toz metalürjisi
TRANSCRIPT
1. GİRİŞ
İnsanoğlu akıl ve ilim sayesinde evrendeki mevcut imkânları kendi yararına
kullanmasını bilmiştir. Bilim ve teknoloji; insanın ihtiyaçlarını sağlama, kendisine daha iyi
yasam şartları oluşturma ve merak duygusunu giderme çabalarının bir sonucu olarak,
sürekli ve ivmesi artan bir şekilde gelişmektedir.
Doğada bulunan çeşitli malzemeler, uygulanan bir dizi işlemden sonra kullanılabilir
hale gelmektedir. Böylece, seçilen özelliklerdeki malzemelerden, göreceği isleme uygun
çeşitli makine parçaları, alet, eşya ve donanımlar elde edilmektedir (Yurci, 1997).
Malzemelerin ürün haline gelmesinde çok çeşitli imalat yöntemleri geliştirilmiş ve
kullanılmıştır. Makine endüstrisinde, özellikle metalik malzemelerin önemli bir kısmı
birincil işlem olarak ergitme ve döküm işlemleri ile üretilir. Talaslı imalat, plastik
şekillendirme yöntemleri ve birleştirme yöntemleri ise, mevcut bir ham malzemenin nihai
ürüne şekillendirmesinde ikincil işlem olarak uygulanır. Bu imalat yöntemleri ayrı ayrı
kullanılabildikleri gibi, genellikle birbirini tamamlamak üzere ardışık kullanılır. Bunlardan
farklı bir imalat yöntemi ise Toz Metalürjisidir (T/M). Bu yöntem; mikron ölçeğinde küçük
toz halindeki ham malzemeyi ergitmeden, direkt ürünün nihai şekillendirilmesine imkân
verdiği için döküm yöntemi ile birlikte diğer birincil imalat yöntemi olarak
değerlendirilebilir.
Toz Metalürjisi Üretim Tekniği; farklı boyut, sekil ve paketlenme özelliğine sahip
mikron altı metal tozlarını, mukavemetli, hassas ve yüksek performanslı ve istenilen sekle
yakın makine parçalarına dönüştüren, farklı bir üretim seklidir. Bu üretim yöntemi temel
olarak; tozların sıkıştırılması (preslenmesi) ve daha sonra sinterleme yoluyla ısıl
bağlanması basamaklarını içerir. T/M yöntemi ile üretim; malzeme kaybını en aza
indirmesi, iyi boyut toleransı sağlaması, geniş alaşım sistemlerine izin vermesi, kendinden
yağlama amacıyla kontrollü gözenek imkânı ve diğer imalat yöntemleriyle üretilmesi zor ya
da yüksek maliyet gerektiren karışık şekilli parçaları kolay ve daha az maliyetle
üretebilmesi gibi birçok avantaja sahiptir. Bu avantajları ile verimlilik, ekonomiklik, enerji,
hammadde ve çevreye en az zarar bakımından üstünlüklere sahiptir. Bunların sonucu olarak
T/M teknolojisi sürekli gelişmekte ve birçok alanda geleneksel metal şekillendirme
yöntemlerinin yerini almaktadır. T/M teknolojisinin gelişimini teşvik eden unsurlar,
kullanımının yaygınlaşmasının yanı sıra, mekanik özelliklerini iyileştirmek, yüksek
yoğunluk ve daha homojen bir yapı elde etmektir. Bu gelişmeler; konvansiyonel T/M 1
teknolojilerinin iyileştirilmesinin (CNC presler, ileri kontrollü fırınlar v.b.) yanı sıra toz
dövme, metal enjeksiyon kalıplama ve izostatik presleme gibi nispeten yeni yöntemler ile
ılık presleme, yüksek hızda sıkıştırma ve seçici lazer sinterleme (SLS) gibi yeni
yaklaşımları kapsamaktadır (Orban, 2004). Bugün T/M malzemeleri, % 70 gibi bir oranla
en yaygın otomobil endüstrisinde kullanım alanı bulmaktadır. Çeşitli motor, süspansiyon,
transmisyon ve fren parçalarının üretiminde T/M tekniği kullanılmaktadır. Ayrıca uçak
parçaları, endüstriyel kesici ve şekillendirme takımları, kompozit malzemeler, filtre ve
gözenekli medyalar, yataklar, çeşitli refrakter ve manyetik malzemeler ve süper alaşımlar
bu tekniğin geniş kullanım alanını göstermektedir. T/M yöntemiyle üretilen demir esaslı ve
demir dışı yapısal parçalar toplam T/M parça üretiminin % 80’ini oluşturur.
T/M yöntemiyle üretilen yapısal hassas parçaların, mekanik, fonksiyonel ve
geometrik özelliklerinin geliştirerek daha çok uygulama alanı bulabilmesi ve diğer
yöntemlerle rekabet edebilmesi için temel T/M işlemlerinden sonra bazı ikincil işlemler de
uygulanmaktadır. Bu ikincil işlemler, yeniden presleme, yağ veya reçine emdirme, ısıl
işlemler, çapak alma, parlatma, kaplama, mekanik yüzey işlemleri gibi bitirme işlemleriyle
talaşlı imalat işlemlerini kapsar. Bunların her biri T/M ürününe getirdiği ek maliyetle
birlikte kazandırdığı fonksiyonel iyileşme bakımından ayrı ayrı incelenip optimize
edilmelidir. Bu ikincil işlemler içinde talaşlı isleme, karmaşık yapısı ve halen genel kabul
gören tahmini modellerin geliştirilememesi nedeniyle bazı belirsizlikleri içermektedir
(Shaw, 2004). T/M parçaların Talaslı islenmesi söz konusu olunca, zaten karmaşık talaşlı
isleme problemlerine T/M malzemenin yapısından kaynaklanan problemlerde eklenmekte
ve araştırmacıların dikkatini çekmektedir. Bu yüzden son yıllarda T/M malzemelerin talaşlı
islenmesi konusunda çalımsalar artmıştır.
Toz metalürjisi ile üretilen parçalar net sekle yakın olmasına rağmen son
zamanlarda bu tekniğin yaygınlaşmasıyla daha karışık şekilli parçaların imal edilmesi
sonucu, parça üzerindeki bazı geometrik şekiller toz metal prosesi esnasında
oluşturulamamaktadır. Bunlar; presleme yönüne dik delikler, vida dişleri, çeşitli çentik,
kanal ve çevresel yivlerdir. Ayrıca sıkı boyut toleransı gerektiren yatak v.b sürtünme
parçalarının, hassas yüzeylerinin boyut ve yüzey kalitesini sağlamak için ikincil talaşlı
isleme operasyonları gerekmektedir. Bu tür geometrik unsur ve şekillerin, T/M prosesinde
yapılacak (presleme konfigürasyonu v.b.) geliştirme çalışmalarından ziyade ikincil talaşlı
işlemlerle gerçekleştirilmesi, hem teknolojik hem de ekonomik olarak daha uygun
olmaktadır. İşleme maliyeti açısından da T/M parçaların talaşlı islenebilirliği önemli bir 2
problem teşkil etmektedir. Bu tür parçalarının islenmesi esnasında T/M parçaların talaşlı
islenebilirliği önem kazanmaktadır. Son yıllarda T/M parçalarının işlenebilirliğinin
incelenmesi ve işlenebilirliğin iyileştirilmesi konularında daha fazla araştırma
yapılmaktadır.
T/M parçaların talaşlı islenmesi; kendine has yapısından dolayı, problemlerin
sebepleri henüz çok açık olmamasına ve farklı açıklamalar bulunmasına rağmen, klasik
yöntemlerle üretilen dövme ve döküm parçaların islenmesinden farklı problemler ve
zorluklar içerir. Bu T/M ürünü parçalar, malzeme özellikleri ve mikro yapısına bağlı olarak
talaşlı üretimde farklı bir karakteristik gösterir. T/M parçaların işlenebilirliği üzerine
çalışmalar az ve dağınık olduğundan, bu tür malzemelerin işlenebilirliğini belirlemek için
henüz standart bir test metodu da yoktur. Bu dağınıklığın sebebi, incelenen malzeme,
isleme prosesi ve seçilen şartların çok çeşitli olmasıdır. Dahası T/M parça üreticileri
tarafından toplanan tecrübeler, rekabet edebilmek için, genellikle gizli tutulmaktadır. Bu
nedenle basılmış literatürün büyük bir kısmı ve islenebilirlik hakkındaki veriler, toz
üreticilerinden ziyade, gerçekten islemeyi yapan firmalardan gelmektedir. Kesici takım
üreticileri konvansiyonel tam yoğun malzemeler için kataloglarda geniş bilgi verirken, T/M
malzemelerle ilgili katalog bilgileri henüz yoktur. T/M parçaların talaşlı işlenebilirliği;
konvansiyonel malzemelerde olduğu gibi temel olarak, is parçası ve takım malzemesinin
özelliği, kesme parametreleri, tezgah ve kesici takım parametreleri gibi faktörlerden
etkilendiği gibi, toz boyutu ve geometrisi, porozite, sıkıştırma ve sinterleme yöntemi gibi
T/M malzeme ve proses parametreleri de işlenebilirliği etkiler.
1.1. TOZ METAL TEKNOLOJİSİNE GİRİŞ
Bir son sekle yakın parça üretim teknolojisi olan Toz Metalürjisi,
oldukça farklı bir üretim yaklaşımıyla sürekli ve hızlı gelişen bir teknik olarak
kullanılmaktadır. Yöntemin başlangıç malzemesi, çeşitli tekniklerle 1
mm’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 Metalürjisi, metal ve seramik tozların üretimi, karakterizasyonu ile
bu tozların çeşitli etkilerle (mekanik, ısıl gibi) birleştirilerek, kullanışlı
3
mühendislik parçalarına dönüştürülmesi (German, 1989) sürecini
amaçlayan bir disiplindir. Toz Metalürjisi, metal veya metal dışı
malzemelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri ile ilgili tüm bilgileri kullanır.
Ayrıca fiziksel kimya, metal fiziği, malzeme bilimi, şekillendirme teknolojisi
bilgilerini 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). İşlem düzeni, temel ısı, is ve deformasyon prensiplerinin
tozlara uygulanmasını içerir. Böylece, tozların, bir son ürün çerçevesinde
yapı, özellik ve seklinin değiştirilmesi işlemidir (German, 1989). Toz
metalürjisinin kavramsal olarak 3 fazı şekil 1.1’de gösterilmiştir.
Şekil 1.1: T/M Prosesinin Kavramsal Gösterimi
Şekil 1.1. T/M prosesinin kavramsal gösterimi (German, 1989) Demir
esaslı T/M malzemeler bu yöntemle üretilen toplam ürünlerin % 80’i gibi
büyük bir çoğunluğunu teşkil eder. Demir esaslı toz metalürjisinde
uygulanan ve geliştirilen prosedür ve bilgiler, bazı istisnalar hariç, toz
metalürjisinin genelini temsil eder ve diğer malzemelerde de kullanılabilir.
Demir esaslı T/M’nin gelişimi baslıca otomotiv endüstrisindeki gelişmelerle
birlikte tüm T/M endüstrisinin gelişiminin ölçütü olarak kabul edilir. Bu
durum, T/M teknolojisinin çoğu zaman büyük seri üretimi 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). 4
Şekil 1.1’deki şemada ilk olarak genel alan, etiketli toz teknolojisidir. Toz
teknolojisinin faaliyet alanı tozların doğasıyla ilgilidir. Bu nedenle vurgu toz
üretimi, sınıflandırılması, karakterizasyonu ve tozların islenmesi üzerinedir.
İkinci ilgi konusu, örnekleme, emniyet, ambalajlama ve taşınmasıdır. Boyut
ve sekil için toz istatistiklerinin sıkı incelenmesi de toz teknolojisi alanında
yaygın ve önemli faaliyetlerdir. Daha sonra kompaktlama ve sinterleme gibi
geleneksel toz metalürjisi adımları gelir. Bu aşamada ilgi, şekillendirme,
kalıplama ve tozların yoğunlaştırılmasıdır. Son olarak kavramsal akış,
mikroyapıyla beraber özellikler üzerine vurguya dönüşür. Toz tipi ve onun
üretimiyle ilgili karar kompaktlama ve sinterlemenin kolaylığını etkiler. Aynı
şekilde, toza uygulanacak konsolidasyon (sağlamlaştırma) sırası da, final
kompakt özelliklerini etkileyecektir.(German, 1984). Buradan görüldüğü gibi
T/M prosesinin her aşamasının birbiriyle yakından iliksisi vardır. Her bir
asama kendinden önceki ve/veya sonraki adımı etkilediği gibi, her bir
asama nihai ürünün özelliklerini de etkilemektedir.
Sinterleme tekniği olarak ta adlandırılan T/M’ni diğer yöntemlerden
farklı kılan ve
onlara alternatif yapan ana uygulamalar (Schatt, 1997);
Erime sıcaklıkları arasında büyük fark bulunan bileşenler,
Sıvı fazda karşılıklı çözünebilirliği sınırlı olan bileşimler,
Oldukça farklı yoğunluğa sahip bileşenlerin bulunduğu durumlar,
Katı formdaki bir refrakter unsurun, sıvı metal tarafından tutulması
şeklinde sıralanabilir. Bu gibi alaşımların üretiminin konvansiyonel ingot
teknolojisi ile zor ya da imkânsız olduğu durumlarda, T/M bir çözüm olarak
durmaktadır. Toz metalurjsinin teknik ve ekonomik olarak gelişiminin kalıcı
olmasının sebebi, neredeyse sınırsız kimyasal bileşimlerin üretilebilme
ihtimalidir.
T/M farklı boyut, şekil ve sıkıştırılma özelliğine sahip metal tozlarını
sağlam, hassas ve yüksek performanslı parçalara dönüştürür. Bu dönüşüm
baslıca, tozların üretimi, karakterizasyonu, harmanlanması, preslenmesi ve
daha sonra sinterleme ile ısıl bağlanması basamaklarını içerir. Bunların
dışında ihtiyaca göre; nihai ürünün boyut, şekil ve yüzey kalitesini artırmak
ve özelliklerinde değişiklik yapmak amacıyla, çeşitli ikincil işlemlerde 5
uygulanabilmektedir. Metal toz üretim teknikleri, çok geniş uygulamaların
ihtiyacını karşılamak için; metal toz tasarımının geniş yelpazede imalatını
gerçekleştirir. Hemen hemen tüm metallerin tozları üretilebilir. Farklı toz
üretim prosesleri, kimyasal kompozisyonunun ve tozların fiziksel
karakterizasyonunun hassas olarak kontrolüne izin verir. Ayrıca amaçlanan
uygulamaların belirli niteliklerinin uyarlanmasına izin verir. Metal toz üretim
işlemlerindeki teknik ilerleme ve gelişmeler, kalite, maliyet ve performans
gerekliliklerini karşılamak ve gelişen yeni uygulamalara cevap verebilmek
için sürekli gelişmektedir. Metal tozları baslıca mekanik, kimyasal, elektroliz
ve atomizasyon olmak üzere dört yöntemle üretilir. Bu yöntemler de kendi
içinde birçok alt bölüme ayrılır. Bu yöntemlerden en yaygın kullanılanı su ve
gaz atomizasyonu, mekanik yöntemlerden, öğütme, mekanik alaşımlama,
kimyasal yöntemlerden ise indirgemedir (ASM, 1998).
T/M teknolojisinin ikinci ana adımı, tozların homojen bir şekilde
karıştırılıp, şekilendirmenin yapıldığı presleme işlemleridir. İlk olarak farklı
şekil, boyut ve yoğunluktaki tozların homojen olarak karışmaları, nihai
parçanın performansını arttıracaktır. Karıştırma işleminde başlıca, çift konili
karıştırıcılar, V tipi karıştırıcılar ve akışkan yataklı karıştırıcılar
kullanılmaktadır. Toz karışımları hazırlanırken içerisine belli oranda (% 0,5-
1,5) yağlayıcı ilavesi yapılır. Yağlayıcı ilavesinin temel amacı, rijit kalıp
içerisinde gerçekleştirilen presleme işleminde toz karışımı ile kalıp yüzeyi ve
toz tanecikleri arasındaki sürtünmeyi azaltmaktır. Karıştırma işleminin
tamamlanmasından sonra toz karışımı sıkıştırılarak katı parça şeklini alması
sağlanır.
Presleme, eksensel, izostatik ve Hacim Deformasyon işlemleri olarak 3 ana
grupta incelenir. Eksenel presleme tek etkili veya çift etkili olabildiği gibi,
soğuk, ılık ve sıcak presleme seklinde olabilmektedir. İzostatik Presleme ise
soğuk ve sıcak olmak üzere 2 farklı şekilde uygulanabilir. 3. grup presleme
yöntemi olan Hacim Deformasyon işlemleri ise; Toz Dövme, Toz Ekstrüzyon
ve Toz haddeleme (veya hadde sıkıştırma) olmak üzere 3 grupta
uygulanabilmektedir. Bunların dışında direk tozların şekillendirildiği,
ektrüzyon, enjeksiyon kalıplama, slip döküm, bant döküm ve hızlı
prototipleme yöntemleri de vardır (ASM, 1998)
6
Şekillendirme ve presleme yöntemine karar verilirken aşağıdaki
parametreler dikkate alınır;
Kullanılacak tozun tipi (küresel, sünger, pul)
Tozun kimyası (ön alaşımlı, elementel harmanlama, kısmi alaşımlı)
Rijit veya esnek takımların kullanımı
Bağlayıcı veya yağlayıcı kullanım
T/M teknolojisinin diğer önemli bir adımı da sinterlemedir. Sinterleme,
preslenmiş parçaların mukavemet kazandığı bir işlemdir. Sinterleme işlemi,
tozların erime sıcaklıklarının altında bir sıcaklıkta, çok-fazlı sistemlerde baz
fazın veya alaşımın erime noktasının altındaki sıcaklıklarda gerçekleştirilir
(Schatt, 1997). Demir esaslı alaşımlar için bu sıcaklık 1100-1150 °C’dir.
Uygulamaya bağlı olarak bekleme süresi 10 ila 60 dakika arasında değişir.
Demir esaslı T/M parçaların sinterlenmesinde aşağıda belirtilen farklı
sinterleme mekanizmaları söz konusudur (Yılmaz, 1999);
I. Kompaktlanmıs metal partiküllerinin kendi aralarında kilitlenmesi ile
metalürjik bağların oluşumu
II. Kompaktlanmıs tozların birbirleri içerisine değişik difüzyon yollarıyla
difüze olması
III. Kompaktların sinterleme esnasında yoğunluk kazanması. Yoğunlaşma
sinterleme sıcaklığına ve diğer alaşım parametrelerine bağlıdır.
Yoğunlaşma genellikle yüksek sinter sıcaklıklarında ve uzun
sinterleme sürelerinde sağlanır.
T/M tekniğinin buraya kadar anlatılan her bir aşaması, bir önceki
asamadan etkilenir ve bir sonraki aşamayı da etkiler. Böylece T/M’de son
ürünün özellikleri birçok değişkene bağlı olduğundan, istenen parça
özelliklerine uygun parametrelerin seçimi oldukça zordur. Her bir aşamadaki
değişkenlerin, nihai ürünün özellik ve kalitesine etkileri, çok sayıda
gerçekleştirilen deneylerle kısmen belirlenmiş olsa da, T/M parçaların
kullanımının artmasıyla, yeni sorunlar ortaya çıkmakta ve buna bağlı olarak
bu alana olan ilgi artarak devam etmektedir. T/M parçaların özellikle boyut
ve sekil kalitesini artırmak ve bazı özelliklerini geliştirmek için, ihtiyaca göre
sin terleme işleminden sonra da bazı ek işlemler uygulanabilmektedir. 7
İkincil işlemler de denilen bu işlemler parça maliyetini ve imalat süresini
arttırsa da, parça kalitesine büyük katkı sağlayabilir. İkincil işlemler en
önemlileri; İnfiltrasyon, Yağ ve Reçine Emdirme, Boyutlandırma, Isıl işlemler,
Çapak Alma, Birleştirme, Yüzey Kaplama ve Talaşlı İmalat gibi işlemlerdir.
T/M parçaların kullanım alanı genişledikçe, onlardan beklenen performans
düzeyi de artmakta, bu ise birçok durumda ikincil işlemleri kaçınılmaz
kılmaktadır.
Şekil 1.2. Metal Tozu Tüketimin Sektörlere Göre Dağılımı
2. METAL TOZLARININ ÜRETİMİ
8
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).
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).
2.1. MEKANİK YÖNTEMLE TOZ ÜRETİMİ
Mekanik yöntemle toz üretimi; öğütme, talaşlı işleme, mekanik alaşımlama ve
coldstream 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 1.1). Fakat öğütme
işlemi birçok sünek metal için uygun değildir; çünkü bu metaller
Şekil 2.1. Mekanik ufalama yöntemi
kolayca kırılmazlar. Sünek tanecikler kırılma yerine birbirleri ile soğuk olarak kaynaklanır
ve daha büyük tanecik oluştururlar. Günümüzde öğütme işlemi alüminyum gibi sünek
9
metallerden pul toz üretiminde de kullanılır. Bu durumda, soğuk kaynaklanmayı ve
yapışmayı engellemek için yağlayıcılar kullanılır. Mekanik yöntemler, metal tozlarının
üretiminde birincil bir yöntem olarak fazla kullanılmaz. Mekanik öğütme, çarpma,
aşındırma, kayma ve sıkıştırma gibi tekniklerle mümkün olmaktadır. Çarpma, çatlak ve
boyut azalmasıyla sonuçlanan hız ve darbenin bir malzemeye anlık dağılımını içerir.
Aşındırma, ovalama hareketiyle partikül boyutunda azalma şeklinde gerçekleşir. Kayma,
ezme gibi işlemlerle birlikte kırılmanın bir çatlak tipidir. Kaymayla şekillenen tozlar,
kabadır ve malzeme aşırı sert olmadıkça toz metalürjisinde sık bulunmaz. Son olarak
öğütme, eğer malzeme deforme olmayacak yeterli kırılganlıkta ise, sıkıştırma kuvvetleriyle
olabilir, fakat kaba tozlar haline gelir. Mekanik öğütme metal tozlarının oluşumu bu dört
temel mekanizmanın çeşitli kombinasyonlarına bağlıdır. Bu metod aşağıdaki durumlarda
birincil proses olarak kullanılır;
Saf antimon ve bizmut, nispeten sert ve kırılgan alaşımlar ile seramik malzemeler
gibi kırılması kolay malzemeler,
Berilyum ve metal hidritler gibi reaktif malzemeler,
Alüminyum ve demir gibi yaygın metallerin, pul toz formunda üretilmesi
gerektiğinde.(Anık,1997)
Mekanik yöntemle üretimde en yaygın metot, sert ve aşınma dirençli bilyalarla
dönen silindirlerden oluşan bilyalı öğütücülerin kullanılmasıdır. Bu yöntemde kritik faktör;
sürme silindirlerinin dönme hızıdır (Şekil 2.1). Çok yüksek hız, malzeme ve bilyalar
arasındaki santrifüj 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. Diğer bir mekanik yöntemde mekanik alaşımlamadır.
Mekanik alaşımlama (MA), elementsel 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 sentezlemesidir. Bu,
MA’nın tamamen katı-durum prosesi olması nedeniyledir ve bu yüzden sınırlılığı bu alana
uygulanamayan faz diyagramlarıdır. MA alaşım tozlarını oluşturmak için elementsel tozlar
ve bilyaların karışımını kullanır. Şekil 2.2 bilyalarla doldurulmuş döner çarklı karıştırma 10
çarkında mekanik alaşımlama aşındırıcı değirmeni şematik olarak gösterilmektedir. Giriş
malzemesi sırasıyla, soğuk kaynak ve kırılma adımlarını izler. Alttaki şekilde de, aşındırıcı
bilyalarla tozların sürtüşmesi sonucu mikro yapının mikroskobik olarak homojenleşmesi
gösterilmiştir.(MAYSAN)
Şekil 2.2. Mekanik alaşımlamanın gösterilişi
MA normalde kuru, yüksek enerji bilya öğütme tekniğidir ve ticari olarak kullanışlı ve
bilimsel olarak ilgi çekici malzemelerin çeşitlerinin üretilmesinde kullanılmaktadır. Bu
basit ama etkili işleme yöntemi, metaller, seramikler, polimerler ve kompozit malzemeler
uygulanmaktadır. MA’nın önemli özellikleri şunlardır:
İkinci faz partiküllerin ince dispersiyonunun üretimi
Katı çözülebilirlik sınırının genişlemesi
Nanometre aralığına kadar tan boyutunun incelmesi
Alışılmamış kristallerin ve quasi-kristal fazların sentezi
Amorf (camsı) fazların gelişimi
Düzenli iki veya daha çok metal içeren bağların yeniden düzenlenmesi
Alaşımı zor elementlerin alaşımlama ihtimali
Düşük sıcaklıktaki kimyasal reaksiyonların sebebi
2.2. KİMYASAL YÖNTEMLE TOZ ÜRETİMİ
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. Bu yöntemde tozlar, oksitlerin indirgenmesi,
çözelti veya bir gazdan çökelme, termal ayrışma, kimyasal gevrekleştirme, hidrit çökelme
11
gibi farklı kimyasal işlemlerle üretilir. Bu kategoride en yaygın kullanılan proses, oksit
indirgeme, ayrıştırma ve ısıl çöktürmedir.
Oksit indirgeme, demir, bakır, tungsten ve molibden tozlarının kendi oksitlerinden
üretimi, ticari olarak oldukça iyi yapılmaktadır. İndirgeme ortamı katı, gaz ve sulu çözelti
olabilmektedir. 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. Bu süngerimsi yapı,
gözeneklerin boyut ve miktarıyla kontrol edilir ve iyi sıkıştırılabilirlik (yüksek ham
mukavemet) için kullanılır. İndirgeme ortamı olarak, hidrojen, karbon monoksit ve karbon
indirgeme reaksiyonu için dengeleyici olarak kullanılır. Karbon monoksitin karbondioksite,
hidrojenin suya oranı ve oksijenin kısmi basıncı, verilen sıcaklıkta indirgeme şartlarını
muhafaza etmek için gerekli minimum oranı belirlemeye izin verir. Fakat pratikte
indirgeme sıcaklığı termodinamik verilerin gösterdiğinden genellikle daha yüksektir.
Görünür yoğunluk, toz akışı, sıkıştırma ve sinterleme özellikleri gibi performans
özelliklerini önemli derecede etkileyen, partikül boyutu, porozitesi ve hidrojen kaybı gibi
final toz özellikleri, öncelikle saflığa, başlangıç malzemenin boyutuna ve indirgeme
prosesinin kinetiğine bağlıdır. Prosesin kinetiği ise; eğer indirgeme durağan bir sistemde
gerçekleştirilirse, kompozisyona, indirgeme gazının akış oranına, indirgeme sıcaklığına,
fırındaki sıcaklık profiline ve oksidin yatak derinliğine bağlıdır.
Proses parametrelerinin çeşitli kombinasyonları, birçok tescilli toz sınıfının üretimi
için toz üreticileri tarafından kullanılır. En önemli proses değişkeni indirgeme sıcaklığıdır.
Tipik olarak, düşük indirgeme sıcaklığı; yüksek spesifik yüzey alanı ve yüksek ham
mukavemete sahip tozlarla sonuçlanır. Yüksek indirgeme sıcaklığı (> 0.6 Tm) yüksek
sıkıştırılabilirlik gösteren, büyük partiküller arası gözenek ve küçük spesifik yüzey alanına
sahip tozlar üretir. Aşırı düşük indirgeme sıcaklığı (< 0.3 Tm) kolayca kendiliğinden
tutuşan tozlar üretebilir.
Yüksek sıcaklıklar, sinter keklerin kırılması gibi zorluklara yol açan, aşırı
sinterleme ve topaklanmaya sebep olur. Tungsten ve molibdenle oksit indirgeme ekonomik
nedenlerden kısmen kullanılır, çünkü bu metallerin ergime sıcaklığı çok yüksektir. 12
indirgeme ortamı olarak hidrojen kullanılan indirgeme prosesi, hem tungsten hem de
molibden oksitleri için benzerdir. Oksitlerin sıklıkla bir partikülün yüzeyinde yoğunlaştığı
atomize demir tozlarının aksine, kirlenmeye karşı indirgenmiş ve dengelendiğinde en
azından, oksit indirgenmiş tozlar partikül içerisinde kalıntı oksitlerinin çoğunu içerir.
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. 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. Yakın zamanda enjeksiyon kalıplama için ince
tozlara olan talep, karbonil işlemine hız vermiştir. Tipik karbonil demir tozunun boyutu 1-5
mm’dir. Isıl ayrışma için diğer bir örnek, platin amonyum klorür tuzunun ısıtılması sonucu
üretilen süngerimsi platin tozlardır. Sherritt Gordon işleminde nikel tozlar basınç altındaki
nikel tuzlarının çözeltisinin hidrojen ile indirgenmesi ile üretilirler.
Karboniller, özel sıcaklık ve basınçta süngersi metal üzerinden karbon monoksitin
geçirilmesiyle elde edilir. Demir penta karbonil Fe(CO)5, oda sıcaklığında sıvıdır, 103°C’da
kaynar. Nikel tetra karbonil Ni(CO)4, 43°C’da kaynar. Basınç 1 atmosfere indiğinde ve
sıcaklıkta paralel olarak arttığında, bu karbonillerin her ikiside metal ve karbon monoksit
yeni formuna çökelir. Bunlardan ikincisi daha fazla karbonil oluşması ve prosese devam
etmek için yeniden kullanılır. Bu reaksiyonlar aşağıdaki gibi ifade edilir:
Fe + 5CO → Fe(CO)5
Ni + 4CO → Ni(CO)4
Tozlar, buharın ısıtılmış ortamda çökelmesine ve kabın kenarlarına etkilemeyen
şartlar altında atmosferik basınçta ısıtılmış kaplarda karbonillerin kaynatılmasıyla üretilir. 13
Tozlar toplanır ve elenir, öğütülüp takiben hidrojende tavlanabilir. Tozların kimyasal
saflığı, karbon, nitrojen ve oksijenin gibi ana impüritelerle beraber oldukça yüksektir (%
99.5). Partikül boyutu oldukça sıkı kontrol edilebilir. Nikel tozları düzensiz şekli, gözenekli
ve ince olurken, demir karbonil tozlar, genellikle küresel şekilli ve oldukça (10 μm’dan
daha az) incedir.
Kimyasal yöntemle toz üretiminin avantajları;
Katı redüktif olarak kullanılan karbon ucuzdur,
Metal oksitler kolaylıkla bulunabilir,
Gözenekli yapılar elde edilebilir,
Metal ve oksitlerin boyut kontrolü yapılabilir.
Kimyasal yöntemlerin dezavantajları;
Redüktif olarak gaz kullanıldığında saf haldeki gazlar pahalıdır,
Metal oksit saflığı, tozun saflığına etkiler (impüritelerin varlığı)
Alaşım tozların üretimi bu yöntemle mümkün değildir.( Šalak,2005)
2.3. ELEKTROLİTİK YÖNTEMLE TOZ ÜRETİMİ
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 2,3’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.
14
Şekil 2.3. Elektrolitik hücreden metal tozlarının oluşumu
Elektrolitik yöntemle üretilen tozlar sıklıkla dentritik veya sünger şeklindedir. Daha
fazla tozun katotta tortulanması şu şartlara bağlıdır: yüksek akım yoğunluğu, zayıf 20 metal
konsantrasyonu, koloit ve asitlerin ilavesi, düşük sıcaklık, yüksek viskozite, çalkalanmadan
kaçınma, konveksiyonun önlenmesi. Elektrolitik teknikler saf toz üretim yaklaşımı olarak
bilinirken, teknikte bazı zorluklar vardır. İlk olarak, banyo kimyası oldukça duyarlıdır.
Kontaminantlar (kirleticiler) katotta tozların tortulanmasında ve oluşumunda bağlayıcı
olabilir. İlave olarak yalnızca elementsel tozlar bu yaklaşımla pratiktir.
2.4. ATOMİZASYON YÖNTEMİYLE TOZ ÜRETİMİ
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 ergiyiğin üzerine etkileyen enerjinin
değişimiyle geniş aralıkta değişebilir. Hava, azot, helyum ve argon en çok kullanılan
gazlardır (Şekil 2.4). Su ise sıvılar içinde en çok kullanılandır. Nozulun tasarım ve
geometrisi, atomize eden akışkanın basıncı ve
15
Şekil 2.4. Atomizasyon Yöntemi a) Su Atomizasyon b) Gaz Atomizasyon
hacmi, sıvı metalin akış çapı gibi birçok parametreyi değiştirerek toz boyutu dağılımını
kontrol etmek mümkündür. Tanecik şekli ise katılaşma hızı ile belirlenir, düşük soğutma
kapasiteli gazlar için küresel şekilden yüksek soğutma kapasiteli su için karmaşık şekle
dönüşür. Genelde bu toz üretim metodu ergitilebilen tüm malzemeler için uygulanabilir ve
ticari olarak demir, takım çelikleri, alaşımlı çelikler, bakır, pirinç, bronz, alüminyum, kalay,
kurşun, çinko ve kadmiyum tozlarının üretilmesinde kullanılır. Krom içeren alaşımlar gibi
kolayca oksitlenen metallerde atomizasyon argon gibi asal gazlar yardımıyla
gerçekleştirilir. Hem elementsel hem de ön alaşımlı tozlar bu yöntemle üretilebilir.
Atomizasyon, alaşımı oluşturan tüm metallerin ergimiş durumda tamamen alaşımlandığı
için, özellikle alaşımların toz halinde üretilmesinde faydalı bir yöntemdir. Böylece her toz
taneciği aynı kimyasal bileşime sahip olur. 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 döndürülür veya bir metal demeti dönen bir disk, kupa veya elek üzerine akıtılır
veya son olarak da dönen bir çark ergimiş metal içine daldırılarak damlacıklar halinde
savurur (Şekil 2.5).
16
S
Şekil 2.5 Santrifüj atomizasyon yöntemleri a) döner disk, b) döner kupa, c) döner
çark, d) döner elek
Diğerinde ise, bir metal çubuk yüksek hızda döndürülür ve serbest uçta elektron
ısını veya plazma arkı vb. ile ergitilir. Bu ikinci tip işlem, Döner Elektrot Atomizasyonu
olarak bilinir ve çubuk düşey veya yatay eksende döndürülebilir. Bu uygulamanın önemli
bir üstünlüğü, atmosfer kontrollü bir ortamda, hatta vakumda bile çalışılabilmesi, böylece
çok reaktif olan metallere ait temiz tozlar üretmesidir.( Šalak,2006)
2.5. DİĞER ATOMİZASYON YÖNTEMLERİ
Yukarıda anlatılan ana atomizasyon yaklaşımlarına ilaveten, metal tozu elde etmek
için enerjinin eriyiğe verilebildiği birçok başka mekanizmalarda vardır. Bunlar, titreşimli
tel, silindir, dönen pota ve eriyik püskürtme atomizasyon yöntemleridir. Silindir atomizer,
eriyik akımını hızlıca dağıtmak için yüksek hızda silindir öğütücü kullanır. Yüksek
soğutma hızı üretmenin birincil avantajına sahiptir ve amorf metallerin şekillenmesinde
kullanılır. Silindirle atomize edilen tozların başlıca dezavantajı pul şeklinde olmasıdır.
Düşük ergime noktasına sahip malzemelerden kaba tozlar, bir döner kesik (yarık) pota
kullanılarak üretilebilir. Açık boyut kontrolü, damlacık boyutunun bir miktar kontrolünü
sağlar. Damlacığın küçük parçalanması sıvı üzerine ana kayma kuvvetleri etkilemediğinden
potadan çıktıktan sonra oluşur.
Şekil 2.6’de gösterilen eriyik püskürtme tekniği, hidrojene doymuş sıvı metal ve
ince toz sprey oluşturmak için vakumda hızlı kusma yöntemini kullanır.
17
Şekil 2.6. Eriyik püskürtme tekniği
Eriyiğe 1-3 MPa hidrojenle basınç uygulanır. Bir sifon borusundan sonra doymuş
eriyik büyük vakum odasına boşaltılır. Hem yüksek hız hem de hidrojen kusma, eriyiği
vakum odasına tam olarak püskürtülmesine neden olur. Teknik çoğunlukla süper alaşım toz
üretimi için kullanılır. Eriyik püskürtme yaklaşımının zorluklarından birisi, vakum
odasındaki düşük kalıntı basınç nedeniyle, tozların düşük soğuma hızıdır. Soğutma
konvektivden ziyade ağırlıklı olarak radyanttır. Konvektif proses, gaz atomizasyonda
tecrübe edildiği gibi, ısının atılmasında oldukça etkilidir. Diğer bir atomizasyon yöntemi de
plazma atomizasyondur. Tel veya toz malzeme ergime ve hızlı ivmelenmenin oluştuğu bir
plazma tork içine itilir. Sonuçta, ince toz torkun dışına püskürtülür. Eğer toz uzun uçma
mesafesi sağlarsa, küresel partikül şekliyle sonuçlanır. Küresel tozları şekillenmesi için bu
gibi yaklaşımlar, girdi toz boyutları 30-80 μm arasında olduğunda optimumdur.
Çizelge 2.1. mevcut atomizasyon tekniklerinin boyut dağılımı, tipik ortalama boyut,
partikül şekli ve nispi üretim maliyeti bakımından karşılaştırmasını göstermektedir.
Gerçekçi olarak bu tablo bir sadeleştirmedir. Üretim yaklaşımlarının tümü, ortalama
aralıkta boyut değişimi ve şekil için yeterli parametre kontrolüne sahiptir.
Çizelge 1.1: Atomizasyon tekniklerinin karşılaştırılması
18
2.6. TOZLARIN MİKRO YAPI KONTROLÜ
Hızlıca katılaşmış tozlar, korozyon direnci, mukavemet, manyetik davranışlar,
yorulma ömrü ve spesifik modül (yoğunluğa bölünmüş elastik modül) bakımından
potansiyel iyileşmeler sağlar. Sonuç olarak dikkat, yüksek alaşımlı eriyiklerden amorf veya
mikro kristalli yapılara, hızlı ısının atılmasına yönlenmiştir. Amorf metaller rastgele
görünümdedir. Mikro kristalli malzemelere hızlıca su verilir, fakat onlar ince kristal
boyutuna sahiptir. Birçok alaşımda (>106 K/s) amorf yapı elde etmek için gerekli soğutma
hızını başarmak için, küçük boyutlar hızlı ısı atmak için gereklidir. Tozlar, küçük
boyutların hızlı su verme için mevcut olduğu durumda, bir form sağlar. Partikül soğutma
hızı, homojenlik, kristal boyutu ve kristalleşme derecesini belirler. Soğutma süresince,
çekirdeklenme ve gelişim mikro yapısal dönüşümde hâkimdir. Bu yüzden dikkat, ısı
atılmasına ve iç toz yapısının kontrol edildiği toz atomizasyon parametrelerine yönelmiştir.
Gaz atomizasyon yöntemi, hızlı konvektiv soğuma nedeniyle kontrollü mikro yapının
oluşmasına cazip bir yaklaşımdır. Ayrıca gaz atomizasyon, belirli alaşım sistemlerinde daha
ince partikül boyutunda amorf tozların üretiminde başarılıdır. Ancak su atomizasyon daha
yüksek soğutma hızı nedeniyle gaz atomizasyondan daha iyi mikro yapı sağlar.
Mühendislikte kullanılan hemen tüm malzemeler hususi biçimlerde işlenir. Yaygın
malzemelerin üretim yaklaşımlarıyla birlikte çizelge 2.1‘de listelenmiştir
(Upadhyaya,1996).
Çizelge 2.1 Çeşitli metal Tozlarının tipik üretim yaklaşımları
Metaller Yaygın Toz Üretimi YaklaşımıAlüminyum Gaz atomizasyon, hava atamizasyon
Berilyum Ufalama, elektrolitik, kimyasal çökelmeKobalt Oksit indirgeme, elektrolik
19
BakırElektrolitik, su atomizasyon, oksit indirgeme,tuz
indirgeme,sulfat çöktürme
DemirOksit indirgeme, işleme, su atomizasyon, karbonil, santrifüj atomizasyon,Elektrolitik, gaz atomizasyon
NikelKarbonil, elektrolitik, oksit indirgeme, su atomizasyonu,gaz atomizasyon
Kıymetli Metaller Hava atomizasyon. elektrolit, bileşen indirgemeReaktif metaller(Ti,Zi) Klorid indirgeme, santrifüj atomizayon, kimyasal çöktürme
Reaktif metaller(W,Mo,Re.Ta,Hf)
Oksit indirgeme, kimyasal çöktürme, santrifüj atomizasyon
Özellikli alaşımlar Gaz atomizasyon, buhar atomizasyon, gaz atomizasyonÇelikler Su atomizasyon, buhar atomizasyon, gaz atomizasyon
Uranyum Oksit indirgemesi, hidrit-dehidrit
2.7. DEMİR TOZU ÜRETİMİ
Demir tozu T/M endüstrisinde kullanılan ham malzemelerin en büyük tonajını
temsil eder. Demir tozları ticari T/M uygulamalarında önde gelmektedir. Bunu nedeni;
Demir dışı metallerle karşılaştırıldığında üretimi ucuzdur,
Diğer metal ve metal olmayan malzemelerle karsılaştırıldığında üstün özellik,
(özellikle mukavemete) sahip olması,
Uygun mukavemet-ağırlık-maliyet oranına sahip olması,
Özellikle karbonla kolayca alaşımlanır ve sonuçta demir-karbon sisteminin tüm
özelliklerine (ısıl işlem yapılabilme dahil) sahiptir,
Doğada yeterince mevcuttur.
Demir tozunun kullanımı TM parçaların üretimiyle sınırlı değildir. Tüm üretilen
demir tozunu yaklaşık üçte 1/3’ü, kaynak çubukları, alevle kesme, gıda, zenginleştirme,
elektronik, manyetik ve kimyasal uygulamalarda kullanılır. Oksidinden indirgeyerek
üretme en eski demir tozu üretme yöntemidir. İsveç sünger demir yöntemi Höganäs firması
tarafından İsveç’te 1900’lu yıllarda geliştirilmiştir. Yöntem katı halde ve 1260 °C’de
gerçekleşir. Magnetitçe zengin cevher öğütülerek kok ve kireçtaşı ile karıştırılır ve seramik
tüplere doldurulur. Seramik tüpler fırın arabalarına yüklenir ve uzun fırın içinden 68 saatte
geçerler. Öğütmeden sonraki tavlama işlemi hidrojen gazı altında 870 °C’de gerçekleşir.
Sonuç toz, sünger görünümlüdür. Atomizasyon yöntemi de demir ve özellikle çelik tozu
üretmek için kullanılır. Demirin atomizasyonu için su kullanılır, ancak çelik için su veya
alaşımın içeriğine göre asal gazlar kullanılır. Su ile atomize edilmiş demir ve çelik tozları
20
yüzeylerindeki oksidi indirgemek ve basılabilirliklerini geliştirmek için 900 °C’de
indirgeyici gaz altında tavlanırlar. Bugün bu metodun geliştirilmiş sürümleri demir tozu
üretiminde basta Amerika ve İsveç olmak üzere dünyada önemli endüstriyel yöntemlerden
biridir. Benzer adaptasyon Rusya’da da kullanılır.
T/M paslanmaz çelikler, düşük alaşımlı çelikler ve takım çelikleri için kullanılan
çoğu tozlar, bu alaşımların erime sıcaklığı saf demirden daha düşük olduğunda, erimiş
alaşımın atomizasyonuyla üretilir. Su-atomize çelik tozları keşfedilmesinin direk sonucu
olarak 1960’lı yılların basından beri mevcuttur. Atomize demir ve çelik tozları erime,
atomizasyon imkânları ve yöntemlerinin aynı tipine ihtiyaç duyar. Toz metalürjisi için
düşük-alaşımlı demirin önemli bir kısmı su atomizasyonla üretilir. Bununla beraber,
indirgeme ve demirin erime sıcaklığının altındaki diğer kimyasal yöntemlerde
kullanılmaktadır. Genel olarak dünyada demir tozu üretiminde aşağıdaki yöntemler yaygın
olarak kullanılmaktadır:
Höganäs prosesi
Pyron Prosesi
Karbonil buhar metalürjisi
Elektrolitik demir
Akışkan yataklı indirgeme
Su-atomizasyon
- Quebec Metal Tozları Prosesi
- Domfer Prosesi
- Kobe/Kobelco Prosesi
- Kawasaki Prosesi
Bazı prosesler ilk geliştiren ticari firma ismiyle bilinmekte, bazıları da aynı yöntemi
kullanmasına rağmen (su atomizasyonu gibi) bazı küçük farklılıklarla uygulayan farklı
firmanın ismini almaktadır.
2.8. ÇELİK TOZU ÜRETİMİ
Çelik tozları alaşımlama prosesine bağlı olarak üç genel tipte sınıflandırılır. Bunlar:
ön alaşımlı, kısmi alaşımlı ve ilavelidir. Ön alaşımlı tozlar ergitme ve sonra atomizasyonla
üretilir. Bu toz partiküllerinin benzer alaşım kompozisyonunda olması için gereklidir. 21
Aksine ilaveli tozlar homojen alaşımlama için sinterleme süresince kütle transferi ve yeterli
difüzyon gerektiğinden, sinterleme süresince alaşımlanır.
Bağlanmış veya difüzyon alaşımlanmış tozlar üçüncü tiptir. Bu tip tozlar,
alaşımlama için ince tozların demir partikül yüzeyine bağlanması hariç ilaveli sınıfa
benzerler. Bu adım segragasyonu azaltır ve böylece sinterleme sonrası alaşımlı parçasının
kimyasal homojenliği iyileşir. Çeliklerin alaşımlanması için toz metalürjisinde yaygın
kullanılan elementler, karbon, nikel, bakır ve molibdendir. Nikel ve/veya molibdenle ön
alaşımlı çelik tozları yaygındır, çünkü bu elementler oksijenle düşük kimyasal ilgiye
(afinite) sahiptir ve sıkıştırılabilirlik üzerine az etkiye sahiptir. Tersine manganez oksijen
için daha güçlü afiniteye sahiptir ki, daha iyi atmosfer kontrolü veya sinterleme süresince
daha yüksek fırın sıcaklığı gerektirir.
Ön alaşımlı veya difüzyon alaşımlı tozlardan yapılan T/M çelik parçalarda, karbon
genellikle sinterleme süresince çeliği biçimlendirmek için grafit olarak ilave edilir. Karbon,
sıkıştırılabilirliği önemli oranda düşüren güçlü sertleşme etkisine sahiptir ki çoğu ön
alaşımlı çelik tozu düşük kalıntı karbon içeriğine sahiptir. Sülfür, azot, oksijen ve fosfor
gibi impüriteler de, ham mukavemet üzerinde zararlı etkiye sahiptir. Birçok bakımdan
demir esaslı karışımlar baz demir tozunun, boyut dağılımı, partikül şekli ve kompozisyonu
gibi karakteristiklerinden etkilenir. Demir esaslı tozlar MPIF 35 standardında gösterildiği
gibi sembolize edilir ve baslıca 5 kategoride belirtilir. Bunlar:
Elementsel tozlardan üretilmiş Demir-esaslı malzemeler,
Ön alaşımlı tozlardan üretilmiş Demir-esaslı malzemeler
Sinter sertleştirilmiş Demir-esaslı malzemeler,
Difüzyon alaşımlı malzemeler,
Bakır infiltreli demir ve çelikler(Yılmaz,2006).
Çizelge 2.2 Atomizasyon tekniklerinin karşılaştırılması
22
3. METAL TOZLARIN ÖZELLİKLERİ
23
Toz metalürjisi 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
karakterizasyon metotlarının uygulanması önemlidir (Kurt, 2001).
Toz metalürjisi üretim sürecinde elde edilecek ürünlerin mekanik özellikleri,
yüzey kalitesi, boyut hassasiyeti yüzey pürüzlülüğü presleme basınçları vb. özellikler,
kullanılacak metal tozunun özellikleri ile değişiklik gösterdiğinden metal tozlarının
özelliklerinin belirlenmesi önemlidir. Toz özellikleri f i z i k se l ve kimyasal olarak iki
ana alt bölümde ele alınabilir(Kurt, 2001).
3.1. TOZLARIN KİMYASAL ÖZELLİKLERİ
Metalsel tozların en önemli kimyasal özellikleri saflıklarıdır. Saflık adi
kimyasal analizle tayin edilebilir ve sinterlenmiş cisimlerin imalatına ve bilhassa
özelliklerine birinci derecede tesir eder. Metal tozların saflığı büyük ölçüde temel
maddelerin özeliklerine bağlıdır. Mesela kendi oksitlerinin hidrojenle
redüklenmesiyle elde dilen volfram, kobalt ve demir tozlarının saflığı, pratik olarak,
kullanılan oksidin saflığındadır.
Oksijen ve karbon miktarının malzeme içinde ne şekilde bulundukları da
önemlidir. Mesela oksijen levhaları, erimiş oksit veya absorbe edilmiş gazlar halinde
bulunabilir. Oksitlerin redüklenmesi ile hazırlanan metalsel tozlar genellikle muntazam
oksit kalıntıları ihtiva ederler. Elektroliz, granülasyon veya pülverizasyonla elde edilen
tozlardan oksijen genellikle oksit kalıntıları halinde bulunur. Karbon ise serbest karbon
(grafit), karbür veya katı solüsyon hallerinde bulunur.
Mekanik olarak hazırlanmış metalsel tozlar öğütücülerden elde edilen saf
malzemeler ihtiva ederler (demir, manganez, karbon vs.). Mesela sert alaşımların
imalinde kullanılan sert mamullerin veya bir karbürle bir yardımcı metal karışımının
ince tozları, %0,5-1,5 demir ihtiva ederler. Elektrolize hazırlanan metalsel tozlar çok
saftır; toplam saf malzeme %2’yi geçmez. Karbonil toz lar ın ihtiva ettikleri oksijen
ve karbon miktarı %1,5’e kadar yükselebilir. Karbon monoksitin dekompozisyonundan
ileri gelen bu saf maddeler tozun bir ön ısıtma işleminden sonra sinterlenmesiyle elimine
edilebilirler. Demirde bulunan kükürt, fosfor, manganez silisyum gibi gayrı safiyetler
tozlarda bulunmazlar. Metalsel tozların renkleri kimyasal bileşimlerine, bilhassa ihtiva 24
ettikleri oksijen miktarına bağlıdır. Elektrolize hazırlanmış bakır tozu, genellikle
başlangıçta bakırın tipik kırmızı rengindedir. Fakat elektrolitin elimine edilmesi ve
yüzeysel kurutmadan sonra, bakır tozu oksidasyona uğrayarak parlaklığını kaybeder ve
kırmızı-kahverengi bir renk alır. Redükleme ile hazırlanarak billurlaşmış ve oksijen
ihtiva etmeyen volfram tozu açık gri renkte, alçak sıcaklıkta redüklenen ve çok az
oksijen ihtiva eden tozun rengi koyu gri ile siyah arasındadır. Tozun rengi tanelerin
büyüklüğüne de çok bağlıdır. Eşit miktarda oksijen ihtiva eden tozlardan ince öğütülmüş
olanları kaba öğütülenlerden daha koyudur.
Çok miktarda 1 mikrondan küçük partiküller ihtiva eden ince metalsel tozlar
piroforik özellikler gösterirler. Bu özellikler bir taraftan tozun geniş yüzeyine dolayısıyla
büyük kimyasal katkısına, diğer taraftan metalsel oksitlere bağlıdır.
Oksalatın redüklenmesiyle elde edilen tozların ani tutuşma özellikleri bilhassa
kobalt, nikel ve demir tozlarında görülür. Bu piroforik özellikler, yeni redüklenen tozun
karbon dioksitle soğutulması veya redüklemenin grafit sepetlerde yapılmasıyla önlenir.
Tozun kendi kendine tutuşması ise redüklemenin tekrar edilmesiyle önlenir.
Yukarda bahsi geçen bütün kimyasal özelliklerin, metalsel tozların sinterlemede
kullanılabilmelerine büyük tesirleri vardır. Oksijen, karbon, kükürt, fosfor, demir vs. gibi
gayrı safiyetlere ve karbondioksit, su buharı vs. gibi absorbe edilmiş gazlara büyük
ehemmiyet verilmelidir (Çalışkan, 2000).
25
3.2. FİZİKSEL ÖZELLİKLER
• Tane boyutu dağılımı
• Tane şekli
• Görünür ve ham yoğunluk
• Akış hızı (Akıcılık)
• Sıkıştırılabilirlik
• Ham mukavemet
III.2.1.Tane boyutu dağılımı
Metal tozların tanelerinin boyut ve şekilleri birbirinden farklıdır. Toz
metalürjisinde kullanılan tozların tanelerinin boyutları 1-4 mikron arasındadır.
Granülometrik dağılımı tayin etmek için toz tanelerinin ortalama büyüklüğüne göre
elek analizi, mikroskobik muayene sedimantasyon vs. gibi farklı usuller tatbik edilir.
III.2.2.Tane Büyüklüğü Testi
Metal tozlarının tane büyüklüğü genellikle elek analizi ile
yapılmaktadır.1970’de ASTM tarafından kabul edilen Standard elek takımı tablo
4,1’de verilmiştir. Deney döküm kum tane büyüklüğü tespiti gibi yapılmaktadır. 45
mikronun altında tane büyüklükleri için elek metodu iyi netice vermez. Çok ince
tozlar için sedimantasyon, ışık dağılması, yöntemleri kullanılır. Şekil 3.1’de metal
tozlarda boyut oluşumu sırasındaki mikroyapılar görülmektedir (Sarıtaş, 1994).
(a) (b)
Şekil 3.1. Nikel tozların sinterlemede boyut oluşumunun safhaları a) 33 µ m b)2-4 µ
m
26
Çizelge 3.1. Standart Elek Takımı
Elek No.(mesh) Delik,µm
30………………………………….…….……...….....600
40……………………………………..............……....425
50……………………………….…..……….…….…....300
60………………………...………………….…….…....250
80……………………………………………….….…...180
100………………………………………....……..…….150
140…………………………………..…….……………106
200…………………………………………...…...……75
230.………………………………………………....….63
325……………………………………………..…...….45
III.2.3.Toz Tane Şekli
Toz tane şekli tozun, akıcılığı, görünür ve ham yoğunluk değerleri, ham mukavemet,
sıkıştırılabilirlik gibi özelliklerini etkileyen önemli bir faktördür. Partiküllerin şekli
tozun hazırlanışına bağlıdır. Aşağıda belli başlı toz tane şekilleri gösterilmiştir. Toz şekli
tayini ışık ve elektron mikroskoplarıyla yapılmaktadır. Tozların şekilleri,
biçimlendirmede çok etkilidir (German, 1984).
Mekanik usullerle hazırlanan metalsel tozların şekilleri küresel olmaktan çok
uzaktır. Lamel şeklinde olan partiküllerin kenarları gayrı muntazam ve dantelli olup
genişlik ve uzunlukları genellikle kalınlıklarından daha büyüktür (Şekil 4,2).
27
Şekil 3.2. Toz tane şekilleri (German, 1984).
III.2.4.Görünür ve Ham Yoğunluk
Görünür yoğunluk, belli bir hacimdeki gerçek toz kütlesinin yoğunluğudur ve g/cm3
olarak ifade edilir. Pres kalıplarının tasarımında en önemli toz özelliğidir. Görünür
yoğunluk; toz şekline, tane büyüklüğüne ve metalin yoğunluğuna bağlıdır. Taneler
küçüldükçe ve şekilleri küreselden uzaklaştıkça görünür yoğunluk azalır. Görünür
yoğunluğu ölçmek için genellikle ASTM standartlarında Hail ve Scott olmak üzere iki
akış hunisi kullanılır (Şekil.3.3).
28
Şekil 3.3. Hail ve Scott akış hunileri (German, 1984)
III.2.5. Akış Hızı (Akıcılık)
Toz akış hızı, (g/s) ölçümü, 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
partikülleri arasındaki sürtünme, tozlarla huni yüzeyi arasındaki sürtünme, huni ağzı ve
partikül boyutu arasındaki ilişki, partiküllerin şekli ve yoğunluğu, huninin geometrisi
gibi faktörlere bağlıdır. Burada da Hail hunisi kullanılabilir. Bu nedenle bu test sadece
mukayeseli karşılaştırma amacıyla serbest akabilir (yapışkan olmayan) tozlar için
uygulanabilir (Kurt, 2001).
29
III.2.6.Sıkıştırılabilirlik
Yukarda incelenen fiziksel özellikler, tozların preslenmesinde büyük rol oynayan
faktörlerdir. Belirli bir metal tozu kütlesinin basınç altında yoğunlaşma kabiliyetinin
ölçüsüdür. Tozun preslenme esnasındaki hareketi, şekil verilebilme özelliğine (yani
presleme ile elde edilen parçanın şekil ve kenarlarının kararlılığına) ve sıkıştırma indisine
tabidir. Şekil verebilme özelliği herhangi şekilli parçalar üzerinde tayin edilebilir. Bir tozun
sıkıştırılabilirliği aşağıdaki kriterlere bağlıdır;
1. Tozun sertliğine,
2. Toz şekline,
3. Toz tane büyüklüğü dağılımına,
4. Kullanılan yağlayıcılara.
III.2.7.Ham Mukavemet
Sıkıştırılmış toz kütlesinin pişirmeden önceki mukavemetidir. Ham mukavemet tozların
birbirlerini kitlemelerinden ve kısmen de soğuk-kaynaklaşmadan oluşur. Presten çıkartılan
parçaların boyutlarını koruyabilmeleri ve taşınabilmeleri için ham mukavemetleri çok
önemlidir. Ham mukavemete etki eden faktörleri aşağıdaki gibi sıralanabilir.
1. Toz şekli,
2. Toz tane büyüklüğü,
3. Sıkıştırılabilirlik,
4. Eklentiler.
Toz üretim teknikleri, toz şeklini ve tane büyüklüğünü belirler. Bu özellikler de
tozdan üretilecek parçaların mekanik özelliklerini belirler (Kurt, 2001).
30
4. TOZ METAL PARÇA ÜRETİMİ
Metal tozlarından parça üretebilmek için tozları parçanın şekline biçimlendirebilmek
ve tozlar arasında bağ oluşturmak gereklidir. Biçimlendirme yöntemleri parçaya şekillerini
verir, ancak gerekli mukavemet ancak sinterlemeden sonra oluşur. Biçimlendirilmiş
mukavemetin (ham mukavemet), parçanın taşınabilmesi için gerekli mukavemetin üzerinde
olması yeterlidir. Biçimlendirme soğuk veya sıcak olarak gerçekleştirilebilir. Otomasyona çok
uygun olduklarından, en çok soğuk basınçlı biçimlendirme yöntemleri kullanılmaktadır.
Toz metalurjisi parça üretimi nihai ölçülerde ve hassas boyutlarda parça üretimine
imkân verdiğinden çok önemli ve üretim miktarı ve karmaşıklığı göz önüne alındığında
oldukça ekonomik sayılabilecek bir üretim tekniğidir. Parçayı oluşturan tozlar ve yağlayıcılar
homojen bir karışım elde edilinceye kadar karıştırılırlar. Karışım daha sonra kalıbın içerisine
doldurulur ve basınç altında sıkıştırılır, son olarak parçalar sinterlenir. Küresel ve iri bronz
tozlarından filtre elemanlarının basınç kullanılmadan üretimi istisnai bir durumdur. Bu
işlemde tozlar uygun şekili kalıp içerisine doldurulur ve kalıpla birlikte sinterlenir. Tozları
sıkıştırmanın tek eksenli presleme, haddeleme, ekstrüzyon, enjeksiyon kalıplama,izostatik
presleme gibi bir çok metotları vardır. Bu metotların seçimi parça geometrisine ve üretim
miktarına bağlıdır (TTMD, 2005).
T/M parça üretimi de çeşitli aşamalardan oluşmaktadır. Bunlar;
1. Toz hazırlama (Karıştırma),
2. Presleme (Sıkıştırma),
3. Sinterleme (Pişirme),
4. Sinterleme sonrası işlemlerdir.
Bir parçanın bu yöntemle imal edilmesini gerekli kılan baslıca kriterler şu şekilde
özetlenebilir. Bunlar;
Metalik bünye içindeki elementlerin karışım olarak bulunmasının gerekli olması
(sürtünme diskleri) veya alaşım yapılmasının zor veya imkansız olusudur (örneğin çok
farklı ergime sıcaklıkları nedeniyle).
Saf metal haline eritilerek getirilmemesidir.
Hacminin bir kısmının bos bırakılması zorunluluğudur (Kendinden yağlamalı burçlar).
31
Üretim miktarı kalıp ve presleme amortismanlarını ekonomik kılacak düzeyde ise,
alışılagelmiş yöntemlere göre hızlı ve ucuz olması, malzeme fire ve talaşını azaltması
veya sıfırlamasıdır.
Başka sebeplerle zorunlu olmasıdır.
4.1. Karıştırma
Metalik tozlar, yağlayıcılar ve isteğe bağlı alaşım elementleri ile homojen bir karışım
elde etmek için karıştırılır. Tozlarla birlikte uygun bir yağlayıcı da belirli oranlarda (max %
0.5-1.5) olmak üzere ilave edilir. Yağlayıcı olarak metal parafinler ve mum kullanılır.
Yağlayıcı kullanılmasının temel nedeni, sıkıştırma esnasında tozun kalıp cidarlarına
yapışmasını engellemek ve tozların birbiri üzerinde daha rahat kaymasını ve şekil almasını ve
preslenmiş parçanın kalıptan çıkısını kolaylaştırmaktır. Bunun faydası yoğunluğun her tarafta
mümkün olduğunca aynı olmasını sağlamaktır. Karıştırma yönteminde önceden alaşımı
yapılmış tozlar kullanmaksızın karıştırma sırasında alaşım yapma imkânı vardır. Demir
tozlarının bu şekilde çok sıkışmaları ve alaşım elementlerinden dolayı sertleşmeleri önlenmiş
olur. Ana alaşım elementi olan karbon toz grafit halinde karıştırılır. Şekil 4.1’de metal tozlar
ve bunlara katılan katık maddeler gösterilmiştir (TTMD, 2005).
Şekil 4.1(a). Metalik toz ve ilaveleri. (b) Karıştırıcı (Mikser)
32
4.2. Presleme (Sıkıştırma)
T/M imalat sürecinde parça imal süresi ve oranı önemli bir faktördür. Bu nedenle tek
eksenli kalıpta presleme (sıkıştırma) önemli bir parça şekil verme aşamasıdır. Metal
tozlarının, üretilecek parçanın istenen yüzey kalitesine ve boyutlara göre hazırlanan kalıp
içerisinde, basınç etkisi ile yeterli yoğunluğa getirme işlemine presleme adı verilmektedir.
Toz tanecikleri, oldukça kompleks yüzeylere sahip olmasının yanında, havada çok moleküllü
oksit ve gaz tabakalarıyla da kaplıdırlar. Presleme işleminin başlangıcında kalıp içerisindeki
toz, yaklaşık olarak görünür yoğunluğa sahip, boşlukların çok fazla olduğu bir toz yığını
halindedir. Presleme basıncı artarak, gözenekli tanecik yapısı bozularak gözeneklilik
azalmaya baslar. Artan basınç ile birçok tanecik birbirine sürtünerek toz taneciklerinin
yüzeyinde bulunan oksit ve gaz tabakalarının yırtılmasını sağlarlar. Böylelikle toz tane
yüzeylerinin birbirine teması sağlanmış olur (Şekil 4.2). Tozların preslenmesindeki ana amaç
ham yoğunluk ve dayanımın elde edilmesidir. Sıkıştırma bir yük altında serbest yapıdaki toz
partiküllerinin istenilen şekle ve forma dönüştürülmesi için yoğunluk kazandırma işlemi
olarak tanımlanabilir. Değişik sıkıştırma teknikleri olmakla beraber en yaygın kullanılanı tek
etkili presleme işlemidir. Tek etkili presleme tekniği kesintisiz üretim, otomasyon sistemleri,
yüksek miktarlarda metal ve seramik parçalar ile ilaç ve patlayıcı endüstrisinde yaygın
kullanım alanına sahiptir. Bu nedenlerden dolayı çoğu T/M parçaları bu teknik kullanılarak
üretilirler (Büyükdavraz, 2000).
Şekil 4.2. Presleme işlemi
33
Sıkıştırma üç aşamada ele alınabilir;
1. Sıkıştırma basıncının ilk uygulanmasına müteakip partiküllerin yer değiştirmesi ve
yeniden pozisyon belirlemesi gerçekleşir. Plastik sekil değiştirme yoktur. Kısmi olarak
bazı partiküllerde mekaniksel kırılmalar olabilir. Bu aşamada partikül boyutu, toz
boyut dağılımı, partikül şekli ve yüzey özellikleri ile partiküller arası sürtünme önemli
rol oynar.
2. Toz sıkıştırmanın ikinci aşamasında elastik ve plastik deformasyon faktörleri
baskındır. Bu aşamada partiküller arası soğuk şekilendirmeye bağlı bağlar oluşabilir.
Ayrıca partiküllerin mekaniksel kilitlenmeleri ile partikül-partikül etkileşimleri bu
aşamada önem kazanan durumlardır.
3. Presleme basıncının arttığı sıkıştırmanın son aşamasında toz partiküllerinin kırılması
ve plastik deformasyon ile boşlukların doldurulması sağlanmış olur. Bu aşamada toz
partikülleri arasında soğuk kaynak olabilir. Tozun sıkıştırılmasında kalıp duvarı ile toz
taneleri arasında meydana gelen sürtünme, presleme basıncının tozun kalıp içindeki
derinlik mesafesi ile azalmasına sebep olmaktadır. Tozun sıkıştırılmasında basınç,
mukavemet, yoğunluk ilişkilerini etkileyen çok sayıda önemli iç ve dış etkiler vardır.
İç etkenler sertlik, sekil değiştirme sertleşmesi, yüzey sürtünmesi ve malzeme
özellikleridir. Dış etkenler arasında ise toz tane boyutu, şekli, yağlama çeşidi,
sıkıştırma yöntemi gibi özelliklerdir (Büyükdavraz, 2000).
4.2.1. Toz Sıkıştırma / Presleme Yöntemleri
Presleme aşağıdaki gibi birçok çeşitli şekilde uygulanmaktadır. Bunlar;
1. Sabit kalıp içinde sıkıştırma,
2. İzostatik sıkıştırma,
3. Enjeksiyon ile kalıplama,
4. Ekstrüzyon ile sıkıştırma,
5. Yüksek enerjili sıkıştırma,
6. Haddeleme ile sıkıştırmadır.
34
4.2.1.1. Sabit Kalıp İçinde Eksensel Sıkıştırma
Soğuk olarak sabit bir kalıp içerisine dökülen metal tozları, eksensel bir kuvvet
uygulanarak toz tanelerinin birbirine mekanik olarak bağlanması sağlanır. Kuvvetin
uygulandığı yerin sayısına göre bu yöntem iki türe ayrılır. Bu yöntemler tek etkili presleme ve
çift etkili preslemedir. Şekil 4.3’de görülen tek etkili preslemede presleme işi üst zımba
tarafından yapılır. Üst zımba ile sabit alt zımba arasında kalan tozun sekilendirilmesi
işlemidir. Ancak parçanın ham yoğunluğunda, üst zımbadan uzaklaştıkça azalmalar söz
konusudur. Bunun sebebi ise üst zımba tarafından iletilen kuvvetin zımbaya daha yakın
tozlara nazaran daha alt tarafta kalan tozlara bu kuvvetin az iletilmesidir.
Şekil 4.3. Tek etkili presleme
Çift yönlü preslemede ise toz alt ve üst zımba tarafından aynı anda sıkıştırılmaktadır. Alt ve
üst zımba farklı basınlar uygulanabilir (Şekil 4.4).
Şekil 4.4. Çift yönlü çalışan bir pres tertibatı parçaları
35
4.2.1.2. İzostatik Presleme
Tozların kalıp içerisinde tek yönlü preslenmesinde hareketli piston ile kalıp yüzeyi ve
tozlarla kalıp yüzeyi arasında meydana gelen sürtünme nedeni ile uygulanan basınç tüm
tozlara eşit olarak iletilemez. Bu durum özellikle H/D,(H:Basılacak tozun kalıp içi yüksekliği,
D: sıkıştırılacak alanın çapı) oranı büyük olan parçalarda homojen olmayan yoğunluk
dağılımına neden olur. Parça iç yapısındaki homojen olmayan bu yoğunluk dağılımı nedeniyle
preslenmiş parçalar sinterleme sırasında farklı boyutsal daralma miktarları nedeniyle şekilsel
deformasyonlara maruz kalabilirler. Bunun giderilmesi için düşük basınçlarda preslenen
numuneler soğuk veya sıcak izostatik presleme denen ve daha yüksek basınç altında bir
akışkan yardımı ile sıkıştırma sağlayan sistemlerde homojen dağılımlı ve yüksek yoğunluklu
parçalara dönüştürülürler. Şekil 4.5’de bu durum şematik olarak gösterilmiştir (Öveçoglu,
1997).
Şekil 4.5. soğuk _izostatik presleme ilsem adımları
4.2.1.3. Enjeksiyon ile Kalıplama
Konvansiyonel metoda alternatif olarak basınçlı dökümde kullanılan metoda benzeyen
bir enjeksiyon kalıplama yöntemi geliştirilmiştir. İlk olarak 1977 yılında uygulanan bu
yöntemde tozlara plastiklik ve akıcılık kazandırmak amacıyla %8-20 arasında termoplastik
polimer bağlayıcılar eklenerek, 140-150°C’ye kadar ısıtılarak bir bulamaç haline getirmiştir.
Sonra bu bulamaç kalıp boşluğuna enjekte edilir. Enjeksiyondan sonra malzemeler 300-400 oC sıcaklıklarda uzun süreler tutularak polimer bağlayıcıların parçayı terk etmesi ile sağlanır
(şekil 4.6).
36
Şekil 4.6. Enjeksiyonla kalıplama
Enjeksiyon kalıplama veya presleme yukarıda ifade edildiği üzere diğer proseslerle
eldeki güç küçük, kompleks ve ince et kalınlığına sahip parçaların üretimine oldukça caziptir.
Ancak kalıp dizaynı ve kalıp imalatı oldukça pahalı olduğu için seri ve kütlesel üretimde
kullanılır.
4.2.1.4. Ekstrüzyon ile Sıkıştırma
Ekstrüzyon kelime olarak “kalıptan basma”, “dar çıkım” anlamını taşır. Burada
enjeksiyonla kalıplamada olduğu gibi bulamaç haline getirilen polimer-toz karışımı
ekstrüzyon matrisinden geçirilerek yüksek ham yoğunluğa sahip çubuk veya profillerin
imalatı gerçekleştirilir. Daha sonra parçalara bağlayıcı giderme ve sin terleme işlemleri
uygulanır.
4.2.1.5. Haddeleme ile Sıkıştırma
Şekil 6.7’de gösterildiği gibi tozlar bir besleyiciden haddelerin arasına akıtılarak
sıkıştırılabilirler ve böylece sürekli biçimlendirme gerçekleştirilebilir, istendiği takdirde ikili,
üçlü sandviç haddeleme mümkündür. Hadde silindirlerinden sonra yerleştirilecek bir fırınla
sürekli pişirme ve onu takiben sıcak haddeleme işlemleri kullanılarak saç malzeme
üretilebilir.
37
Şekil 4.7. Toz haddeleme: (a) Tek metal, (b) İki metal
4.3. Sinterleme (Pişirme)
Sinterleme, toz halindeki malzemenin düfizyon (atomik tasınım olayları) ile erime
sıcaklığı altındaki (2/3 ile 4/5’i) bir sıcaklığa belli bir süre maruz bırakılarak tozların
birbirlerine değdikleri noktalardan başlayarak kaynaşmasıdır. Birden fazla alaşım elemanı
içeren metal tozları genellikle ana metalin ergime sıcaklığının altında, bağlayıcı metallerin
ergime sıcaklığının üzerindeki bir sıcaklıkta sinterleme işlemi yapılır. Böylelikle ergime
sıcaklığı düşük olan alaşım elemanı, ana metalin tozlarını bağlamada kullanılmış olur
(Büyükdavraz, 2000). Soğuk olarak biçimlendirilmiş toz metal malzemeler çok kırılgandır.
Toz taneleri, basınç altında mekanik olarak birbirlerini kilitlemişlerdir ve kısmen de soğuk
kaynak oluşmuştur. Ancak, her iki mekanizma ile de oluşacak mukavemet parçaya yük tasıma
özelliği vermez. "Ham mukavemet" olarak adlandırılan bu mukavemetin parçanın taşınması
ve stoklanması için gerekli mukavemet kadar olması yeterlidir. Soğuk biçimlendirilmiş metal
tozları ergime sıcaklıklarının altında, kaynak oluşması sıcaklığında pişirildikleri zaman toz
taneleri arasında metalürjik bağ oluşur parçanın mukavemeti ham mukavemetinin 100
katından daha yüksek değerlere ulaşır. Şekil 4.8’de sinterleme sırasındaki mikroyapı
gösterilmiştir. Pişirmenin başarılı olması için toz tane yüzeylerinin oksitlerden temiz olması
gereklidir. Pişirilme sırasında ortamdaki hava yok edilmeli ve koruyucu atmosferler
kullanılmalıdır. Pişirme atmosferi olarak genellikle indirgeyici gazlar kullanılmakta ve
böylece toz yüzeylerinde önceden oluşmuş oksit tabakaları pişirme sırasında
indirgenmektedir. Hidrojen en iyi indirgeyici gazdır, ancak pahalıdır. Bugün hidrojen üretici
ortam olarak kırılmış amonyak kullanılmaktadır. Amonyak gazından ayrılan azot, çeliğin
demir ve alaşım elementleriyle reaksiyona girerek oluşturduğu nitrürler ince tanelidir. Bu
amonyağın özelliği de sertleştirme işlemini yapar. Kırılmış amonyakta %25 inert azot ve %75
indirgeyici hidrojen vardır (Sarıtaş, 1994). Ayrıca indirgeyici gaz olarak metan gazı da
38
kullanılmaya başlanmıştır. Sinterleme işlemi, sıkıştırılmış gaz atmosferinde gerçekleşir. Bu
işlem sonunda tozlar arasında metalik bağ oluşur ve oksitler indirgenir.
Pişirme sırasında;
1. Tozlar arasında metalürjik bağ oluşur,
2. Toz yüzeylerindeki oksitler indirgenir,
3. Kısmi yoğunlaşma oluşur,
4. Yağlayıcı olarak eklenen grafit demire yayılarak malzemenin son karbon seviyesini
oluşturur.
Şekil 4.8. Sinterlemenin mikroyapıya etkisi (German, 1990)
Sinterleme işlemi özel olarak çok çeşitli şekilerde yapılan ve üretilen parçaya ve
özelliklerine göre değişen sin terleme fırınları kullanılır (şekil 4.9). Sin terleme sıcaklığının
1050 ºC civarında olması halinde nikel-krom veya demir-krom-alüminyum rezistanslı fırınlar
kafi gelir. Daha yüksek sıcaklıklar için (1000ºC - 1600ºC) molibden rezistanslı fırınlar, 1800º
ve daha yüksek sıcaklıklar için ise yüksek frekanslı veya kısa devreli karbon tüplü fırınlar
kullanılır. Toz metal yataklar genellikle 800 oC civarında sin terlenirken, demir yataklar 1100
ºC ve Alüminyum yataklar ise 600-610 ºC derecede sinterlenirler.
Aşağıda sinterlenen malzemeler için tatminkâr sonuçlar veren fırınlar gösterilmiştir;
Demir veya bronz gözenekli yataklar için: Nikel-Krom, Demir-Alüminyum,
Molibden ve Silisyum Karbürlü fırınlar.
Sert alaşımlar için: Kısa devreli karbon tüplü fırınlar, vakumlu yüksek frekans
fırınlar veya A.B.D. de molibden rezistanslı özel fırınlar.
Sinter mıknatıslar ve elmas alaşımları için: Molibden rezistanslı fırınlar veya
kısa devreli karbon tüplü fırınlar.
39
Şekil 4.9. Sinterleme işlemi
4.4. Sinterleme Sonrası İşlemler
4.4.1. Gözeneklerin Doldurulması ( İnfiltrasyon )
Parçanın yapıldığı malzemenin sin terleme sıcaklığından daha düşük ergime
sıcaklığına sahip metal ile gözeneklerin doldurulması esasına dayanır, örneğin demir esaslı
alaşımlarda sinterleme esnasında bakır kullanılarak gözeneklerin doldurulur. Gözeneklerin
doldurulması, geçirgenliği azaltır ve mekanik özelliklerin iyileşmesini sağlar, fakat göz önüne
alınması gereken bir konu da bu sırada parça boyutlarında değişim görülmesidir. Bu işlemin
diğer bir faydası da ısıl işlem sırasında istenen tabaka kalınlığının hesaplanmasında porozite
olmadığı için kolaylık sağlamasıdır (Baksan, 2005).
4.4.2. Yağ Emdirme
Sinterlenmiş parçaların korozyona karsı direncini artırabilmek için yağ veya metal
olmayan maddeler emdirilmesi yoluna gidilebilir. Kaymalı yataklar sadece T/M metodu ile
yapılabilir, bu yataklarda porozitelerin içine yağ emdirilmek suretiyle yağlamasız yatak
yapımı gerçekleştirilir (Baksan, 2005). Kaymalı yataklar genellikle, sinterleme sonunda 800-
100 oC sıcaklıkta yağ banyolarında vakum altında 6 - 8 saat süre ile yağ emdirilir. Emdirilecek
yağın cinsi, tane büyüklüğü ve şekline, sıkıştırma basıncına ve ortama bağlı değişir. Fakat
genellikle SAE 60 ile SAE 20 viskozite değerindeki yağlar kullanılmaktadır.
40
4.4.3. Son Ölçüye Getirme ve Baskı (ikinci presleme)
Boyutlandırmak ve baskı sinterleme sonrası uygulanan ilave presleme işlemleridir.
Son ölçüye getirebilmek ve yüzey kalitesini artırabilmek için orta kuvvette presleme işlemi
yapılarak çok hafif plastik deformasyon sağlanır. Baskı işleminin iki amacı vardır; hem boyut
hassasiyetini artırmak, hem de parça yoğunluğunu artırmaktır. Bu iş için alışılagelmiş presler
kullanılır (Şekil 4.10).
Şekil 4.10. Boyutlandırma ve yağ emdirme işlemi (TTMD)
4.4.4. Buharla İşlem
Sadece demir esaslı alaşımlar uygulanır, bunun için parçalar 550 °C sıcaklığa kadar
ısıtılır ve sonra parça üzerine su buharı gönderilir, böylece parça üzerinde ve boşluklarında
Fe3O4 oluşması sağlanır. Bu işlemle parçanın korozyon direnci, sertliği ve basma yüklerine
karsı direnci artırılmış olur (TTMD).
4.4.5. İkinci Presleme
Mekanik ve manyetik özellikler gibi özellikler açısından bir önem arz ediyorsa
parçaya tekrar presleme işlemi uygulanır ve böylece istenen özelliklerin elde edilmesi
sağlanır. Preslenmiş parçaların 700-800 °C de ön sin terlenmesinde ilave edilen yağlayıcılar
yanarak uzaklaşır ve parçada yeniden kristalleşme gerçekleşir. İşlem sırasında oluşan
sertleşme ve iç gerilimler sonrası parçaya tekrar eski sünekliğini ve yoğunluğunu daha fazla
artırabilmek gerekir, bu nedenle presleme yapılır ve parça bundan sonra sinterlenir (TTMD).
41
4.4.6. Talaş Kaldırma işlemleri
T/M ile üretilmiş parçalar her ne kadar karmaşık şekilli ve hassas toleranslarda
yapılabilseler de yine de bazı kısıtlamalar olabilir. Bu nedenle delme, talaş kaldırma, delme,
diş açma gibi bazı talaşlı imalat metotlarının şekillendirme kalıpları üzerinde bulunması
mümkün değildir. Sinterlenmis parçalar için uygulanan işlem hızları aynı bileşimde dövme
olarak imal edilmiş parçalara göre daha düşüktür, bu nedenle ilsem hızları seçilirken buna
dikkat edilmesi gerekir. Kesici takım ömrünün artırılması için tozların içine talaşlı imalatı
kolaylaştırıcı MnS ilave edilir. Sinterleme sonrasında da yapıda bu katkılar kaldığı için talaşlı
imalatı olumlu yönde etkiler (Baksan, 2005).
4.4.7. Çapak Alma
Bu işlem, presleme ve talaşlı imalattan kaynaklanan çapakları almak için kullanılır.
Çapak alma işlemi presleme sonrası parça üzerinde oluşan çapakları giderilmesi işlemidir. En
genel uygulama tambur içinde aşındırıcı toz kullanarak yapılan çapak alma işlemidir.
4.4.8. Birleştirme ve Montaj
Kompleks ve büyük yapılı parçalar birleştirmek suretiyle elde edilebilmektedir.
Birleştirme yöntemleri; Difüzyonla, sinter birleştirme ve lazer ile kaynaktır.
4.4.9. Isıl İşlem
T/M ile üretilmiş parçada faz dönüşümleri parça içindeki porozite ile değil fakat
parçayı oluşturan tozların bileşimi ve homojen olması ile ilgilidir. Bu nedenle her türlü T/M
ile üretilmiş parçaya ısıl işlem uygulanabilir. Su verme ile sertleştirme ve temperleme
işlemleri sonucu T/M parça mukavemetinde, aşınma direncinde artış olurken sünekliginde ise
azalma görülür. T/M ile üretilmiş parçalara genellikle karbürleme, karbonitrürasyon gibi
yüzey sertleştirme işlemleri uygulanır (Baksan, 2005).
42
4.4.10. Yüzey Kaplama İşlemi
Eğer malzemenin korozyona karsı daha dirençli olması isteniyorsa elektroliz ile yüzey
kaplaması yapılabilir. Burada dikkat edilmesi gereken nokta elektrolitin T/M parçanın
boşluklarına girerek olumsuz etkilere neden olmasını engellemek için porozitenin daha önce
bahsedildiği gibi gözeneklerin doldurulması gerekir. Bahsedilen bütün işlemler preslenen
parçanın istenilen ölçüye getirilmesi ve yoğunluk kazandırmak için uygulanmaktadır. Şekil
4.11’de sinterleme sonrası uygulanan işlemler gösterilmiştir (Baksan, 2005).
Şekil: 4.11. Sinterleme sonrası uygulanan işlemler (TTMD)
T/M parçaların üretiminde önemli olan bir konu da yukarıdaki yöntemlerin
uygulanması sırasıyla yapılmalı ve en uygun yöntem seçilmelidir. Şekil 4.12’de metal
tozlardan üretilen bir parçanın ilsem akış seması görülmektedir.
43
Şekil 4.12. Bakır-Demir alaşımlı T/M parça üretim basamakları (Karataş 1996)
4.5. Toz Metalurjisi ile Üretimde işlem Adımları
T/M parça üretiminde ana işlem adımları karıştırma, presleme, sinterleme, bitirme
işlemleri olsa da; bu ana işlem adımlarının arasında toz metal parçadan istenen özelliklere
göre birçok ilave işlem uygulanır. Aşağıdaki şekilde toz metal yöntemi ile parça üretiminde,
işlem basamakları gösterilmiştir (Şekil 4.13). Bugün dünyada geçerli olan bütün toz metal
teknikleri Türkiye'de de yapılabilmektedir .(Büyükdavraz, 2000).
44
Şekil 4.13. Toz metal prosesinde işlem adımları
45
5. TOZ METALÜRJİ AVANTAJLARI VE DEZAVANTAJLARI
5.1. Toz Metalürjisinin Avantajları
1. Talaşlı işlem gereksiniminin azaltılması veya tamamen azalması
2. Yüksek üretim hızı ve seri üretime yatkınlık
3. Karmaşık ve Grift parçaların üretimi
4. Çok geniş bir kompozisyon aralığında parça üretimi söz konusudur.
5. Wolfram (3400oC), Molibden (2600oC), Platin (1770oC), Titanyum gibi yüksek
ergime noktalı metallerin üretimi.
6. İyi yüzey kalitesi ve dar boyutsal tolerans.
7. Malzeme yapısı özeldir(yani malzeme yapısı ve gözeneklilik kontrol edilebilir).
8. Hurda malzemenin asgariye indirilmesi (pratik olarak malzeme savurganlığı yoktur).
9. Presleme ve sinterleme uygulanarak yüksek dayanımlı ve aşınmaya dayanıklı
parçaların üretimi mümkündür.
10. Alışılmış yöntemlerle elde edilemeyen bazı özellikler çeşitli elemanların oranlarda
birleştirilmesiyle gerçekleşebilir. Olağanüstü mekanik sertlik ve aşınma dayanımı,
sıvılara karşı yüksek geçirgenlik, mükemmel yağlama ve elektriksel temas özellikleri
gibi.(Alev,2011)
5.2. Toz Metalürjisinin Dezavantajları
1. Toleranslar, talaşlı işlemlere göre daha kabadır.
2. Mekanik fiziksel özellikler, bazı işlemler yapılmadıkça sınırlıdır.
3. İlk yatırım; yani takımlar, presler, sinter teçhizatı oldukça pahalıdır. Seri üretim
yapılmazsa, amortisman değerleri yüksektir.
4. Metal tozlarının maliyeti, ingot halinde üretilen malzemelerden daha yüksektir.
5. Parça boyutları, pres kapasitesine bağlıdır. Parça boyutlarının sınırlı olması göreceli
olarak yüksek maliyeti bir dezavantaj oluşturur.(Çalışkan,2000)
46
6. KAM MİLİ
6.1. GİRİŞ
Dairesel hareket yaparak kam iticisinin alternatif hareket yapmasını sağlayan özel
biçimli makine elemanlarına kam denir. Kam diğer makine elemanlarıyla elde edilemeyen
düzgün olmayan veya özel hareketlerin elde edilmesinde kullanılır. Kamın
sürekli temas halinde bulunduğu ve alternatif hareket yaptırdığı elemana itici denir. İtici
genelde alternatif hareket yapsa da bazı durumlarda alternatif dairesel hareket yaptığı da olur.
Burada alternatif hareketten kasıt aşağı yukarı, sağa sola gibi gidip gelme hareketidir.
Bilindiği gibi genelde makine elemanları dairesel hareket yaparak çalışırlar. Kamlarla makine
elemanlarına değişik hızlarda ve boylarda alternatif hareket ettirmek mümkündür.
6.2. KAMLARIN ÇALIŞMA ŞEKLİ
Kam, itici ve iticiyi üzerinde tutan gövdeden oluşur. Kam kendi ekseni etrafında
dairesel hareket yaptığında simetrik olmayan çevre profili sayesinde iticiyi aşağı yukarı
hareket ettirir. Burada iticinin yukarı çıktıktan sonra geri geliş hareketi sisteme eklenen
bir yay ile sağlanabilir. İticisine her iki yönde hareket sağlayan kamlar çift etkili kamlardır.
6.3. KAMIN KULLANILDIĞI YERLER
Kamlar makinelerdeki otomatik düzeneklerin çalıştırılmasında önemli rol oynarlar.
Özellikle patlamalı ve yanmalı motorlarda gaz giriş ve çıkısını sağlayan supapların
hareketinin sağlanmasında, saatlerde, kilitlerde, otomat torna tezgâhlarında kalem ve revolver
baslığın hareketlerinin elde edilmesinde, dikiş makinelerinde, vida tezgâhlarında kalem
hareketinin sağlanmasında ve diğer otomatik çalışan makinelerde kullanılır.
47
6.4. KAMLARIN SINIFLANDIRILMASI
Kamları çalımsa şekilleri bakımından aşağıdaki gibi sınıflandırabiliriz.
Çevresiyle Çalışan Kamlar
i. Motor Kamları
ii. Disk Kamları
iii. Çerçeveli Kamlar
iv. Kanallı Tambur Kamları
Alın Kısmıyla Çalışan Kamlar
i. Kanallı Disk Kamlar
ii. Alnı Şekilli Kamlar
6.4.1 Çevresiyle Çalışan Kamlar
Bu kamlar iticiye çevreleriyle değerek hareket verdikleri için bu ismi almışlardır.
Bunlar motor kamları, disk kamlar, çerçeveli kamlar ve kanallı tambur kamlardır.
i. Motor Kamları
Motor kamları, motorların supaplarını açıp kapamakta kullanılırlar. Bu kam sahip
olduğu özel profil sayesinde dönme hareketi yaparken iticisini hareket ettirerek supaba
ileri geri hareketi yaptırır. Bu açılıp kapanma hareketi sayesinde motorun içine yakıt girer
veya yanan yakıttan arta kalan gaz dışarı çıkar. Her bir supap için yapılan bu kamların bir
milin üzerinde toplanmasıyla kam mili pratikte anıldığı sekliyle eksantrik mili ortaya çıkmıştır
ii. Disk Kamlar
Disk kamlar adından da anlaşılacağı üzere disk seklindedirler. Bu tür kamlar
kendilerinden beklenen hareketi sağlamak için genellikle simetrik değildirler. Bu yüzden
biçimsiz görünüşleri vardır.
48
iii. Çerçeveli Kamlar
Çerçeveli kamların iticisi çerçeve seklindedir. Kam dönme hareketi yaparken her iki
taraftan yaltaklanmış olan itici sağa sola alternatif hareket yapar. Bu kam düzeneğinin
kullanıldığı yere örnek olarak mekanik elekler gösterilebilir.
iv. Kanallı Tambur Kamlar
Bu kamlar bir tamburun üzerine çeşitli profilde sonsuz kanalların açılmasıyla elde
edilir. Kam döndüğünde bu kanalların içerisinde bulunan her iki taraftan yaltaklanmış itici
sağa sola alternatif hareket yapar.
6.4.2. Alın Kısmıyla Çalışan Kamlar
Bu tür kamların iticiye hareket veren kısımları alın kısımlarındaki girinti veya
çıkıntılar olabileceği gibi alın kısımlarına açılan sonsuz kanallar da olabilir.
i. Alnı Şekilli Kamlar
Bu kamların alın kısımlarında iticiye alternatif hareket yaptıracak şekilde özel biçimli
girinti ve çıkıntılar bulunur.
ii. Kanallı Disk Kamlar
Bu kamlar bir disk üzerine açılmış sonsuz kanallardan oluşur. Kamın dönmesiyle bu
kanalın içinde bulunan iticinin makarası alternatif hareket yapar. Bu kamlar da
çerçeveli kamlar ve kanallı tambur kamlar gibi çift etkilidirler. Yani iticinin ileri ve
geri kurslarını kamın dönme hareketi sağlamaktadır(Uygunuçarlar,2010)
49
Şekil 6.1 Kam çeşitleri.
En basit yapı olarak bir serbestlik dereceli kam mekanizmaları üç uzuvlu bir kinematik
zincirden oluşur. Mekanizma serbestlik derecesi bir olması için zincirde kam çiftinin dışında
bulunan diğer kinematik çiftlerin serbestlik derecesi bir olması gerekir. Bu durumda, diğer
kinematik çiftler kayar veya döner mafsal olabilirler. Yukarıda gösterildiği gibi, 3 değişik
zincir ve bu zincirlerden elde edilebilen yedi değişik mekanizma mümkündür. Genel olarak
kam çiftini oluşturan her iki yüzeyde farklı bir eğri olabilir ise de, imalat kolaylığından dolayı
yüzeylerden biri bir doğru veya dairedir. Daire olarak kendi ekseni etrafında dönebilen bir
toparlak yerleştirilerek kayma sürtünmesi dönme sürtünmesine dönüştürülür. Kam
mekanizmalarının yukarıda gösterildiği şekilde sınıflandırılması yeterli olmamıştır. Bu
nedenle uygulamada kam mekanizmalarının sınıflandırılmasında üç değişik kriter kullanılır.
50
Şekil 6.2. Kam yüzey çeşitleri.
6.5. KAMLARIN TOZ METALÜRJİSİYLE ÜRETİMİ
Toz metalürjisi ile kam imal edebilmek için üretilecek kam için kalıp tasarımı yapılır
ve buna göre de kalıbın üretimi tamamlanır, ardından kam üretiminde kullanılacak tozlar ve
bağlayıcılar hazırlanır. Tozları aynı boyuta getirmek ve homojen karışımı sağlamak için bir
değirmen, hazırlanan tozların şekillendirilmesi için bir pres ve sinterlemek için de bir fırın
kullanılır. Üretilen kamların mikro yapısını incelemek için SEM görüntüsü ve kimyasal
bileşimini belirlemek için EDX analizi alınır. Bu işlem aşamaları aşağıda anlatılmıştır.
6.5.1. Kam İmalatı
Toz metalürjisi ile kam imalatı yapabilmek için önce kam profiline uygun kalıp
tasarımı yapılmalıdır, teknik resmi hazırlanmalı ve belirlenen ölçüler doğrultusunda kalıp imal
edilmelidir.
51
Şekil 6.3 Üretilecek kam için imalatı yapılmış kam kalıbı ve parçaları
Şekil 6.3. de görülen kam kalıbı, ısıl işlem özellikleri ve kimyasal analizi Çizelge 6.1’
de verilen Ç 2080 (AISI D3) sıcak is çeliğinden tel erozyon ile imal edilir. (Şekil 6.1 ve Şekil
6.2) Kalıplama sırasında kalıbın aşınmaması için vakumda su verme işlemi uygulanarak 60-
62 HRC’ye sertleştirilmelidir.
Çizelge 6.1 AISI D3 (Ç 2080) çeliğinin kimyasal bileşimi ve bazı mekanik özellikleri
6.5.2. Tozların Hazırlanması
Kam üretiminde kullanılacak olan bor karbür (B4C), silisyum karbür (SiC), demir ve
kobalt tozları temin edilir. Fenolik reçine temin edilmelidir. Demir tozu, kobalt tozu temin
edilir. Kam üretiminde kullanılacak tozların sıkıştırılması sırasında birbirleri ile
tutunabilmeleri için çeşitli bağlayıcılar kullanılır. Bu bağlayıcılar, potasyum silikat (K2OSiO2)
ile alüminyum fosfat (Al2O3P2O5nH2O) ve fenolik reçineden oluşmaktadır. Bu kimyasallar (%
50 Su + % 50 K2OSiO2) ve (% 50 Su + % 50 Al(H2PO4)3) olmak üzere karıştırılır. Fenolik
reçine, metil alkol-izopropial alkol karışımı içinde çözülür ve içine hegzametiltetramin
[(CH2)6N4] ile kalsiyum stearat [(C17H35CO)2Ca] ilave edilerek bakalit yapısı hazırlanır.
52
6.5.3. Kullanılacak Tozların Karıştırılması ve Hazırlanması
Kam üretiminde kullanılacak tozlar beş değişik oranda (Çizelge 6.2) hazırlanır.
Çizelge 6.2.Metal tozların karışım oranları.
6.5.4. Kam Üretiminde Kullanılacak Aletler
6.5.4.1. Pres
Şekillendirme presi baslıca su elemanlardan oluşmaktadır; 490 mm ×490 mm × 25
mm ebatlı üç adet plaka, 42 mm çapında 700 mm yüksekliğinde 4 adet pres sütunu,130 mm
çapında 300 mm yüksekliğinde 1 adet hidrolik eleman, 3kW’lık elektrik motoru ve buna bağlı
pompadan oluşmaktadır . Kuru presleme yöntemi kullanılırken pompa basıncı 100 kg/cm²
basıncında 13,5 ton 150 gr/cm² basınçta ise 19,5 ton sıkıştırma gücüne sahiptir. Kuru
preslemede, presin hareketli orta plaka ile sabit plaka arasına konulan kalıbın hareket
kabiliyeti 190 mm dir.
6.5.4.2. Şekillendirme Fırını
Lenton Thermal Design Ltd. tarafından üretilen UAF17–27 Furnace, 200–700°C
sıcaklıklar arasındaki işlemler için uygun genel amaçlı bir laboratuar fırınıdır. Bu fırın,
“ısıtma odası” ve bir “kontrol sistem”inden ibarettir.
53
Isıtma odası:
İzole edilmiş oda, U seklinde şekillendirilmiş “Super Kanthal 1800 ” elemanlarının
kenarı boyunca duvardan boşluğa doğru asılmış olarak durmakta ve, bunlarla ısıtılmaktadır.
Bu elemanlar MoSi2 ’den yapılmıştır. Oda, çok özellikli ve çok yüksek sıcaklığa dayanıklı
fiber plakalarla izole edilmiştir. Bu materyal, yüksek sıcaklık sürecinden doğan bazı yüzey
çatlaklarına duyarlıdır. Bu çatlama fırın performansını etkilemez.
Kontrol sistemi:
Kontrol sistemi bir ısı programlayıcısı, bir aşırıdan koruma kontrolcüsü, üç
transformatör, üç faz açılı tristörü ve bir kapı motoru kontrol ünitesi içerir. Kontrol paneli
“enerji açık” göstergesi, bir ” ısıtma açık” anahtarı, güç kontrol ve kapı kontrol sisteminden
ibarettir. Bu sistem, kapıya güç verip kesme, gösterge, kapı-güç açık, yukarı-aşağı ve stop
butonudur. Isıtma odasına Pt-PtRh termokulp sıcaklık algılayıcısı yerleştirilmiştir. aşırı
sıcaklık kontrolcüsüne ise aynı tip ikinci termokulp bağlanmıştır. Transformatörlerde elde
edilen düşük voltaj, seri bağlı elemanları devreye geçirmeye uygun olarak donatılmıştır. Faz
açısı tristör kontrol ünitesi seviyesine karşılık gelen sinyali ısı programcısından alarak kontrol
eder.”ısıtıcı açık” neon göstergesi, elemanların ısındığını görüntüler. Güç devresindeki
manyetik kondaktör aşırı ısı hatası görüldüğünde ve kapı açıldığında devreyi keser fırının her
bölgesine kuvvetli soğutma havası sağlanması için soğutma fanları yerleştirilmiştir. Üniteye
güç verince fanlar çalışmaya baslar. Isıl işlem sonrası kalan ısı giderilinceye kadar fanlar
çalışmaya devam eder. Fırın sıcaklığı 300°C’nin altına düşünceye kadar enerji
kapatılmamalıdır.
Lenton marka bu şekillendirme fırının teknik özellikleri aşağıdaki Çizelge 3.3’de
verilmiştir.
54
Çizelge 6.3. Sinterleme fırının teknik özellikleri.
6.5.4.3. Öğütme ve Karıştırma Değirmeni
Bu değirmen içersinde seramik bilyeler bulunduran 3,5 lt hacimli iki porselen kavanoz
(dönen silindirler üzerinde yatay konumda bulunmaktadırlar) ve bunları döndüren iki
silindirden ibarettir. çalışma esnasında bu silindirler dönerken porselen kavanoz içersindeki
bilyeler birbiri üzerinde darbe ile yuvarlanarak hammadde veya mamul maddeyi sıvı ortamda
öğütür. Deneysel çalışmalarda kullanılacak tüm tozlar aynı tane boyutuna getirilmesi için
değirmende öğütülür (Uygunuçarlar ,2010).
Şekil 6.4 Öğütme ve karıştırma değirmeni.
55
6.5.5.4. Kamın Üretimi (Tozların şekillendirilmesi) ve Sinterleme işlemi
Kam üretimi için gerekli karışımlar Çizelge 6.2 de verildiği şekli ile hazırlandı ve
aşağıdaki açıklama doğrultusunda birleştirilen tozlar kuru malzeme kalmayacak şekilde
karıştırılırlar. Silisyum karbür (SiC) tozları, potasyum silikat (K2OSiO2) bağlayıcı ile ıslatılır
ve Fe tozlarının üzerine ilave edilir. Silisyum karbür (SiC) tozları, alüminyum fosfat
(Al2O3P2O5nH2O) bağlayıcı ile ıslatılır ve Fe tozlarının üzerine ilave edilir.Bor karbür (B4C)
tozları, alüminyum fosfat (Al2O3P2O5nH2O) bağlayıcı ile ıslatılır ve Fe tozlarının üzerine ilave
edilmiştir. Bağlayıcı fenolik reçine, B4C tanelerini ıslatarak Fe tozu ile karışımın üzerine
eklenir.
Bu şekilde hazırlanan karışımlar Şekil 6.3 ‘de görülen değirmende tekrar homojen
karışım haline getirilir. Çizelge 6.2 de verilen 1.ci karışım önce Şekil 6.4’de görülen kam
kalıbı ile üretilirler. Bu karışım prese bağlanmış kalıba yerleştirilerek 150 bar basınçla kam
biçiminde şekillendirilir. Bu kamlar, fırında 960°C sıcaklığına 16 saat süre ile ısıtılarak
sinterleme işlemi ile pişirilir. Bu sıcaklıkta 30-60 dakika beklendikten sonra fırın oda
sıcaklığına soğutulur. Daha sonra fırından dışarı alınan numune kamların bozulmuş olduğu
görülür (Şekil 6.5). Kamlardaki bu bozukluk, sinterleme sırasında bağlayıcı özelliğinin
kaybolmasına ve aynı zamanda kalıbın da hatalı olabileceğine bağlanabilir. Bağlayıcı
özelliğinin kaybolması da ya bağlayıcının uygun olmadığı ya da sinterleme sıcaklığının bu
bağlayıcı için doğru seçilmediği kanaatini doğurmaktadır. Dolayısıyla kamların Şekil
bozukluğu bir taraftan bağlayıcı maddeye diğer taraftan da kalıba bağlanabilir. Bu gurupta
bağlayıcı olarak kullanılan potasyum silikatın (K2OSiO2) iyi bir ıslatıcı olmasına rağmen 960
°C sıcaklıkta bağlayıcılık özelliğini kaybettiğini söylemek mümkün olmuştur. Çizelge 6.2 de
verilen oranlarda hazırlanan toz karışımlarından 1. gurup dışında kalan guruplar (2., 3. ve
4.gruplar), Şekil 6.3 de görülen öğütme ve karıştırma değirmeninde takriben aynı tane
boyutuna getirildikten sonra içerisine fenolik reçine ilave edilir ve karışım 30-60 dakika süre
ile homojen hale getirilmeye çalışılır. Buradan alınan karışım tozları gibi prese bağlandıktan
sonra içerisine konarak preslenmek sureti ile kamlar üretilir. karışım tozları, prese bağlanmış
kalıba yerleştirilerek 150 bar basınçla şekillendirildiler. Presleme esnasında kalıbın dış yüzeyi
harici bir ısıtıcı ile çepeçevre sarılır. Bu ısıtıcı sadece iç tarafa ısı vermektedir. Yani yalnız
kalıbı ısıtmaktadır. Tozlar kalıba doldurulduktan sonra preslemeye başlandı ve aynı anda
tozlar sıkıştırılırken de ön ısıtma (yaklaşık 150°C’de) yapılır. Ön ısıtmanın amacı hem toz
karışımındaki nemi almak hem de bağlayıcı tozların iyi bağlanmasını sağlamaktır.
Şekillendirme tamamlandıktan sonra elde edilen yarı mamul kamların gruplar halinde fırında
56
22 saat süre ile 1060°C sıcaklığa ısıtıldılar ve 30-60 dakika beklendikten sonra fırın oda
sıcaklığına soğutulur. sinterleşenin amacı; ergime noktası düşük malzemelerin sinterleme
esnasında ergiyerek, yüksek ergime noktasına sahip tozların arasındaki boşlukların
doldurulmasıdır. Ayrıca sinterleme esnasında ön ısıtmada tam olarak ortamı terk etmemiş
olan bağlayıcının hava ile yakılarak ortamdan uzaklaştırılmasını sağlamaktır. Şekillendirilme
sırasında kamlara yaklaşık 150°C civarında ön ısıtma uygulanır. Çizelge 6.2 de verilen
karışımlarda yer alan ıslatıcı maddeler ön ısıtma sırasında tozların hidrojen (Van Der Waals)
bağlarıyla bağlanarak kamların rijitik kazanması sağlanmaktadır. Özellikle ön ısıtma B4C ile
demir veya kobalt tozlarını bir arada tutabilmesi için gerekli sıcaklıktır. Demir veya kobalt
tozları B4C’ü tamamen sarması gerekmektedir. Bunun için ıslatıcı kullanılmaktadır. Islatıcı
150°C civarında hidrojen bağlarıyla bağlanarak malzemeyi rijit durumda tutar. Sinterleme,
B4C ana madde olmak üzere Fe ve Co tozlarının ergime derecelerinin 2/3’ü sıcaklıkta
(moleküller arası kohezyon kuvvetleri) sinter bağları tesekkül ettirme işlemidir. B4C’ün
ergime sıcaklığı yüksek (2800°C) olduğundan dolayı sinter bağı demir veya kobalt tozlarınca
oluşur. B4C’ü demir veya kobalt tozları sarar. B4C ile sinter bağı yapmış demir veya kobalt
tozları arasında Van Der Waals bağları oluşur. Ergime sıcaklığı düşük bir bağlayıcı toz ile
ergime sıcaklığı (bağlayıcı tozdan veya granülden) çok yüksek malzeme tozları arasında
birleşmeyi sağlayarak kompozit elde etme işlemine sinterleme işlemi denir. Bu işlem
sırasında ortaya çıkan bağa sinter bağı denir. Sinter bağı metalik bağdan daha sert (aşınmaya
dayanıklı) ve mukavemet yönünden sağlamdır. Sinter bağı fırınlama işlemi sırasında bağlayıcı
tozları sıcaklık arttıkça, tozlar arasındaki çekim kuvveti (kohezyon) artar. Kompozit
malzemede verilen ısının etkisiyle iç enerji artar ve iç enerjinin artması sinter bağını oluşturur.
Sinter bağı yüksek enerjili bağ olduğundan kovalent bağ gücünde bir bağdır. Kovalent bağlar
yüksek enerjili bağ olup B4C, SiC, TiC, AlN vs gibi ileri teknoloji seramiklerinde görülür.
Sinter bağ, bağlayıcı tozun ergime sıcaklığına yakın (yaklaşık 4/5) sıcaklığa kadar bağ enerjisi
artar. Optimum sıcaklık 2/3’ün biraz üstüdür.
57
Şekil 6.5. Hatalı kalıp.
Şekil 6.6. İmalatı bitmiş kamlar.
Kalıplama işlem tamamlandıktan sonra kam numuneler kalıptan çıkarılır. Bu kamlar,
300°C sıcaklığa ön ısıtılmış fırına konarak sinterlenirler. Sinterleme tamamlandıktan sonra
fırın içinde bırakılmak sureti ile oda sıcaklığına soğutulurlar. Sinterleme olarak tanımlanan bu
pişirme işlemi sırasında ise fenol reçineden artık kalan nem ve oksijenin kamlardan
uzaklaşması sağlanır. Daha sonra fırından alınan bu numunelerin, SEM görüntüleri ile EDX
grafikleri (Şekil 6.6-6.21) ve EDX analizleri (Çizelge 6.4-6.11) alınır.(Uygunuçarlar,2010)
6.6. İmal Edilen Malzemelerin SEM-EDX Görüntüleri ve Kimyasal Analizleri
6.6.1. Silisyum Karbur ve Fe Tozları Karışımı
% 50 SiC + % 50 Fe tozları ile potasyum silikat (K2OSiO2) bağlayıcısının
karışımından (1. karışım) üretilen ve 960°C sin terlendikten sonra oda sıcaklığına soğutulan
kamın SEM görüntüsü (Şekil 3.7) ve EDX analizi (Şekil 3.8) alındı. SEM görüntüsü üzerinde
58
görülen dikdörtgen alan içinden alınan EDX sonuçları Çizelge 6.4’ de görülmektedir.
Çizelgede karıştırılan tozlarda yer alan elementler görülmektedir. Bunların dışında gerek
grafikte gerekse çizelgede oksijende görülmektedir. Bu ise, son sinterleme esnasında
bağlayıcıdan gelen oksijenin tam olarak giderilemediği sonucuna götürmektedir. Ayrıca Si
pikinin yüksek olması, analiz alınan noktada Si’un yoğun bulunduğunu göstermektedir. Bu da
toz karışımının istenen homojen yapıda olmadığı sonucunu göstermektedir.
Şekil 6.7. SiC-Fe tozları karışımının Şekil 6.8. (Şekil 6.7) nin EDX grafiği.
SEM görüntüsü.
Çizelge 6.4 Şekil 3.7’da dikdörtgen içerisinden alınan elementlerin yoğunluğu.
6.6.2. Silisyum Karbur ve Fe Tozları karışımı
% 50 SiC + % 50 Fe tozları ile alüminyum fosfat (Al2O3P2O5nH2O) bağlayıcısı
karışımından (2. karışım) üretilen kam, 1060°C sıcaklıkta sin terlendikten sonra kamın aynı
noktasından alınan SEM görüntüsünün farklı bölgelerinden EDX analizleri alındı. Bunlardan
ilk alınan SEM görüntüsü Şekil 3.9’da ve EDX analizi Şekil 3.10’da görülmektedir. SEM
59
görüntüsü üzerinde görülen dikdörtgen seklinde geniş bir alan içinden alınan EDX analiz
sonuçları Çizelge 3.5’ de görülmektedir. Çizelgede karıştırılan tozlarda ve bağlayıcıda yer
alan elementler görülmektedir. Bu elementlerden Al ve oksijen bağlayıcıda bulundukları için
yapıda yer almışlardır. Bu nedenle Al bulunması normaldir. Ancak oksijen son sinterleme
sırasında yapıdan uzaklaşması gerekirdi. Sinterleme sırasında oksijenin uzaklaşması için
yeterli bir zamanın verilmediğinden yapıda kaldığını söylenebilir.
Şekil 6.9. SiC-Fe tozları karışımının Şekil 6.10. (şekil 6.9)’un EDX grafiği.
SEM görüntüsü.
Çizelge 6.5. Şekil 6.9’de dikdörtgen içerisinden alınan elementlerin yoğunluğu.
60
Şekil 6.11’da görülen SEM görüntüsü Şekil 6.9’da görülen ile aynı olup aynı kamdan
alınmıştır. Ancak EDX analizinin alındığı alan, şekilden de görüldüğü gibi Şekil 6.11’deki
EDX analiz alanının küçük bir bölgesini içermektedir (Şekil 6.12’deki küçük dikdörtgen
alan). Bu alandan alınan EDX analizi (Şekil 6.12) ve Çizelge 3.6’da görülmektedir. Çizelgede
karıştırılan tozlarda ve bağlayıcıda yer alan elementler görülmektedir. Bu elementlerden Al ve
oksijen bağlayıcıda bulundukları için yapıda yer almışlardır. Bu nedenle Al bulunması
normaldir. Ancak oksijen son sinterleme sırasında yapıdan uzaklaşması gerekirdi. Sinterleme
sırasında oksijenin uzaklaşması için yeterli bir zamanın verilmediğinden yapıda kaldığını
söylemek mümkündür. Dikkat çeken bir husus ise C’un ve Fe’in bulunmamasıdır. Bu da, toz
karışımının homojen olmadığını göstermektedir. Ayrıca bu bölgede C’un oksijen ile
birleşerek gaz halinde yapıdan uzaklaştığı söylenebilir.
Şekil 6.11 SiC+Fe tozları karışımının Şekil 6.12 (şekil 6.11)’in EDX grafiği.
SEM görüntüsü.
Çizelge 6.6 Şekil 6.11’de dikdörtgen içerisinden alınan elementlerin yoğunluğu.
61
Şekil 6.13’de görülen SEM görüntüsü Şekil 6.9’da görülen ile aynı olup aynı kamdan
alınmıştır. Ancak EDX analizinin alındığı alan, şekilden de görüldüğü gibi Şekil 3.12’daki
EDX analiz alanının küçük bir bölgesini içermektedir (Şekil 6.11’deki küçük dikdörtgen
alan). Bu alandan alınan EDX analizi (Şekil 6.13) ve Çizelge 6.7’de görülmektedir. Çizelgede
karıştırılan tozlarda ve bağlayıcıda yer alan elementler görülmektedir. Bu elementlerden Al ve
oksijen bağlayıcıda bulundukları için yapıda yer almışlardır. Bu nedenle Al bulunması
normaldir. Ancak oksijen son sinterleme sırasında yapıdan uzaklaşması gerekirdi. Sinterleme
sırasında oksijenin uzaklaşması için yeterli bir zamanın verilmediğinden yapıda kaldığını
söylemek mümkündür. Dikkat çeken bir husus ise C’un bulunmamasıdır. Bu da, toz
karışımının homojen olmadığı ve bu bölgede C’un oksijen ile birleşerek gaz halinde yapıdan
uzaklaştığı anlamına gelmektedir.
Şekil 6.13. SiC-Fe tozları karışımının Şekil 6.14. (şekil 6.13)’ün EDX grafiği.
SEM görüntüsü.
Çizelge 6.7 Şekil 6.13’deki dikdörtgen içerisinden alınan elementlerin yoğunluğu.
62
Şekil 6.13’de görülen SEM görüntüsü Şekil 6.9’de görülen ile aynı olup aynı kamdan
alınmıştır. Ancak EDX analizinin alındığı alan, şekilden de görüldüğü gibi Şekil 6.10’deki
EDX analiz alanının küçük bir bölgesini içermektedir (Şekil 6.15’deki küçük dikdörtgen
alan). Bu alandan alınan EDX analizi (Şekil 6.16) ve Çizelge 6.8’de görülmektedir. Çizelgede
karıştırılan tozlarda ve bağlayıcıda yer alan elementler görülmektedir. Bu elementlerden Al ve
oksijen bağlayıcıda bulundukları için yapıda yer almışlardır. Bu nedenle Al bulunması
normaldir. Ancak oksijen son sinterleme sırasında yapıdan uzaklaşması gerekirdi. Sinterleme
sırasında oksijenin uzaklaşması için yeterli bir zamanın verilmediğinden yapıda kaldığını
söylemek mümkündür. Dikkat çeken bir husus ise C’un bulunmamasıdır. Bu da, karışımın
homojen olmadığı ve bu bölgede C’un oksijen ile birleşerek gaz halinde yapıdan uzaklaştığı
anlamına gelmektedir. Ayrıca 2. karışımın değişik noktalarından alınan analizlerde Si’un, bazı
noktalarda da Si ile Fe yoğun bulunduğu görülmektedir. Bu da toz karışımının istenen
homojen yapıda olmadığı sonucunu göstermektedir.
Şekil 6.15. SiC-Fe tozları karışımının Şekil 6.16. (şekil 3.15)’in EDX grafiği.
SEM görüntüsü.
63
Çizelge 6.8 Şekil 6.15’de dikdörtgen içerisinden alınan elementlerin yoğunluğu.
6.6.3. Bor Karbür ve Fe Tozları karışımı
% 50 B4C + % 50 Fe tozları ile alüminyum fosfat (Al2O3P2O5nH2O) bağlayıcısı
karışımından (3cü karışım) üretilen kam, 1060°C sin terlendikten sonra kamdan alınan SEM
görüntüsü (Şekil 6.17) ve EDX analizi (Şekil 6.18) görülmektedir. SEM görüntüsü üzerinde
görülen dikdörtgen alan içinden alınan EDX sonuçları Çizelge 6.9 de görülmektedir. EDX
grafiğinde ve Çizelgede karıştırılan tozlarda yer alan elementler ve karışımda olmayan Si
görülmektedir. Normalde karışımda olmayan Si elementinin, bir önceki Si ve Fe tozlarının
karıştırılmasından sonra değirmenin iyi temizlenmemesi sonucu değirmen içinde kalan artık
tozlardan karışıma girdiği, ayrıca Çizelge 6.9 ve Şekil 6.18’de görülen Al elementi ise
bağlayıcıdan arta kaldığı ve yapıda yer aldığı, bağlayıcıda yer alan O (oksijen)’in sinterleme
sırasında yapıdan uzaklaştığı kabul edilmektedir. Ayrıca Al ve C’un yoğun bulunduğu (Şekil
6.18) toz karışımının homojen olmadığını işaret etmektedir.
64
Şekil 6.17 B4C-Fe tozları karışımının Şekil 6.18 (şekil 6.17)’un EDX grafiği.
SEM görüntüsü.
Çizelge 6.9 Şekil 6.17’da dikdörtgen içerisinden alınan elementlerin yoğunluğu.
% 50 B4C + % 50 Fe tozları ile fenolik reçine bağlayıcısı karışımından (4. karışım)
üretilen kam, 1060°C sin terlendikten sonra kamdan alınan SEM görüntüsü (Şekil 3.18) ve
EDX analizi (Şekil 6.19) görülmektedir. SEM görüntüsü üzerinde görülen dikdörtgen alan
içinden alınan EDX sonuçları Çizelge 6.10 da görülmektedir. EDX grafiğinde ve Çizelgede
karıştırılan tozlarda yer alan elementler ve karışımda olmayan Si, O ve Au görülmektedir.
65
Normalde karışımda olmayan bu elementlerden Si, daha önceki Si ve Fe tozlarının
karıştırılmasından sonra değirmenin iyi temizlenmemesi sonucu değirmen içinde kalan artık
tozlardan karışıma girdiği düşünülmektedir. Şekil 6.18 ve Çizelge 6.10 da görülen oksijenin
bağlayıcıdan geldiği ve sinterleme esnasında giderilemediği ve altın (Au) elementinin ise,
EDX analizi için yapılan altın kaplamadan yapıya karıştığı sanılmaktadır.
Şekil 3.19 B4C-Fe tozları karışımının Şekil 6.20 (şekil 3.19)’in EDX grafiği.
SEM görüntüsü.
Çizelge 6.10 Şekil 6.19’de dikdörtgen içerisinden alınan elementlerin yoğunluğu.
66
6.6.4. Bor Karbur ve Kobalt Tozları karışımı
% 50 B4C + % 50 Co tozları ile fenolik reçine bağlayıcısı karışımından (5. karışım)
üretilen kam, 1060°C sin terlendikten sonra kamın SEM görüntüsü (şekil 6.21) ve EDX
analizi (Şekil 6.22) alındı. SEM görüntüsü üzerinde görülen dikdörtgen alan (şekil 6.21)
içinden alınan EDX sonuçları (Şekil 6.22) Çizelge 6.11’ de görülmektedir. EDX grafiğinde ve
çizelgede karıştırılan tozlarda yer alan elementler ve karışımda olmayan altın (Au) ve oksijen
(O) elementi görülmektedir. Normalde karışımda olmayan altın, EDX analizi için yapılan
altın kaplamadan yapıya karıştığı, oksijenin ise bağlayıcıdan geldiği ve son sinterleme
esnasında giderilemediği düşünülmektedir. Ayrıca analiz bölgesinde yoğun olarak Co’ın
bulunması toz karışımın istenilen homojen yapıda olmadığını göstermektedir.
(Uygunuçarlar,2010)
Şekil 6.21. B4C-Co tozları karışımının Şekil 6.22. (şekil 6.21)’nin EDX grafiği.
SEM görüntüsü.
67
Çizelge 6.11 Şekil 6.22’de dikdörtgen içerisinden alınan elementlerin yoğunluğu.
68
7. TOZ METALÜRJİSİ ÜRÜNLERİNİN MEKANİK
PERFORMANSLARININ ARTIRILMASI
7.1 YORULMA
Malzemenin yorulması çok karmaşık bir işlem olup pek çok faktörden
etkilenmektedir. Toz metal (T/M) çeliklerin için önemli faktörler şekil 7.1’de gösterilmiştir.
Gözenekler gerilme biriktirici olarak hareket edebilir, ancak gözeneklerin şekil ve
büyüklükleri değiştirilerek yorulma mukavemetleri geliştirilebilir. Mikro yapının homojen
veya heterojen olması da yorulma performansına etki eder. Kimyasal bileşim, yüzey kalitesi,
kalıcı gerilmeler ve dış çentikler yorulma mukavemetine etki eden diğer faktörlerdir.
Şekil 7.1. Yorulma Ömrüne Etki Eden Faktörler
7.1.1. Gözenekler
T/M malzemelerin doğal fiziksel özellikleri içlerinde gözeneklerin bulunmasıdır.
Gözenekler gerilme birikmesine yol açtıklarından çatlar için öncü olabilirler. Süneklilik
gözenek yapısına bağlıdır, ancak darbe ve yorulma gibi dinamik özellikler gözeneğe daha
hassastırlar. Hatta tam yoğunluk T/M çeliklerin bile, çok az miktardaki kalıcı gözeneklerden
dolayı, özellikleri düşüktür.
69
Çatlak başlaması için kapalı gözenekler, birbirine bağlı ve dışa açık gözeneklerden
daha az tehlikelidir. Yüzeydeki gözenekler gerilme birikmesinden ve yüzeydeki aşırı
yüklerden dolayı yorulma çatlağı başlaması için tercih edilen yerlerdir. Gözeneklerin
büyüklüğü, şekil ve duruşları farklı olduğundan her bir gözeneğin gerilme biriktirme
faktörleri belli değildir. Küresel gözenekler için gerilme biriktirme faktörü 2 iken eliptik ve
uygulanan yüke dik duruştaki gözeneklerin için bu değer 10’a kadar çıkabilir. T/M
malzemelerde gerilme dağılımı hacim içinde her yerde değiştiğinden çatlak başlangıcını da
tanımlamak oldukça zordur.
T/M malzemelerde yorulma çatlağı başlamasının çok erken olabileceği ve hatta birkaç
devirden sonra bile meydana gelebileceği belirtilmektedir. Gözenek miktarı arttıkça çatlak
başlaması için gerekli devir sayısı düşer. Yorulma çatlağının genellikle yüzeyden başlıyor
olması, yüzeyin yoğunluğunu arttıran işlemlerin (bilyalı dövme, haddeleme gibi) yorulma
çatlağı başlamasını geciktireceklerinden parçaların yorulma ömürlerini arttıracaklardır.
Gözeneklerin şekilleri ve dağılımları seçilen tozların özelliğine ve işleme yöntemine göre (toz
boyut dağılımı, alaşım elementleri ve yağlayıcılar, presleme basıncı pişirme sıcaklığı gibi)
değiştirebilir. Böylece gözeneklerin çatlak öncüsü olarak görev yapmaları engellenebilir.
Küçük boyutlu tozlar hızlı pişerler ve küçük gözeneğe sebep olurlar. Fosfor, kükürt ve bor
gibi sıvı faz oluşturan elementlerin alaşım elementi olarak katılması gözeneklerin
kapanmasını ve kalanların da küreselleşmesine yol açar. Yüksek sıcaklıkta pişirme de
gözenek miktarını azaltır ve küreselleştirmeye yol açar.
Çatlak ilerlemesi; gözeneklerin morfolojilerine bağlı olarak çatlak ilerlemesini
hızlandırabilir veya yavaşlatabilir. Küresel gözeneklerin çatlağı yavaşlatırken, keskin köşeli
gözenekler çatlağı hızlandırır. Mevcut teoriler çatlak ilerlemesine gözeneklerin etkilerini
kısmen açıklayabilirken bütün mikroyapısal etkileri kapsayan bir model henüz
geliştirilmemiştir. Toplam gözenek miktarını dışında gözenek eğrilik yarıçapı ve gözenekler
arası mesafe de yorulma davranışa etki eder.
Paris-Erdoğan denklemi ile yorulma çatlağı ilerlemesi başarılı bir şekilde analiz
edilebilir:
dadN
=A( DKet )ⁿ
70
Bu denklemde dadN
yorulma çatlağı ilerleme hızı, A ve n deneysel olarak belirlenen
malzeme sabitleri, DK et etkili gerilme şiddeti aralığıdır. Şekil 7.2’de gösterildiği gibi T/M
çeliklerin yorulma dadN
– DK eğrileri döküm-hadde çeliklerinkiler gibidir. Bununla beraber
eğriler bir mertebe yukarıdadırlar. Şekil 7.3’de çeşitli yoğunluklardaki çeliklerin dadN
– DK
eğrileri verilmiştir. Görüldüğü gibi eğriler hemen hemen paraleldir.
Şekil 7.2. T/M ve Hadde Çelikler için dadN
Grafikleri
71
Şekil 7.3. Çeşitli Yoğunluklardaki T/M çelikler için dadN
Eğrileri
Paris –Erdoğan denklemindeki malzeme sabitleri gözenek miktarına hassastırlar. A
katsayısı gözenek miktarı ile artar ve böylece benzer DK değerlerinde T/M çeliklerde çatlak
hadde çeliklere göre daha hızlı ilerler. Eşik gerilme şiddeti aralığı DK et değeri düşer. Bu
değişikliğin sebebi % 92 yoğunluk (7,2 gr
cm ³ ) civarında gözenek morfolojisinin bağlı-
gözenek tipinden izole-gözenek tipine göre değişimidir.
T/M çelikler için yorulma mukavemetinin yoğunlukla doğru orantılı olarak arttığı
bütün araştırmacıların ortak görüşüdür. Şekil 7.4’de bir örnek verilmiştir. Gözenek
büyüklüğünün de yorulma mukavemetine etki ettiği ve boyutun arttıkça aynı gözenek
miktarında mukavemeti düştüğü deneysel tespitlerle gösterilmiştir. Şekil 7.5’te görüldüğü gibi
gözeneklerin küreselleştirilmesi yorulma mukavemetini arttırmaktadır. Çatlak ilerlemesinde
belirtildiği gibi T/M malzemenin yoğunluğunu arttırıcı her yöntem yorulma mukavemetini
arttırır. Böylece; yüksek presleme basınçları, küçük toz boyutu ve alaşım ilaveleri sıvı-fazlı
pişirme ile gözenekleri doldurma yüksek sıcaklıkta pişirme ile küçük gözeneklerin difüzyonla
kaybolması ve büyük gözeneklerin küreselleşmesi ve yüzey tabakalarının plastik
deformasyonla yoğunlaştırılması ve faydalı kalıcı gerilme oluşturma yöntemlerinin hepsi de
yorulma mukavemetini arttırırlar.
Şekil 7.4. T/M Demir (ASC100.29) için Yorulma Mukavemetine Toplam Gözeneğin Etkisi
72
Şekil7.5. Gözenek Eğrilik Çapının Yorulma Mukavemetine Etkisi
Şekil 7.6'da çeşitli T/M çelikler için, yorulma mukavemeti çekme mukavemeti ile
karsılaştırılmıştır. Değerler oldukça geniş dağılım göstermektedirler. Yorulma oranı, yorulma
mukavemeti / çekme mukavemeti, 0.16 ile 0.47 arasında değişmektedir. Döküm-hadde
yüksek mukavemetli çelikler için (> 1000 MPa) yorulma oranı 0.50 olarak kullanılmaktadır.
Geniş dağılımın ana sebebi çekme mukavemeti gözenek morfolojisinden fazla etkilenmez
iken yorulma özelliğinin oldukça etkilenmesidir. T/M çelikler için yorulma oranının 0.38
olarak alınabileceği belirtilmesine rağmen fikir fazla destekçi bulmamaktadır.
73
Şekil 7.6. Yorulma Mukavemetinin Çekme Mukavemetine Bağlılığı
7.1.2. Mikroyapı
T/M çeliklerin mikro yapıları alaşımlama tekniğine ve üretim yöntemine bağlıdır. Elde
edilen mikro yapı, kimyasal bileşime ve mevcut fazlara göre homojen veya heterojen olabilir.
Mikro yapının homojen/heterojen olmasının yorulmaya nasıl etki edeceği konusunda görüş
birliği yoktur. Klasik metalürji bilgisine göre homojen yapı istendiğinden önceden-alaşımlı
çelikler tercih edilir. Ancak pek çok araştırmacıya göre heterojen yapıların her elemanı
birbirini destekleyeceğinden (kompozitler gibi) performansı da arttıracaktır.
74
Alaşımlama Tekniği: T/M çeliklerin mikro yapılarına ve gözenek morfolojisine
alaşımlama tekniğinin ciddi etkisi vardır. Dört farklı şekilde çelik alaşımlama tekniği vardır.
Bunlar; karıştırma, kısmen alaşımlama, önceden-alaşımlama ve melez alaşımlama karıştırma -
Alaşım elementleri baz olarak kullanılan demir tozuna element tozu veya ferro-alaşım tozu
olarak katılır. Bu yöntem hem ucuzdur hem de çok kullanılmaktadır. Kısmi alaşımlama
(Difüzyon Alaşımlaması) - Alaşım elementleri baz demir tozuna difüzyon ile kısmen
yayılırlar. Bu tip çelik tozlarının preslenirliği iyidir. önceden-alaşımlama - alaşımlı sıvı
çelikten atomizasyon ile alaşımlı çelik tozu elde edilir. Kimyasal bileşim ve mikro yapı
homojendir. Molibdenli çeliklerden preslenirliği çok iyi olan alaşımlı çelik tozları
üretilmektedir. Hibrid (Melez) alaşımlama- önceden-alaşımlı veya kısmi alaşımlı çelik
tozlarına element veya ferro-alaşım tozları ilave edilir. Böylece üretilen T/M çeliğin
mukavemeti ve sertleşebilirliği artırılmış olur.
Kimyasal Bileşim: T/M çeliklerin yorulma özelliklerine öncelikle gözenek
morfolojisinin etki ettiği ve kimyasal bileşimin (aynı karbon seviyesinde) fazla etkili olmadığı
belirtilmektedir. En yüksek yorulma mukavemeti sertleştirilmiş-menevişlenmiş ve içinde
serbest nikel bulunan çeliklerde elde edilmiştir. Böylece, karışım, difüzyon alaşımlama ve
melez alaşım teknikleri tercih edilir. Çelik tozlarının preslenebilirlikleri çok önemlidir.
önceden-alaşımlı çelik tozlarının preslenebilirliği saf demire ve difüzyon alaşımlı çelik
tozlarına göre düşüktür. Tozla da bulunan oksijen miktarı da çok önemlidir. Bu oksijen
pişirme işlemi sırasında yapıdan atılabilmelidir.
Homojen/Heterojen: T/M çeliklerin mikro yapıları pişirme şartlarını değiştirerek
geliştirilebilir. Lindqvist Distaloy AE çelik tozundan %0.5 grafit ekleyerek yorulma
numuneleri üretti. 600 MPa basınçta presledikten sonra 1090 oC, 1120 oC ve 1250 oC
sıcaklıklarda 30 dakikada pişirdi. Pişirilmiş mikro yapılar martenzit, beynit ve kalıcı
östenitten olutsu. 1250 oC’de yüksek sıcaklık pişirmesi en fazla martenzit oluşurdu. Şekil
7.7'de farklı sıcaklıklarda pişirilmiş alaşımın yorulma mukavemetini göstermektedir. Şekilden
görüldüğü gibi 1250 oC’de pişirilmiş numunelerin yorulma mukavemeti 1120 oC’de
pişirilmişlerden daha düşüktür. Yüksek sıcaklıkta pişirme homojenliği arttırmasına, küçük
gözenekleri yok edip büyük gözenekleri küreselleştirmesine rağmen yorulma mukavemeti
daha düşüktür.
75
Baba ve arkadaşları, toz enjeksiyon kalıplama ile 4600 çeliği tozundan farklı
alaşımlama teknikleri ile (karıştırma, önceden-alaşımlama) malzeme ürettiler. 1150 PC’de
pişirmeden sonra sertleştirilip-menevişlenen çeliklerin S-N grafikleri şekil 7.8'de verilmiştir.
Karışım tozlardan üretilen çeliğin yorulma mukavemeti önceden-alaşımlı tozdan üretilenden
%22 daha yüksektir. önceden-alaşımlı çeliğin yapısı martenzit iken karışım tozlardan üretilen
çeliğin yapısında martenzit, kalıcı-ostenit ve nikel zengin alanlar vardır.(Sarıtaş ,2008)
Şekil: 7.7. Pişirme Sıcaklığının Yorulma Mukavemetine Etkisi
Şekil 7.8. Homojenliğin Yorulma Mukavemetine Etkisi
MnS İlavesi: MnS ilavesi T/M çeliklerin talaşlı imalata uygunluğunu oldukça
geliştirir. Bununla beraber MnS ilavesi sünekliği ve kırılma tokluğunu oldukça düşürür.
Çekme mukavemeti etkilenmezken yorulma mukavemetinin nasıl etkilendiği konusunda fazla
bilgi yoktur. 7,3 g/cm3 yoğunlukta katılan %0,5 MnS'un yorulma mukavemetini düşürmediği
belirtilmişti.
76
İkincil İşlemler: Sertleştirme, yüzey sertleştirme, yüzeyde deformasyon oluşturma,
yüzey bitirme ve kaplama yöntemleri gibi her turlu ikincil işlemler yorulma davranışına
oldukça etki ederler. Makine parçası eksensel yüke maruz kalacak ise (biyel kolu gibi) bütün
kesitte sertleştirme yapılır. Parça yüzeysel yüklere maruz kalacak ise (dişli çarklar gibi) yüzey
sertleştirme uygulanır. Şekil 7.9'da görüldüğü gibi bütün kesitte sertleştirme yorulma
mukavemetini arttırır (FN-0208 (1120 oC pişirme), FN-0208 (1330 oC pişirme) ve FN-0208-
HT). En yüksek yorulma mukavemeti daima sertleştirilmiş-menevişlenmiş yapıda elde edilir.
T/M çelikler çeşitli şekillerde yüzey sertleştirme işlemlerine tabi tutulabilirler. Ancak,
T/M çelikler gözenekli olduklarından 7,2 g/cm3 yoğunluk altında sertleşme derinliğini kontrol
etmek zordur. Bas Distaloy SE çeliğini 6,8 g/cm yoğunlukta çeşitli yüzey sertleştirme
işlemlerine tabi tuttu ve şekil 8.9'da sunulan değerleri elde etti. Çekme mukavemeti önemli
ölçüde değişmemesine rağmen yorulma mukavemetini sementasyon %60 ve karbonitrurleme
%100 arttırdı. Buharla oksitleme T/M 'ye ait bir yüzey bitirme ve sertleştirme yöntemidir.
İşlem 500-550 oC sıcaklıklarda su buharı verilerek yapılmaktadır. Sertleşme derinliği birkaç
mm değerine kavuşabilir. Buharla oksitleme aşınma direncini arttırır fakat çekme
mukavemetini düşürür. Yorulma mukavemetine etkisi ise bilinmemektedir.
Bilyalama ve yüzey haddeleme gibi yüzey deformasyon teknikleri T/M çeliklerin
özelliklerini geliştirmek için sıkça kullanılmaktadır. Bu yöntemler yüzey tabakaların
yoğunluğunu arttırdığı gibi kalıcı basma gerilmesi de oluştururlar. Saritas ve arkadaşları,
çeşitli T/M çeliklerin 6,9 g/cm3 yoğunlukta bilyeli dövme ile yorulma mukavemetlerini
arttırmayı araştırdılar ve %50'ye varan miktarlarda artış sağladılar. Bu sonuçlar şekil 7.10’ da
gösterilmiştir.
77
Şekil 7.9. Isıl İşlemlerin T/M Çeliklerin Çekme ve Yorulma Mukavemetlerine Etkileri
Şekil 7.10. Bilyalı Dövülmüş T/M Çeliklerin Yorulma Mukavemeti
7.1.3. Diğer Faktörler
Çentikler ve Yüzey Kalitesi: Çentiklerin bütün malzemelerin yorulma özelliklerine
kötü etki ettikleri bilinen bir gerçektir. Gözenekli malzemeler için iç ve dış çentiklerin etkileri
ayrı ayrı belirlenmelidir. İç çentiklerin (gözenek) etkileri önceki bölümlerde açıklanmıştır.
Şekil 7.11'de dış çentiklerin T/M ve dokum hadde çeliklerin yorulma özelliklerine (R = -1)
etkileri gösterilmiştir. Yorulma mukavemeti çentik faktörü arttıkça düşmektedir. Ancak,
düşüş dokum-hadde çeliklerde T/M çeliklere Gore daha şiddetlidir. Düşük çentik
faktörlerinde (<2) döküm-hadde çelikler T/M çeliklerden daha yüksek yorulma mukavemetine
sahip iken, yüksek çentik faktörlerinde (>2) T/M çelikler eşit veya daha yüksek yorulma
mukavemetine sahiptirler. Beiss'e göre yoğunluk 6,5 g/cm3 altına düştüğü zaman yorulma
mukavemeti çentik faktöründen etkilenmez.
78
T/M çelik parçaların talaşlı imalat yapılmayan yüzeyleri döküm-hadde çeliklerin
işlenmeyen yüzeylerinden çok daha düzgündür. T/M çeliklerin dış çentiklere düşük duyarlılığı
dikkate alınarak, aynı imalat şartlarında üretilmiş T/M parçaların T/M test numunelerinden
daha yüksek performans gösterecekleri açıktır(Sarıtaş 2008).
Şekil 7.11. T/M Çeliklerin ve Döküm-Hadde Çelikler için Çentik Duyarlılığı
Şekil 7.12. T/M Çelikler için Çeşitli Gözenekler Miktarlarında
Çentik Duyarlılığı
79
7.2. AŞINMAYA KARŞI UYGULANAN YÜZEY İŞLEMLERİ
Genellikle mühendislikte kullanılan malzemelerin istenilen mukavemete sahip olması
ve uygulanan yükleri taşıması gerekmektedir. Bu tür özelikler malzemenin kendisi ile
doğrudan ilgilidir. Ayrıca, malzemelerin verimli olarak kullanılabilmesi için bazı yüzey
özeliklerini de taşıması gerekir. Bu özelikler elektrik, optik ve ısıl özelikler olabileceği gibi
malzemenin kullanım süresi ile yakından ilgili olan korozyon ve aşınma direnci gibi özelikler
de olabilir. Genellikle bütün bu özelikleri (mekanik+yüzey) tek bir malzemede bulmak
olanaksız veya çok pahalı olmaktadır. Bu nedenle mühendislik malzemelerinin gerekli yapısal
özelikleri sağlayan ucuz bir malzemeden seçilmesi ve diğer yüzey özeliklerinin ise yüzey
işlemleri ile sağlanması en uygun çözümdür.
7.2.1. Termo Kimyasal İşlemler
Metallerin yüzey niteliklerini ve aşınma mukavemetlerini kimyasal reaksiyonlar
kullanarak iyileştirme yöntemidir. Kimyasal olarak aktif bileşimlerle metal yüzeylerinin
difüzyon ile yüzey bileşiminin değişimi esasına dayanır.
Termo-kimyasal işlemler katı, sıvı yada gaz ortamlarda yapılabilir. İşlemin süresi
kullanılan ortamın bileşimi ve sıcaklığına göre değişir. En yaygın kullanılan termo-kimyasal
işlemler karbürleme, nitrürleme, siyanürleme ve borlamadır. Aşağıda günümüzde en yaygın
kullanılan karbürleme ve nitrürlemenin esasları ana hatlarıyla anlatılacaktır.
7.2.1.1. Karbürleme
Çeliklerin yüzey sertleştirmeleri için kullanılan en yaygın termokimyasal işlem
karbürlemedir. Karbürleme yüzeyden çeliğe atomik karbon difüzyonu, bir yüzey bölgesi
üretimini ya da yüzey karbon konsantrasyonunun artırımı işlemidir ve genel olarak birkaç
milimetre derinliğe kadar nüfuziyet sağlanabilir.
İşlem az karbonlu ve az alaşımlı çeliklere uygulanır, tipik olarak bunlar su verilmiş
durumda bile tokluğunu koruyabilecek olan %0.15 - 0.2 C ‘lu çeliklerdir.
Karbürleme genellikle 900 °C ya da üzerindeki sıcaklıklarda, ostenit faz bölgesinde dışarı
taşınır. Bu sıcaklıklarda östenitte karbon difüzyonu hızlıdır.
Yüzey tabakasındaki karbon konsantrasyonu karbürleme ile % 0.7-0.9 artırılarak
yaklaşık olarak 900 HV’nin üstünde bir sertlik sağlanabilir.
80
Karbürleme, kafes hacminde toplam değişme nedeniyle parçanın çarpılmasına da
sebep olur. Her ne kadar bu çarpılma dikkatli uygulamayla azaltılabilirse de asla tamamıyla
yok edilemez. Karbürleme işlemi yaygın olarak dönen miller, kamlar, dişliler ve kam milleri
için kullanılır. Buna ilaveten, yüksek yüzey sertleşmesi ve martenzitik dönüşüm yüzeyde
kafes yapısını sıkıştırarak aşınma ömrünü arttırır.
Sertleşmenin derinliği ve sertlik kazanımı zamana, karbonun aktifliğine bağlıdır. Gaz
Karbürleme yaygın olarak kullanılan metottur. Geleneksel olarak bileşenler karbon monoksit,
hidrojen ve nitrojenli bir atmosferde ~900°C ’ye ısıtılır; yeni gelişmeler metanol ve nitrojenin
bir karışımını kullanır. Paket karbürlemede bazen çok kalın yüzeyler elde edilebilir. Bileşenler
orta tanecikli mangal kömürü ve bir “enerji verici” (tipik baryum karbonat) içeriği ile kapalı
kutulara paketlenir ve ısıtılır. Karbürleme geleneksel gaz işleminde olduğu gibi aynı miktarda
yer tutar. Kutu içerisindeki karbon ve artık oksijenden karbon monoksit etkisi ile şekillenir.
Karbürleme için sıcaklık 1000 °C ‘ye çıkartılırsa işlem zamanında önemli bir kısalma olur.
Daha yeni uygulamalar ise yüksek sıcaklıklarda (1050 °C civarında) vakum
karbürleme ve plazma karbürlemedir. Vakum karbürlemede, bileşenler orta derece vakumda
ısıtılır ve sonra metan ya da propanın düşük bir basınçta ocak içine verilir. Sıcak çeliğin
yüzeyinde gaz reaksiyonu ile karbon oluşur. Karbonlu yüzeyin doyumunu izleyen, yüksek
sıcaklıktaki vakum altında iç kısımlara difüzyonu için müsaade edilir. Plazma karbürlemede,
düşük basınçlı metan ortamında plazma ile ısıtılmış sıcak alt yapının yüzeyi üzerinde karbonu
çöktürmek için kullanılır. Vakum işleminde, kısa karbürleme periyodu, daha uzun bir
difüzyon periyoduyla takip edilir. Vakum ve plazma karbürlemelerinin her ikisi de, enerji-
tesirli işlemlerdir ve yüksek işlem sıcaklığı nedeniyle, aynı süreli daha düşük sıcaklık
metotlarından çok daha derinde setleşmeye olanak sağlarlar.
Şekil 7.13 ‘de takriben aynı sürelerde, geleneksel gaz metodu, iki farklı basınç altında
vakum metodu ve plazma metoduyla karbürize edilmiş bir düşük karbon çeliğindeki sertleşme
profilleri görülmektedir. Diğer metotlarla sağlanabilen sertleşme derinliğinin, daha düşük
sıcaklıklardaki gaz metoduyla sağlanabilmesi için, çok daha uzun bir karbürleme zamanı
gerektiği görülebilir.
81
Şekil 7.13. Çeşitli metotlarla karbürize edilmiş AISI 1018 çeliğinin sertlik profili
7.2.1.2. Nitrürleme
Çelik yüzeylerinin sertleştirilebilirliği; ucuz olan az ve orta karbonlu çeliklerin kalın
kesitleri de dahil olmak üzere, herhangi bir çarpılma ve çatlama olmadan gerçekleştirilmesi
nedeniyle bir avantaj oluşturmaktadır.
Difüzyon ile yüzey sertleştirme yöntemlerinde, malzeme yüzeyinde kimyasal
değişimler oluşmaktadır. Parçanın yüzey ve yüzey altı bölgesine sertleştirme elementlerinin
yayınımını (difüzyon) sağlamak için bir miktar ısıya gerek duyulduğundan yüzey
sertleştirmede kullanılan temel işlem termokimyasaldır. Difüzyon yolu ile sertleştirme
yöntemleri karbon, azot veya bor gibi sertleştirme elementlerinin ve parça yüzeyine bu
elementleri göndermek ve nüfuz ettirmek için kullanılan yöntemlerin değişik türlerini
içermektedir. Bu yöntemler ile doğal olarak farklı sertlik ve sertlik derinliği üretilir. Çeliğin
82
cinsi, istenilen sertlik ve sertlik derinliği belirli bir difüzyon yönteminin uygunluğunu
etkileyen yöntemlerdir.
Günümüz mühendisleri çok sayıdaki difüzyon ile yüzey sertleştirme yönteminin
sağladığı üstünlükten yararlanırlar. Difüzyon ile yüzey sertleştirme işlemleri özellikle
çeliklerin kullanım alanlarının artmasında çok etkili yöntemlerdir. Birçok tasarım mühendisi
karbürize edilmiş ve sertleştirilmiş çeliğin aşınma ömrünün sertleştirilmemiş çelikten daha iyi
olduğunu bilmektedir. Ancak uygulamada daha az kullanılan difüzyon ile yüzey sertleştirme
işlemlerinde de aynı durumun elde edildiğini pek fazla bilmemektedirler. Örneğin,
nitrürlenmiş çeliğin aşınma direnci karbürize edilmiş çelikten daha yüksektir. Ancak, tasarım
mühendisleri karbürize işlemini ve onun aşınma davranışını daha iyi bildiğinden karbürleme
işlemi daha sık kullanılmaktadır. Oysa nitrürleme ile yüzeyi serleştirilmiş çelik kullanılması
durumunda karbürlemeye veya bilinen yüzey sertleştirme işlemlerine kıyasla belirgin aşınma
ömrü iyileşmesi ortaya çıkar.(Akman,2007)
7.3. ISIL PÜSKÜRTME
Günümüz endüstrisinin en büyük probleminin periyodik aşınmalar beklenmedik
arızalar veya büyük hasarlar oluşturan kırılma ve çatlama gibi olayları kapsadığını kabul
edersek; işletmelerin amacının da bu faktörleri olabildiğince en aza indirmek veya ortaya
çıktığında anında müdahale etmek olduğunu söylemek, sanırız doğru olacaktır.
Bazı ortamlarda, arıza nedeni ve derecesi ne olursa olsun çok kısa bir duruşun bile
işletmeye ve ülke ekonomisine ne kadar büyük zararlar verdiği hepimizce bilinmektedir. Bu
arıza olayı eğer sürekli oluyor ise arızayı geciktirmek, arızaları ve duruşları ortadan kaldırmak
gerekmektedir. Bu ise ancak dengeli ve bilinçli periyodik bir bakımla sağlanır.
Sanayi inin çeşitli kesimlerinde kullanılan iş parçalarının kullanım sonrası aşınmış parçaların,
yenisinin yapılması çok zor veya imkânsızdır. Bu parçalar maliyetleri çok yüksek bile olsa
hurdaya atılmaktadır. Bu parçalara zamanında müdahale edilerek mikro kaynak veya ısıl
püskürtme yöntemleri ile kaplama yapılmak suretiyle çalışma ömürleri uzatılabilmektedir.
Bundan dolayı koruyucu veya tamir için ısıl püskürtme kaplamaların uygulanmasında
genel amaçlar şunlardır:
83
Özellikle zorlanan makine parçalarının ömürlerini uzatmak,
Makina arızalarını ve buna bağlı olarak üretim kayıplarını en alt düzeye indirmek,
Fabrika bakım ve revizyon periyotlarını uzatmak,
Yedek parça ambarlarında stok seviyesini azaltmaktır.
Bunun yanında kullanılan dökme demir, karbonlu çelikler ve az alaşımlı çelikler
gelecekteki uygulamalara bağlı olarak ihtiyaçları karşılayamayacaktır. Termik makinelerde,
türbin motorlarında ve diğer kritik uygulamalarda yüksek sıcaklıkların kullanımı ve bazı
malzemelerin sınırlı bulunuşları veya bu malzemelerin aşırı pahalı olması günümüzde ısıl
püskürtme endüstrisinin hızlı gelişmesine yol açmıştır ve halen büyük bir hızla gelişmektedir.
Yüzey sertleştirme; çeşitli aşınma işlemleri sonucunda meydana gelen malzeme kaybını
veya aşınmayı azaltmak için kaynak veya ısıl püskürtme yöntemleri ile bir parçanın yüzeyine
sert ve aşınma dirençli bir malzemenin uygulanmasıdır. Mühendislerin bir makina parçasının
kullanım ömrünü uzatmak amacı ile yüzey sertleştirme malzemesini seçmelerinden önce
parçanın aşınma nedenlerini anlamaları gerekmektedir. Aşınmanın bütün farklı türlerine
dirençli olabilecek bir yüzey sertleştirme malzemesi uygun olacaktır. Ancak, ekonomik şartlar
ve çevrenin karmaşık etkisi oldukça fazla sayıda yüzey sertleştirme malzemesinin gelişimine
yol açmıştır. Malzeme yüzeyini aşınmaya karşı korumak için 4 temel yüzey sertleştirme
alaşımı vardır. Bunlar; demir esaslı, nikel esaslı, kobalt esaslı ve tungsten karbür
kompozitlerdir. Nikel esaslı alaşımların tarım ve yol uygulamalarında kullanılabilirliği
sınırlıdır. Başlıca aşınma mekanizmasının abrazyon ile birlikte korozif ortamların da söz
konusu olduğu uygulamalarda demir olmayan nikel esaslı alaşımlar kullanılmaktadır. Bu
alaşımlarda krom karbür ve krom borür aşınma direncini iyileştirirken nikel-silisyum tokluğu
iyileştirmektedir. Nikel 116 esaslı alaşımlara, yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılmak
üzere aynı zamanda katı çözelti serleştirme de uygulanabilir. Yüksek sıcaklıklarda metaller
arası bileşiklerin çökelmesi ile sertlik artışı sağlanmaktadır.
Borür içeren nikel esaslı alaşımlar, ilk olarak püskürtme ve ergitme tozları şeklinde ticari
olarak üretilmişlerdir. Bu grup alaşımlar Ni-Cr-Bi-Si-C kompozisyonundadır. Bor içeriği,
%0-15 aralığında değişen krom içeriğine bağlı olarak %1.5-3.5 aralığındadır. Oldukça yüksek
krom bileşenleri genellikle fazla miktarda bor elementi içermekte ve böylece yaklaşık 1800
DPH (kg/mm2) sertliğinde sert krom borür meydana gelmektedir.
84
Krom içeren nikel alaşımlarının kullanımı son derece sınırlı olup ucuzluğundan dolayı
kobalt esaslı yüzey sertleştirme alaşımlarına bir alternatif olarak oldukça fazla rağbet görürler.
Bu tür alaşımlar, Ni-Cr-Mo-C sistemindedirler.
Kobalt esaslı alaşımlar; yüksek sıcaklıklarda sertliklerini muhafaza edebilmeleri, katı
eriyik sertleşmesine uygun olmaları ve düzenli dağılan bir karbür yapısına sahip olmalarından
dolayı metal-metal aşınması, abrazif aşınma, yorulma aşınması, erezyon ve tribokimyasal
aşınmaya karşı direnç için yaygın olarak kullanılmaktadır. Kobalt esaslı alaşımlar, yüksek
sıcaklık uygulamaları için yaygın olarak kullanılan Co-Cr-C-W alaşımları grubunda veya
yüksek darbe aşınması da dahil olmak üzere yüksek sıcaklık uygulamaları için Co, Cr ve W
bakımından zengin matrisin, Mo ve Ni veya Fe, C, Si ve B ilavesi ile düzenlendiği bir diğer
grupta sınıflandırılırlar.
Kobalt esaslı alaşımların yaklaşık %1 C içeren orta karbonlu türleri, östenitik matriste
%15-20Cr ve %4 W‟ den meydana gelmektedir. Bu alaşımlar, metal-metal aşınmasına ve
korozif ortamlara karşı olağanüstü direnç gösterirler ve yüksek sıcaklık mukavemeti de katı
çözelti sertleştirilmesinden dolayı oldukça iyidir.
Tungsten karbür ve krom karbür, mohs skalası 9 olan son derece sert bir malzemedir ve
sadece 10. sıradaki elmas ile yarışır. Ni-Co matris veya Ni alaşımı, düzensiz şekilli tungsten
karbür taneciklerini bir arada tutar. Karbür kaplamalar; vites değiştirme çatalları, pompa
sızdırmazlık contası, boşaltma valfleri, torna merkezleme puntaları, emme vantilatörleri gibi
abrazif taneler ve tanecik erozyonu sonucu aşınma etkisindeki parçalar üzerine çok iyi
uygulanmaktadır.
Tungsten karbür kompozit kaynak dolgularının mikro yapıları, alaşımlı çelik bir matriste
dağılmış bulunan tungsten karbür tanecikleri içerir. Güçlü bir matris karbürlerin kısmi
çözünürlülüğünü sonuçlandırır. Kullanılan yönteme bağlı olarak matriste çözünen tungsten
miktarı değişmektedir. Yüksek miktarda tungsten veya molibden içeren bir matris, soğuma
sırasında martenzite dönüşür. Martenzitik matris, perlitik çelik matrise göre karbür tanelerini
daha güçlü olarak birbirlerine bağlar ve sonuçta abrazif aşınma direnci iyileşmektedir.(Akman
2007)
85
8. SONUÇLAR VE ÖNERİLER
Sonuçlar
Toz metalürjisinde kalıp imalatının çok önemli olduğu tespit edildi.
Potasyum silikat 960°C’deki sinterleme sıcaklığına uygun bir bağlayıcı ve ıslatıcı
olmadığı görülmüştür. Potasyum silikat bu sıcaklıkta değil, daha düşük sıcaklıklarda
(800°C sıcaklığın altında) uygun olabilir.
Toz metalürjisinde bağlayıcının seçiminin de önemli bir kıstas olduğu belirlenmiştir.
Alüminyum fosfat’ ın iyi bir bağlayıcı ve iyi bir ıslatıcı olduğu ortaya çıkmıştır.
Tozların mikro yapı farklılığı olduğu zaman sinterleşmede problemle karsılasılacağı,
her metal tozunun elek testinden geçirilerek karıştırılmasının uygun olacağı tespit
edilmiştir.
Tozların karıştırılmasında homojen bir yapı elde edilmediği zaman kaliteli bir ürün
elde edilmeyeceği sonucuna ulaşıldı.
B4C, SiC metal tozları ile kompozit çalışmalarında demir tozlarının yan reaksiyonlara
açık olduğu için Fe tozunun kompozit çalışmalarda uygun olmadığı görüldü.
Ayrıca SiC’ün kam ve sızdırmazlık elemanı için uygun bir madde olmadığı görüldü.
Bu çalışmada B4C ve kobalt tozu alüminyum fosfat veya fenolik reçine gibi
bağlayıcılarla uyumlu ve çok iyi kompozit malzeme olacağı görüldü.
Yanlış ya da uygun olmayan bağlayıcı kullanıldığında iyi bir ürün elde edilemeyeceği
sonucuna varıldı.
Öneriler
Tozların daha homojen yapıda karıştırılması sağlanmalıdır.
Değirmenlerin çok iyi temizlenerek veya farklı öğütme değirmenleri kullanılarak
tozların içersine yabancı tozların girmesi engellenebilir.
Sinterleme sıcaklığının bağlayıcı özelliğine bağlı olarak seçilmesi gerekir.
Vakumlu fırında sinterleme yapılarak karışımdaki oksijenin uzaklaştırılması
sağlanabilir ve demir tozu gibi ucuz malzeme kullanılabilir.
Demir tozu ile pasif bir ıslatıcı (Fe ile reaksiyon vermeyen ıslatıcı) kullanılabilir.
Aynı tozlar ile değişik bağlayıcılar kullanılarak araştırmaya devam edilmelidir.
SEM görüntüleri daha kaliteli alınmalıdır.
Elde edilen ürünün birden çok noktasında EDX analizi alınmalıdır.
Gözeneklilik testleri yapılmalıdır. Aşınma testleri de yapılmalıdır.
86
9.REFERANSLAR
1. Akman H. , ‘’ Aşınmaya Karşı Uygulanan Yüzey İşlemleri ’’ , İstanbul Üniversitesi Metalurji Konferansı, 2007, İstanbul
2. Alev E., ‘’Otomobil Endüstrisinde Toz Metalurji Yöntemi ile Üretilen Parça Kullanımı ve Performans Araştırılması’’ Yüksek Lisans Tezi,Isparta,2011.
3. Anık S., Dikicioğlu A., Vural M., ‘’ İmal Usulleri ‘’ ,Birsen Yayınevi,19974. ASM Metals Handbook, 1998. Powder Metal Technologies and Applications Volume
75. ASM International,1146, USA6. Baksan B. , Gürler R. ‘’Toz Metalurjisinin Savunma Sanayiinde Uygulanması’’ ,
Osmangazi Üniversitesi Metalurji Enstitüsü, Eskişehir,2005.7. Büyükdavraz M. Sinter Toz Yataklarının Tribolojisi ‘’ Yüksek Lisans Tezi, S.D.Ü
Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta,2000. 8. Çalışkan, Toz Metalurjisi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Bitirme Ödevi 2000.9. German R. M. Powder Metallurgy Science.MPIF ,278 USA,1984.10. Karataş S. , Zeren M., ‘’ Elmaslı Kesici Takımlarının Mikroyapısal Dizaynı Üzerine
Araştırmalar ‘’ 1. Ulusal Toz Metalurjisi Konferansı,459 – 463, Ankara,1996,11. Kurt A., ‘’Kendi Kendini Yağlayan Toz Metal Yataklar’’ , Türk Toz Metalurjisi
Derneği Haber Bülteni, Sayı 17,Sayfa 4,Ankara,2001. 12. MAYSAN13. Öveçoğlu M. L., Toz Metalurjisi, 9. Uluslararası Makine ve Malzeme
Sempozyumu,449 – 475,İstanbul,1997.14. Sarıtaş S., Toz Metalurjisi, Makine Mühendisleri El Kitabı,Makine Mühendisleri Ana
Bilim Dalı,Ankara,1994.15. Schatt W., Wieters K. P., ’’Powder Metallurgy: Processing and Materials.’’ European
Powder Metallurgy Association(EPMA) Germany,1997.16. Shaw M. C., Oxford C.J., 1957. Transaction of ASME, Vol. 79,139 – 148.17. Šalak A., 1995. Ferrous Powder Metallurgy. Cambridge International Science
Publishing 450, England.18. Šalak A., Selecká M., Danninger H., 2005. Machinability of Powder Metallurgy
Steels. Cambridge International Science Publishing, 536., Cambridge UK.19. Šalak, A., Vasilko, K., Selecká, M., Danninger, H., 2006. New Short Time Face
Turning Method for Testing the Machinability of PM Steels,20. TTMD 2005 Türk Toz Metalurji Derneği.21. Upadhyaya, G.S., 1996. Powder Metallurgy Technology. Cambridge International
Science Publishing,22. Uygunuçarlar H., ‘’Toz Metalurji Yöntemi ile Üretilen Kamların EXD Analizleri’’ 43
– 68. Sivas.23. ÜNAL, R., AKSOY, A. 2005. Gaz Atomizasyon Yöntemiyle Metal TozU
Üretiminde Degisken Toz Boyutuna Etkisi, T.T.M.D. Haber Bülteni, Sayı.30, Sayfa.4, Dumlupınar Üniversitesi Müh. Fakültesi, Kütahya
24. YILMAZ Nihat, ‘’ Demir Esaslı Toz Malzemelerin Talaşlı İşlenebilirliği ‘’ Doktora Tezi, Makina Mühendisliği Ana Bilim Dalı,2006,Isparta
25. Yılmaz, S.B., 1999. Toz Metalürjisi ile Üretilen, Bağlı Grafitli Demir Parçalarda Kullanılan, Farklı Demir Tozu Cinslerinin Parçalardaki mekanik Özelliklere Etkisi. Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Y. Lisans Tezi, 112,İstanbul.
26. Yurci, M.E., 1997. Talaşsız Şekil Verme. YTÜ, Yayın No: MK.DK-97.0248, İstanbul
87
88