TOZ MALZEME TEKNOLOJİSİ-1. Prof. Dr. Fatih Üstel Doç. Dr. Nil Toplan Yrd. Doç. Dr. Nuray Canikoğlu

Transkript

1 TOZ MALZEME TEKNOLOJİSİ-1 Prof. Dr. Fatih Üstel Doç. Dr. Nil Toplan Yrd. Doç. Dr. Nuray Canikoğlu

2 DEĞERLENDİRME SİSTEMİ YARIYIL İÇİ SAYISI KATKI PAYI Ara Sınav 1 50 Kısa Sınav 1 20 Ödev 1 20 Sözlü sınav 1 10 TOPLAM 100 Yıl içinin Başarıya Oranı 60 Finalin Başarıya Oranı 40 TOPLAM 100 2

3 Dersin İçeriği Toz Metalurjisi ve Parçacıklı Malzeme İşlemleri Teknolojisi`ne (TM-PMT) Giriş Toz Özellikleri, Toz Karakterizasyonu Toz Üretim Yöntemleri: Mekanik Yöntemler Kimyasal ve Elektrokimyasal Yöntemler Refrakter Tozların Üretim Yöntemleri Şekillendirme Öncesi İşlemler: Toz Karıştırma, Harmanlama ve Öğütme Pekiştirme ve Presleme Teknikleri Sinterlemenin Tanımı ve Genel Prensipleri Sıkıştırma ve sinterleme koşullarının mikroyapı ve mekanik özelliklere etkisi 3

4 Giriş Toz metalurjisinin ana amacı özel mühendislik uygulamaları için kaliteli ve ekonomik bir şekilde parça üretimini sağlamaktır. 4

5 Toz metalurjisi çok küçük partikülleri birbirine bağlayarak parça haline getirme işlemidir. Daha geniş bir ifade ile toz metalurjisi, toz şeklindeki malzemelerin preslenmesi ve takiben yüksek sıcaklıkta sinterlenmesi ile parça imalatını kapsamaktadır. İnce partikül şeklindeki saf metaller, alaşımlar, karbon, seramik ve plastik malzemeler birbirleriyle karıştırılarak basınç altında şekillendirilirler. Daha sonra bu parçalar ana bileşenin ergime sıcaklığının altında bir sıcaklıkta sinterlenerek partiküllerinin temas yüzeyleri arasında kuvvetli bir bağ oluşturulur ve böylece istenilen özellikler elde edilir. 5

6 Tarihçe Tozlardan metal parçaların elde edilmesi Inkalar tarafından mücevher üretimine uygulanmıştır. Mısırlıların demir tozlarını kullanmaları ise MÖ 3000 li yıllara kadar uzanmaktadır. Diğer eski bir örnek ise Hindistan daki 6,5 tonluk Delhi sütunudur, MS 375 ile 414 yılları arasında indirgenmiş demir tozlarından yapılmıştır. Boyu: 23 m. Çapı: 40 cm. Ağırlığı: 6 ton. İşlenmiş demir Kaynakla birleştirilmiş disklerden yapılmış. Yüzeyi yumuşak, pirinçle kaplı. 6

7 1800 lü yıllarda tozlar, platinden laboratuvar gereçleri yapımında kullanılmıştır. Yaklaşık aynı tarihlerde madeni paralar presleme ve sinterleme ile bakır, gümüş ve kurşun tozlarından üretilmiştir. 7

8 Tozların kullanımında en önemli dönüm noktalarından biri, Edison için, tungsten tozları kullanılarak dayanıklı lamba flamanı geliştiren Coolidge e aittir. Hemen ardından 1930 lu yıllarda sert metaller (WC-Co), gözenekli yataklar ve elektrik temas elemanları geliştirilmiştir. 8

9 1940 lı yıllara kadar toz teknikleri yeni sert metaller, izolatörler, çelik üretim refrakterleri, demir içeren yapısal alaşımlar ve refrakter metallerin üretimini içermişlerdir. Bu çalışmaların çoğu savaşa hazırlık çabaları dolayısıyla hız kazanmıştır. İlk uygulamaların çoğunda toz, malzeme türünü genişletmek için kullanılmıştır. Bugün bu genişleme gayreti sayesinde silisyum karbür, renyum, titanyum diborür, zirkonyum, tantalyum, berilyum oksit ve titanyum gibi çok sayıda malzeme sadece tozlardan oluşturulabilmektedir. İlave olarak, çok yaygın kullanılan alüminyum, silika, alümina, bakır, demir, paslanmaz çelik, bronz ve porselen gibi malzemeleri toz olarak temin etmek mümkündür. 9

10 Toz Metalurjisi Teknolojisi Metalik toz işleme teknolojisi toz üretimi, toz karışımı hazırlama, toz karakterizasyonu gibi metalik/alaşım toz karakteristikleriyle, presleme ve sinterleme gibi işlem kademeleri ile birlikte nihai ürünün tüm özelliklerini doğrudan etkilemektedir. Genel akış şeması açısından basit seviye bir üretim teknolojisi gibi görünen bu yöntem, özünde birçok parametrik ilişkiler barındırmakta olup ürünün mikroyapı üzerinden mekanik ve fiziksel-kimyasal özelliklerine doğrudan kuvvetli bir etkisi vardır. 10

11 Şekil. Metalik toz işleme akış şeması 11

12 Parçacıklar virüsten kum tanesine kadar değişen pek çok boyutta olabilir. Parçacık boyutu için uygun birim, 10-6 m olan, mikrometredir (µm). Toz metalurjisinde kullanılan birçok mühendislik parçacığının boyutu 0,1 ila 200µm aralığında değişir. Seramik parçacıklar genellikle daha küçükken plastik parçacıklar daha büyüktür. Referans olarak insan saçı tipik olarak 100µm civarında bulunur. Şekil. Pek çok toz için boyut aralığının tipik mühendislik seramiği, metal ve plastik parçacık sistemleri ile günlük hayatta kullanılan tozlar ile karşılaştırılmaları 12

13 Toz metalurjisinin avantajları 1. Talaşlı işlem gereksiniminin azaltılması veya tamamen elimine edilmesi: Toz yöntemiyle elde edilen boyutsal hassasiyet ve yüzey bitirme kalitesi çoğu ürün veya uygulama alanı için yeterli olduğundan ilave talaşlı işleme gerek yoktur. İstisnai şekilde boyutsal hassasiyet ve yüzey kalitesinin talebi halinde ürünler basma ve boyutlandırma gibi sekonder operasyonlara tabi tutulabilirler. 2. Yüksek üretim hızları: Toz prosesindeki bütün adımlar basittir ve otomatizasyona uygundur. İş gücü gereksinimi düşüktür, ürün homojenliği ve aynı kalitede tekrar üretilebilirlik oranı diğer yöntemlere göre daha yüksektir. 13

14 3. Karmaşık şekillerin üretimi: Bazı sınırlar dahilinde dişli çark ve kam mili gibi oldukça girift parçalar imal edilebilir. Ekonomik olarak talaşlı işlem ve dökümle şekillendirilemeyen parçalar toz yöntemiyle üretilebilirler. 4. Çok geniş bir kompozisyon aralığı: Kompozisyon açısından oldukça yüksek saflığa sahip parçalar üretilebilir. Metal ve seramikler gibi birbiri içinde çözünmeyen ve farklı karakterdeki malzemeler de bir araya getirilebilir. Katı eriyik veya çözünürlük sınırları aşılarak aşırı doymuş katı çözelti alaşımları veya yüksek alaşımlı malzemeler de elde edilebilir. Düşük ve yüksek alaşımlı veya birbiri içinde çözünmeyen partiküllerden meydana gelen kompozit malzemelerden üretilen parçaların makroskobik ölçekte (1-2 partikül boyutu mesafelerde) kompozisyonal homojenitesi diğer yöntemlerle üretilenlerden daha yüksektir. 14

15 5. Özelliklerin geniş bir aralıkta değişimi: Toz metalurjisiyle üretilen parçaların yoğunluğu ve dolayısıyla içerdikleri gözenek oranı geniş bir aralıkta değişir. Çok yüksek oranda gözenek içeren filtreler gibi fonksiyonel amaçlı parçaların üretimi yanı sıra konstrüksiyon amaçlı yüksek mukavemetli parçalar da üretilebilir. Toz ürünlerin titreşim söndürme özellikleri yüksektir. Magnetik, aşınma ve diğer özellikler özel bir uygulama alanının gereksinimlerini karşılayacak şekilde kontrollü olarak dizayn edilebilir (kontrollü fabrikasyonla ürünlere istenilen özellikler kazandırılabilir). 6. Hurda miktarının azaltılması veya eliminasyonu: Toz metalurjisi bilinen imal usulleri içerisinde malzeme kaybına sebep olmayan tek yöntemdir. Döküm, talaşlı işlem ve presle şekillendirme operasyonlarında hurda miktarı başlangıçtaki malzeme miktarının yarısına (%50) ulaşmaktadır. Hurda oranı özellikle pahalı malzemelerin şekillendirilmelerinde daha da önem kazanmaktadır. Toz metalurjisi ile bazen toplam maliyeti arttırmadan daha pahalı malzemeler kullanarak parça imalatı gerçekleştirilebilir. 15

16 İmal Yöntemi Malzeme fire oranı (%) Ürün için enerji gereksinimi (MJkg -1 ) T/M 5 30 Döküm Soğuk ve Sıcak Ekstrüzyon Talaşlı Üretim

17 Toz Metalurjisinin Dezavantajları: 1. Düşük mekanik özellikler: Çoğu kez toz metalurjisi parçalarının mekanik özellikleri döküm ve dövme ile üretilenlerin özelliklerinden daha düşüktür. Yüksek gerilmelerin söz konusu olduğu uygulama alanlarında bu parçalar kullanılamaz. Bununla birlikte ilave masrafların göze alınması halinde ürünlerin mukavemet değerleri, farklı malzeme, alternatif yöntem veya ikincil proses teknikleri kullanımıyla yükseltilebilir. 2. Nispeten yüksek kalıp maliyeti: Toz prosesinde yüksek sıcaklık, yüksek basınç ve şiddetli aşınma söz konusu olduğu için kalıplar pahalı malzemelerden ve büyük kütleler halinde yapılmaktadır. Bu nedenle toz metalurjisi ile üretilecek parça sayısı en az adet olmalıdır. 17

18 3. Yüksek malzeme maliyeti: Birim ağırlık esasına göre toz malzemeler dövme ve döküm malzemelerden daha pahalıdır. Ancak hurda şeklinde malzeme kaybının olmayışı ve talaşlı işlemin eliminasyonu yüksek malzeme maliyetini dengelemektedir. Toz metalurjisi daha çok birim parça başına malzeme maliyetinin yüksek olmadığı küçük parçaların imalatında kullanılır. 4. Dizayn sınırlamaları: Toz metalurjisi prosesi bazı şekillerdeki parçaların üretimi için uygun değildir. Parçalar kalıptan kolay çıkarılabilecek şekillerde olmalıdır. Kalınlık/çap oranı sınırlıdır. İnce kesitlerin eldesi güç olup parça boyutu, pres kapasitelerinin belirlediği sınırlar içinde olmalıdır. 18

19 5. Parça kesiti boyunca özelliklerin değişim göstermesi: Yoğunluğun parça içinde bir noktadan diğer bir noktaya değişimi özelliklerin de değişimine neden olmaktadır. Bunun ana nedeni parçaların tasarımı yapılırken dizayn kriterlerine riayet edilmemesidir. Üniform olmayan şekillerin toz metalurjisi ile üretilmesi halinde bu tip problemlerle karşılaşılabilir. 19

20 Parça karmaşıklığı ve üretim miktarları açısından imalat teknolojilerinin optimum çalışma alanları (karşılaştırılmaları) 20

21 21

22 Toz metalurjisi parçaların dizaynında dikkate alınması gereken bazı ana kurallar: 1. Parça şekli preslemeden sonra kalıptan çıkarmaya uygun olmalıdır. 2. Parça şekli tozun ince duvarlar ve keskin köşeler gibi küçük boşlukların doldurulmasını gerektirmemelidir. 3. Parça şekli dayanıklı kalıp imaline müsait olmalıdır. 4. Parça şekli presleme ile elde edilebilecek kesit kalınlığı değerlerine uygun olmalıdır. 5. Parçaların değişik kesit kalınlıkları arasındaki fark mümkün olduğunca az olmalıdır. 22

23 6. Bazı şekillerdeki parçaların toz metalurjisi dışındaki yöntemlerle üretilmesi maliyet ve uygulama açısından mümkün olmadığından bu avantajı kullanabilecek şekilde dizayn yapılmalıdır. 7. Parça ve kalıp dizaynı esnasında atölyedeki teçhizatların teknik özellikleri dikkate alınmalıdır. 8. Ürünlerin boyutsal toleransları dikkate alınmalıdır. 9. Sinterleme esnasındaki büzülme gibi preslemeden sonra boyutlarda meydana gelecek değişimler kalıp dizaynı esnasında dikkate alınmalıdır. 23

24 Toz metalurjisinin uygulamaları oldukça geniştir. Tungsten lamba filamanları, dişçilik, dişli çarklar, yağlamasız yataklar, elektrik kontakları, nükleer güç yakıt elemanları, ortopedik gereçler, ofis makine parçaları, yüksek sıcaklık filtreleri, uçak fren balataları, akü elemanları Paslanmaz Filtre Parçaları Kilit parçaları Kendinden yağlamalı burçlar Makine parçaları ve jet motor parçaları metal tozlarından üretilen parçalara örnek olarak verilebilir. Ayrıca, gözenekli betonlar, basılmış devre levhaları, patlayıcılar, kaynak elektrotları, roket yakıtları, baskı mürekkepleri, lehimleme aletleri ve katalizörlerin üretilmesinde de kullanılmaktadır. 24

25 Toz metalurjisi ile imal edilen ürünler beş grupta sınıflandırılabilir: 1-Yatak, filtre, basınç veya sıvı regülatörü gibi gözenekli ve geçirgen ürünler: Toz ürünlerin büyük bir kısmını bakır veya demir alaşımlarından yapılan yağ emdirilmiş yataklar teşkil etmektedir. Bu yataklar yağlamaya ve kullanım esnasında bakıma ihtiyaç duymadıklarından otomotiv endüstrisinde ve ev aletlerinde yaygınca kullanılmaktadır. Sinter filtreleri hemen her boyutta gözeneğe sahip şekilde üretilebilirler ve en küçük gözenek çapı 0,0025 mm dir. 25

26 2-Diğer proseslerle üretilmeleri halinde aşırı miktarda talaşlı işleme gereksinim duyulan girift parçalar; Küçük boyutlu dişlilerin büyük bir kısmı toz metalurjisiyle üretilmektedir. Toz prosesleri ile elde edilen boyutsal hassasiyet ve yüzey bitirme kalitesi çoğu zaman ilave bir işlemi gerektirmez ve bazı özel hallerde sadece çok küçük oranlarda yüzey işleme yeterlidir. Kam ve küçük manivela kolları gibi diğer girift parçalar da toz yöntemiyle oldukça ekonomik bir şekilde üretilebilmektedir. Manivela kolları 26

27 3-Talaşlı işlemi güç veya yüksek ergime noktalı malzemelerden yapılan parçalar: Toz metalurjisi modern anlamda ilk kez tungsten lamba flamanları ve tungsten karbür kesici takımların imalinde kullanılmıştır. 27

28 4-İki veya daha fazla metalin kombine özelliklerinin istendiği parçalar: Motor veya jeneratör parçaları bu amaçla bakır ve grafitten imal edilmektedir. Bakır elektrik iletkeni görevini görürken grafit yağlama işlevini yerine getirir. Benzer şekilde yataklar, grafit-demir, grafit-bakır veya grafit-bakır-kalay alaşımı gibi ikili malzeme gruplarından yapılmaktadır. Yumuşak metal, sert metal matrisi içerisinde dağıtılır. Elektrik anahtarı kontaklarında çoğunlukla bakır veya gümüş; tungsten, nikel veya molibden elementlerinden biriyle birleştirilir. Bakır veya gümüş yüksek iletkenlik sağlarken, yüksek ergime sıcaklıklı malzeme ark esnasında ve devrenin kapalı olduğu süre boyunca ergimeye karşı direnç sağlar. 28

29 5-Toz metalurjisi proseslerinin diğer proseslere göre üstün özellik sağladığı ürünler: %100 yoğunluğa ulaşmak amacıyla geliştirilen proseslerle imal edilen mamullerin özellikleri alternatif yöntemlerle üretilen ürünlerin özelliklerini aşmıştır. Uçak sanayi gibi kritik öneme sahip alanlarda ilave maliyetler özelliklerin geliştirilmesi ile haklı görülebilir. Toz metalurjisi magnetlerin üretiminde önemli bir avantaj sağlar; sinterleme öncesinde partiküllerin dizilmesi magnetik bir alanda yapılarak toz magnetlerde daha yüksek bir yoğunluğa ulaşılabilir. NdFeB kimyasal bileşimli mıknatıs 29

30 T/M sektörünün en büyük müşterisi otomotiv sektörüdür. T/M parçaların dünya genelindeki pazar payı grafikte verilmiştir. Bu pazarın %75 i otomotiv endüstrisi tarafından kullanılmaktadır. 30

31 Japonya da 2003 yılında otomotiv sektöründe toz metalurjisi yöntemiyle üretilen parçaların kullanım alanlarına göre ağırlık cinsinden yüzdeleri Avrupa yapımı arabalar 7 kg, Japon yapımı arabalar ise 5 kg T/M parçaya sahip olduğu halde, Amerikan arabaları 16 kg dan daha fazla T/M parça içermektedir. 31

32 Şekil. Toz metalurjisi tekniklerinin kullanılmasının 3 ana sebebinin Venn şeması olarak gösterimi 32

33 33

34 34