SERAMİK VE SERMETLERİN İŞLENMESİ. Geleneksel Seramiklerin İşlenmesi Yeni Seramiklerin İşlenmesi Sermetlerin İşlenmesi Ürün Tasarım Kılavuzları

Transkript

1 SERAMİK VE SERMETLERİN İŞLENMESİ Geleneksel Seramiklerin İşlenmesi Yeni Seramiklerin İşlenmesi Sermetlerin İşlenmesi Ürün Tasarım Kılavuzları 1

2 Seramiklerin Türleri ve İşlenmeleri Seramik malzemeler üç kategoriye ayrılır: 1. Geleneksel seramikler parçacık işleme 2. Yeni seramikler parçacık işleme 3. Camlar katılaşma işlemleri Camlara uygulanan katılaştırma işlemleri burada ele alınmamıştır Geleneksel ve yeni seramiklerin ve bazı kompozit malzemelerin özel işlenmeleri bu sunuda ele alınmıştır 2

3 Seramik Parça İşlenmesine Genel Bakış Geleneksel seramikler, doğada bulunan minerallerden yapılır Ürünler çömlek, porselen, tuğla ve çimentodan oluşur Yeni seramikler, hammaddelerden yapay olarak üretilir Ürünler kesici takımlar, yapay kemikler, nükleer yakıtlar ve elektronik devrelerin altlıklarından oluşur Tüm bu türlerin başlangıç malzemesi tozdur 3

4 Seramik Parça İşlenmesine Genel Bakış - devam Geleneksel seramikler halinde, tozlar genellikle geçici olarak birbirine bağlanmak ve şekillendirmeye uygun bir durum kazandırmak için su ile karıştırılır Yeni seramikler halinde, şekillendirme sırasında bağlayıcı olarak suyun dışındaki maddeler kullanılır Şekillendirmeden sonra, ıslak parçalar, tıpkı toz metalurjisinde olduğu gibi pişirilir (sinterlenir) : Malzemeyi sert bir katı kütle haline bağlayan bir katı hal reaksiyonunu oluşturmak için 4

5 (1) Tozların hazırlanması (2) Islak kilin şekillendirilmesi (3) Kurutma (4) Pişirme Gevşek tozlar Kil ve su Kurutulmuş kil Pişirilmiş kil Hava Su Hava gözenekleri Şekil Geleneksel seramik işlemede yaygın adımlar: (1) hammaddelerin hazırlanması, (2) şekillendirme, (3) kurutma, ve (4) pişirme (a) kısmı, işlem sırasında parçanın durumunu gösterirken (b) kısmı tozun durumunu göstermektedir. 5

6 Geleneksel Seramikler için Hammaddenin Hazırlanması Geleneksel seramikler için şekillendirme işlemleri, başlangıç malzemesinin plastik haldeki bir pasta olmasını gerektirir Bu pasta, suyla karışık ince seramik tozlarından oluşur Ham seramik malzemesi doğada genellikle kaya kütleleri olarak bulunur ve toza dönüştürme işlemi, seramik işlemedeki hazırlık aşamasının amacıdır 6

7 Ufalama Seramik işlemede parçacık boyutunun küçültülmesi, darbe, sıkıştırma ve aşındırma gibi değişik formlardaki mekanik enerjinin kullanımı ile yapılır Ufalama teknikleri en çok çimento, metalsel cevherler ve gevrek metaller gibi kırılgan malzemeler üzerinde etkilidir Ufalama işleminin iki genel türü: 1. Kırma 2. Taşlama dır. 7

8 Kırma Madenden çıkarılan büyük kütlelerin sonraki ilave küçültme işlemleri için daha küçük boyutlara getirilmesi Birkaç aşama gerekebilir (örn., birincil kırma, ikincil kırma), her bir aşamadaki küçültme oranı 3 ile 6 arasındadır Minerallerin kırma işlemi rijit yüzeyler arasında sıkıştırma veya rijit tespit edilmiş hareketle, yüzeyler arasında darbe ile gerçekleştirilir 8

9 Çeneli Kırıcı Büyük çene, kütleleri sert ve rijit bir yüzeyde ufalamak üzere ileri geri hareket eder Hareketli çene Sabit çene Eksantrik Şekil Kırma işlemleri: (a) çeneli kırıcı Çift kollu mekanizma 9

10 Jiratör (Gyratory) Kırıcı Bilya ve yuva bağlantısı Üst muhafaza Jiratör kırma bölgesi Konik kırma halkası Eksantrik Şekil Kırma işlemleri: (b) Jiratör kırıcı Tahrik mili 10

11 Merdaneli Kırıcı Seramik kütleler dönen merdaneler arasında sıkıştırılır Girdi Merdaneler Şekil Kırma işlemleri: (c) merdaneli kırıcı 11

12 Çekiçli Kırıcı Girdi Dişler Şekil Kırma işlemleri: (d) çekiçli kırıcı 12

13 Öğütme Ufalama konusunda öğütme kelimesi, küçük parçaları kırdıktan sonra ince toz haline getirme işlemi için kullanılmaktadır Bilye ve merdane gibi sert parçalarla aşındırma, darbe ve sıkıştırma şeklinde uygulanır Öğütme örnekleri: Bilyeli değirmen Merdaneli değirmen Darbeyle öğütme 13

14 Bilyeli Değirmen Öğütülecek yığın ile karıştırılan sert bilyeler, büyük bir silindirik kap içinde döndürülür; kap dönerken cidarlar karışmayı sağlar ve daha sonra da öğütme eylemi için yerçekimi etkisiyle aşağıya dökülür Kap Yığın Bilyeler Dönen merdaneler Şekil Seramik tozların üretiminde mekanik yöntemler: (a) bilyeli değirmen 14

15 Merdaneli Değirmen Yığın, yatay ve düz bir öğütme tablası üzerinde, merdanelerle tabla yüzeyi arasında sıkıştırılır Öğütme merdaneleri Kap Dönen tabla Tahrik mili Şekil Seramik tozların üretiminde mekanik yöntemler: (b) merdaneli değirmen 15

16 Darbeli Öğütme Besleme Hava Şekil Seramik tozların üretiminde mekanik yöntemler: (c) darbeli öğütme 16

17 Şekillendirme için Seramik Pastanın Katkıları 1. Kil (nemli alüminyum silikat) su ile karıştırıldığındaki ideal şekillendirme karakteristikleri nedeniyle genellikle temel katkı 2. Su şekillendirmeye uygun plastisitesiyle kil-su karışımı oluşturur 3. Alümina ve silikat gibi, plastik olmayan ham malzemeler kurutma ve pişirme sırasında büzülmeyi sınırlarlar; ayrıca şekillendirme sırasında karışımın plastisitesini de azaltırlar 4. Pişirme sırasında eriyen (vitrifiye) ve sinterlemeyi destekleyen dekapan, ve katkıların uygun karışımını sağlayan ıslatma katkıları gibi diğer katkı maddeleri 17

18 Şekillendirme İşlemleri Slip döküm Kil-su karışımı bir çamur halindedir Plastik şekillendirme yöntemleri Kil plastiktir Yarı-kuru presleme Kil nemli ancak düşük plastisiteye sahiptir Kuru presleme Kil esas olarak kurudur (% 5 ten daha az sulu) ve plastisitesi yoktur 18

19 Gerekli basınç Kuru presleme Yarı-kuru presleme Plastik şekillendirme Slip döküm Su içeriği (%) Şekil Kili şekillendirmek için gerekli su içeriği ve basınca kıyasla, geleneksel seramiklerin şekillendirilmesinde kullanılan şekillendirme yöntemlerinin dört kategorisi 19

20 Slip Döküm Slip denilen, seramik tozlarının su içindeki asıltısı, kalıp yüzeyinde sıkı bir kil tabakası oluşturmak üzere, karışımın içindeki suyun alçı tarafından emildiği, gözenekli bir alçı kalıp içine dökülür Slip bileşimi % 25 ila % 40 su içerir İki temel uygulama şekli: Akıtma döküm yarı katı bir tabaka oluştuktan ve böylece içi boş bir ürün meydana geldikten sonra kalıp, içindeki fazla slip akıtılmak üzere ters çevrilir Katı döküm katı ürünleri üretmek amacıyla, tüm gövdenin sıkı hale gelmesi için yeterli süre tanınır 20

21 Slip Alçı kalıp Şekil Bir slip döküm şekli olarak akıtma dökümde işlem sırası: (1) slip kalıp boşluğu içine dökülür, (2) sıkı bir tabaka oluşturmak üzere, su, alçı kalıp tarafından emilir, (3) fazla slip dışarı dökülür ve (4) parça kalıptan çıkarılır ve budanır 21

22 Plastik Şekillendirmeye Genel Bakış Başlangıç karışımı, % 15 ila % 25 sulu, plastik bir yapıda olmalıdır El ve mekanize yöntem türleri El yöntemleri, daha kolay şekillendirme kabiliyeti nedeniyle, kille daha çok su kullanır Daha çok su, kuruma sırasında daha büyük büzülme demektir Mekanize yöntemler, başlangıç kilinin daha katı olması için genellikle daha az su kullanır 22

23 Plastik Şekillendirme Yöntemleri Elle modelleme (manuel yöntem) Sıvama (mekanize yöntem) Plastik sıkıştırma (mekanize yöntem) Ekstrüzyon (mekanize yöntem) 23

24 Elle Modelleme Seramik ürünün, plastik kilin istenen şekle getirilmesiyle oluşturulması Elle modelleme parça geometrisinin bölümlerini belirlemek için sadece bir kalıp veya form kullanılır Bir çömlek diski üzerine elle atma, el işçiliği yöntemlerinin diğer bir şeklidir Çömlekçi diski = bir motorla veya ayak pedalıyla tahrik edilen, dikey bir pim üzerinde dönen yuvarlak bir tabla Dairesel enkesitli ürünler, bazen iç şekli vermek için bir kalıbın da kullanıldığı, kilin disk üzerine atılması ve şekillendirilmesiyle oluşturulur 24

25 Sıvama Çömlekçi diski yöntemine benzer şekildedir, ancak elle atmanın yerini mekanize teknikler almıştır Kil çamuru Alçı kalıp Yarasa şekli verici Yarasa Sıvama takımı Şekil Sıvamada işlem sırası: (1) ıslak kil çamuru, dışbükey bir kalıp üzerine yerleştirilir; (2) yarasa şekli verme; ve (3) bir sıvama takımı son ürün şeklini verir 25

26 Plastik Presleme Bir plastik alçı çamurunun, metal halkalar içine yerleştirilmiş alt ve üst kalıp arasında sıkıştırıldığı şekillendirme işlemi Kalıplar, alçı gibi gözenekli malzemeden yapılmıştır; böylece kalıp yarılarının arkasından vakum uygulandığında, kildeki nem uzaklaştırılır Daha sonra, parçanın kalıba yapışmasını önlemek için pozitif basınç uygulanarak kalıp kesitleri açılır Üstünlükleri: Sıvamaya göre üretim hızı daha yüksektir ve sadece radyal simetrik parçalarla sınırlı değildir 26

27 Ekstrüzyon Üniform enkesitli uzun ürünler elde etmek ve daha sonra istenen boyda kesilmek üzere, kilin bir kalıp boşluğundan geçmek üzere sıkıştırılması Ekipman, kilin karıştırılmasına yardımcı olmak ve kalıp boşluğundan çıkarmak üzere itmek için vida tipi bir hareket kullanır Ürünler: içi boş tuğlalar, şekillendirilmiş kiremitler, akıtma boruları, tüpler, ve izolatörler Sıvama ve plastik presleme gibi diğer seramik işleme yöntemleri için başlangıç kil çamuru oluşturmak için de kullanılmaktadır 27

28 Yarı-Kuru Presleme Kilin düşük plastisitesini yenmek ve bir kalıp boşluğu içine zorlamak üzere yüksek basınç kullanır Başlangıç tozları Çapak Şekil Yarı-kuru presleme: (1) nemli tozun kalıp boşluğuna doldurulması, (2) sıkıştırma, ve (3) kalıp yarılarının açılması ve çıkarma 28

29 Kuru Presleme İşlem sırası yarı-kuru preslemeye benzer temel farkı, başlangıç karışımının su içeriğinin tipik olarak % 5 in altında olması Kuru kil çok aşındırıcı olduğundan, kalıpların sertleştirilmiş takım çeliğinden veya semente karbürden yapılması gerekir Kuruma büzülmesi oluşmaz; bu sayede kuruma süresi ortadan kaldırılır ve son üründe iyi bir boyutsal doğruluk elde edilir Tipik ürünler: banyo fayansı, elektrik izolatörleri, refrakter tuğla ve diğer basit geometriler 29

30 Kil Hacmi ve Su İçeriği Su, geleneksel seramiklerin şekillendirilmesi işlemlerinin çoğunda önemli bir rol oynar Bu aşamadan sonra, görevi biter ve fırınlanmadan önce kil parçasından uzaklaştırılması gerekir Su, parçanın hacmini büyüttüğünden ve uzaklaştırıldığında hacim küçüldüğünden, kurutma sırasında büzülme önemli bir problemdir 30

31 Karışımın hacmi Islak kilin hacmi Hava Su Şekil Su içeriğinin fonksiyonu olarak kilin hacmi Burada gösterilen ilişki tipiktir; farklı kil bileşimleri ile değişir Katı kil Suyun hacmi 31

32 Kurutma Kurutma işlemi iki aşamada gerçekleştirilir: 1.Aşama su, iç kısımdan kapiler etkiyle yüzeye çıkarken ve yüzeyden çevredeki havaya buharlaşırken kurutma hızı yüksek ve sabittir Bu durum, büzülme sırasında meydana gelir ve distorsiyon ve çatlama riski taşır 2.Aşama seramik taneleri temas ettiklerinde nem içeriği azalmıştır Hiç veya çok az ilave büzülme oluşur 32

33 Kuruma hızı Karışım hacmi Hacim (büzülme) Kurumanın ilerleyişi 1.Aşama kuruma 2.Aşama kuruma Nem içeriği (su hacmi) Şekil Bir seramik cismin kuruma sırasındaki tipik kuruma hızı eğrisi ve bununla ilgili hacimsel küçülmesi (kuruma büzülmesi) Kurumanın ikinci aşamasındaki kuruma hızı, burada düz bir çizgi olarak gösterilmiştir; fonksiyon bazen içbükey bazen de dışbükeydir 33

34 Geleneksel Seramiklerin Fırınlanması Seramik malzemeyi sinterleyen ısıl işlem uygulaması Ocak denilen bir fırının içinde yapılır Seramik taneler arasında bağlar oluşur ve bu, gözenekliliğin azalmasını ve yoğunlaşmayı destekler Bu nedenle, kuruma sırasında oluşana ek olarak çok kristalli malzemelerde ilave büzülme oluşur Geleneksel seramiklerin fırınlanmasında, kristaller arasında bağlayıcı olarak etkiyen camsı bir faz oluşur 34

35 Sırlama Parçanın suya karşı daha dayanıklı olması ve görünümünün iyileştirilmesi için bir seramik yüzey kaplamasının uygulanması Sırlamada genel işlem sırası: 1. Parçanın yapısını sertleştirmek için sırlamadan önce fırınlayın 2. Sırı uygulayın 3. Sırın sertleşmesi için parçayı ikinci kez fırınlayın 35

36 Yeni Seramiklerin İşlenmesi Yeni seramiklerin imalat sırası, aşağıdaki adımlar halinde özetlenebilir: 1. Başlangıç malzemelerinin hazırlanması 2. Şekillendirme 3. Sinterleme 4. Bitirme Bu imalat sırası, geleneksel seramiklerle hemen hemen aynı olmasına rağmen, ayrıntılar oldukça farklıdır 36

37 Başlangıç Malzemelerinin Hazırlanması Yeni seramiklerden dayanım talepleri, geleneksel seramiklere göre çok daha büyüktür Bu nedenle, elde edilen seramik ürünün dayanımı tane boyutu ile ters orantılı olduğundan, başlangıç tozlarının boyut ve bileşim olarak daha küçük ve daha üniform olması gerekir Başlangıç tozlarının daha hassas kontrol edilmesi gerekir Toz hazırlamada mekanik ve kimyasal yöntemler mevcuttur 37

38 Yeni Seramiklerin Şekillendirilmesi Yeni seramiklerin şekillendirme yöntemlerinin çoğu, toz metalurjisi (T/M) ve geleneksel seramiklerden borç alınmıştır T/M presleme ve sinterleme yöntemleri, yeni seramiklere uyarlanmıştır Ve geleneksel seramikleri şekillendirme yöntemlerinden bazıları yeni seramiklerin şekillendirilmesinde kullanılmaktadır; örneğin: slip döküm, ekstrüzyon ve kuru presleme Burada tanımlanan yöntemler, normal olarak geleneksel seramiklerin şekillendirilmesiyle ilgili olmayıp, bazıları T/M ile ilgilidir 38

39 Sıcak Presleme Yüksek sıcaklıkta yapılması hariç Kuru presleme ye benzer şekilde, ürünün sinterlenmesi, presleme ile aynı anda yapılır Bu işlem, ayrı bir fırınlama aşamasına olan ihtiyacı ortadan kaldırır Daha yüksek yoğunluklar ve daha ince tane boyutları elde edilir; ancak kalıp yüzeylerine karşı etkiyen sıcak aşındırıcı parçacıklar nedeniyle kalıp ömrü kısalır 39

40 İzostatik Presleme Seramik tozlarını her yönden sıkıştırmak için hidrostatik basınç kullanır Geleneksel eşeksenli sıkıştırmada sık sık gözlenen, son üründeki üniformluğun bozukluğu probleminden kaçınılır Toz metalurjisinde kullanılan aynı prosestir 40

41 Neşter Yöntemi Hamur Kurutma bölgesi Islak şerit Destek çerçevesi Taşıyıcı folyo Taşıyıcı folyo makarası Toplama makarası Şekil İnce seramik folyoların imalatında kullanılan Neşter yöntemi. v sembolü, hareketi göstermektedir (v = hız) 41

42 Toz Enjeksiyonla Kalıplama (PIM) Seramik parçacıklar, bir termoplastik polimer ile karıştırılır ve bir kalıp boşluğuna enjekte edilerek ısıtılır Polimer bir taşıyıcı olarak etkir ve kalıplama için akış karakteristikleri sağlar Polimeri sertleştiren soğumadan sonra, kalıp açılır ve parça çıkarılır Taşıyıcının plastikleştirilmesi için gereken sıcaklıkların, seramiklerin sinterlenmesinde gerekli olandan çok daha düşük olması nedeniyle, parça kalıplamadan sonra ıslaktır Plastik bağlayıcı uzaklaştırılır ve kalan seramik parça sinterlenir 42

43 Yeni Seramiklerin Sinterlenmesi Şekillendirme için gerekli plastisite, normal olarak yeni seramiklerde suya dayanmadığından, çoğu yeni seramik ürünlerde, geleneksel ıslak seramiklerin kurutma işleminden kaçınılabilir Sinterleme adımı, yine de çok gereklidir Sinterlemenin işlevleri, önceki ile aynıdır: 1. Tek tek tanelerin katı bir kütle haline bağlanması 2. Yoğunluğun arttırılması 3. Gözenekliliğin azaltılması veya yok edilmesi 43

44 Yeni Seramikler için Bitirme İşlemleri Yeni seramiklerden yapılan parçalara, aşağıdaki amaçlardan biri veya birkaçı için bazen bitirme işlemi uygulanır: 1. Boyutsal doğruluğun arttırılması 2. Yüzey görünümünü iyileştirme 3. Parça geometrisinde çok küçük değişiklikler yapma Bitirme, genellikle aşındırma işlemlerini içerir Sertleştirilmiş seramik malzemeleri kesmek için elmas aşındırıcıların kullanılması gerekir 44

45 SERMET lerin İşlenmesi Pek çok metal matrisli kompozitler (MMC) ve seramik matrisli kompozitler (CMC), tek tek parça imalat yöntemleriyle işlenirler. En yaygın örnekleri, semente karbürler ve diğer sermetlerdir. 45

46 Semente Karbürler Metalsel bir bağlayıcıya gömülmüş karbür seramik parçacıkları içeren bir kompozit malzeme ailesi Kütle malzemeyi birarada tutan matrisin metalsel bağlayıcı olması nedeniyle metal matrisli kompozitler olarak sınıflandırılırlar Ancak, karbür parçacıkları, normal olarak hacimce % 80 ila % 95 arasında olacak şekilde, kompozit malzemenin en büyük kısmını oluşturur 46

47 Semente Karbürler İçin Bir Bağlayıcı Gerekir Güçlü ve gözeneksiz bir parça oluşturmak için karbür tozlarının bir metal bağlayıcı ile sinterlenmesi gerekir Kobalt en iyi WC ile etkir, nikel ise TiC ve Cr 3 C 2 ile daha iyidir Yaygın bağlayıcı metal oranı % 4 ten % 20 ye kadardır Karbür tozları ile bağlayıcı metal, homojen bir çamur oluşturmak üzere, bir bilyeli değirmende ıslak halde karıştırılır Daha sonra çamur, sıkıştırmaya hazırlık sırasında oksitlenmeyi önlemek için kontrollü atmosferde veya vakumda kurutulur 47

48 Sıkıştırma Kesici takım insertler gibi semente karbür parçaların yüksek üretim hızlarında kullanılan en yaygın yöntem, soğuk presleme dir Sinterleme sırasındaki büzülmeyi hesaba katmak için kalıpların biraz büyük yapılması gerekir (büzülme % 20 veya daha büyük olabilir) Yüksek üretim için, aşınmasını engellemek bakımından kalıplar WC-Co liners den yapılır Daha küçük miktarlar için, büyük yassı kesitler, küçük parçalar haline preslenip kesilir Diğer yöntemler: izostatik presleme ve sıcak presleme 48

49 WC-Co nun Sinterlenmesi Bir metal bağlayıcı olmadan WC (ve TiC) nin sinterlenmesi mümkündür, ancak son malzeme % 100 gerçek yoğunluktan daha küçüktür Bir bağlayıcı kullanılması, yapının teorik olarak gözeneksiz olmasını sağlar WC-Co nun sinterlenmesi, sıvı faz sinterlemeyi içerir WC-Co için yaygın sinterleme sıcaklığı, kobalt ın erime sıcaklığının (1495 C) altında olan C dir. Böylece, saf bağlayıcı metal, sinterleme sıcaklığında erimez 49

50 Sıcaklık C Semente karbür ürünlerin tipik bileşim aralığı Sıvı Sıvı Sıvı Kobalt ın yüzde ağırlığı Şekil WC-Co faz diyagramı 50

51 WC-Co nun Sinterlenmesi - devam Ancak, WC, Co içinde katı halde çözünür, böylece WC ısıl işlem sırasında yavaş yavaş çözünür ve erime sıcaklığı düşürülür; dolayısıyla erime gerçekleşir Sıvı faz oluştukça, katıya daha da yayınarak akar ve WC parçacıkları ıslatır Sıvı metalin varlığı, ayrıca kütlenin iç bölgelerinden gazların uzaklaştırılmasını da sağlar Bu mekanizmalar, kalan WC parçacıkların sık bir paket halinde yeniden düzenlenmesine neden olur; bu ise WC-Co kütlesinin önemli oranda yoğunlaşmasına ve büzülmesine yol açar 51

52 İkincil İşlemler Sinterlemeden sonra semente karbür parçaların yeterli boyutsal kontrolüne ulaşmak için genellikle sonraki işlemler gerekir Elmas veya benzer sert aşındırıcı disklerle yapılan taşlama, bu amaçla yapılan en yaygın ikincil işlemdir Diğer ikincil işlemler: Elektro erozyonla işleme Ultrasonik işleme dir 52

53 Tasarım Kriterleri Seramik malzemeler, doğru uygulandıklarında tasarımcıların beğendiği özelliklere sahiptir. Seramik malzemeler, çekmeye göre basma yönünde birkaç kat daha dayanıma sahiptir Seramik şekillendirme yöntemleri, karmaşık şekillerin oluşturulmasına olanak tanımasına rağmen, basit şekiller tercih edilir Dış kenar ve köşelerin radyüslü veya pahlı olması gerekir; aynı şekilde, iç köşeler de radyüslü olmalıdır (Geleneksel seramikler için) kuruma ve fırınlamada ve (yeni seramikler için) sinterlemedeki parça büzülmeleri büyük olabilir ve dikkate alınmalıdır 53