Tozların Şekillendirilmesi ve Sinterleme. Yrd. Doç. Dr. Rıdvan YAMANOĞLU

Transkript

1 Tozların Şekillendirilmesi ve Sinterleme

2 Gelişmiş Paketleme Teknikleri Sinterlemenin standart etkenleri sabit tutulup partikül boyut dağılımı devreye sokulduğunda da yüksek yoğunluğa ulaşmada önemli yol katedilir.

3 Toz Hazırlama Gelişmiş paketlenme teknikleri Daha yüksek paketlenme yoğunluğu için parçacık tane boyut dağılımının ayarlanması mümkündür. Bimodal dağılıma sahip tozlar ile tek boyutlu tozlara göre daha yüksek paketlenme yoğunluğu elde edilir.

4 Gelişmiş Paketleme Teknikleri Bu şekilde bir partikül dağılımı etkisi ile paketlenme yoğunluğu artacak ve sinterleme öncesi önemli bir kazanç olacaktır. Fakat bu homojenlik gelişigüzel yapılamaz. Farklı boyuta sahip partiküllerin boyut oranı ile birlikte miktarsal değerler de önemlidir. Bileşen sayısı Boyut oranı Ağırlık yüzdesi Paketleme oranı ,64 2 7: , , ,98

5 Polimer katkıları Toz özelliklerini değiştirmek için katkı maddeleri geniş bir şekilde kullanılmaktadır. Katkılar organik veya inorganik olabilir -Çözücüler: su gibi, katkı maddesinin dağılması için kullanılan geçisi sıvı -Dağıtıcılar: amonyak poliakrilat gibi, parçacıkların ayrışmasında kullanılır -Yüzey aktif maddeler: stearik asit gibi, bağlayıcı toz ıslatmasını artırmada kullanılır -Bağlayıcılar: parafin gibi, tozlara ham dayanım sağlamak için kullanılır -Yağlayıcılar: çinko stearat gibi, takım aşınmasını azaltmak için kullanılır Olası karışım ve işlevler çok sayıda olmasına rağmen, iki grup polimer katkısı yoğun olarak kullanılır. Bunlar; kalıpta preslemede kullanılan ve takım aşınmasını azaltan yağlayıcılar ve büyük ölçüde toz şekillendirme teknolojilerinde ham dayanım sağlamak üzere kullanılan bağlayıcılardır.

6 Yağlayıcılar Toz ile kalıp arasındaki sürtünme önemli bir sorundur. Sürtünme ne kadar fazla ise kalıp ömrü o kadar kısa, sinterleme sonrası üründeki boyutsal değişim ve kusur oranı da o kadar fazladır. Preslenen parçanın kalıp içinden çıkartılması kalıp duvarının yağlanmasına bağlıdır. Bu nedenle kalıp aşınmasını en aza indirmek ve kalıptan çıkartmayı kolaylaştırmak için yağlayıcı polimerler kullanılır.

7 Yağlayıcılar Yağlama, yağlayıcının kalıp duvarlarına sürülmesi veya doğrudan preslenecek toza katılması şeklinde uygulanır. Teorik olarak kalıp duvarının yağlanması tercih edilir, ancak karmaşık şekilli parçaların seri üretiminde bu kolay değildir. Bu nedenle yağlayıcı ilavesi presleme öncesi toza yapılır. Şekillendirme esnasında yağlayıcı, takıma karşı viskoz bir tabaka oluşturarak sürtünmeyi azaltır.

8 Yağlayıcılar Yağ gibi düşük viskoziteli yaplayıcılar, preslemede kullanılan yüksek basınçlardan dolayı, takım ile toz temas noktalarından sızarak uzaklaştırılmasından dolayı etkili değildir. Yağlayıcı miktarları genellikle 0,4 ile 1,5 % ağırlık oranlarındadır. En yaygın yağlayıcı stearat tuzlarıdır.

9 Yağlayıcılar

10 Yağlayıcılar

11 Bağlayıcılar Bağlayıcılar, soğuk izostatik presleme, kalıpta sıkıştırma ve enjeksiyon kalıplamada kullanılır. Bir tür yapıştırıcı görevi görürler. Kalıp aşınmasını en aza indiren yağlayıcılardan farklı olarak kütlenin ham dayanımını arttırmada kullanılır. Sert parçacıklar için bağlayıcının rolü, kusursuz şekil elde etme açısından yağlayıcının rolünden daha önemlidir.

12 Bağlayıcılar Ucuz olmaları ve ısıl ergime ile kolayca uzaklaştırılmaları nedeniyle genelde basit mum benzeri polimerler kullanılır. İyi bir bağlayıcı kolay dağılabilmeli, kararlı viskoziteye sahip olmalı, tozlara iyi yapışmalı Toz ve bağlayıcı karışımı besleme stoğu olarak adlandırılır.

13 Topaklayıcılar Küçük boyutlu tozlar, küresel şekil kazandırmak ve böylece kalıp boşluğunu hızlı ve homojen bir şekilde doldurmak amacıyla kasıtlı olarak topaklaştırılır. Tozlar genellikle piskürtülerek kurutma veya elektro statik yöntemle topaklaştırlır. Topaklandırma için polivinil alkol, polietilen glikol veya suda çözülen mumlar kullanılır.

14 Dağıtıcılar Tozların sıvı içinde çalkalanması ile yapılır. Ulatrasonik çalkalama dağılım saplamanın bir diğer yoludur.

15 Şekillendirme İşlemleri Şekillendirme işlemleri toz bağlayıcı karışımlarına kalıba doğru akışı sağlamak için basınç gerektirir. Şekil değiştirme hızı, viskozite ile belirlenmekte olup basınç ve zaman birimlidir. Pa.s Viskoziite bir besleme stoğu özelliği olup gerilme ile şekil değiştirme hızı arasında bir ilişki oluşturur. Basit bir viskozite ölçümü ergitme akış indeksidir. EAI Önceden belirlenen bir basınç altında kılcal bir borudan 10 dakikada akan besleme stoğunun gram cinsinden miktarıdır. Besleme stoğunun viskozitesi azaldıkça daha küçük çaplı kılcal tüpler kullanılır. Karıştırma işlemi ile tork değişimi yoluylada ölçüm yapılabilir.

16 Şekillendirme İşlemleri Yüksek viskozite şekillendirmeyi zorlaştırırken düşük viskozite şekillendirme sırasında tozbağlayıcı ayrışmasına ve ardından da çatlama veya çarpılmalara neden olur. Viskoz malzemeler sıvılar gibi kayarak akarlar. Kalın yani viskoz karışımlar (200 Pa.s üzeri) kalıplanması zordur. Özellikle kesit farkı olan sistemlerin doldurulmasında zorluklar yaşanır. Düşük viskozitede riskli bir durum oluşturur. Düşük gerilmelerde şekillendirilmelidir. Aksi halde toz ve bağlayıcı ayrışır ve parçada önemli derecede homojenlik kaybı oluşur.

17 Şekillendirme İşlemleri Bağlayıcı miktarı artarsa viskozite düşer ve kalıplamanın daha düşük basınçlarda yapılması mümkün hale gelir.

18 Şekillendirme İşlemleri

19 Enjeksiyon Kalıplama Enjeksiyon kalıplama ile şekillendirilen plastikler ucuz ve yüksek şekillendirme kapasitelerinden dolayı yaygın olarak kullanılırlar.

20 Enjeksiyon Kalıplama Geridönüşüm plastiklerden Plastik Enjeksiyon ile üretilmiş bisiklet

21 Enjeksiyon Kalıplama Toz enjeksiyon kalıplama (TEK) ise bu tarz bir üretimi yüksek parçacıklı termoplastik besleme stoğu kullanarak yapar. İşlem toz ve bağlayıcların karıştırılması ile başlar. Yüksek sinterleme yoğunluğuna ulaşabilmek için genellikle küresel şekle yakın ve ortalama çapı 20 mikrometre altında olan parçacıklar kullanılır.

22 Enjeksiyon Kalıplama Kullanılan bağlayıcılar termoplastik karışımlardır. İçlerinde mumlar, polimerler, yağlayıcılar ve yüzey aktif maddeler vardır. Bağlayıcı viskoz akış özelliklerine yardımcı olarak karışımın karmaşık kalıp geometrisini doldurmasını sağlar. Bağlayıcı kalıpta donduktan sonra parça kalıptan çıkarılır. Ardından bağlayıcı uzaklaştırılır ve yapı sinterlenir.

23 Enjeksiyon Kalıplama Sinterlenen parça enjeksiyon kalıplanmış plastik ile aynı şekil ve boyut hassasiyetine sahiptir. Ancak bu metodla elde edilmiş parçaların performansına polimerlerin ulaşabilmesi mümkün değildir.

24 Enjeksiyon Kalıplama Kalıbı doldurmak için gerekli basınç piston veya vida hareketi ile sağlanır. Stok soğuk halde silindire girer. Silindir boyunca ilerlerken bağlayıcının ergime sıcaklığı üzerine ısıtılır.

25 13 Literatür Basınç destekli sinterleme 1 2

26 13 Literatür Basınç destekli sinterleme SPS 1 Birkaç 1000 A ve birkaç V Anlık doğru akım atımları ile 2 Sıcak pres SPS Geleneksel yöntemlerle 12 saat olan süreler SPS ile 30 dakika Daha yüksek ısıtma hızı, daha kısa sinterleme süresi Daha yoğun malzeme Daha düşük sinterleme sıcaklıkları Yüzey oksitlerinin oluşturulan kıvılcım plazma ile kolayca parçalanması Büyük boyutlu tozların, kompozitlerin ve yüksek alaşımlı malzemelerin sinterlenmesinde sıcak pres yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.

27 13 Literatür Basınç destekli sinterleme Sıcak pres 1 2 Gerilme destekli yoğunlaştırma olarak da tanımlanabilir. İşlem bir kalıp içerisinde tek eksenli bir sıkıştırma yapılarak uygulanır. En fazla kullanılan kalıplardan olan grafit indüksiyon ile ısıtmaya oldukça uygun malzemedir. Ancak ısıtma açısından avantajlı malzeme olmalarına rağmen kirlenme ve yüksek yüklerin uygulanamaması gibi dezavantajları da vardır. Grafitten başka molibden alaşımları gibi refrakter metaller, alumina ve SiC gibi seramiklerde kullanılır

28 13 Literatür Basınç destekli sinterleme Sıcak pres 1 2 Toz haldeki veya soğuk preslenmiş kütle kullanılacak kalıba yerleştirilir Kalıp istenen sıcaklığa rezistans veya indüksiyon ile ısıtılır Kalıp boşluğundaki toz sıkıştırılır Maksimum sıcaklığa ulaşılana kadar sıcaklık arttırılır Basınç ve sıcaklık bekleme süresi boyunca uygulanır Kalıp basınç altında oksidasyonun olmayacağı sıcaklığa kadar soğutulur.

29 13 Literatür Basınç destekli sinterleme Kıvılcım Plazma Sinterleme 1 2 Kıvılcım plazma sinterleme tekniği prensip olarak genellikle bir grafit kalıp ve zımbalar içerisinde bulunan metal veya seramik tozunun, yüksek akım yoğunluğundaki doğru elektrik akımı ile ısıtılması esasına dayanır. Üst ve alt zımbalardan kalıp boyunca akan akım eğer sinterlenecek toz malzemede iletken ise malzemenin içinden de akarak devre tamamlanmış ve SPS prosesi ile toz partikülleri arasındaki boşluklarda yüksek enerji akışı üretilmiş olur. Bu yöntem basınçlı veya basınçsız olarak gerçekleştirilebilir. Kıvılcım sinterlemede plazma kavramı, bir grafit kalıp içinde tozların ısıl işlemi sırasında oluşan anlık akımdan kaynaklanmaktadır. Sistemin iki elektrodu arasında boşluklar vardır ve yüksek enerjili plazma burada oluşturulur.

30 13 Literatür Basınç destekli sinterleme Kıvılcım Plazma Sinterleme 1 SPS, sıcak presleme tekniğine çok benzemektedir. Her iki yöntemde de silindirik bir kalıp (çoğunlukla grafit) tozlarla doldurulur. 2 Yine çoğunlukla grafit iticiler yoluyla sıcaklıkla eş zamanlı veya farklı aralıklarla bu toz kümesine tek eksenli bir basınç uygulanır. İki yöntem arasındaki fark ise yüksek ısı kaynağından gelmektedir. Sıcak preslemede ısı kalıp etrafından sağlanan rezistans ile gerçekleşirken, kıvılcım sinterlemede anlık doğru akım atımları ile (tipik olarak birkaç 1000 A ve birkaç V) gerçekleşir.

31 13 Literatür Basınç destekli sinterleme 1 2

32 4 1 Deneysel Çalışma SPS 1 2

33 14 Deneysel Çalışma SPS Numune Kodu 1 Sıcaklık ( o C) 2 Süre (dakika) Isıtma Hızı ( o C/dakika) Yoğunluk (%) T ,6 T ,3 T ,4 Geleneksel sinterleme 1120 C 30 dakika T ,3 T ,2 T ,5 T ,6 T ,2 T ,2

34 14 Deneysel Çalışma SPS sıcaklık etkisi 1 Numune Kodu Sıcaklık ( o C) 2 Süre (dakika) Isıtma Hızı ( o C/dakika) Yoğunluk (%) T ,6 T ,3 800 o C T ,4 T ,3 T ,2 T , o C % 15 fark T ,6 T ,2 T ,2

35 14 Deneysel Çalışma SPS ısıtma hızı etkisi o C/dak. Numune Kodu Sıcaklık ( o C) 2 Süre (dakika) Isıtma Hızı ( o C/dakika) Yoğunluk (%) T ,6 T ,3 T ,4 T ,3 T ,2 T ,5 200 o C/dak. % 2 fark T ,6 T ,2 T ,2 Isıtma hızı düşük sıcaklıklarda daha etkili!

36 14 Deneysel Çalışma SPS sinterleme zamanı etkisi Numune Kodu Sıcaklık ( o C) 1 2 Süre (dakika) Isıtma Hızı ( o C/dakika) Yoğunluk (%) T ,6 T ,3 T ,4 T ,3 T ,2 T ,5 T ,6 T ,2 T ,2