı elementtir. Düşük alaşımlı çeliklerde Ni ile

birlikte %0,15–0,30 arasında bulunduğunda çeliğin sertleşebilirliğini, çekme

dayanımını ve sıcağa dayanımını arttırır. Ayrıca aşınma dayanımını da iyileştirir

(Özgün, 2007F).

1.1.9. Toz Metalurjisinin Avantaj ve Sınırlılıkları

T/M yöntemi ile parça imalatının avantaj ve limitlerinin anlaşılabilmesi için önemli

altı parametrenin gözden geçirilmesi gerekmektedir. Bunlar, şekil boyutları, şekil

karmaşıklığı, toleranslar, malzeme sistemleri, mekanik ve fiziksel özellikler, kalite ve

maliyet olarak nitelendirilebilir (ASM, 1998). Bu parametreler değerlendirildiğinde,

T/M teknolojisinin döküm ve dövme gibi imalat yöntemlerine nazaran birçok

avantajı olmakla birlikte bazı sınırlılıkları da mevcuttur (De’garmo, 1997). Bunlar,

aşağıdaki gibi ekonomiklik ve özellik avantajı olarak nitelendirilmektedir (EPMA,

2006).

Mekanik özellikler ve ekonomiklik avantajları;

Döküm ve dövme yöntemlerine nazaran daha karşılaştırılabilir kalitede ve

ekonomik bir yöntem, başlangıçtaki tüm ham malzemelerinin %99’ un

kullanılması ile ergime kayıplarının ortadan kaldırılması,

İstenilen gözenekli yapının sağlanmasıyla kendinden yağlamalı yatakların

imal edilebilmesi, gözenekli kemik yapısına uygun implant malzemelerin

üretilebilmesi,

28

Talaş kaldırma gibi ikincil operasyonu en aza indirerek malzeme sarfiyatını

azaltma,

Küçük ve karmaşık şekilli parçaların diğer metotlara nazaran yüksek

verimlikte seri imal edilebilmesi,

Hemen hemen diğer yöntemlerle imal edilmesi imkânsız olan, ergime

sıcaklığı yüksek refrakter metallerin (tungsten, tantalyum, molibden vs) ve

sert metallerin imalatında tek ekonomik metottur,

Yüksek mukavemet, süneklik ve termal dayanıma sahip mikro kristal ve

amorf yapılar yalnızca bu yöntemle imal edilebilirler (Konstrüktif ağırlığını

önem arz eden uçak parçalarında),

İyi yüzey kalitesi ve dar boyutsal tolerans,

İstenilen mekanik ve fiziksel özelliğe göre kontrollü olarak gözenekli yapının

oluşturulabilmesi, gözeneklerin infiltrasyonu,

Kompozit malzeme üretebilme

Yukarıda bahsedilen avantajlar, özellikle kaliteli ve hızlı parça imalatının

gerçekleştirilmesinde ve gereksinimleri karşılamada toz metalurjisi tekniğini diğer

klasik yöntemlere nazaran tercih edilir hale getirmiştir. Ancak her imalat yönteminin

kendine özgü kullanım alanı olmasından dolayısıyla, T/M teknolojisinin de

avantajlarının yanı sıra bazı limitleri de mevcuttur:

Seri imalat yapılmaz ise, sıkıştırma ve sinterleme üniteleri gibi ilk yatırım

maliyetini ve ikincil yatırım maliyeti olarak tanımlanan gözenek doldurma

donanımı, kalıpların tasarımı ve imalatı maliyetlerinin yüksek olması,

Metal tozların maliyeti ingot haldeki malzemeden daha pahalıdır,

Mukavemet gerektiren parçalarda gözenek doldurma ve infiltrasyonu gibi

ikincil işlem uygulanmaz ise, diğer yöntemlere nazaran kötü mekanik

özellikler ve değişken yoğunluk değerleri,

Gözenekten kaynaklanan düşük korozyon dayanımı ve düşük plastisite

özellikleri,

Büyük hacimdeki parça imalatının yapılamaması, tasarım sınırlılıkları veya

yüksek maliyetteki yeni T/M tekniklerinin kullanılması (Yalçın, 2007).

29

1.1.10. Toz Metalurjisi Ürünlerinin Dizaynı

Toz metalurjisinin ana amacı özel mühendislik uygulamaları için kaliteli ve ekonomik

bir şekilde parça üretimini sağlamaktır. Başarıya ulaşmada ilk adım dizayn

kademesidir. Bunu malzeme seçimi ve uygun fabrikasyon takip etmektedir. Toz

metalurjisi, yönteminde parça dizaynında dikkate alınması gereken bazı ana kurallar

aşağıda özetlenmiştir:

1) Parça şekli preslemeden sonra kalıptan çıkarmaya uygun olmalıdır.

2) Parça şekli tozun, ince duvarlar ve keskin köşeler gibi küçük boşlukları

doldurulmasını gerektirmemelidir.

3) Parça şekli dayanıklı kalıp imaline müsait olmalıdır.

4) Parça şekli presleme ile elde edilebilecek kesit kalınlığı değerlerine uygun

olmalıdır.

5) Parçaların değişik kesit kalınlıkları arasındaki fark mümkün olduğunca az olmalıdır.

6) Bazı şekillerdeki parçaların toz metalurjisi dışındaki yöntemlerle üretilmesi maliyet

ve uygulama açısından mümkün olmadığından bu avantajı kullanabilecek şekilde

dizayn yapılmalıdır.

7) Parça ve kalıp dizaynı esnasında atölyedeki teçhizatların teknik özellikleri dikkate

alınmalıdır. Presleme alanı pres kapasitesi ile uyumlu olmalıdır ve kalınlık sayıları

kullanılabilir pres hareketleri sayısına eşdeğer olmalıdır.

8) Ürünlerin boyutsal toleransları dikkate alınmalıdır. Istampa ekseni veya presleme

yönüne paralel olan boyutlara (ıstampanın hareket yönü) göre radyal yöne paralel

boyutlarda daha yüksek hassasiyet ve tekrarlanabilirliğin elde edildiği gözlenmiştir.

Bu olgu dizayn esnasında mutlaka göz önünde bulundurulmalıdır.

9) Sinterleme esnasındaki büzülme gibi preslemeden sonra boyutlarda meydana

gelecek değişimler kalıp dizaynı esnasında dikkate alınmalıdır.

Mukavemetin bütün parça boyunca homojen olması için yoğunluğun da homojen

olması gerektir. Bu sebeple parçalar üniform kesitli ve kesit boyutlarına göre kalınlık

değerleri küçük olacak şekilde dizayn edilmelidir. Dizayn, eksenleri presleme yönüne

dik delikleri içermemelidir. Delik çaplarının basamaklı olarak değişiminden, yandan

girişli deliklerden, oyuklar ve parça altında radyal boşluklardan kaçınılmalıdır.

30

Kesitlerde ani değişimler istenmez. Doğrusal çizgi formuna yakın dalgalı şekiller

kolaylıkla kalıplanabilir. Alt ve üst kalıp ıstampaları arasındaki birleşme düzlemi

silindirik veya düzlemsel olmalıdır. Bu düzlem hiçbir şekilde küresel olmamalıdır

(Çalışkan, 2000).

1.1.11. T/M Uygulamaları

Modern toz metalurjisinin kendini kabul ettirerek kullanılmaya başlanması otomotiv

sanayinde kendinden yağlamalı yatakların keşfi ile olmuştur. Boşluklu kendinden

yağlamalı yatak imali ancak T/M ile mümkündür. T/M ile belli sayıların üzerinde

üretilen yapısal parçaların maliyet yönüyle diğer üretim yöntemlerine göre üstünlüğü

de hızla kullanım alanlarının oluşmasını sağlamıştır. Sanayide üretilen parçalarda en

yaygın olarak kullanılan tozlar demir, çelik ve alaşımları, bakır ve bakır esaslı

alaşımlardır (pirinç, nikel gümüş ve bronz). Demir ve bakır tozları sanayide en çok

kullanılan tozlar olmasına rağmen tüm kullanım alanları bunlarla sınırlı değildir

(Roll, 1984).

Çizelge 1.2’de metal tozlarının en yaygın uygulama alanları ve kullanıldıkları toz

malzemelerinden bazıları gösterilmiştir.

Çizelge 1.2. Metal Tozlarının Ana Uygulama Alanları (Başaran, 2007).

UYGULAMA ALANI KULLANILAN TOZ HAVACILIK Frenleme yüzeyleri Bakır, kurşun, kalay, yüksek nikel alaşımları, grafit, demir Balans ağırlıkları Tungsten, bakır, nikel, demir Yakıt, hidrolik ve hava filtreleri Bronz, paslanmaz çelik, nikel Dış çerçeveler Alüminyum, berilyum, titanyum, demir Isı tutucular Berilyum, tungsten Isı tutucu kaplamalar Alüminyum Jet motor komponentleri Süper alaşımlar Roket yakıtları Alüminyum Kompenent tamiri Nikel-krom, Nikel-alüminyum, Paslanmaz çelik OTOMOBİL Klima Demir, çelik Alternatör regülâtörleri Platinyum alaşımları, demir Yataklar Bakır, kurşun, kalay, demir, alüminyum, grafit, bronz Filtreler Paslanmaz çelik, bronz

31

Çizelge 1.2 (devam) Yakıt pompa parçaları Demir, bakır, takım çeliği Şok sönümleyiciler Demir, alüminyum Buji gövdeleri Demir Aktarma parçaları Demir, bakır, çelik Fren balataları Bakır, demir, kurşun, kalay, grafit, çinko KARPİTLER Tungsten, titanyum, tantalyum, niobiyum DİFÜZYON KAPLAMALARI Alüminyum-titanyum alaşımları, krom, çinko, hafniyum ELEKTRİK ve ELEKTRONİK Bataryalar Nikel, çinko, gümüş, demir, kurşun, grafit Fırçalar Bakır, gümüş, grafit Motor kutup parçaları Demir, silikon- demir Baskı devreler Bakır, gümüş, paladyum, altın, platinyum Yarı iletkenler Kurşun EROZYON TEZGÂHLARI Elektrot Bakır, gümüş, tungsten ISIL İŞLEM Fırın ısıtma elemanları Platinyum alaşımları, tungsten, molibden Fırın ısı koruma kalkanları Alüminyum, tungsten Yüzey sıvama Bakır, pirinç, gümüş, manganez Therrmocapuls Platinyum alaşımları, tungsten, molibden GENEL SANAYİ Yataklar Bakır, kalay, kurşun, bronz Kesici takımlar Tungsten, kobalt Filtreler (sıvı-gaz) Bronz, nikel, paslanmaz çelik, süper alaşımlar, titanyum Alevle kesme Demir, alüminyum Sürtünme malzemeleri Bakır, kurşun, kalay, demir, çinko, grafit BİRLEŞTİRME

Sert lehim Bakır, nikel, gümüş, kobalt, altın, alüminyum, nikel-kobalt-demir-krom alaşımları, nikel-silikon-boron alaşımları

Ark kaynak elektrot örtüleri Demir, nikel, krom Direnç kaynağı elektrotları Tungsten, bakır, gümüş, molibden, manganez Lehimleme Kurşun, kalay, lehim alaşımları YAĞLAYICILAR Kaynaşmayı önleyici malzeme Bakır, kalay, kurşun, grafit Bakırlı yağlayıcılar Bakır Gresler Kurşun, grafit Yüksek sıcaklık yağlayıcıları Alüminyum, grafit T/M parçaların en yaygın olarak kullanıldığı alan otomotiv sanayidir. Otomatik vites

parçaları, hareket dişlileri, yağlama pompa dişlileri, debriyaj baskı plakaları yıllardır

T/M teknolojisi ile üretilmektedir (Başaran,2007).

32

1.1.12. Otomotiv Uygulamaları İçin Toz Metal Parçalar

Dünya otomotiv sanayi daha rekabetçi ve daha talepkar motor tasarımı, geliştirme ve

üretimi, daha iyi performans gösteren otomobil, kamyon ve ağır hizmet araçları

yaratma açısından büyük önem taşımaktadır (GKN Sinter metal, 2001).

Toz Metal sektörü aslında tek bir sektör değildir, ancak bir şekilde farklı özelliklere

sahip sektörler ile bir takım oluşur (Powdermatrıx, 2004). Her ne kadar T/M

üretiminde gelişmeler olsa da şu anki otomotiv sektöründeki yapısal parça sektörü

kısıtlı üretim yöntemlerine bağımlı durumdadır. T/M’ deki bu kaçınılmaz gelişmeler

özellikle motor, otomotiv sistemleri sektörünün geleceği için önemli bir anahtar

olacaktır.

Otomobil motor ağırlığı bakımından, güç yoğunluğu, yakıt verimliliği, emisyon,

güvenilirlik ve dayanıklılık diğer yönleri arasında son 20 yılda önemli gelişmeler

yaşamıştır. Toz Metalurjisi; alt yapı gelişmelerinin birçoğunu etkinleştiren,

kolaylaştıran, otomobil alt yapılarının bileşenlerinde üretimi önemli ölçüde olumlu

yönde arttıran bir yöntem olmuştur (PM Asia, 2009).

Otomotiv sanayinde üretilen parçalar, maddeler halinde şu şekilde sırlanabilir;

(Fujiki, 2001),

Motorlardaki çoklu valf sistemleri, subap kılavuzları, zincir dişliler

Otomatik transmisyonlar (merkez dişliler)

Direksiyon sistemlerinde kullanılan T/M parçalar

Klimalar (T/M kompresör parçaları)

Elektronik sistemler (elektrikli ön camlar), ABS (anti bloke sistem) ve hava

yastığı gibi güvenlik aygıtları

T/M fren balataları

33

1.1.12.1. Motor Parçaları

T/M teknolojisi genellikle valf oturma ekleri, valf kılavuzları, valf parçaları ve zincir

dişlileri yapmak için kullanılır. Bu teknoloji bir dizi karmaşık T/M ürünü olan zincir

dişliler, kasnaklar ve değişken zamanlama kam milleri ve kaldırma sistemleri içinde

kullanılır. Son zamanlarda toz metal parçalar gittikçe artarak kullanılmaya

başlanmıştır. Biyeller, krank milleri ve hareketli parçalar bunlara örnek verilebilir.

Bu parçaların değerlendirilmelerinde yorulma analizlerinde çok büyük olumlu

değerler alınmıştır.

Yeni motor parçaları; yakıt verimliliğini arttırmak için doğrudan enjeksiyonlu

benzinli motorlardaki ve son gelişmeler egzos emisyonlarını azaltma da da T/M

parçalara olan talebi arttırmıştır. Silindirlere giriş yapan havanın kontrolü bu

motorlar için çok önemlidir. Birçok küçük toz metal parçalar bu amaçla kullanılan

önemli parçalardır (Fujiki, 2001).

Şekil 1.17. T/M otomobil parçaları (a)T/M planet dişli taşıyıcı, (b)T/M kam mili rulman kapağı (MPIF, 2006)

1.1.12.2. Dişli Kutusu Parçaları

T/M senkronize dişliler de sürtünme katsayısı, sertlik ve düşük maliyetleri arttırmak

için üzerlerine bazen pirinç katman oluşumu gerekli görülmüştür. Sertlik katsayısı ve

düşük maliyeti arttırmak için bu şekilde geliştirilmişleri bulunmaktadır. Son yıllarda

birden fazla takım sistemler ve kalıplar gerektiren yüksek mukavemetli ve

34

yoğunluklu karmaşık merkez dişli parçaların üretimi T/M üretim yöntemi ile çok

daha basite indirgenmiştir.

Şekil 1.18. T/M ile üretilmiş dişli (Fujiki,2001). Güç iletimi için çelik kemer içeren CVT (sürekli değişken transmisyon) adındaki

yeni şanzıman son zamanlarda çok popüler hale gelmiştir. Ancak burada çok az

sayıda özel T/M parçalar kullanılır. CVT kullanımı aynı T/M yağ pompaları ve T/M

otomatik şanzımandaki parçalar gibidir. Çeşitli çalışmalar ile CVT de kullanılan

dövme parçalar yerine daha düşük maliyetli T/M parçalar alması beklenmektedir

(Fujiki, 2001).

1.1.12.3. Şasi ve Diğer Parçalar

T/M üretiminin artması sayesinde ABS (anti bloke sistem) de kullanılan rotor

algılayıcı parçasındaki paslanmaz çeliklerin kullanımı azalmıştır. Paslanmaz

çeliklerin temel alındığı yeni bir T/M parça dizayn edilmiştir, Ni kaplama yapılmış

demir alaşımları. Bu teknoloji gelişmiş bir sinterleme tekniği içerir ve sinterleme

sonrası yağ işlemleri uygulanır. Dört çekişli otomobiller için diğer T/M parçaları da

içeren bir alaşımdan yapılan açı algılayıcı sensörler üretilmiştir. Bu olay T/M

teknolojisinin özgür alaşım tasarımı ve neredeyse net şekle yakın üretim yapabilme

gibi avantajları sağladığını gösterir (Fujiki, 2001).

35

1.1.12.4. Daha karmaşık parçalar

Gelişmekte olan daha karmaşık parçaların üretimi için metal enjeksiyon kalıplama

(MIM) daha yeni söz sahibi olmaya başlamıştır. Otomobil parçaları üretiminde MIM

uygulamalarında mühendislik verilerinin, mühendisler tarafından MIM bilincinin

eksikliği nedeniyle korkulan bir üretimdir. Bu bilgi eksikliği engelleri ortadan

kaldırılmalıdır. Bu buluş bir dişli üretmek için kullanılan yeni bir yöntemdir ve bir

küçük kesme işlemi bile yapmadan parçaya istenen şekil verilebilmektedir. Karmaşık

parçaların geliştirilmesi için yeni teknolojiler sürekli geliştiriliyor olması nedeniyle,

mekanik özellikleri standardize edilmelidir. Son zamanlarda, sıcak sıkıştırma

teknolojileri de güçlü parçalar geliştirmek için kullanılmıştır. Ham parçaların

işlenmesi bu teknolojiler kullanılarak artık daha kolay ve mümkündür.

Şekil 1.19. Araçlardaki T/M parçaların gelişimi ile ilgili beklentiler (Fujiki, 2001).

Araçlar için T/M parçaların gelişimi

Daha karmaşık parçalar

Yüksek mukavemetli parçalar

Daha fonksiyonel parçalar

• MIM • CNC pres • Birleştirme, kaynak,

sinter birleştirme • Sıcak sıkıştırma, ham

aşamada işleme • İşlenebilirlik

iyileştirmesi

• Yeni alaşım dizaynları• MIM • Yüksek sıcaklık

sinterleme • Sıvı faz sinterleme • Sıcak sıkıştırma • 2P2S (çift sinter, çift

pres) • Sinterleme ve dövme

• Yeni fonksiyonel materyaller uygulaması

• Komple yapısal parçalar ve fonksiyonel parçalar

Yorulma olaylarını ve çeşitli mekanik özellikleri iyileştirmek.

• Anti burulma direnci • Temas yorulma dayanımı • Darbe dayanımı • Young modülü • Uzama

36

1.1.12.5. Yüksek Mukavemetli Parçalar

Yeni alaşım tasarımları, yüksek sıcaklık sinterlemesi, sıvı faz sinterleme, 2P2S (çift

presleme çift sinterleme) ve sinter dövme yüksek mukavemetli parçaları üretmek için

kullanılan yöntemlerdir. MIM teknolojisi ve sıcak sıkıştırma yöntemleri, yüksek

mukavemetli parçalar üretmek için yardımcı olabilmektedir. Bazı yeni teknolojiler

sayesinde aşağıdaki maddelerde geliştirilmektedir.

Yüzey yağlamaları

Sinterleme sonrası ısıl işlemler veya dövme

Eş zamanlı boyutlandırma ve ısıl işlem

Yüksek mukavemetli parçaların yorulma dayanımı, darbe dayanımı, yüksek Young

modülü, yüksek uzama burkulma gibi mekanik özelliklerinin iyi olması

gerekmektedir (Fujiki, 2001).

1.1.12.6. Daha Fonksiyonel Parçalar

Yapılabilir toz metal otomobil parçalarının çeşitliliğini arttırmak için fonksiyonel

parçalar üzerinde araştırmalar yapılmaya devam edilmektedir. Bu çeşitliliği arttırma

fikirleri ile daha önceki teknikler ile yapılamayan T/M gözenekli filtreler, sensörler

ve diğer tahrik elemanlarının üretilmesi başarılmıştır ve direksiyon sistemlerindeki

gibi fonksiyonel mekanik parçalar birleştirmiştir. Herhangi bir durumda, tasarım

mühendisleri, bazı mekanik parçaların, pratik parçaların rolünü oynayabildiğini

düşünmektedir.

T/M teknolojileri talep edilen bu ihtiyaçları karşılamak için hibrit malzemeler

üretebilmektedir. Modüler sistemlerin son zamanlarda önemi artmış ve bu sistemler

önemli tedarikçiler oluşmasını sağlamıştır. Modüler sistemler, parçaların bir alanı

daha verimli kullanabilmesi için birleştirilmesi esasına dayanır. Bu yüzden parçaların

hem mekanik özellikleri hem de işlevsel özelikleri önemli hale gelmiştir. Bu

malzemeler yakın zamanda kesme işlemlerinde kullanılmıştır ve daha ucuz bir

maliyete kavuştuğu andan itibaren otomobil endüstrisi için daha çok kullanılacağı

beklenmektedir (Fujiki, 2001)

37

2. KAYNAK ÖZETLERİ

Özellikle otomotiv alanı ile ilgili direkt olarak T/M konusunda çok fazla yayınlanmış

kaynak bulunmamaktadır, ancak başka alanlar için yapılan T/M konusundaki

çalışmalar dolaylı yoldan otomotiv alanını da kapsamaktadır. Nedeni ise toz metal

otomotiv parçalarının üretiminde kullanılan demir ağırlıklı toz karışımları ve üretim

parametreleri ile diğer farklı alan ve çalışmalardaki parçalar ile benzerlikler

taşıyabilmektedir. Bu tez çalışmasına başlamadan önce aşağıdaki kaynaklar

araştırılmış ve bu doğrultuda literatür taraması yapılmıştır.

Ünlü ve Arkadaşları (2006), demir-bakır-grafit, demir-bakır grafit-alüminyum oksit

ve demir-bakır-grafit-silisyum karbür tozlarını homojen olarak karıştırmış ve demir-

bakır-grafit tozları sabit tutulurken, alüminyum oksit ve silisyum karbür miktarlarını

%3 ve %6 oranında arttırmışlardır. Demir esaslı FeCu-C malzemesinin aşınma ve

mekanik özelliklerini incelemişlerdir. 360MPa basınçta preslenen ve 1100oC’ de azot

atmosferinde malzemeler sinterlenmiştir. Demir tozuna partikül ilave edildiğinde

malzemenin sertliğinde artış gözlenmiştir. Çekme deneyi ölçümlerinde ise ilave

edilen partikül miktarı arttıkça çekme ve basma dayanımının azaldığı görülmüştür.

Eğme deneylerinde ise ilave edilen partikül miktarı arttıkça eğme dayanımının

azaldığı görülmüştür. Aşınma deneylerinde ise, ilave edilen partikül miktarı arttıkça

aşınma dayanımının azaldığı görülmüştür.

Karaaslan (2002), bakır ve kalay tozlarını içeren ve 40-50μm çapındaki ve %50 Cu

%10 Sn karışımındaki tozlardan meydana gelen yatakların aşınma ve sürtünme

özelliklerini incelemiş hem sürtünme hem de aşınma deneylerinde T/M esaslı sinter

bronz yatakların özellikleri olan beslemesiz yani yağ emdirilmiş yataklarda çok

düşük sürtünme ve aşınma değerlerini elde etmiştir. Yapılan aşınma deneylerinden,

yağ beslemesiz deneylerde yatakların aşınma miktarları, yağ beslemeli deneylerde

yatakların aşınma değerlerinden daha büyük çıkmıştır.

Yılmaz ve Özyürek (2009), Çalışmalarında, başlangıç tozu içerisine farklı oranlarda

demir, bakır ve grafit ilave edilerek Fe-Cu-C esaslı çelik malzemeyi toz metalurjisi

(T/M) yöntemi ile üretmişlerdir. Yaptıkları çalışmada bakır ve grafit miktarının

ayrıca, aşınma testinde uygulanan kayma hızının T/M çelik malzemenin aşınma

38

davranışlarına etkisini araştırmışlardır. Aşınma deneylerinde pin on disk yöntemini

kullanmışlar ve aşınma testi yapılan numuneler 1, 1,5 ve 2 m/s hızlarda, 2000m

kayma mesafesi ve 20N’ luk yük şartlarına tabi tutulmuştur. Yaptıkları deneysel

çalışmaların sonucunda ise; farklı kayma hızlarında aşındırılan numunelerde en

yüksek aşınma kaybı düşük Cu ve C içeren numunelerde, en düşük aşınma kaybı ise

yüksek oranda Cu ve C içeren numunelerde elde etmişlerdir.

Ayrıca sürtünme katsayısı değerleri numune içerisindeki C varlığı ile oluşan fazlara

bağlı olarak değiştiği, sert fazların olması düşük hızlarda daha yüksek sürtünme

katsayısı değerlerinin artmasına neden olduğunu ve malzeme içerisindeki artışına

paralel olarak sürtünme katsayısı düşüş göstermiş, aşınma esnasında kayma hızına

bağlı olarak genelde sürtünme katsayısı düştüğü sonuçlarını ileri sürmüşlerdir.

Boz ve Kurt (2006), Toz metal fren balata malzemelerinin sürtünme-aşınma

performansı üzerine çinkonun etkisi çalışmalarını iki aşamaya ayırmışlardır. Birinci

aşamada toz metalurjisi yöntemi ile bronz esaslı fren balataları üretilmiş ve üretilen

balataların sürtünme-aşınma performansları test edilmiştir. İkinci aşamada bronz

esaslı balata tozlarına farklı oranlarda (%0,5-4) Zn tozu ilave edilerek, yeni balata

numuneleri üretilmiş ve üretilen Zn ilaveli balata numunelerinin sürtünme aşınma

davranışları belirlenerek Zn esaslı balata numuneleri ile mukayesesini yapmışlardır.

Deneysel çalışmalarının sonucunda fren balatası olarak üretilen malzemelerin

optimum sürtünme-aşınma özellikleri 350 MPa presleme basıncında ve sinterleme

sıcaklığının 820 oC olduğu; balata malzemesine ilave edilen Zn tozunun ergime

derecesinin düşük olması nedeni ile ilave Zn oranı arttıkça numunelerin sinterleme

yoğunluğunu düşürdüğü; aşınma sonrası ana malzemenin sertliği yaklaşık %100

artarken, Zn ilaveli sürtünme malzemelerinin sertliklerinde bir değişim olmadığı ve

SAE-J661 standardına göre, ürettikleri balata malzemelerinin debriyaj balatası olarak

kullanılabilir olduğunu tespit etmişlerdir.

39

Dobrzañski ve arkadaşları (2007), Ni-Mo-W çeliklerinin sinterlenmesi ve özellikleri

isimli araştırmalarında toz alaşımlarına Ni, Mo ve W tozlarının ilavesi ile parçanın

bütünündeki özellik değişimini incelemiş ve düşük karbonlu çeliklerin

mikroyapısında beynit oluşumu ile özellikle martenzitik yapının varlığını

kanıtlamışlardır. Karbon miktarının artması ile mekanik özelliklerin sonuçlarında

belirgin bir fark görüldüğünü, alaşım içerisine W ilavesinin aşınma direncini

artırdığını ve incelenen tüm malzemelerin genellikle aşınmaya karşı iyi direnç

göstermesi sebebiyle özel uygulama alanlarında kullanılmasının uygun olacağını

belirtmişlerdir.

Fujiki (2001), otomotiv uygulamaları için toz metal parçaların mevcut durumu ve

geleceği konulu çalışmasında otomobil sanayisinin T/M parçalara olan ihtiyacı, T/M

parça teknolojisinin sınıflandırılmasına odaklanarak otomobil endüstrisindeki T/M

parça kullanımı ve otomobillerde kullanılması için umut edilen yeni T/M parçaların

tasarımından da bahsetmiştir. Sonucunda T/M malzemelerin dövme malzemelere

nazaran çok daha fazla mekanik özelliklerinin bulunduğu, tozun kendisi işlenmiş

metallerden daha pahalı olmasına rağmen T/M üretim yöntemi hariç diğer tüm

yöntemlerde malzemeyi defalarca işlenmesine gerek kalmadan ve özel alaşımlar

oluşturabilme imkânının sağlanamadığı, T/M teknolojileri ve geliştirilen toz metal

parçaların benimsenmesi için anahtarın işbirliği olduğunu belirtmiştir.

Özgün (2007), yüksek lisans çalışmasında iki farklı nikel oranına sahip Fe-Ni-Cu

Mo-C distaloy toz içerisine farklı oranlarda ferro molibden, bakır, grafit ve ferro bor

tozları ilave etmiş ve T/M yöntemi ile toplamda 12 farklı kompozisyona sahip

alaşımlı T/M çelik malzeme üretmiştir ve sinterlemesini 1120 oC de, parçalanmış

amonyak atmosferinde 30 dakika süre ile gerçekleştirmiştir. İlave tozların, üretilen

alaşımlı çelik malzemelerin mikroyapı, aşınma direnci, sertlik, kırılma tokluğu ve

eğilme dayanımı gibi mekanik özelliklerine etkilerini araştırmıştır. Bu araştırmalar

neticesinde; aşınma deneylerinde düşük yük, ağırlık kaybının az olmasına, yüksek

yük ise ağırlık kaybının daha fazla olmasına neden olduğuna, genel olarak içerisinde

karbon ve daha fazla bakır bulunan numunelerin daha az aşındığı; ancak içerisinde

bor bulunan numunelerin daha çok aşındığı gözlemlerine varmıştır. Ayrıca içerisinde

40

Ni ve C oranı fazla olan A grubu numunelerin sertlik değerlerinin B grubu

numunelerine göre daha yüksek belirlendiğinin bu durumun numune içerisinde Ni, C

ve Cu miktarının fazla oluşunun sertlik değerlerini arttırıcı etki yapmasından

kaynaklandığı bilgilerine ulaşmıştır.

41

3. MATERYAL VE YÖNTEM

Bu çalışmada toz metalurjisi ile üretilen otomotiv parçalarının toz karışımları

belirlenmiş ve bu toz çeşitleri üzerinden numuneler üretilerek birçok yönden

kıyaslamaya tabi tutulup, otomotiv endüstrisindeki toz metal parça kullanımında

iyileşme sağlanması amaçlanmıştır. Yanlış parça seçimi hem üreticiye hem satın alan

kişiye maddi manevi büyük zararlar vermektedir. Sıcaklığa veya aşınmaya karşı daha

dayanıklı olması istenen bir parçanın yanlış yerde kullanılması faydadan çok zarar

verir. Bu bakımdan ağırlıklı olarak otomobil parçası üretilen dört çeşit toz

karışımından elde edilen numunelerden çeşitli mekanik deneyler ve üzerinde

incelemeler yapılarak performans değerlendirilmesi ile ilave bilgiler kazandırılması

ve doğru parça seçimi yapılabilmesi için bu tez çalışmasının kaynak olması

amaçlanmıştır. Bunun için aşağıda çizelge halinde toz karışım değerleri verilen

numuneler ile çekme, basma, üç nokta eğme, aşınma deneyleri yapılmış ve sertlik

değerleri ölçülmüştür. Ayrıca SEM (taramalı elektron mikroskobu) ve optik

mikroskop ile metalografik incelemeler yapılmıştır.

3.1. Deneyler İçin Hazırlanan Toz Karışımları ve Üretim Parametreleri Her bir deney için dört çeşit toz karışımından (505, 507, 53, 45) deney başına her toz

karışımından 3’er adet numune üretilmiş ve ortalamaları alınmıştır. Çizelge 3.1. de

toz karışım değerleri ve isimleri bulunmaktadır. Karışımlar içerisine Ni ve Molibden

ön alaşımlı, Bakır ve Karbon elementel olarak ilave edilmiştir.

Çizelge 3.1. Deney parçaları için toz karışım oranları

Toz Adı % C % Cu % Ni % Mo % MnS % Zn-st

507 0,15–0,25

1,35–1,65

1,58–1,93

0,45–0,55

0,45–0,55

------------

505 0,54–0,66

1,35–1,65

3,60–4,40

0,45–0,55

0,45–0,55 ------------

53 0,77-0,83

1,80–2,20 ------------ 1,35–1,65

------------ 0,72–0,88

45 0,72–0,88

1,35–1,65

1,58–1,93

0,45–0,55

0,45–0,50 ------------

42

Oranları belirlenen tozlar homojen olarak karıştırılmış şekilde högonas firmasından

temin edilmiştir ve boyutları 30–200μm arasındadır. Her bir toz karışımı dört farklı

deney için standartlarda belirtilen dört farklı ölçü ve şekilde üretilmiştir. 507, 505, 45

isimli tozlar 400 oC ön ısıtmalı, max. 1120 oC sıcaklığında içerisinde metan gazı

ortamı bulunan şartlarda sinterleme işlemine tabi tutulmuş ve sinterleme süresi

yaklaşık olarak 1 saat 45 dk sürmüştür. 53 isimli toz ise 750 oC ön ısıtmalı, max 1120 oC sıcaklığında amonyak gazı ortamında sinterlenmiştir ve sinterleme süresi yaklaşık

olarak 1 saat 30 dk sürmüştür. Numune parçalarının her birinin çizelgelerde belirtilen

yoğunlukları Arşimet prensibine göre belirlenmiştir.

3.2. Sertlik Ölçümleri

T/M malzemeler çok küçük toz tanelerinin bir araya getirilmesi ile oluştuğu için

parçanın genelinde her zaman porozite (taneler arası boşluk) ile karşılaşmak

mümkündür. Bu sebepten dolayı dört farklı alaşım çeşidimizin sertlik ölçümleri

sertlik ölçen ucun bu porozite alanlarına denk gelme olasılığını bertaraf etmek için

mikro sertlik olarak değil Brinell makro sertlik olarak ölçümler yapılmıştır.

Şekil 3.1. Makro sertlik ölçümü yapılmış numune

Ölçümler Sakarya Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Metalürji ve Malzeme

Mühendisliğinde bölümünde bulunan Struers marka Duramin 500 model sertlik

ölçme cihazı ile gerçekleştirilmiştir ve hata payının en aza indirilmesi için Şekil

3.1’de gösterildiği gibi numune üzerinden üç farklı noktadan ölçüm yapılmıştır.

43

Şekil 3.2. Sertlik ölçme cihazı

3.3. Basma Deneyi

Basma deneyi Şekil 3.3’de ölçüleri belirtilen numuneler kullanılarak yapılmıştır.

Şekil 3.3. Basma deneyi numunesi 45, 53, 505, 507 isimli toz karışımları için 10x10mm ölçülerinde her toz karışımı için

3'er adet numune hazırlanmıştır. Bu numuneler 50 tonluk Dorst marka pres

yardımıyla sıkıştırılmış ve ardından sinterleme işlemine tabi tutulmuştur. Üretilen

parçaların yoğunluk ve bağıl yoğunlukları Çizelge 3.2.de belirtilmiştir.

Çizelge 3.2. Basma deneyi numunelerinin yoğunluk- bağıl yoğunluk ilişkisi

Toz adı Yoğunluk (g/cm3) (δ) Bağıl yoğunluk (g/cm3) (γ)

507 7,05 0,903

505 7,05 0,903

53 7,04 0,902

45 7 0,897

44

Parçaların sinterlenmesinin ardından Zwick-Roell marka 5000 kg kapasiteli basma

deneyi cihazında basma işlemine maruz bırakılmıştır. Basma işlemi yapılırken

cihazın alt çenesi sabit olup, üst çenesi alt çeneye ortalanmış olan parçaya sürekli

artan bir ivmeyle kuvvet uygulanmıştır (Şekil 3.4)

Şekil 3.4. Basma deneyi cihazının görüntüsü

3.4. Çekme Deneyi

Çekme deneyi numuneleri için ISO 2740’a göre belirlenmiş olan ölçülerde (Şekil

3.5) numuneler Högonas firması tarafından temin edilmiştir ancak, üretim sıkıntıları

sebebi ile 53 numaralı numune parçası temin edilememiştir. Temin edilemeyen bu

parçanın deney verilerinin kıyaslama eksikliği diğer yapılan deney verileri ile

giderilmeye çalışılmıştır. Numunelerin yoğunlukları Çizelge 3.3’de belirtilmiştir.

Şekil 3.5. Çekme deneyi numunesinin ölçüleri

45

Çizelge 3.3. Çekme deneyi numunelerinin yoğunluk- bağıl yoğunluk ilişkisi Toz adı Yoğunluk (g/cm3) (δ) Bağıl yoğunluk (g/cm3) (γ)

507 6,81 0,873

505 6,79 0,870

45 6,73 0,862

Çekme deneyi Toz Metal A.Ş fabrikasında bulunan Zwick-Roell marka çekme

cihazında yapılmıştır, cihazın çekme kapasitesi 5000 kg dır. Çekme deneyi cihazının

çeneleri arasına numuneler yerleştirilmiştir ve çeneler arası mesafe 20 mm dir, üst

çene hareketli olup yukarıya doğru numuneyi çekerken alt çene sabittir. Çekme

deneyinde parçaların kırılma esnasındaki max. yük, çekme mukavemeti ve kopma

kuvveti değerleri ve numunelerin kırılma tipleri de belirlenmiştir.

3.5. Üç Nokta Eğme Deneyi

Üç nokta eğme deneyi için 10x10x55 ölçülerinde pres kalıbı hazırlanmış ve dorst

marka 50 tonluk pres yardımı ile parçalar basılmıştır. İlk şekli verilen bu parçalara

ardından sinterleme işlemi yapılmıştır. Üç nokta eğme deneyi için hazırlanan

numunelerin yoğunluk ilişkileri Çizelge 3.4’de verilmiştir.

Çizelge 3.4. Üç nokta eğme deneyi numunelerinin yoğunluk-bağıl yoğunluk ilişkisi

Toz adı Yoğunluk (g/cm3) (δ) Bağıl yoğunluk (g/cm3) (γ)

507 7,07 0,906

505 6,99 0,896

53 7,11 0,911

45 7,05 0,903

Üç nokta eğme deneyi 5000 kg basma kapasiteli Zwick-Roell marka cihaz yardımı

ile yapılmıştır. Cihazın çeneler arası mesafesi, çenelerin yüksekliği Şekil 3.6’da

gösterilmiştir. Çeneler üzerine yerleştirilen deney parçalarına üst kısımından kırıcı uç

yardımıyla sürekli artan bir kuvvet uygulanmış ve deney parçası kırıldığı anda

46

kırılma kuvveti, % ve mm cinsinden uzama miktarları, çapraz kırılma mukavemeti

değerleri ve grafik çizimleri alınmıştır.

Şekil 3.6. Üç nokta eğme deneyi şematik görünüşü

Üç nokta eğme deneyinde çapraz kırılma mukavemet değerlerinin bulunması için

aşağıdaki formül uygulanmıştır.

Çapraz kırılma mukavemeti:

TRS = 3 x P x L / 2 x T2 x W (1.1)

TRS= Çapraz kırılma mukavemeti (N/mm2)

P= Kırılma yükü (N)

L= Çenelerin destek noktası arası mesafesi (mm)

T= Parça kalınlığı (mm)

W= Parça genişliği (mm)

3.6. Aşınma Deneyi

Otomotiv parçaları çalışma koşullarına bağlı olarak değişmekle beraber çoğunlukla

ileri derecede aşınma kuvvetlerine maruz kalmaktadırlar ve bu da malzeme ömrünü

oldukça kısaltan bir durumdur, bu sebepten dolayı numune çeşitlerinin aşınma

deneyleri yapılmıştır (Şekil 3.7). Aşınma deneyi için Sakarya Üniversitesi Teknik

Eğitim Fakültesinde bulunan pin disk aşınma test cihazı kullanılmıştır ve deneyin

yapılabilmesi için 6x50mm ölçülerinde her toz cinsi için silindirik numuneler

47

hazırlanmıştır. Hazırlanan numunelerin sürtünmeye maruz bırakılacağı uç kısmı

yüzey parlatma cihazında işleme tabi tutulmuştur. Malzemenin aşınma performansı

aşınma direnci olarak nitelendirilmekte ve her bir malzemenin aşınma direnci belli

yük, çevresel hız ve alınan yol (devir) şartlarında oluşan malzeme kaybı olarak

değerlendirilmiştir. Kuru aşınma deneyine tabi tutulan numunelerin sürtünme

katsayıları ve sürtünme kuvvetleri Deltar marka veri toplayıcısı ile anlık olarak

ölçülmüş ve 2000m ile nitelendirilmiştir. Kaydedilen verilerin grafikleri

oluşturulmuş ve her toz numune grubu için aşınma öncesi ve sonrası ağırlık kayıpları

1/10000 hassasiyetinde terazi ile belirlenmiştir. Aşınma deneyleri için 50 N yük

altında 238 dv/dk dönme hızı ile 33 dk süre değerleri belirlenmiştir.

Sürtünme katsayısı formülü: (1.2)

ϻ=Fs/Fn ϻ=Sürtünme katsayısı,

Fs=Sürtünme kuvveti (N),

Fn=Normal kuvvet (N)

Yukarıdaki formül sayesinde, aşınma deneyi esnasında cihazın bağlı bulunduğu

bilgisayar formülüzasyonu otomatik olarak çözümleyip aşınma oranları grafiklerini

belirlemiştir.

Şekil 3.7. Aşınma deneyi görüntüsü

48

Aşınma oranı formülü: (1.3)

K= ∆m / ρxLxP K= Aşınma oranı (m2/N)

Δm= m1-m2 (Ağırlık kaybı)

m1= Deney öncesi ağırlık (g)

m2= Deney sonrası ağırlık (g)

ρ= Malzemenin yoğunluğu (g/cm3) L= Kayma mesafesi (m)

P= Uygulanan yük (N)

Şekil 3.8. Pim-disk aşınma cihazının şematik gösterimi (Ünal; Yetgin, 2010).

3.7. Metalografik Çalışmalar

İlk olarak üç nokta eğme numunelerin farklı oranlarda büyütülmüş görüntü

incelemeleri İstanbul Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Malzeme Mühendisliği

Bölümünde bulunan JSM marka 5600 model Taramalı Elektron Mikroskobunda

(SEM) yapılmıştır. Sinterlenmiş dört farklı T/M alaşım çeşidinin SEM görüntüleri

yardımıyla mikroyapıları, gözenek dağılımı ve büyüklükleri, daha iyi tanımlanmaya

çalışılmıştır. Ayrıca SEM incelemesi yapılan numunelerin üç nokta eğme numuneleri

olmasından dolayı kırılma tiplerinin belirlenmesinde yapılan deneye ilave olarak

destekleyici rol oynamıştır.

İkinci olarak, aşınma deneyine tabi tutulan dört farklı T/M alaşım çeşidinin deney

sonrası numunelerin aşınan yüzeyleri ve aşındırıcı diskin yüzeyleri Sakarya

Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Metal Eğitimi Bölümünde bulunan Nikon

49

Eclipse marka L 150 A model optik mikroskop yardımı ile incelenmiştir (Şekil 3.9).

Bu inceleme sayesinde aşınma deneyinde elde edilen verilere ilave olarak daha

açıklayıcı ve ayrıntılı yorumlama olanağı elde edilmiştir. Ardından dört farklı tip

numune alaşımı, bakalite alınmış ve sırasıyla 800, 1200, 2400, 4000mm zımparalar

ve % 3 μm elmas solüsyon kullanılarak parlatılmış, ilk olarak dağlama yapılmadan

sonrasında % 2 nital ve % 4 picral çözeltileri ile dağlama yapılarak mikroyapı

incelemeleri yapılmıştır.

(a) (b)

Şekil 3.9. Metalografik cihazlar (a) Optik mikroskop, (b) Parlatma cihazı

50

4. ARAŞTIRMA BULGULARI

4.1. Sertlik Ölçümü Sonuçları

Ürettiğimiz dört farklı tip alaşım numunelerinin sertlik ölçümleri Brinell sertlik

ölçme yöntemi ile yapılmıştır ve bulunan değerler Şekil 4.1'de belirtilmiştir. En sert

malzeme 505 numaralı malzemedir ve diğer parçalar ile aralarında değer olarak çok

fazla fark bulunmamaktadır.

Şekil 4.1. Numunelerin Brinell sertlik ölçüm sonuçları grafiği 505 isimli parçanın toz alaşım değerleri C (Karbon) elementi yönünden orta

değerlerde bulunurken Cu (Bakır) elementi alaşım içinde en düşük % miktarına

sahiptir. Ancak 505 tozunun bileşim tablosuna bakıldığında bakır ve karbonun yanı

sıra Ni, Mo ve MnS elementleri ile karışım oluşturulmuştur ve 'C' oranının düşük

olmasına rağmen en yüksek sertlik değeri elde edilebilmiştir. İkinci olarak en sert

malzeme 45 numaralı parçadır, toz alaşım oranlarına bakıldığında sadece karbon ve

nikel oranları farklılık göstermektedir. 45 numunesinde 505'e göre karbon oranı

arttırılırken nikel oranı yarı yarıya azaltılmıştır, karbon oranının artmasına rağmen

sertliğinin 505'e göre daha az olması nikel elementinin de sertleşebilme kabiliyetinin

özelliğinin olmasından kaynaklanmaktadır. Hatta Şekil 4.2’ ye bakıldığında nikel

elementinin Brinell sertliğe karbon elementinden daha fazla olumlu katkısı

51

bulunmaktadır bu sayede 45 numaralı parça ile 505 numaralı parça arasında çok fazla

bir sertlik değeri bulunmamaktadır ve sadece nikel ve karbon tozlarının yüzde olarak

değiştirilmesi ile bu değerler sağlanmıştır.

Şekil 4.2. Bazı alaşım elementlerinin çeliğin sertliğine etkileri (Özgün, 2007). 53 numaralı numune ortalama 204 HB ile üçüncü sert malzeme olurken 507 numaralı

numune ortalama 188 HB ile en düşük sertliğe sahip malzemedir. 53 ve 507 isimli

parçaların toz alaşım oranlarında ise 507'de % 1,58 gibi düşük miktarda Ni

bulunmasına karşılık 53'ün içerisindeki C ve Cu oranı 507 parçasına göre oldukça

fazla miktardadır. Ni elementinin sertleşmeye katkısı bakır ve karbon'a göre daha

fazla olmasına rağmen oransal olarak bu elementlerden daha az olması sertlik

bakımından 53 numaralı parçayı daha sert yapmaktadır. Ayrıca 53 numaralı alaşımda

Mo (Molibden) elementi 507 numaralı parçaya göre yaklaşık % 1 daha fazladır ve

Şekil 4.2'de Molibden'in sertlik kazandırma yönünden azımsanmayacak kadar bir rol

oynadığı anlaşılmaktadır. Demir esaslı T/M parçalarda, düşük miktarda molibden

ilavesi, katı çözelti sertleşmesine az miktarda etki etmektedir. Buna karşılık

molibden, karbon içerisinde çözündüğünde sertleşebilme özelliğini iyileştirmekte,

dolayısıyla parçanın sertliğinin artmasına katkı sağlamaktadır (Khorsand, H.). Tüm

52

parçaların sertlik sonuçlarına genel olarak ele alındığında nikel, bakır, karbon ve

molibden elementlerinin kullanılarak veya kullanılmayarak ve oransal olarak toz

alaşım değerlerinin içerisinde fazla olması ile istenen sertlik değerleri birçok farklı

karışım ile elde edilebilmektedir.

4.2. Basma Deneyi Sonuçları

Basma deneyinde her alaşım için 3'er adet numune kullanılmıştır ve parçaların basma

deneyinde uygulanan eşit değerdeki max. kuvvet sonucu boy kısalmaları ve çap

genişleme miktarları belirlenmiştir (Şekil 4.3, 4.4, 4.5, 4.6). Bu saptanan özellikler

ayrı ayrı olarak çizelge 4.1, 4.2, 4.3, 4.4’de belirtilmiştir.

Çizelge.4.1. 507 numaralı numunenin boy ve çap değişim oranları

Deney öncesi boy (mm)

Deney sonrası boy ölçüsü (mm)

Boy değişim miktarı (mm)

Deney öncesi çap ölçüsü (mm)

Deney sonrası çap ölçüsü (mm)

Çap değişim miktarı (mm)

1.numune 10,07 9,82 0,25 10,06 10,21 0,15

2.numune 10,07 9,85 0,22 10,06 10,20 0,14

3.numune 10,06 9,85 0,21 10,06 10,21 0,15

Şekil 4.3. 507 numaralı numunenin boy-çap değişim grafiği

53

Çizelge 4.2. 505 numaralı numunenin boy ve çap değişim oranları

Deney öncesi boy (mm)

Deney sonrası boy ölçüsü (mm)

Boy değişim miktarı (mm)

Deney öncesi çap ölçüsü (mm)

Deney sonrası çap ölçüsü (mm)

Çap değişim miktarı (mm)

1.numune 9,94 9,90 0,04 10,04 10,10 0,06

2.numune 9,94 9,90 0,04 10,04 10,10 0,06

3.numune 9,93 9,88 0,05 10,04 10,10 0,06

Şekil 4.4. 505 numaralı numunenin boy-çap değişim grafiği

Çizelge 4.3. 53 numaralı numunenin Boy ve Çap değişim oranları Deney

öncesi boy (mm)

Deney sonrası boy ölçüsü (mm)

Boy değişim miktarı (mm)

Deney öncesi çap ölçüsü (mm)

Deney sonrası çap ölçüsü (mm)

Çap değişim miktarı (mm)

1.numune 9,92 9,90 0,02 10,07 10,07 0,001

2.numune 9,92 9,90 0,02 10,07 10,07 0,001

3.numune 9,92 9,90 0,02 10,07 10,08 0,01

54

Şekil 4.5. 53 numaralı numunenin boy-çap değişim grafiği

Çizelge 4.4. 45 numaralı numunenin Boy ve Çap değişim oranları Deney

öncesi boy (mm)

Deney sonrası boy ölçüsü (mm)

Boy değişim miktarı (mm)

Deney öncesi çap ölçüsü (mm)

Deney sonrası çap ölçüsü (mm)

Çap değişim miktarı (mm)

1.numune 9,89 9,85 0,04 10,06 10,08 0,02

2.numune 9,92 9,88 0,04 10,06 10,07 0,01

3.numune 9,95 9,85 0,1 10,06 10,08 0,02

Şekil 4.6. 45 numaralı numunenin boy-çap değişim grafiği

55

Basma deneyi sonrasında elde edilen boy değişim değerleri karşılaştırıldığında en

çok boy ölçüsü azalan parçanın 507 numaralı numunede olduğu en az değişimin ise

53 numaralı numunede olduğu görülmektedir. Ayrıca çap değişim oranları

incelendiğinde boyca azalmayla doğru orantılı olarak en çok çap ölçüsündeki

değişim de 507 numaralı numunede olmuştur, en az çap ölçüsü değişimi ise 53

numaralı numunede olmuştur bu parçada neredeyse hiç ölçü değişikliği olmamıştır.

Aşağıdaki Şekil 4.7’de numune çeşitlerinin boy ve çap olarak ortalama değişim

miktarlarını göstermektedir.

Şekil 4.7. Numunelerin ortalama boy azalması ve çap artışı miktarları

Basma deneyi sonuçlarında deney cihazının parçaların alın kısımlarından uygulanan

kuvvet sonucunda boy ölçüsündeki azalma ve buna bağlı olarak parçanın çap

ölçüsündeki genişleme miktarları belirlenmiştir. Şekil 4.5’e bakıldığında ölçüsel

olarak en çok değişime uğrayan parça 507 numaralı parçadır. Genel olarak

bakıldığında boy ölçüsündeki azalma miktarının yaklaşık yarı değeri kadar çap

ölçülerinde artma saptanmıştır, bu da doğal olarak deney sırasında uygulanan kuvvet

sonucu parçaların yanal şekilde genişleme yapması olarak ifadelendirilebilir. Ancak

505 numaralı parçada yaptığımız genellemeye ters düşecek şekilde boy ölçüsündeki

56

azalmadan daha fazla değerde çap ölçüsünde bir artış olmuştur. 4.6.3. kısmındaki

mikro yapı incelemelerine bakıldığında dağlama öncesi optik fotoğraflarda en az

gözenek miktarı 505 numaralı parçadır, bu sebeple diğer parçalardaki boşluk

miktarının bu parçaya oranla daha fazla olması sonucunda basma deneyinde

uygulanan kuvvetin bir kısmını sönümleyerek ölçüsel değişimi sınırlı tutması bu

boşluklar sayesindedir. 505 numaralı parçanın boşluk miktarının çok az olması

deneyde üst kısımdan uygulanan kuvvet direkt olarak yan yüzeylere uygulanarak

parçanın şişme miktarında diğer parçalara nazaran fazlalık görülmektedir. Sinterleme

sonrası katılaştırılan parçaların tekrar presleme veya dövme işlemi yapılması

suretiyle içerisindeki boşluk miktarlarının bertaraf edilerek daha sert parçaların

oluşturulması da bu anlattığımız esasa dayanmaktadır. 53 numaralı parçanın

neredeyse hiç çap ölçüsünün değişmemesi de içerisinde bulundurduğu mukavemeti

arttırıcı karbon, bakır ve molibden miktarlarının fazlalığı nedeniyle basma deneyi

esnasındaki kuvvete iyi bir direnç göstererek ölçüsel değişim miktarını çok az

düzeyde tutabilmiştir.

4.3. Çekme Deneyi Sonuçları

ISO 2740 standardında yapılan çekme deneyi numunelerinin tümü gevrek kırılma

şeklinde kırılmıştır ve deney sayesinde çekme kuvveti, maksimum yük, kopma

kuvveti değerleri belirlenmiştir.

Çizelge 4.5. 507 numaralı numunenin çekme deneyi sonuçları

Çekme mukavemeti (MPa)

Kopma kuvveti (MPa)

1. numune 276 276 2. numune 268 268 3. numune 267 267

Çizelge 4.6. 505 numaralı numunenin çekme deneyi sonuçları

Çekme mukavemeti (MPa)

Kopma kuvveti (MPa)

1. numune 330 330 2. numune 357 357 3. numune 331 331

57

Çizelge 4.7. 45 numaralı numunenin çekme deneyi sonuçları

Çizelge 4.5, 4.6, ve 4.7’e bakıldığında çekme mukavemeti, maksimum yük ve kopma

kuvveti değişkenleri bakımından en yüksek değeri 505 numaralı numune

taşımaktadır. Malzemelere uygulanan yükler ile oluşan gerilmeler, malzemelerde

elastik ve plastik değişmelere neden olmaktadır. Az karbonlu çeliklerin gerilme-

uzama eğrileri özellikle elastik sınırdan sonra doğrusal değildir. Buna karşılık toz

metalurjisi yöntemi ile üretilen metallerde, bileşim aynı olmasına rağmen gerilme-

uzama eğrileri doğrusaldır. Özakça, yaptığı bir çalışmada gerilme-uzama eğrilerini

doğrusal olarak bulmuştur ve bu eğrilerde herhangi bir akma sınırı görülmemiştir.

Ayrıca, bu çalışmada kullanılan sinterleme atmosferinin de çekme mukavemetini

etkilediği görülmüştür (Şekil 4.8). Fırın atmosferi ne kadar indirgeyici olursa; buna

bağlı olarak çekme mukavemeti de yüksek olmaktadır (Özakça, 1989).

Şekil 4.8. Farklı ortamlarda sinterlenen T/M parçaların gerilme-uzama eğrilerinin

değişimi (Özakça, 1989).

507, 505, 45 isimli çekme numunelerimizin tümü metan gazı ortamında sinterleme

işlemleri tamamlanmıştır ve ortak sinterleme atmosferi oluştuğu için kendi aralarında

bu yönüyle bir kıyaslama yapılamamaktadır. Ancak Çizelge 3.1.’e bakıldığında

Çekme mukavemeti (MPa)

Kopma kuvveti (MPa)

1. numune 314 309 2. numune 314 314 3. numune 326 326

58

çekme deneyi değerleri yüksek çıkan 505 numaralı numune çeşidinin Nikel oranının

45 ve 507 numaralı parçaların eşit oranlarına nazaran neredeyse iki katı oranında

fazlalık görülmektedir. Bilinmektedir ki nikel iyi bir mukavemetin yanı sıra yüksek

uzama özelliği kazandırılması istenen parçalarda sıklıkla kullanılmaktadır ve 505

numaralı parçanın nikel oranının bu denli yüksek olması çekme deneyi sonuçlarına

olumlu bir değer kazandırmıştır. 45 ve 507 numaralı numuneler kendi aralarında ele

alındığında ise Çizelge 3.1. de görüldüğü gibi bu iki alaşım arasındaki tek farklılık

karbon oranlarındaki farklılıktır. 45 numaralı alaşım içerisindeki karbon miktarı 507

alaşım tozuna göre % 0,60 oranında fazladır bu da elastik özelliği aranmadığı

durumlarda yüksek çekme mukavemetine sahip parçaların üretimine olanak tanır.

(a)

(b)

(c)

Şekil 4.9. (a) 507, (b) 505, (c) 45 numaralı numunenin çekme deneyi sonucu

59

Şekil 4.9’dan da anlaşılacağı gibi bakır ilavesi 45 numaralı toz alaşımının çekme

dayanımını iyileştirirken uzama miktarı çok düşüktür ve çekme numunesi

malzemelerinde Özakça’nın belirtmiş olduğu gibi akma sınırı görülmemektedir.

Ayrıca T/M parçaların gözenekli bir yapıya sahip olmaları, bu parçaların çekme

mukavemetlerini olumsuz yönde etkilemektedir (Özgün, 2007).

Şekil 4.10. Yoğunluğun çekme mukavemetine etkisi (Özakça, 1989). Çizelge 3.3’ de görüldüğü gibi çekme deneyi numunelerinin yoğunlukları birbirine

yakın değerlerdedir ve Şekil 4.10 incelendiğinde parçaların iyi bir gerilme özelliği

kazanabilmesi için en ideal 6,9 g/cm3 yoğunluk değerine çok yakın yoğunluklara

sahip olmaları sonucunda çekme dayanımlarını olumlu etkilenmiştir.

60

4.4. Üç Nokta Eğme Deneyi Sonuçları

Üç nokta eğme deneyleri ile kırılma kuvvetleri ve uzama miktarları tespit edilmiştir.

Bu deneyin yapılması sırasında 55x10x10mm ölçülerinde her alaşım için üçer adet

numune kullanılmıştır ve sonuçlar Çizelge 4.8, 4.9, 4.10 ve 4.11’de her bir numune

grubu için belirtilmiştir.

Çizelge 4.8. 507 numaralı numunenin üç nokta eğme deneyi sonuçları

Kırılma kuvveti (N)

Sehim miktarı (%)

Sehim miktarı (mm)

Çapraz kırılma mukavemeti (N/mm2)

1.numune 12800 4,7 1,25 883,2

2.numune 11500 4,2 1,12 793,5

3.numune 11200 3,8 1,00 772,8

Çizelge 4.9. 505 numaralı toz alaşımının üç nokta eğme deneyi sonuçları

Kırılma

kuvveti (N) Sehim miktarı (%)

Sehim miktarı (mm)

Çapraz kırılma mukavemeti (N/mm2)

1.numune 14700 5,1 1,36 1014,3

2.numune 14700 4,8 1,27 1014,3

3.numune 14200 4,7 1,25 979,8

Çizelge 4.10. 53 numaralı toz alaşımının üç nokta eğme deneyi sonuçları

Kırılma

kuvveti (N) Sehim miktarı (%)

Sehim miktarı (mm)

Çapraz kırılma mukavemeti (N/mm2)

1.numune 15600 4,1 1,08 1076,4

2.numune 16700 4,6 1,23 1152,3

3.numune 16800 4,8 1,28 1159,2

Çizelge 4.11. 45 numaralı toz alaşımının üç nokta eğme deneyi sonuçları

Kırılma

kuvveti (N) Sehim miktarı (%)

Sehim miktarı (mm)

Çapraz kırılma mukavemeti (N/mm2)

1.numune 10800 3,0 0,80 745,2

2.numune 11100 3,4 0,89 765,9

3.numune 10800 3,2 0,84 745,2

61

Çizelgelerde de görülmektedir ki en büyük kırılma kuvveti değeri 53 numaralı toz

alaşımındadır en düşük kırılma kuvveti değeri ise 45 numaralı toz alaşımındadır.

Ayrıca % ve mm olarak en çok uzama gösteren numune 505 numaralı toz alaşımıdır.

En düşük uzama miktarına sahip numune ise 45 numaralı toz alaşımıdır. En yüksek

çapraz kırılma mukavemeti 53 numaralı numunedir, en düşük değere sahip numune

parçası ise 45 numaralı alaşımdır.

(a)

(b)

(c)

62

(d)

Şekil 4.11.(a) 507, (b) 505, (c) 53, (d) 45 numaralı numunenin üç nokta eğme deneyi grafiği

Şekil 4.11’ de görüldüğü gibi üç nokta eğme deneyinde en yüksek mukavemet değeri

53 numaralı parçanındır. Numunenin deney esnasındaki kırılma kuvveti 16800 N

değerine ulaşmıştır. T/M ile üretimi yapılan bu parçaların içerisinde kullanılan veya

kullanılmayan element tozları parçaların her türlü özelliklerine çok büyük etkileri

vardır. Çizelge 3.1. tozların karışım oranlarına bakıldığında % olarak, Cu (Bakır),

Mo (Molibden) en fazla görüldüğü alaşım 53 numaralı toz alaşımıdır. Bilinmektedir

ki (C) en önemli özelliklerinden biri yüksek sertlik ve aşınma dayanımı

kazandırmaktır ayrıca (Cu), (C) ile birlikte kullanıldığında çok daha iyi sertlik ve

mukavemet sonuçları vermektedir ve bu alaşımda önemli derecede karbon da

bulunmaktadır. Tüm bunların yanı sıra (Mo) elementinin de alaşım içerisinde

sertleşebilirliğe etkisi olmaktadır. Bu yüzden 53 numaralı alaşım içerisinde bu

tozların oransal fazlalığı ile kırılma mukavemeti en iyi sonucu vermiştir.

45 numaralı parçanın kırılma mukavemeti en düşük değeri taşımaktadır (Şekil 4.12).

Bu parçada karbonun etkisini arttırıcı bakır elementinin azlığı dikkat çekmektedir ve

bu parçanın dağlama öncesi optik görüntülerine bakıldığında gözenek miktarının çok

büyük şekilli ve derin olduğu görülmektedir, büyük gözenek miktarının parça

içerisinde çatlak oluşumuna ve var olan çatlağın kolay bir şekilde ilerlemesine olanak

sağladığı düşünülmektedir (Özgün, 2007). Bu durumda da oluşan çatlak malzemenin

daha kolay kırılmasına sebep olur ve istenen mukavemet değeri sağlanamaz.

63

Şekil 4.12. Üç nokta eğme deneyi kırılma kuvveti-çapraz kırılma mukavemeti ilişkisi

Şekil 4.13. Üç nokta eğme deneyi numunelerinin uzama oranları

Üç nokta eğme deneyi kırılma kuvveti mukavemeti açısından en iyi değeri 53

numaralı parça gösterirken, uzama değeri açısından en fazla uzama miktarı 505

numaralı parçadadır (Şekil 4.13). Bunun sebebi ise 505 numaralı parçanın içerisinde

Ni (Nikel) bulunmasından kaynaklanmaktadır. Ni sertleşebilirliğe olumlu bir etkisi

olurken malzemenin sünekliğini azaltmaz, içerisinde Ni elementi bulunan bir T/M

alaşımının süneklik açısından önemli bir değere sahip olacağı söylenebilmektedir.

Ayrıca karbon elementinin malzemenin içyapısının yumuşak kalmasını sağlaması

parçadaki uzama miktarına da olumlu etki yaratacağı söylenebilir.

64

4.5. Aşınma Deneyi Sonuçları

Aşınma deneyi 238 d/d boyunca 50 N yük altında 56 HRC sertliğindeki AISI 4140

çeliği aşındırıcı disk ile pim-disk aşınma deneyine tabi tutulmuş ve numuneler deney

öncesi ve deney sonrası için 2000 m kayma mesafesinin ardından 1/10000 terazi ile

ölçülmüştür. Ayrıca her toz numunesi için sürtünme katsayısı grafikleri deney

süresince ortalama değerleri olarak belirlenmiştir (Şekil 4.14). Aşınma tiplerinin

belirlenmesi için ayrıca optik mikroskop görüntüleri yardımıyla incelemeler

yapılmıştır.

Çizelge 4.12. Numunelerin aşınma deneyi sonrası ağırlık kayıpları

Numune adı

Deney öncesi ağırlık (m1) (g)

Deney sonrası ağırlık (m2) (g)

Ağırlık kaybı (g)

507 9,1115 9,0812 0,0303 505 8,8682 8,8578 0,0104 53 8,9936 8,9798 0,0138 45 9,1420 9,1367 0,0053

Çizelge 4.12.'de görüldüğü gibi en çok ağırlık kaybı oluşan parça 507 numaralı

numunedir, en az ağırlık kaybı oluşan parça ise 45 numaralı numune parçasıdır.

(a)

65

(b)

(c)

(d)

Şekil 4.14. (a).507, (b), 505, (c) 53, (d) 45, numaralı aşınma numunlerinin kayma mesafesi-sürtünme katsayısı ilişkisi

66

Kayma mesafesi-sürtünme katsayısı grafiklerinde görüldüğü üzere her alaşımın

sürtünme katsayısı değerleri başlangıçtan itibaren artış gösteren bir eğri oluştururken

yaklaşık olarak 400m kayma mesafesine ulaştığında lineer bir grafik takip etmiştir

(Şekil 4.14). Şekil 4.15’de görüldüğü gibi sürtünme katsayısı en büyük olan malzeme

507 numaralı toz alaşımıdır 505 toz alaşımı ile aralarında çok az bir fark bulunurken

53 tozu en düşük sürtünme katsayısı değerine sahip numune parçasıdır. 507 ve 505

alaşım parçaları arasında çok küçük değerler fark ettiği açıkça görülmektedir (Şekil

4.15).

Şekil 4.15. Numunelerin aşınma deneyi kayma mesafesi-sürtünme katsayısı eğrisi

Şekil 4.16. Numunelerin aşınma oranları

67

İncelemeler sonucunda en çok aşınma miktarı 507 isimli parçada oluşmuştur, en az

aşınma ise 45 numaralı parçanın aşınma oranıdır (Şekil 4.16). 507 numaralı parçanın

toz alaşım oranlarına bakıldığında karbon, bakır ve molibden gibi sertlik ve

mukavemet arttırıcı özelliğe sahip elementlerin azlığı göze çarpmaktadır ve 507

isimli parçanın aşınma oranının bu denli yüksek olmasının sebebinde payı olduğu

muhakkaktır. Aşınma oranları sıralamasına bakıldığında, aşınma oranı miktarı

düştükçe alaşım içerisindeki elementlerin parçanın karışımındaki oranlarının artış

göstermesi bu kanıyı doğrulamaktadır. En az aşınan 45 numaralı parça içerisindeki

karbon miktarının oldukça yüksek değer taşıması ve sertlik kazanımını sağlayıcı

bakır elementi ve sertleşebilirlik kabiliyetini artırıcı nikel elementinin bu numune

içerisindeki ideal oranları sayesinde aşınma direnci olarak iyi bir sonuç kazanıldığı

düşünülmektedir.

Aşınma oranları miktarları sürtünme katsayıları ile bir paralellik göstermemiştir.

Örneğin 53 numaralı parçanın sürtünme katsayısı en az iken en çok aşınma oranına

sahip ikinci parçadır. Böyle bir durumun oluşmasının parçalardaki muhtemel

gözeneklerden ve özellikle taneler arası kuvvetli veya zayıf bağların etkisi olduğu

sanılmaktadır. Ayrıca, oluşan oksit tabakası, sürtünme katsayısını düşürerek aşınma

oranının düşük olmasını sağlamaktadır (Wang, Dannınger,. 1998). Tüm parçaların

Şekil 4.15’deki optik görüntülerine bakıldığında aşınmanın abraziv ve adhesiv

aşınma türü olduğu bellidir. T/M ile üretilen parçaların aşınma durumlarında,

parçadan kopan küçük toz partikülleri yüzeyler arasına girerek daha büyük aşındırıcı

etki yaratır ve diğer toz partiküllerinin parçadan ayrılması bu sayede daha kolay hale

gelir ve bu da olumsuz bir etki oluşturarak aşınmayı hızlandırabilir veya aşınma

oranını arttırabilir.

Aşınma deneyi neticesinde en çok aşınan 507 numaralı parça bakır, karbon, nikel,

molibden gibi sertlik özelliği kazandıran elementleri içerisinde en az bulunduran

alaşım olmuştur. En çok aşınan ikinci toz alaşım çeşidi 53 numaralı parça bakır ve

karbon oranlarının 507 alaşımına göre artış göstermesine rağmen içerisinde nikel

elementinin bulunmaması aşınmaya direnci açısından alaşımın tam bir sonuç

verememesi ile sonuçlanmıştır. Ancak en az aşınan 505 ve 45 numunelerine

bakıldığında, alaşım yüzdelerindeki tek fark 45 numaralı numunenin % 0,20 lik

68

karbon miktarı fazlalığı ve 505 tozunun % 1,50 lik nikel oranı fazlalığıdır. En az

aşınan 45 numaralı alaşım olması sebebiyle aşınma deneyinde karbon miktarının

fazlalığı ile göze çarpan alaşımın diğer alaşım çeşitlerine göre önemli ölçüde iyi bir

direnç sağladığı belirlenmiştir.

4.6. Metalografik Çalışma Sonuçları

4.6.1. Aşınma Deneyinin Optik Mikroskop Görüntü İncelemeleri Pim-disk aşınma deneyine tabi tutulan parçaların ayrıca optik mikroskop görüntü

incelemeleri yapılarak aşınma türleri tespit edilmeye çalışılmıştır. Aşınma

parçalarının çapı 10mm boyu ise 55 mm dir.

69

Şekil 4.17. (A) 507, (B) 505, (C) 53, (D) 45 numaralı numunenin aşınrma deneyi

sonrası pim ve disk parçası optik görüntüleri Aşınmaya maruz bırakılan pim parçalarının ve aşındırıcı disk tabakalarında oluşan

aşınma tipi ağırlıklı olarak abraziv aşınmasıdır, kısmen de adheziv aşınma izlerine

rastlanmıştır (Şekil 4.17). Parçaların toz metalurjisi ile üretilmesi dolayısıyla partikül

esaslı olması abraziv aşınma tipine daha yatkın olduğunu kanıtlamaktadır. 507

numaralı alaşım numunesinin hem aşınma oranı hem de sürtünme katsayısının en

büyük olmasından dolayı bu parçanın optik görüntülerinde aşınma yoğunluğunun ve

derinliğinin diğer numunelere göre daha ağır ve yoğun aşınma izleri taşıdığı

belirlenmiştir.

Aşınma numunelerinin optik görüntüleri aşınan pim parçaları ve aşındırıcı diskin

farklı büyütmelerdeki görüntüleri üzerinden yapılmıştır. Aşınma deneyi sonuçlarında

bahsedildiği gibi numuneler için ağırlıklı olarak abraziv aşınma türü belirlenmiştir.

70

Bu aşınma türünün oluşumunda parçaların T/M yöntemi ile üretilmesinin etkisi

büyüktür, nedeni ise her ne kadar bu yöntem küçük toz tanelerinin birbirine

bağlanması işlemi olarak uygulansa da bu taneler ileri aşınma kuvvetlerine maruz

bırakıldıklarında birbirleri arasındaki bağ kuvveti zayıflar ve birbirlerinden koparak

yüzeyler arasında sıkışır ve abraziv aşınmanın temelini oluştururlar.

4.6.2. Üç Nokta Eğme Numunelerinin Kırık Yüzey SEM Analizlerinin Sonuçları

Dört farklı tip alaşımdan oluşan numune parçalarının kırılma tipleri üç nokta eğme

deneyi ile belirlenmeye çalışılmıştır ancak kırılma tiplerinin daha iyi anlaşılması ve

taneler arası boşluk, boyun verme, gibi özelliklerin belirlenebilmesi için 10x10x55

ölçülerinde üç nokta eğme deneyi ile kırılmış parçaların kırık yüzeyleri sem

görüntüleri ile desteklemeye çalışılmıştır.

(a)

(b)

71

(c)

(d)

Şekil 4.18. (a) 507, (b) 505, (c) 53, (d) 45 numaralı numunenin üç nokta eğme deneyi sonrası kırık yüzey SEM görüntüleri

Parçaların SEM görüntülerindeki (Şekil 4.18) ‘A’ olarak isimlendirilen alanlar

yapıdaki taneler arası boşluk (porozite) kısımlarını belirtmektedir. Porozite

miktarının fazla olması parçanın yoğunluğunun düşmesine sebep olmaktadır ve

istenmeyen aşırı porozite miktarı parçanın mukavemet dayanımını olumsuz yönde

etkiler fakat porozite miktarı belirli bir değerde tutulabilinirse olumlu bir değer

olarak parçanın süneklik dayanımı kazanmasını sağlar ve bu da kırılganlığın

azalması demektir. Porozite miktarı özellikle kendinden yağlamalı toz metal

parçalarda daha çok önem arz eder. Malzeme içerisinde oluşan bu porozite alanlarına

72

aşınma esnasında dayanımı arttırabilmek amacıyla sinterleme işlemi sonrası yağ

hapsedilmektedir ve yüzeyler aşındıkça bu yağ bölmeleri açılarak sürtünen yüzeyler

arasında bir katman oluşturmaktadır. Bu sebeple kendinden yağlama özelliği istenen

T/M parçalarda bilinçli olarak porozite miktarı fazla tutulabilmektedir. ‘B’ olarak

isimlendirilen alanlar tane içi kırılma oluşmasını göstermektedir ve parçaların

birbirine bağ oluşumun iyi bir düzeyde olduğunu dolayısıyla sinterleme aşamasının

standardının düzgün bir şekilde uygulandığı anlamına gelmektedir. Numunelerin

SEM resimlerindeki ‘C’ alanları ise taneler arası kırılma bölgeleridir, kuvvet

uygulandığı esnada taneler arası birleşmenin kısmen daha zayıf olduğu kısımlarda

oluşur. Aksi halde taneler arası bağ oluşumunun çok iyi olması durumunda kopma

kısımları tane içi şekilde birbirinden ayrılmaktadır.

4.6.3. Mikroyapı İnceleme Sonuçları

Mikroyapı incelemelerinde malzemelerin gözenek miktarı ve malzemede oluşan

yapılar tespit edilmeye çalışılmıştır (Şekil 4.19). Mikroyapı incelemelerinde her

numune çeşidi için belirli büyütmelerde dağlama öncesi ve dağlama sonrası olmak

üzere görüntüler elde edilmiştir.

73

Şekil 4.19. (a) 507, (b) 505, (c) 53, (d) 45 numaralı numunenin optik mikroskop

görüntüleri Gözenek miktarının en yoğun olduğu malzeme 45 numaralı parçadır, en az gözenek

miktarına sahip malzeme ise 505 numaralı parçadır. Gözenek yapıları 45, 53 ve 507

numaralı numunelerde daha derin ve karmaşık şekilli gözenekler olurken 505

numaralı numunede gözenekler daha küçük çaplı ve nispeten küresel şekilli

gözenekler oluşmuştur.

Bakır, sıvı faz sinterlemesini sağlayan bir element olup, toz içerisine ilave

edildiğinde malzemenin sinterlenme ve mekanik özelliklerini olumlu yönde

etkilemektedir. Oluşturduğu sıvı faz ile gözenekleri doldurmakta ve taneler arası bağı

kuvvetlendirerek alaşımlı T/M çelik malzemelerin sertlik ve çekme dayanımlarının

artmasını sağlamaktadır (Yılmaz. 2005). Ancak Cu, sağladığı bu olumlu etkiye

rağmen malzemenin içerisine belli bir değerin üzerinde ilave edildiğinde, sinterleme

esnasında genleşme olacağından, yoğunluk değerinin düşük olmasına neden

olmaktadır (Lawcock, Davıes. 1990), (Zhang, v.d 2004).

Ayrıca tozun preslenebilirliği arttıkça, elde edilen malzemenin yoğunluğu da artar

(Özgün, 2007). Şekil 4.19. da alaşım içersine katılan elementlerin preslenebilme

kabiliyetini ne ölçüde etkilediği gösterilmektedir.

74

Şekil 4.20. T/M malzemelere ilave edilen alaşım elementlerinin preslenebilirliğin

azalmasına etkisi (German. 2005). Şekil 4.20’den de görüldüğü gibi preslenebilirlik azalmasını en büyük ölçüde

etkileyen element karbondur. Alaşım çeşitlerimizin içerisinde en fazla karbon miktarı

45 numaralı alaşımın içerisindedir ve şekil 4.18. de en çok gözenek miktarı 45

numaralı alaşıma ait olduğu anlaşılmaktadır. Dağlama öncesi optik görüntü

incelemesi yapılan parçalar ardından % 2 nital ve % 4 pikral çözeltileri ile dağlama

işlemleri yapılmıştır. Yapılan dağlama sonrası parçaların faz yapıları üzerine mikro

yapı fotoğrafları çekilmiştir.

75

Şekil 4.21. (a) 507, (b) 505, (c) 53, (d) 45 numaralı numunelerin dağlanmış mikro yapı görüntüleri.

76

T/M ile üretilmiş numune parçalarına bakıldığında mikro yapı görüntülerinin genel

olarak perlitik, ferritik, beynitik ve martensit yapıların oluştuğu anlaşılmıştır. 'A'

bölgesi perlitik, 'B' bölgesi beynitik, 'C' bölgesi martensit ve 'D' bölgesi ferritik

bölgelerini belirtmektedir. (Şekil 4.21.c) bakıldığında perlitik bölgenin daha yoğun

ve belirgin halde olduğu görülmektedir. 53 numaralı alaşım içerisinde nikel

elementinin bulunmamasının ve bakır, molibden elementinin diğer alaşımlara göre

en yüksek değeri bu alaşım içerisinde taşıması perlitik yapının yoğunlaşmasına

sebebiyet verdiği düşünülmektedir. Nikel olarak zengin 505 elementinin dağlanmış

optik görüntülerinde (Şekil 4.21.b) ferrit bölgelerin üstünlüğü görülmektedir.

77

5. TARTIŞMA VE SONUÇ

T/M numuneler üzerinde yapılan çalışmalar neticesinde farklı değerler ve bu

değerlerin oluşumunda etkili olan farklı etkenler ortaya çıktığı belirlenmiştir.

Malzemelerin özellikle toz metalurjisi ile üretilmesi tozların tane büyüklüğü,

sıkıştırma basıncı, sinterleme atmosferleri ve alaşım elementlerinin çeşitliliği ve

oransal miktarları parçaların özelliklerini değiştiren önemli özellikler konumundadır.

Deneysel sonuçlar ayrıntıları ile ele alındığında;

1) Basma deneyi sonuçları incelendiğinde, 50000N kuvvet ile basılan parçaların

boylarının azalması ve çap ölçüsünün artma değerleri ile numunelerin

içerisinde bulunan alaşım elementlerinin birinci derecede etkili olmadığı

anlaşılmıştır. İçerisindeki karbon, molibden, nikel gibi alaşım elementleri

açısından % olarak en az değeri taşıyan 507 numunesi boy ve çap ölçüsü

değerleri yüksek çıkarken % olarak elementel dağılımı fazla olan 45

numunesi arasında boy ve çap ölçüsü değişimlerinde fazla fark

bulunmamıştır. Bu belirtiler doğrultusunda numuneler içerisindeki gözenek

miktarlarının oranları basma deneyinde en etkili faktör olduğu

düşünülmektedir.

2) Çekme deneyinde numuneler içerisindeki nikel elementinin % 2 fazlalığı

deneydeki kopma mukavemeti değerlerinde yaklaşık % 20 oranında artış

kazanmasını sağlamaktadır. Nikel elementinin deneyi etkileyen çok önemli

bir etken olduğu anlaşılmıştır. İkinci olarak ise alaşım içerisindeki yalnızca %

0,60 lık bakır fazlalığı çekme deneyindeki kopma mukavemeti değerine % 15

değerinde kazanç sağlamaktadır. T/M parçaların oluşumunda, içerisindeki

elementlerin nikel ve bakır oranlarını fazlaca tutularak uygun oran sağlanması

sonucunda çekmeye karşı çok iyi mukavemet değerleri sağlanacağı

düşünülmektedir. Ancak bakır ve nikel elementinin alaşım içerisindeki

miktarı belirlenirken katılacak aşırı miktarların parçaya kırılganlık v.b gibi

problemler oluşturma ihtimali düşünülmelidir.

78

3) Üç nokta eğme deneyi verilerinden yola çıkarak bakır ve molibden

elementlerinin birlikte kullanılmasıyla nikel elementinin sağladığı

mukavemet özelliklerini alaşıma kazandırılacağı görülmektedir. Özellikle

alaşım içerisinde nikel hiç kullanılmayacaksa sertlik kazanımı yönünden

bakır ve molibden’in karışım içerisindeki oranlarının arttırılması nikel’in

sağlayacağı sertlik değerlerinin yakalanabilmesine imkân verebilmektedir.

Ancak bakır ve molibden elementleri sertlik kazandırırken malzemenin iç

yüzeyinin de aynı derecede sertleşip kırılgan hale geldiği uzama

miktarlarından anlaşılmaktadır, oysa nikel elementi malzemenin iç yüzeyini

kısmen dış yüzeye göre yumuşak tutarak kuvvet karşısında kırılmaya daha

dayanıklı hale getirmektedir. Karbon elementinin ise alaşım içerisindeki

miktarı % 0,70–0,80 aralığında ve üzerinde olması kırılgan bir negatif durum

oluşturması büyük olasılıkla muhtemeldir.

4) Karbon elementi fazlalığı malzemeye kırılganlık katarken aşınmaya karşı

direnç için elementler içerisinde en önemli rolü karbon elementi

oynamaktadır. Aşınma deneyi ile kesin bir biçimde anlaşılmaktadır ki alaşım

içerisindeki karbon ve ilave olarak bakır, molibden elementleri ne kadar

fazlaysa aşınma o kadar az olmaktadır. Ayrıca aşınma için uygulanacak

yükün 50 N üzerinde olması aşınma işlemi oluşurken parçaların daha az

titreşim oluşturması sağlanabilir.

5) SEM görüntülerinde numunelerdeki porozite miktarları, porozitenin

büyüklüğü, kırılma tipi gibi özellikleri belirlenmiştir. Numunelerdeki sem

görüntüleri belirli bir kısım alanı kapsadığı için daha ayrıntılı yorumlama

yapılabilmesi için porozite, tane içi ve taneler arası kırılma bölgelerine

elementel dağılım analizleri ile daha ayrıntılı yorumlanabilme imkânı

oluşabilmektedir. İlave olarak bakır elementinin sinterleme sıcaklığı olan

1120 0C altında ergimeye başlıyor olmasından dolayı dağlanmış numunelerin

görüntülerinin SEM ile alınması faz yapıların daha iyi belirlenmesini

sağlayacaktır.

79

6) T/M malzemelere elementler yardımı ile sertlik kazandırma işlemi en basit

durumlardan birisidir. Karbon, nikel, molibden gibi elementler zaten alaşım

içerisindeki oranları ile doğrusal olarak malzemeye sertlik

kazandırabilmektedir. Bu durumda önemli olan T/M malzemeden istenen

aşınma, yorulma v.b gibi diğer özelliklerin parçaya kazandırılırken istenen

sertlik değerine ulaşmasıdır. 505, 45, 53, 507 isimli T/M alaşımlarında da

istenen sertlik değerleri bu doğrultuda alaşım içerisindeki elementlerin

oranları ile sağlanmıştır.

7) Bu tez çalışması için seçilen alaşım çeşitleri otomotiv endüstrisi için T/M

yöntemi ile üretim yapılan alaşımlar içerisinde en güncel ve sık kullanılan

alaşım çeşitlerini kapsamaktadır. Üretilecek olan otomotiv parçalarının hangi

koşullara maruz kalacağı incelenmiş ve bu şartlar altında parçalarda

oluşabilecek problemlerin bertaraf edilmesi için uygun oranlarda element

karışımları hazırlanmıştır. 505, 507 ve 45 alaşımları genel olarak yağ pompa

parçaları, dişliler, senkromej dişliler gibi aşınma, yüksek hız ve nispeten daha

fazla kuvvet altında çalışabilecek yapıda imal edilecek parçaların oluşumunda

kullanılan alaşım tipleridir. Nikel, bakır, karbon gibi elementlerin bu alaşımı

oluşturan başlıca elementler olması sebebiyle birim maliyeti daha yüksek

olmuştur. 53 isimli alaşım tipi ise içerisinde Nikel elementi bulundurmayan

bir alaşımdır, dolayısıyla birim maliyeti diğer üç alaşım çeşidine göre daha

az maliyetlidir ve otomotiv klima aparatları gibi daha basit ve rahat çalışma

koşulları için hazırlanmış bir T/M alaşım çeşididir.

T/M parçaların kullanımında birim maliyetlerinin yanı sıra kullanım ömrü gibi

dolaylı yoldan maliyeti etkileyecek etkenlerde göz önünde bulundurulmalıdır.

İlerleyen zamanlarda toz metal sektörünün gelişme sürecine paralel olarak deneylere

tabi tutulan T/M numunelerin bire bir çalışma koşulları oluşturularak incelenmesi

göz ardı edilen ya da fark edilemeyen bazı etkenlerin anlaşılıp iyileştirme yapılması

sağlanabilir. Ayrıca büyük kütle ve ebatlardaki parçaların T/M yöntemi ile

üretilebilme olanakların araştırılması sektörün daha geniş üretim yelpazelerine

dağılarak gelişme sürecinin hızlandırılması bu çalışmalar vasıtası ile gerçekleşebilir.

T/M malzemelerin üretim aşamalarının tamamlanmasının ardından da daha farklı son

80

işlemler oluşturularak malzemelerin iyileştirilmelerine katkı sağlanması

araştırılabilir.

81

6.KAYNAKLAR Agapiou, J.S., Haldin, G.W., DeVries, M.F., 1989. On the machinability of powder

metallurgy austenitic stainless steels. 125s. ASM Metals Handbook, 1998. Powder metal technologies and applications volume

7. ASM International, 1145-1146s. USA. Ataş, A., “Alaşımlı Demir Tozu Peletlerinin Sinterleme Sonrası Mekanik

Özelliklerinin İncelenmesi”, Yüksek Lisans Tezi, İ.T.Ü., F.B.E., 2003, İstanbul

Archbold, J., 1999. Sintering temperature effects on the mechanical properties of

porous- coated Ti-Al-4V ELI alloy, master degree of applied science, graduate department of metallurgy and material science, university of 106 s.Toronto, Canada.

Başaran, A., 2007. Toz Metal Parçalara Isıl ve Mekanik Yüzey İşlemlerinin Birlikte

Uygulanabilirliğinin Araştırılması. (Y.Lisans Tezi) 27-33s. Isparta Çalışkan, C., 2000. Toz metalurjisi , İstanbul Teknik Üniversitesi, Bitirme Projesi.

16s. İstanbul De’Garmo, E.P., 1997. Materials and process in manufacturing, prentice-hall, 1259 s.

Newyork, End. Müh. İnt. Sit. İnternet adresi. http://enm.blogcu.com/toz-metalurjisi-nedir-

2/2551975 Erişim tarihi: 01.12.2010 EPMA, 2006. İnternet Sitesi. http://www.epma.com/rv_pm/About_PM.htm. Erişim

Tarihi: 12.09.2006. EPMA, 2006. İnternet Sitesi. http://www.epma.com/publications/Metal_Injection_

Moulding.pdf. Erişim Tarihi: 12.09.2006. Fujiki, A., 2001. Present state and future prospects of powder metallurgy parts for

automotive applications. 1-9s. Japan German, R.M., 1984. Powder metalurgy science. MPIF, 278. 133-136s, USA. German, R.M., 1989, Powder metallurgy science. MPIF, 203-335s, USA. German, R. M., “Powder Metallurgy, 8. Particulate materials processing”, MPIF,

2005, 202,207s, USA. GKN Sinter Metals. 2001, Advanced engine components worldwide, 17s. England.

82

Hale, R., 2003. Powder metallurgy process and applications, AE 510 research project, University of Kansas, Lawrance, 82s. U.S.A.

Höganäs, A. B., 1996, “Production of ıron and steel powders”, chapter 2, 3-21s,

Höganas PM School Karaaslan, R., 2002. Titreşimli ve Sabit Gerilmede T/M Esaslı Radyal Yatakların

Aşınma ve Sürtünme Özelliklerinin Deneysel İncelenmesi, (Y.Lisans Tezi) 27-28, Isparta.

Kurt, A.O., 2004. Toz üretim yöntemleri ve sinterleme, Sakarya Ünv., Müh. Fak.,

Metalürji ve malzeme bölümü ders notları, 1- 25s, Sakarya. Khorsand, H., Habıbı, S. M., Yoozbashızadea, K., Janghordban, K., Reıhhanı, S. M.

S., Serajı, H. R., Ashtarı, M., 2002,”The role of heat treatment on wear behavior of powder metalurgy low alloy steels”, Materials and Desing, 23.667- 670

Lawcock, R. L., Davıes, T. J., “Effect of carbon on dimensional and microstructural

characteristics of Fe-Cu compacts during sintering”, Powder Metallurgy, Vol. 33, No 2, pp. 147–149p, 1990

Metal Powder Industrıes Federation (MPIF)., 2006. Powder metallurgy automotive

parts capture design excellence awards. 1-3s. USA. Nayar, H.S., 1984. Production sintering atmospheres. Metals handbook ninth edition

Vol.7. Powder Metallurgy, 339–350s. USA Öveçoğlu, M. L., 1997. Toz Metalurjisi :Tarihsel Gelişimi,Üretim Aşamaları ve Son

Eğilimler. 9. Uluslararası Metalürji ve Malzeme Kongresi, 449–475, İstanbul Özgün, Ö., 2007. Toz Metalurjisi ile Üretilen Alaşımlı Çeliklerin Mikroyapı ve

Mekanik Özellikleri. (Y.Lisans Tezi) 40-129s. Sakarya Özakça, M., 1989. “Mechanical Properties of Compacted and Sintered Powder

Metallurgy Blanks”, Yüksek Lisans Tezi, Gaziantep Üniversitesi F.B.E. 20s. Powder Metalurgy İnternet sitesi, http:// www.git.edu/mech/images/stories/MRD/PM-2.pdf. Erişim tarihi: 30.11.2010 Powdermatrix technology roadmaps dergisi., 2004. 2-16s. PM Asia dergisi, 2009. Promoting powder metallurgy in Asia 3s. China Roll, K.H., 1984. Introduction. Handbook Ninth Edition Vol.7. Powder Metalurgy,

569–574p. USA.

83

Roll, K.H., 1984. Production of metal powders, American society for metals. Metals handbook ninth edition 7. Powder Metalurgy. 23–31p. USA.

Sarıtaş, S., 1995. Toz metalurjisi. TMMOB makine ve mühendis, cilt 36(421), 41-

47s, Ankara. Šalak, A., 1995. Ferrous powder metallurgy. Cambridge International Science

Publishing, 450, England. Šalak, A., Selecká, M., Danninger, H., 2005. Machinability of powder metallurgy

steels. Cambridge International Science Publishing, 536., Cambridge UK. Türk TM Derneği, 2006. İnternet Sitesi. http://www.turktoz.gazi.edu.tr/ttmd_tr.htm

Erişim Tarihi: 01.10.2006. Toz Metalurjisi Dergisi, İnternet sitesi. http://ie243.cankaya.edu.tr/uploads/files/Poewder%20Metallurgy.pdf. Erişim tarihi: 12.06.2010 Upadhyaya, G.S., 1996. Powder metallurgy technology. Cambridge International

Science Publishing, 7-10s. England. Ünal,H., Yetgin, S,H., 2010. Çymape ve PA-6 mühendislik polimerlerinin aşınma ve

sürtünme davranışlarının incelenmesi. Cilt,3. Sayı,2. 145-152s. Sakarya Ünlü v.d. 2006, “Partikül takviyeli demir esaslı FeCu-C malzemenin aşınma ve mekanik özellikleri” Soma MYO Teknik Bilimler Dergisi, Sayı 6, 1-8s.

Manisa Yalçın, B., 2007, Toz Metalurjisi Yöntemi ile İmal Edilen Titanyum Alaşımı

İmplantların Temel Özelliklerinin Araştırılması.(Doktora Tezi) 16-23s. Isparta.

Yılmaz , N., 2006. Demir Esaslı Toz Metal Malzemelerin Talaşlı İşlenebilirliği.

(Doktora Tezi) 13–29s, Isparta. Yılmaz, S.B., 1999. Toz Metalurjisi ile Üretilen, Bağlı Grafitli Demir Parçalarda

Kullanılan, Farklı Demir Tozu Cinslerinin Parçalardaki Mekanik Özelliklere Etkisi. Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Y. Lisans Tezi, 112s, İstanbul.

Yılmaz, R., “Fe-Cu-C kompaktlarda presleme basıncı ve toz karışım oranlarının

sertliğe ve çekme mukavemetine etkisi”, 4. Uluslararası Toz Metalurjisi Konferansı, 18–22 Mayıs 2005, 795–806s. Sakarya

Yılmaz, R., “Toz metalurjisi ile üretilen Fe-Cu-C esaslı parçaların mekanik

özellikleri ve mikro yapı karakterizasyonu”, 11. Uluslar arası Denizli Malzeme Sempozyumu 19–21 Nisan 2006, 772–776s. Denizli.

84

Zhang, Z., Sandström, R., Wang, L., 2004 “Modeling of swelling of Fe– Cu

compacts sintered at temperatures above the copper melting point”, Journal of Materials Processing Technology, 152, pp. 131–135, USA.

Wang, J., Dannırger, H., 1998 “Dry sliding behaviour of molybdenum alloyed sintered steels”, Powder metallurgy automotive parts capture design excellence awards. 49–56s. USA.

85