T.C. AKDENİZ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ÇELİK PARÇALARININ TOZ METALURJİSİ YÖNTEMİ İLE ÜRETİMİ VE ÜRETİM YÖNTEMLERİ.

Transkript

1 T.C. AKDENİZ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ÇELİK PARÇALARININ TOZ METALURJİSİ YÖNTEMİ İLE ÜRETİMİ VE ÜRETİM YÖNTEMLERİ Murat KUŞAY MAKİNA PROJE 2 MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ Antalya, 2014 GÜZ DÖNEMİ

2 T.C. AKDENİZ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ÇELİK PARÇALARININ TOZ METALURJİSİ YÖNTEMİ İLE ÜRETİMİ VE ÜRETİM YÖNTEMLERİ Murat KUŞAY Öğrenci No: İmza: Danışman: Doç. Dr. H. Erdem ÇAMURLU İmza: MAKİNE PROJE 2 MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ Antalya, 2014 GÜZ DÖNEMİ

3 ÖZET Bu tez çalışmasının amacı Çelik Parçalarının Toz Metalurjisi Yöntemiyle Üretimi dir. Teknolojik gelişim mevcut ileri aşamasının bir sonucu olarak, her bir belirli bir uygulama için özel olarak tasarlanmış belirli özellikleri olan malzemeler gerekmektedir. Aynı anda toz metallerin işlenmesinde rol değişkenlerin çok sayıda, araştırma çalışmalarının kapsamı sonsuzdur. Üretim teknolojisinde yeni gelişmeler ve rakiplerinden artan baskısı ile, üreticilerin müşterilerine ucuz, zamanında ve sürdürülebilir ürünler sunmak tek amacı ile teknolojinin ön planda olması gerekir. Toz metaller imalatı gelişmekte olan bir alan ve parlak bir geleceğe sahiptir. Elbette, Toz Metalurjisi, ideal süreci ve bazı dezavantajları vardır. Nispeten gibi yüksek maliyetli yatırımlar üretim ( fırınlarında, ölmez, toz sıkıştırma presleri vs... ). Toz metal parçalar otomobil parçaları, yapısal parçalar, filtrasyon sistemleri ve manyetik malzemerlerde vs. bulunur Toz metal parçaların doğasında gözenekliliği doğal sesi azaltan olarak özelliği vardır. Toz metal dişliler, özellikle, sinterleme işlemine iyi uygundur. Kendi dar toleranslar genellikle ikincil boyutlandırma işlemi gerektiren Burçlar ve rulmanlar gibi parçaları üretmek için ideal bir yöntemdir. Yumuşak manyetik malzeme şekillerin seçimi zor olan malzeme oluşturmak için genellikle zor olduğu gibi, metal tozu parçaları, manyetik özelliklere sahip parçalar için popüler bir seçimdir. Toz metal parçalar 2 farklı süreçlerde sinterleme ve metal enjeksiyon kalıplama yoluyla üretilir. Sinterlenmiş bronz parça ve sinterlenmiş çelik parçalar da dahil olmak üzere Sinter metal parçalar, daha sonra erime noktasının altında metal tozu ısıtılmasıyla yapılır ve şekiller halinde oluşturulur. Toz metaller artık oldukça uzun bir süre piyasada etrafında olmuştur. i

4 ABSTRACK The theme of this thesis study is Is the production of steel parts by powder metallurgy method. As a result of the current advanced stage of technological development, materials with particular properties designed especially for each specific application are required. With the large number of variables simultaneously involved in machining of powder metals, the scope of the research work is endless. With the new advancements in the manufacturing technology and the peer pressure from the competitors, the manufacturers need to be at the forefront of technology with the sole objective of providing cheaper, timely and sustainable products to their customers. Machining of powder metals is an emerging field and there is a bright future to it. Of course, the PM is not the ideal process and has some drawbacks. Like relatively costly investments in production equipment ( furnaces, dies, powder compaction presses and etc. ). Powder metal parts are found in automobile components, structural parts, filtration systems and magnetic assemblies. Powdered metal gears are particularly well-suited to the sintering process, as the inherent porosity of powder metal parts naturally dampens sound. Bushings and bearings are also simple to produce through this process, though their tight tolerances usually require a secondary sizing operation. Metal powder parts are a popular choice for parts with magnetic properties, as the soft magnetic material is usually difficult to form, limiting the choice of shapes. Powdered metal parts are produced through 2 different processes-sintering and metal injection molding. Sintered metal parts, including sintered bronze parts and sintered steel parts, are made by heating metal powder below its melting point then and formed into shapes. Powder metals have been around in the market for quite some time now. ii

5 İÇİNDEKİLER DİZİNİ Sayfa ÖZET ABSTRACK İÇİNDEKİLER DİZİNİ SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ ŞEKİLLER DİZİNİ i ii iii V Vi GENEL BİLGİLER 1 2. Malzemelerin Sınıflandırılması Çeliğin Malzeme Sınıfları İçerisindeki Yeri Ve Önemi Çelikler Çeliklerin üretim yöntemleri Toz Metalurjisi Metal Tozun Üretimi Bazı Çeliklerin Toz Üretimi ve Deneysel Çalışması Metal Tozlarının Genel Özellikleri Yağlayıcılar Ve Bağlayıcılar Toz Sıkıştırma Yöntemleri Sıkıştırmada Parçacık Şekil Değiştirmesi Sıkıştırmada Malzeme Özelliklerinin Etkisi Kalıpta sıkıştırma teknolojisi Pres Çeşitleri Haddeleme, Ekstrüzyon, Toz Enjeksiyon Kalıplama teknikleri Sinterleme Basınçsız Sinterleme Yöntemleri Çelik Parçaların Sinterlenmesi 38 iii

6 MATERYAL VE METOD 3.1. Uddeholm Soğuk İş Takım Çeliği Soğuk İş Takımını Etkileyen Faktörler Aşınma Korkmazçelik Toz Metalurjik Takım Çelikleri Ve Genel Özellikleri 48 KAYNAKLAR 51 İV

7 SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ MMK : Metal Matrisli Kompozit PMK : Polimer Matrisli Kompozit KS : Koordinayon Sayısı ɋ : Özgül Ağırlık PŞV : Plastik Şekil Verme SMK : Seramik Matrisli Kompozit D. Direnci : Darbe Direnci K. Direnci : Korozyon Direnci TM : Toz Metalurjisi TEK : Toz Enjeksiyon Kalıplama MEK : Metal Enjeksiyon Kalıplama SEK : Seramik Enjeksiyon Kalıplama PEK : Plastik Enjeksiyon Kalıplama SFS : Sıvı Faz Sinterlemesi GSFS : Geçici Sıvı Faz Sinterlemesi CPM : Curcible Particle Metallurgy Process PM : Powder Metallurgy V

8 ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil Sayfa 2.1. İmal edilmiş malzemelerin 2 gündelik hayatta kullanıldıkları alanlara örnekler Metalik toz işleme akış şeması Toz İşleme Aşamaları Çeşitli üretim teknikleri ile üretilmiş toz şekilleri Plazma destekli dönel elektrod sistemin şematik gösterimi Atomize Ti-6Al-4V tozlarına ait makro görüntü Ti-6Al-4V alaşımı (a) ve IF çeliği (b) için toz boyut dağılımları Atomize atomlara ait SEM görüntüleri Sinter çeliklerinde HPI tozları Preslenmiş ve sinterlenmiş HP1 sinter çelik parçaya ait mikroyapı, 17 sıklık-gözenek boyutu 2.10 HPI sinter çeliğine ait kırılma yüzey görüntüsü Toz sıkıştırma kalıp seti Kalıpta sıkıştırma çevrimi a) Aşırı sıkıştırma sonrası malzeme mikroyapısı b) Sıkıştırma sırasında kuvvet uygulanması sırasında deformasyon sayısı 23 c) Tetrakaidekahedron geometrisi 2.14 a) Üst bölgeler yüzeyde ortalama gözenek boyutu 12 μm, b) Yan yüzeyde ortalama gözenek boyutu 10 μm, 24 c) Alt yüzeyde ortalama gözenek boyutu 12 μm Vİ

9 Şekil Sayfa 2.15 Su atomizasyonu ile üretilmiş tozun sıkıştırma 25 sonrası mikroskobik fotoğrafı 2.16 Sıkıştırmada yoğunlaşmaya akma mukavemeti etkisi Alt zımba hareketine göre basıncın değişimi Sıkıştırılmış parçalardaki yatay çizgiler kademe kavramı Basit silindirik bir malzeme için kalıp seti Tozların Haddelenmesi Ektrüzyon yöntemi TEK Venn Şeması ile gösterimi MEK Üretim Şeması Sinterleme ile boyun oluşumu taramalı elektron mikroskobu görüntüsü Sinterlemede mikroyapı değişimi Boyun çapı X olan iki küresel parçacığın sinterlenme profili Sinterleme esnasında malzemedeki özelliklerin zamanla değişimi Basınçsız sinterleme yöntemleri Nikel-Alüminyum toz karışımı optik görüntüsü Toz Enjeksiyon Kalıplama ile üretim ,2 Uddeholm çelik Malzemede meydana gelen istenmeyen hatalar Aşınma 45 V

10 GENEL BİLGİLER 2. Malzemelerin Sınıflandırılması 2.1 Genel Tanım Kullanılabilir cisimler yapmak amacı ile doğal ya da yapay olarak üretilmiş maddelere malzeme denir [1]. Günümüzde birçok malzeme çeşidi bulunmaktadır Malzemeler birçok şekilde sınıflandırılabilir. Bunlardan birinde malzemeler iki guruba ayrılır: Metaller, Metal olmayan malzemeler. Gerek elektrik iletkenliği gibi genel kullanım özellikleri ve gerekse kaynak edilebilirliği gibi üretim yöntemlerine uygunluğu bakımından, malzeme seçiminde bu temel ayırım isabetli sayılır. Fakat atomlar arası bağ kuvvetleri ve diğer özellikler dikkate alındığı zaman, malzemeler 4 guruba ayrılabilir: Metaller, Seramikler, Plastikler, Kompozitler. Her bir ana gurubun birbirinden ayrılan karakteristik özellikleri çok belirgindir. Metaller, etkili olan metalik bağ kuvvetleri, iyi ısı ve elektrik iletkenlikleri ile ışığı yansıtabilme ve düşük sıcaklıklarda bile plastik deformasyon yetenekleri ile ön plana çıkarlar. Metallerin yoğunlukları 7 g/cm³ ün üstünde olup, saydam olmayıp opaktırlar. (Şekil 2.1.a). Seramikler ise, metal ve metal olmayan elementlerin oluşturduğu iyonik bağ ile bağlanmış bileşiklerdir. İyonik bağları sayesinde seramikler genel olarak elektrik direnci yüksek, çoğu zaman saydam, plastik şekil verilemez, sertliği ve korozyon dayanımı yüksek malzemelerdir (Şekil 2.1.b) Plastikler veya polimerler; genellikle metal olmayan elementlerden oluşan kovalent bağlı malzemelerdir. Ana element karbon olup, bunun yanında hidrojen ve Cl, F, O vs. bulunabilir. Elektrik özellikleri ve kimyasal dayanımları ile seramiklere benzeseler de sıcaklıkta şekil tutma yetenekleri, sertlikleri ve yoğunlukları düşüktür. Isıtıldıkları taktirde çok düşük sayılabilecek sıcaklıklarda sıvılaşır ve tekrar şekil verilebilir (termoplastikler) veya parçalanırlar (termosetler). Plastiklerin yoğunlukları çok düşüktür (2 g/cm³ ten azdır) (Şekil 2.1.c) Kompozitler ise, bileşik malzemelerdir ve farklı guruplardan veya aynı gurubun değişik malzemelerinden üretilmiş, değişik fazların özel yöntemler ile bir araya getirilmesi ile oluşan malzeme sistemidir (Şekil 2.1.d). Malzemelerin sınıflandırılması ve özelliklerinin karşılaştırılması Tablo 2.1 de gösterilmektedir. 1

11 Her mühendislik kendisinin en çok kullandığı malzemeleri ön plana çıkararak inceler. Örneğin makine mühendisi için demir esaslı metaller, elektrik mühendisi için Cu, Al, yarı iletkenler, tekstil mühendisi için metal olmayan malzemeler, inşaat mühendisi için de beton vs. en önemli malzeme olarak ön plana çıkabilir. O mühendislik gurubuna ait olan kişiler her malzemeyi, malzemenin ait olduğu kalite ve boyut standardına göre incelemek ve o malzemenin özelliklerine uygun işlemleri yapmak durumundadır. Şekil 2.1.a Şekil 2.1.b Şekil 2.1.c Şekil 2.1.d Şekil 2.1. İmal edilmiş malzemelerin gündelik hayatta kullanıldıkları alanlara örnekler. Sırasıyla metalik, Seramik, Polimer ve Kompozit malzemeler yer almaktadır. 2

12 Tablo 2.1. karşılaştırılması. Malzemelerin sınıflandırılması ve mekaniksel, fiziksel özelliklerinin Metaller (demir,çelik, nikel, çinko v.b) Plastikler (lastik,bakalit,pvc, yapıştırıcı v.b.) Seramikler (briket,cam,porselen,v.b. ) Kompozitler (beton,kerpiç,kontraplak, kemik,v.b.) Metalik bağ Kovalent bağ İyonik bağ Makro düzeyde birleşme Mukavemet yüksek Mukavemeti düşük Basma mukavemeti Mukavemet iyi (MMK) (Pb hariç) yüksek Mukavemet düşük (PMK) Isıl iletkenlik yüksek Isıl ilt. düşük Isıl ilet. düşük Değişken Elektrik iletk.yüksek Elek. İletk.düşük Elek. İletk.düşük Değişken Ks 8 Ks 4 Ks 6.. Özgül ağırlık yüksek Özğül ağırlık ρ plastic < Düşük (PMK) (ağır) düşük(hafif) ρ seramik < ρ metal Yüksek (MMK) PŞV yeteneği iyi PŞV var PŞV yet.yok PŞV yet. zayıf (termoplas.)-pşv yok (termoset) Sünek (Al) - Gevrek(W) Sünek(termoplas.)- Gevrek(termoset.) Sert, gevrek Sünek (MK)- Gevrek (SMK) D.Direnci yüksek D.Direnci yüksek D.Direnci düşük D.Direnci yüksek (PMK) (çelik)-düşük (Pb) Düşük (SMK) K.Direnci iyi K.Direnci iyi K.Direnci çok iyi K.Direnci iyi (PMK)- (pasl.çelik)-kötü (Fe) Kötü (MMK) Çeliğin Malzeme Sınıfları İçerisindeki Yeri Ve Önemi Bir başka açıdan baktığımızda metalik ve metalik olmayan malzemeleri aşağıdaki gibi de sınıflandırmak mümkündür ( Tablo 2.2 ) : 1. Metalik (madensel) malzemeler Demir esaslı metaller, Demir dışı metaller. 2. Metalik (madensel) olmayan malzemeler Organik malzemeler, Organik olmayan (İnorganik) malzemeler 3

13 Tablo 2.2 Çeliklerin mühendislik malzemeleri sııflandırması içerisindeki yeri Madensel Malzemeler Yer kabuğunun kimi bölgelerinde çeşitli iç ve dış doğal etkenler nedeni ile toplanan, ekonomik yönden değer taşıyan mineral bileşimine maden adı verilir. Bu özellikleri taşıyan her şey, madensel özellikleri üzerinde topladığından, madensel malzeme olarak adlandırılır. Üretimde kullandığımız tüm metaller, madensel malzeme gurubuna girer. Çünkü, her şeyden önce metallerin yapımında kullanılan filizler yer kabuğundan alınır. Bu filizler yer kabuğunun iç ve dış etkileri sonucu oluşmuştur. Diğer yandan metallerin bu guruba girmesinde en önemli etken; belirgin özellikleri olmasıdır. Bizler bunlara metalik özellikler demekteyiz. (Tablo 2.1.de) bahsedildiği gibi metalik özellikler şunlardır: Biçimlendirilebilirler. Ağırdırlar. Isı ve elektriği iyi iletirler. Her metalin kendine özgü bir rengi vardır. Oda sıcaklığında katı haldedirler (Cıva hariç). Kristal bir yapıya sahiptirler. Işığı geçirmeyip yansıtırlar. Metalik özellikleri taşıyan her malzeme metaldir. Metaller içerisinde belki de en çok kullanılanlardan biri, demir alaşımlı olanlardır. Yani iç yapısında demir metali ağırlıklı olarak bulunanlardır. Bundan ötürü madensel malzemeler, demir esaslı ve demir dışı olarak iki ana gurup içerisinde ele alınır.madensel malzemelerin çoğu, doğada saf olarak bulunmaz. Doğadaki bulundukları şekline filiz adı verilir. Bu filizler başka metal 4

14 filizleriyle birliktedir. Çeşitli işlemlerden geçirilerek, üretimde ihtiyaçlara cevap verecek niteliklere dönüştürülmesi sonucunda kullanılırlar. Ancak pek çok durumda tek bir metalin verdiği özellikler de yeterli olmaz. Endüstrinin sonsuz ihtiyaçlarına cevap verecek malzemeler geliştirme gereksinimi, metallerin tek başına kullanılmalarını sınırlamaktadır. Tüm bunlardan ötürü bir ya da birden fazla metalin bir arada bulunduğu yeni metallerin ortaya çıkması kaçınılmazdır. Bunlara genel olarak alaşım adı verilir. Bir alaşımı meydana getiren metallerden biri, diğerlerine oranla daha fazladır. Bir bakıma bu metal ana metal olarak düşünülmelidir. İşte demir esaslı metaller olarak ele alınan guruptakilerin iç yapısında ana metal olarak Demir Esaslı Metaller demir (Fe) bulunmaktadır. Demir esaslı metallere verebileceğimiz en önemli örnek çeliktir. Bir çok alt gurubu olan çelik, her an karşılaşabileceğiniz demir esaslı metallerden birini oluşturur. Çeliğin bile alt gurupları vardır. Örneğin; bunlardan biri olan paslanmaz çeliğin sadece 120 çeşidinin olduğu göz önüne alındığında, madensel malzemelerden demir esaslı olanlarının neden tek başına büyük bir guruba sahip olduğunu kolayca kavramış oluruz Demir Esaslı Alaşımlar Demir esaslı alaşımlar, demir elementinin ana element olarak yer aldığı ve diğer metal ve alaşımlardan daha fazla kullanılan malzeme gurubunu oluşturur.bu alaşımlardan özellikle mühendislikyapılarını oluşturmada yararlanılır. Bu derece yaygın olarak kullanılmaları şu faktörlere bağlanmaktadır: Demir içeren bileşiklerin yer yüzünde bol miktarda bulunması, Demir metalinin cevherden ayrıştırılması, arıtılması, alaşımlandırılmasıve imal edilmesi işlemlerinin göreceli olarak daha ekonomik bir şekilde gerçekleştirilebilmesi Demir alaşımlarına çok değişik aralıklarda mekanik ve fiziksel özellikler kazandırılabilmesi Çelikler Çeliğin Tanımı Ve Çelik Türleri Çelikler demirkarbon alaşımları olup, diğer bazı alaşım elementlerini de bileşimlerinde bulundurabilir.çok farklı bileşimde ve/ veya değişik ısıl işlem uygulamalarına tabi tutulmuşbinlerce çelik türü vardır. Çeliklerin m ekanik özellikleri içerdikleri karbon miktarından önemli ölçüde etkilenir ve karbon miktarı çoğunlukla % 1 in altındadır[2]. Çok kullanılanbazı çeliklerin düşük karbonlu, orta karbonlu ve yüksek karbonlu çelikler olarak da alt gruplara ayrılır (Çizelge 2.1). Çelikler içerdikleri diğer alaşım elementleri miktarına bağlı olarak da bazı alt gruplara ayrılırlar. Basit (yalın ) karbonlu çelikler, sadece karbon e az miktarda manganez içerirken alaşımlı çelikler, özellikle belirli miktarlarda ilave edilmiş olan diğer alaşım elementlerini de içerirler. 5

15 Çeliğin Genel Olarak Sınıflandırılması Ve Genel Üretim Yöntemleri : Çeliklerin incelenmesini kolaylaştırmak ve daha yakından tanımak için bazı ortak özellikler göz önüne alınarak çeşitli sınıflandırmalar yapılır. 6

16 Çeliklerin üretim yöntemleri Çelik üretiminde kullanılan başlıca önemli yöntemlerle, bu yöntemler sonucunda üretilen çelikler: Bassemer ve Thomas çelik yöntemleri. Simens Martin çelik üretim yöntemleri. Elektrik ark ve elektrik endüksiyon çelik üretim yöntemleri. Pota içerisinde çelik üretim yöntemleri. Oksijenli konverter çelik üretim yöntemleri. Vakum çelikler Toz metalurjik çelikler Kullanılma alanlarına göre çelikler Yapı çelikleri Takım yapım işleri Soğuk ve sıcak işlerde: Soğuk iş çelikleri Hızlı kesme işlerinde kullanılacak çelikler Yay yapımında kullanılacak çelikler Yüksek sıcaklıkların bulundugu ortamlarda kullanılacak çelikler Dış etkilere maruz yerlerde ve deniz ortamında kullanılacak çelikler Alaşım durumlarına göre çelikler Çeliklerde alaşımsız demek onun sadece demir elementinden ibaret oldugu anlamına gelmez. Tüm çeliklerde demirle birlikte karbon elementi bulunur.bunun dışında bir element yapıya girecek olursa alaşımlı çeliklerden söz edilir. Alaşım durumuna göre çelikler üç e ayrılır : Sade karbonlu çelikler Düşük ve orta alaşımlı çelikler Yüksek alaşımlı çelikler Ana katkı maddesine göre çelikler Burada çeliğe ana kütle içerisinde miktarı en çok element adını verir. Karbonlu çelikler Manganlı çelikler Kromlu çelikler Nikel çelikler Krom Nikel çelikler Volframlı çelikler 7

17 Vanadyumlu çelikler Dokusal durum ve metalografik yapılarına göre çelikler Burada ana kütleyi oluşturan yapı çeliğe adını verir. Ferritik çelikler Ferritik ve Perlitik çelikler Perlittik çelikler Östenit çelikler Mortenzitik çelikler Ledeburitik çelikler Beynitik çelikler Kalite durumlarına göre çelikler Kütle çelikler Kalite çelikler Soy(asal) çelikler Fiziksel ve kimyasal özelliklerine göre çelikler Isıya dayanıklı çelikler Manyetik çelikler Korozyona dayanıklı çelikler Paslanmaz çelikler Sertleştirme ortamlarına göre çelikler Su çeliği Yağ çeliği Hava çeliği Çeliğin genel olarak sınıflandırılması yapılmıştır, Çelikler üretim yöntemlerine, kullanım alanlarına, alaşım durumlarına, ana katkı malzemesine, kalite durumlarına, fiziksel ve kimyasal özelliklerine, sertleştirme ortamlarına göre sınıflandırılabilir.[3] Bu liste oldukça uzundur çalışmam gereği genel olarak toz metalurjisi ve toz metalurjisi yöntemiyle üretilen çelik parçalar, bu parçaların üretimi,özellikleri vs.. Üzerinde durmaya çalışacağım, genel olarak anlatacağım. 8

18 2.3. Toz Metalurjisi Genel Bilgi Toz metalurjisi (TM) metal veya seramik tozlarının üretimi ve bu tozların mekanik ve termik etkilerle birleştirilerek parça haline getirme işlemidir. Toz metalurjisi yöntemiyle parça üretimi günümüzde çok yaygın olarak kullanılmakta olup, giderek bilinen klasik üretim yöntemlerine alternatif olmaktadır. TM yöntemiyle üretilmiş toz metal parçalardan, bakır, demir, alüminyum esaslı malzemeler endüstride yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu malzemeler üretim sonunda hiçbir talaşlı işlem gerektirmeden son ürünün şeklini alması, kendinden yağlama özelliği olması nedeniyle yatak malzemesi olarak ve ayrıca tıp vb. endüstri uygulamalarında kullanılabilmesi açısından önem teşkil etmektedir. Modern bir imalat yöntemi olan Toz Metalürjisi ; ileri teknoloji malzemelerinin üretilmesine çok uygun ve küçük parçaların çok sayıda ve ekonomik üretimini sağlayan önemli bir teknolojidir. Toz Metalürjisi, "son şekle yakın üretim" süreçleri olarak sinterleme, sıcak presleme, sıcak izostatik presleme, toz metal enjeksiyonu, nano-parçacık teknikleri, mekanik alaşımlama gibi konularla sürekli büyüyen bir pazara hitap eden yüksek teknolojilerden birisidir. Çok karmaşık şekilli ürünlerin elde edilmesinde uygulanan ileri bir teknolojidir. Toz metalurjisi metal tozlarının uygun basınçlarda preslenmesi ve sonrasında fırınlanmasından oluşan parça üretim yöntemidir. Bu yöntem, parçaların direkt olarak şekillenmesini sağlayan bir teknolojidir. Karıştırma, presleme, sinterleme ve sinterleme sonrası işlemlerden oluşur (Şekil 2.2.). Bu yöntem, aynı zamanda mekanik ve termik etkilerle birleştirilerek parça haline getirme işlemidir. Bu yöntemde işlem sırası toz şeklindeki malzemelerin preslenerek ön şekillendirilmesi, yüksek sıcaklıklarda ve koruyucu atmosfer ortamında sinterlemeden oluşur. Sinterleme sırasında preslenmiş tozlar yayınma ile bağlanarak parçanın dayanımının artması sağlanır. Başka bir açıdan, toz metalurjisi kompozit malzeme üretim yöntemlerinden biridir. Kompozit malzeme üretiminde ana kütleyi oluşturan matris, sürekli, süreksiz, elyafla yada toz taneleri bir güçlendirici ile takviye edilir. Toz metalurjisinin en önemli avantajlarından biri karmaşık şekilli parçaların üretimine elverişli olmasıdır. Bu yöntem net şekle yakın boyutlarda parça üretimine uygun bir teknolojidir. Bunun yanında üretimden sonra da talaşlı işleme ve ısıl işleme elverişlidir. Ayrıca, ilave edilen tozlarla ve bazı ısıl işlemlerle talaşlı işleme ve mekanik özellikler iyileştirilir. TM sıvı fazda hiç çözünmeyen elementlerden mekanik alaşımlama ile yüksek dayanımlı parça üretimine imkan verdiği gibi, mıknatıs, filtre, kesici takım uçları, kontaktörler, kendinden yağlamalı yataklar vb. birçok özel doku ve yapıdaki parçalarında en uygun üretim yöntemidir. Bu çalışmada, toz metalurjisinin üretim, karakterizasyon, karıştırma, presleme, sinterleme aşamaları ve kullanım alanları 9

19 belirtilmiştir. TM farklı boyut, şekil ve paketlenme özelliğine sahip metal tozlarını sağlam, hassas ve yüksek performanslı parçalara dönüştürür. Bu işlem; şekillendirme veya presleme ve daha sonra parçacıkların sinterleme yolu ile ısıl bağlanması basamaklarını içerir. TM nispeten düşük enerji tüketimine, yüksek malzeme kullanımına ve düşük maliyete sahip otomatikleşmiş işlemleri verimlice kullanır. Sahip olunan bu özellikler ile TM verimlilik, enerji ve hammadde gibi günümüz kaygılarını ortadan kaldırır. Bunların sonucu olarak, TM konusu sürekli gelişmekte ve geleneksel metal şekillendirme operasyonlarının yerini almaktadır. Toz metalurjisi bilinen en eski metal şekillendirme yöntemidir. TM yöntemi ile tarihsel süreçte, altın tozları ile mücevher yapımı, Rusya da tedavüle çıkarılan platin para, Gözenekli gereçler, mıknatıslar ve emdirilmiş demir tozu parçalar bu yıllarda üretilmiştir.,bakır esaslı kendi kendini yağlayan yataklar, demir ve çelik tozlarından üretilen dişliler, kamlar, dövme çelik parçalar, takım çelikleri, yayılma sertleştirilmiş bakır ve izostatik preslenmiş süper-alaşımlar gibi tam yoğun TM yöntemi ile üretilmiştir. Ergitme yöntemlerinin gelişmesiyle bakır, gümüş ve demir gibi metallerin şekillendirilmesinde TM yöntemi önemini kaybetmiştir. Ancak platin gibi refrakter metallerin elde edilmesinin tek yolu TM yöntemidir. Şekil 2.2. Metalik toz işleme akış şeması [4] 10

20 Şekil Toz İşleme Aşamaları Metal Tozun Üretimi Metal tozun üretimi birçok teknikle gerçekleştirilir. Burada amaç toz üretimini belirli şekil ve boyut dağılım aralığında, herhangi bir kirlenme içermeksizin üretmektir. Bu aşamada toz karakterizasyonu bir sonraki üretim kademeleri açısından önemlilik arz eder. Kontrollü bir başlangıcın, istenen kalitede parça üretimini sağlayaması kaçınılmazdır. Tozun şekil ve boyut özellikleri ön-hazırlama aşamasında iyi bir harmanlama veya karışım oluşumu açısından önemli rol oynarken özellikle presleme esnasında homojenlik, iyi sıkıştırabilirlik ve yüksek ham yoğunluk kazandırılması açısından kontrol edilmesi gereken kavramlar olarak düşünülmelidir. Tüm bunların ötesinde sinterleme aşamasında ilk kademelerin optimizasyonun sağlanması ile arzulanan seviyede mekanik, fiziksel ve kimyasal özelliğe sahip parça üretimi gerçekleştirilmiş olacaktır [4]. Şekil 2.3, çeşitli yöntemlerle üretilmiş toz şekillerini örneklemektedir [5]. 11

21 Şekil 2.3. Çeşitli üretim teknikleri ile üretilmiş toz şekilleri [4] Hazırlama veya karışım sırasında bağlayıcı türü ve miktarı ile özellikle uygulanan presleme tekniği, presleme sıcaklığı ve basıncı önemli parametrelerdir. Sinterleme, atomistik konumda bağ yapısının oluşumu ve nihai mukavemetlerin parçaya kazandırıldığı aşama olması nedeniyle prosesleme açısından oldukça önemlidir. Bu anlamda sinterleme sıcaklığı ve süresi bir diğer önemli parametredir [6]. Parça geometrisi söz konusu iken toz metalurjisi konvansiyonel üretim tekniklerine göre çok çeşitli avantajlar sunmaktadır. Bunların başında kompleks şekilli, yüksek toleranslı ve ergitilerek şekillendirilmesi zor parçaların üretimini avantajlı kılması gelir. Mekanik özellikleri göz önüne alacak olursak pres ve sinter sonrası gözenek dağılımının muhakkak kontrol edilmesi gerekmektedir. Gözenek türü ve dağılımı açısından üretim kademelerinin her biri kendince önemlidir. Toz şekli, boyutu ve dağılımı, presleme tekniği ve basıncı, ısıl ortam, sıcaklık ve zaman gibi parametreleri de kapsayan çok fonksiyonlu bir üretim nihai ürüne giden yolu açacaktır [7]. 12

22 Bazı Çeliklerin Toz Üretimi ve Deneysel Çalışması Çalışma esas itibari ile toz metalurjik işlemleme ve üretim kademeleri ile bu kademeler açısından önemlilik arz eden parametrelerin örneklendirilmesini içermektedir. Çok fonksiyonlu işlem kademelerinin uygun şartlar altında sağlanması sonucu homojen dağılımlı bir mikroyapıya ve bunun sonucu kullanım açısından iyi performanslara sahip parçaların üretimini sağlayacak kavramlar üzerinde durulacaktır. Deneysel çalışmada çoğunlukla temiz ve reaktif yüzeye sahip, oksidasyon seviyesi oldukça düşük, küresel ve belirli bir boyut aralığında bulunan ve yeralan plazma destekli dönel elektrod yöntemi ile üretilmiş tozlar üzerinde çalışılmıştır. Şekil 2.4, bu üretim sistemini şematik olarak göstermektedir. Atomize edilecek anot çubuk ile yüksek sıcaklık performasına sahip katot arasında uygulanan gerilim sonucu bir ark oluşturulur. Anodun kendi ekseninde ön-belirlenen hıza bağlı olarak dönmesi, yüzeyde sıvı film tabakasının oluşumu ve dönme ile birlikte tabakanın parçalanması söz konusudur [8]. Üretim sonrası toz karakterizasyonu gerçekleştirilmiş olup prosesleme kademeleri üzerine etkisi irdelenecektir. Preslenmiş ve sinterlenmiş nihai parçalar üzerinde hem mikroyapısal hem de fraktografik etüdler yapılarak toz metalurjik prosesleme kademelerinde gerçekleşen mekanizmalara olan etkiler üzerinde durulmuştur. Şekil 2.4 Plazma destekli dönel elektrod sistemin şematik gösterimi. Şekil 2.5 de PREP ile son derece temiz olarak üretilen Ti6Al4V esaslı tozlara ait bir makro görüntü sunulmuştur. Santrifüj atomizasyonu sürecinde rotasyonda bulunan silindirik çubuğun alnında ark nedenli oluşan sıvı film tabakasının merkezkaç kuvvetleri ile savrulması sonrası kopan ergiyik parçacıkları hazne içerisinde yer çekim kuvvetlerinin katkısı ile katılaşana kadar yüzey gerilimleri altında küreselleşme eğilimi göstermektedir [9]. Çoğu uygulama açısından küresel tozlar arzulanmaktadır. Bunun birincil nedeni ise geometrik olarak kürenin hacim başına maksimum bir yüzey alanına sahip olması ve özellikle gerek presleme gerekse de sinterleme kademelerinde toz-toz temasının homojen 13

23 ve çok yönlü olmasıdır. Özellikle plasma destekli dönel elektrot yönteminde rotasyon hızı nihai toz boyut ve boyut aralığını doğrudan etkilemektedir. Artan rotasyon hızına bağlı olarak toz boyutları azalmaktadır [10]. Toz metalurjisinde başlangıç toz boyut dağılımı önemli bir parametre olup akışkanlık, sıkıştırabilirlik, atomistik bağ oluşumu ve bunlara ek olarak nihai mekanik özelliklerin belirlenmesinde önemlilik arz etmektedir. Toz üretiminin ardından üretim koşullarındaki parametrelere bağlı olarak değişen boyut ve boyut dağılımlarının belirlenmesi amacıyla pratikte elek analizi yapılmaktadır. Bu analiz sonuçlarına göre de tüm toz boyut dağılım eğrileri log-normal bir yaklaşımla histogramlar olarak değerlendirilir. Şekil 2.5. Atomize Ti-6Al-4V tozlarına ait makro görüntü. Şekil 2.6 de yine aynı yöntemle üretilen Ti6Al4V alaşımı ve IF çeliği (intersititial free; ppm seviyesinde karbon içeren manganlı yalın çelik) için toz boyut dağılımları verilmiştir. 14

24 Şekil 2.6. Ti-6Al-4V alaşımı (a) ve IF çeliği (b) için toz boyut dağılımları. Tozun sahip olduğu alaşım kimyası doğrultusunda katılaşması ve buna ait karakteristik oluşumlar da önemlidir. Heterojen çekirdeklenme açısından oluşuma yönelik serbest enerji gereksinimi, homojen çekirdeklenmeye (yüksek soğuma hızı koşullarında) kıyasla daha düşük olup, yapı içerisinde varolan ve çoğunlukla empürite olarak kabul gören yöreler ideal çekirdeklenme yöreleridir. Şekil 2.7.a da küresel ve görünen kısmı ile birkaç tane sayısına sahip Ti6Al4V toz örneği verilmiştir. Tozların katılaşma esnasında birbirleri veya hazne ile olan temasları sonrasında yüzey deformasyonlarına sahip olmaları kaçınılmazdır. Şekil 2.7.b de bu tür bir oluşum örneklendirilmiştir. Çoğu malzemede olduğu gibi toz yüzeyinde de bulunan pürüzlülük gibi süreksizlikler uygulamaya bağlı olarak istenmemektedir. Bu tür pürüzlülüğe sahip bir tozun özellikle presleme kademesinde kalıba olan akışkanlığı mekanik kilitlenmelerden dolayı azalacaktır [4]. 15

25 Şekil 2.8.a da ise sinter çelik parçalarında kullanılan HP1 (% 2.0 Cu, % 1.5 Mo ve % 4.0 Ni) tipi tozlara ait bir SEM görüntüsü verilmiştir. Daha sonrasında bu tozlar % 0.8 UF4 grafit ve % 0.5 çinkostearat ile karıştırılmıştır. Uygun toz karışımları yaklaşık 400 MPa basınçta çift eksenli olarak yoğunlaştırılmış ve ham yoğunluktaki parçalar sintersertleştirme fırınına yüklenerek 1120 ºC de yaklaşık 30 dakika sinterlenmiş parçaların preslenmesi aşamasında parça kesit boyunca homojen olmayan pres yüklerinin bir sonucu olarak basınç gradyentleri oluşmaktadır. Bu ise toz-toz etkileşimi açısından bir heterojenliği ifade etmekte olup mikroyapı açısından gözeneklerin oluşumuna neden olacaktır. Parça kenar ve merkez arası farklı basınç gradyentlerinden dolayı gözenek tipi, boyutu ve sıklığı değişkenlik gösterecektir. Eşdeğer koşullarda parça sinterleme ısıl işlemine maruz kalsa bile genelinde var olan bu heterojenlik nihai ürüne doğrudan yansıyacaktır. Şekil 2.8.b de siyah çukurcuklar gözenekleri gösterirken matriksin tipik bir martenzitik yapı oluşturduğu açıktır. Şekil 2.9 da parçanın kenar ve merkez kesitinden alınan parlatılmış görüntü örneğinde gözlenmektedir. Diğer taraftan sıklık-gözenek gözlemlenene paralel olarak özellikle kenarda görülmektedir. 16

26 Tozun üretimi sonrasında sahip olduğu karakteristik özellikler açısından presleme ve sinterleme koşulları da önemlilik arz etmektedir. Presleme basıncı veya kullanılan sistemin yetersizliği ve bunun sonrasında uygulanan sinterleme açısından zaman-sıcaklık-atmosfer parametrelerinin uygun seçilmemesinin bir sonucu olarak nihai parçadan beklenen performansı saptayan tüm özellikler düşmektedir. Şekil 2.10 da verilen HP1 çeliğine ait kırılma yüzey görüntüsü bu duruma güzel bir örnek teşkil etmektedir. 17

27 Şekil 2.9. Preslenmiş ve sinterlenmiş HP1 sinter çelik parçaya ait mikroyapı, sıklık-gözenek boyutu Kırılma yüzey görüntüsünden de görüldüğü üzere matriksi ile tam bağ kuramamış bir toz tanesi çeliğin gerçekte mekanik özelliklerini doğrudan kötüleştirecektir. Kendisini çevreleyen boşluklar ideal çatlak çekirdeklenme görevini üstlenecek ve herhangi bir yüklenme altında parçanın hasara uğramasına neden olacaktır. Bağlantının oluştuğu kısıtlı alanlar tok bir kırılma karakteristiği sergilemektedir Metal Tozlarının Genel Özellikleri Tablo 2.3. de belirtilen pek çok özellikten genel olarak kullanılacak tozların kimyasal bileşim, presleme yoğunluğu akıcılık, tane büyüklüğü ve tanelerin boyut dağılımı ve ayrıca preslenebilirlik özelliklerinin bilinmesi toz metal parça üretimi için yeterli olacaktır. 18

28 Tablo 2.2. Metal tozlarının genel özellikleri Yağlayıcılar Ve Bağlayıcılar Toz sıkıştırma esnasında, toz tanecikleri arasındaki sürtünmeyi ortadan kaldırarak tozların akıcılığını artırmak ve şekillendirme de meydana gelen enerji kayıplarını azaltmak ve tozun sıkıştırılabilirliğini arttırmak için, toz içerisine belirli oranlarda katılan maddelere yağlayıcılar denir. Presleme esnasında toz tanecikleri ve kalıp iç duvarları arasındaki sürtünme olayı, sıkıştırma basıncının artmasına ve kalıbın aşınmasına sebep olur. Ayrıca oluşan sürtünme kuvveti, presleme ile şekillendirilmiş parçanın kalıp içerisinden çıkarılması esnasında parçanın katı halini muhafaza etmesini olumsuz yönde etkilemektedir. Çinko stearat, alüminyum stearat, lityum stearat, magnezyum stearat, kalsiyum stearat, stearik asit ve grafit en çok kullanılan yağlayıcılardır. Yağlayıcılardan, stearik asit ve metal stearatlar ergime noktası düşük organik bileşiklerdir. Belli başlı yağlayıcılar ve bunların kimyasal formülleri ile ergime ve buharlaştırma sıcaklıkları Tablo 2.3 de verilmiştir. 19

29 Yağlayıcılardan farklı olarak bağlayıcılar, preslenmiş kütlenin ham dayanımı arttırmak üzere toz halinde iken katılırlar. Bağlayıcı ; tozu istenilen geometriye sokmak ve o şekli sinterlemeye kadar muhafaza etmek için geçici olarak ilave edilen maddelerdir. Sert toz taneleri için bağlayıcının rolü, kusursuz bir son şekil elde etmede yağlayıcının etkisinden daha fazla bir etkiye sahiptir. Ucuz olmaları ve ısıl ergimelerinin düşük olması nedeniyle genelde mum benzeri polimerler kullanılır. Bu bağlayıcılar eğer uygun seçilmiş ise kolay dağılmama, kararlı viskozite, tozlara yapışma ve şekillendirilmiş parçalara iyi dayanım sağlama gibi önemli özellikleri vardır. Bağlayıcılar, ekstrüzyon, enjeksiyon kalıplama da büyük fayda sağlarlar. Yaygın olarak kullanılan bazı bağlayıcılar ve kullanıldığı üretim yöntemleri örnek olarak Tablo 2.4. de verilmiştir [11]. 20

30 Toz Sıkıştırma Yöntemleri Toz sıkıştırma yöntemleri ile elde edilen şekil ürünün son şekli olduğundan sıkıştırma yöntemleri mekanik özellikler üzerinde birinci derecede etkilidir. Toz şekillendirme de kullanılan birçok yöntem vardır. Bunlar aynı veya farklı bileşimlere sahip tozları, bağlayıcıları, yağlayıcıları ve sıkıştırma sistemlerini bir arada bulundurur. Toz şekillendirme teknolojisi pek çok durumda dört basamaktan oluşur. Bunlar ; Tozların belirli bir geometriye sahip kalıplara doldurulması Bir basınç altında soğuk, sıcak veya yarı sıcak durumda sıkıştırılması Bağlayıcının uzaklaştırılması Ham ürünün sinterlenmesi Süreçlerini kapsar. Bu basamaklardan toz sıkıştırma yöntemleri yaygın olarak beş farklı teknikten oluşmaktadır. Bu teknikler ; 1. Presleme 2. Haddeleme 3. Ekstrüzyon 4. İzostatik Presleme 5. Toz Enjeksiyon Kalıplama, teknikleridir. Tozlar basınç uygulandığında; önce parçacıklar birbiri üzerinden kayarak ve daha sonra ise yüksek basınçlarda parçacığın şekil değiştirmesiyle yoğunlaştırılırlar. Yoğunluk artması düşük basınçlarda önce hızlıdır, fakat gözenekler kapandıkça toz, yoğunlaşmaya karşı artarak direnç gösterir. Sıkıştırma için parçacık sertliği önemli bir parametredir (Şekil 2.10). Şekil Sıkıştırmada basıncın etkisi Toz görünür yoğunlukta başlar ve her bir parçacık 4-6 komşusu ile temastadır. Bu aşamada tozun herhangi bir bağ mukavemeti yoktur. Basınç uygulandıkça parçacıklar 21

31 yerleşir, şekil değiştirir ve bağ oluşturur. Şekil değiştirme parçacıkların sertliğini artırdığından sıkıştırmayı devam ettirmek için daha yüksek basınç gerekir. Neticede malzeme geri dönüşü olmayan bir noktaya kadar sertleşir. Çok sert ve çok yumuşak tozlar daha düşük basınçlarda sıkıştırılır. Kalıp, tozun doldurulup sıkıştırılacağı boşluğu temin eder.. Dolum sırasında alt zımbanın bulunduğu durum doldurma konumu olarak tanımlanır ve kalıbın içine ne kadar toz dolumu yapılacağını belirler. Toz, kalıp boşluğuna doldurma pabucu vasıtasıyla doldurulur. Tozun akışında oluşabilecek herhangi bir değişiklik basılacak parçayı etkiler. Doldurma sonunda, sıkıştırma sırasında tozun kalıp merkezinde olması için alt zımba daha alt noktaya çekilir. Yoğunlaştırma, zımbaların kuvvet altında kalıp merkezine doğru hareketiyle oluşur. Sonunda, üst zımba geri çekilir ve alt zımba parçayı iterek çıkartır. Ayrıca, parça içinde delik oluşturmak için zımbaların içine yerleştirilmiş maça çubukları bulunabilir ( Şekil 2.11). Sıkıştırılmış toza ham parça adı verilir. Preslenme sonrası yoğunluk ham yoğunluk, preslenme sonrası mukavemet ise ham mukavemet olarak adlandırılır. Basıncın alt ve üst zımbaların her ikisinden de yapıldığı işleme çift hareketli presleme denilir. Eğer basınç tek bir zımbadan uygulanırsa parça yoğunluk açısından daha az homojendir ve bu işleme tek hareketli presleme denilir. Preslemeden sonra, ham parça kalıbın içinde mekanik olarak kilitlenmiş durumdadır. Parçayı kalıptan çıkartacak kuvvete çıkartma kuvveti denir. Burada yağlayıcı çok etkilidir. Yağlayıcı etkisi arttıkça hem çıkartma kuvveti, hem de kalıp aşınmaları azalır (Şekil 2.12). 22

32 Kalıpta sıkıştırmada pek çok yöntem vardır: Sert ve yumuşak kalıplar kullanılması, Kalıbın ve tozun ısıtılması, Tozun veya yalnız kalıbın yağlanması ve uygulanan üst basıncın, gerinim hızının veya basınçta bekleme zamanının değiştirilmesi Sıkıştırmada Parçacık Şekil Değiştirmesi Tozların çoğu sert ve yumuşak aşırı uçlar arasındadırlar. Parçacıklar kalıp içine dolduruldukları zaman düşük temas sayıları vardır. Bu temas noktaları basınç uygulaması ile deformasyona uğrayarak parçacıkların birbirlerine yaklaşmalarına fırsat verir. İlave olarak, boşluklar kapandıkça yeni temas noktaları oluşur. Dolayısıyla yoğunlaşma, koordinasyon sayısında ve temas deformasyonunda artmaya yol açar. Preslemeden sonra, sinterlemeden önceki mukavemet ham mukavemet olarak adlandırılır. Ham mukavemet, ham parçanın bükülmesi ve en yüksek gerilmenin ölçülmesi ile belirlenir ve genel olarak 20 MPa dan düşüktür. Ham mukavemet koordinasyon sayısı, temas büyüklüğü, kısmi yoğunluk ve parçacıkların temas kalitesine bağlıdır. Sıkıştırma sırasında, kuvvet daha fazla parçacıklara dağıldıkça koordinasyon sayısı artar. Buna bağlı olarak, ham yoğunlukta artış için daha fazla basınç gereklidir. Tozun gevşek durumunda koordinasyon sayısı tipik olarak 4-6 arasında başlar. Tam yoğunlukta koordinasyon sayısı 14 değerine yaklaşır ve parçacık bir tetrakaidekahedron geometrisine dönüşür (Şekil 2.13). Sıkıştırma aşamaları düşük basınçlarda (0,03 MPa dan daha düşük) parçacıkların yer değiştirmesiyle başlar ve az bir yoğunlaşma meydana gelir. Daha sonra sünek parçacıklar yaklaşık 100MPa basınçta deformasyona maruz kalarak görünür şekil değişikliğine uğrar. Sert fakat sünek malzemeler 1 GPa aşan çok yüksek basınçlarda preslenir. Yüksek basınçlar, kuvvetli ve sert olan alaşımlı tozların - paslanmaz çelikler, manyetik alaşımlar, takım çelikleri ve 23

33 kompozitler - preslenmesi için gereklidir. Küçük parçacıklar hariç, bu basıncın üzerinde sıkıştırma çok faydalı değildir. Şekil 2.13 a) Aşırı sıkıştırma sonrası malzeme mikroyapısı b) Sıkıştırma sırasında kuvvet uygulanması sırasında deformasyon sayısı c) Tetrakaidekahedron geometrisi Parçacıklar sert veya kırılgan ise veya aşırı basınç altında kalırlarsa sıkıştırma sırasında parçalanırlar. Parçalanma şeker, tuz, kömür ve bazı seramiklerin preslenmesinde oluşur. Küçük parçacıklar sert olduklarından ve sıkıştırma sırasında hızlı sertleştiklerinden dolayı sıkıştırmaları daha zordur. Bazı nano ölçekli tozlar 4,5 GPa gibi çok yüksek basınçlarda preslenmelerine rağmen teorik yoğunluğun ancak %5-6 civarında görünür yoğunluğa ulaşırlar. Basınç kaldırıldığı zaman preslenmiş parça genleşir ve bu olay geri yaylanma olarak bilinir. Parçanın genleşmesi, çıkartma işleminden sonra kabın içine tekrar girmemesinden açık olarak anlaşılmaktadır. Geri yaylanma sıkıştırma basıncının karesiyle orantılı olup, tipik olarak % 0,2-0,4 arasındadır. Sinterlemeden sonra beklenilen ölçülerin elde edilebilmesi için bu boyutsal değişim presleme kalıbı tasarımında göz önüne alınmalıdır Kalıp Yüzeyi Sürtünmesi Kalıpla sıkıştırmada en önemli zorluklardan biri kalıp yüzeyinde oluşan sürtünmedir. Bu sürtünme ham parçanın kolay çıkartılmasını engellediği gibi aynı zamanda yoğunluk 24

34 farklılıklarının oluşmasını sebep olur. Zımbanın toza karşı olan hareketi kar küremeye benzer; zımbaya yakın olan yerler yoğundur, ancak uzaklardaki tozlar etkilenmemiştir. Bu mesafeye bağlı basınç sönümünün sebebi tozun kuvveti kalıp çeperlerine sürtünme olarak yaymasıdır. Basınç ham yoğunluğu belirlediği için, basınç farklılıkları yoğunluk farklarını meydana getirir. Fe-2Cu-0.8C den üretilmiş parçanın sinterlemeden sonra çeşitli bölgelerindeki yüzey gözeneklerini (siyah) gösteren üç mikroyapı fotoğrafı (Şekil 2.14) de verilmiştir. Şekil 2.14 a) Üst bölgeler yüzeyde ortalama gözenek boyutu 12 μm, b) Yan yüzeyde ortalama gözenek boyutu 10 μm, c) alt yüzeyde ortalama gözenek boyutu 12 μm Sıkıştırmada Parçacık Etkisi Sıkıştırılabilirlik, preslenme sırasında görünür yoğunlukta ham yoğunluğa değişmedir ve genellikle 550 Mpa gibi sabit bir basınçla ölçülür. Parçacık boyutu sıkıştırılabilirliğin önemli bir faktörüdür. Küçük parçacıkların görünür yoğunluğu düşüktür, genellikle serttir ve sıkıştırma sırasında hızlı iş sertleşmesine uğrar. Bu sebeplerden dolayı preslenmeleri daha zordur. Kalıpta presleme ile yüksek ham yoğunluğa sıkıştırılabilecek şekilde tasarlanmış tozlar genelde yumuşak ve büyüktür. Küçük tozlar sıkıştırılmaya direnç gösterir, bundan dolayı nano ölçekli tozların sıkıştırılabilmeleri çok zordur. İç yapılarında gözenek bulunan sünger tozlar, içlerindeki gözenekleri direnç göstermesinden dolayı zor sıkıştırılırlar. Aynı zamanda, küçük ve sünger tozlar kalıptan çıkartması sırasında daha fazla yaylanma yapacağından çatlak oluşum ihtimali fazladır. 25

35 Şekil 2.15 Su atomizasyonu ile üretilmiş tozun sıkıştırma sonrası mikroskobik fotoğrafı Ham mukavemet bağlayıcıdan veya parçacıkların temasından oluşur. Eğer parçacıklar yumuşaksa, bunlar temas noktalarında sıvanarak bağ meydana getirirler. Yüzeylerinde kirlilik bulunan tozların filmini kırmak için daha yüksek sıkıştırma basıncına ihtiyaç vardır. Düzensiz yapıdaki tozlar yüksek ham yoğunluğa sıkıştırıldığı zaman, parçacıklar soğuk kaynak olur ve mekanik olarak kilitlenir. Sıvama ve kilitlenme her ikisi de daha yüksek ham mukavemete katkıda bulunur. Yuvarlatılmış fakat düzensiz şekildeki parçacıklar daha iyi ham mukavemet verir. Bunlarda sinterlemeden sonra bahsedilebilir bir mukavemet değerine ulaşır. Bundan dolayı, özellikle sert tozlarda ham mukavemeti arttırmak için polimer bağlayıcılar sıklıkla kullanılır Sıkıştırmada Malzeme Özelliklerinin Etkisi Yüksek sertlik tüm sıkıştırma basınçlarında ham yoğunluğu düşürür. Genellikle parçacık sertliği malzeme mukavemetiyle artar. Hatta güçlü olan sünek malzemeler dahil sıkıştırmaya direnç gösterir. Alaşımlama mukavemeti artırır, fakat sıkıştırabilirliği azaltır. Şekil 2.16 da sıkıştırma basıncının akma mukavemetine göre normalize edilmesi ile, değişik metal tozlarına ait verilerin birbirine yaklaştığı görülmektedir (Veriler : Richard Henkel) Karbon mukavemet için arzu edilir, ancak bir alaşım elemanı olarak sıkıştırılabilirliğin azalmasına sebep olur. Dolayısıyla sinterlenmiş çeliklerlerde kolay sıkıştırılmayı sağlayabilmek için karbon grafit olarak demir tozuna karıştırılır ve sinterleme sırasında demir içerisinde çözünerek çelik oluşumu sağlanır. Diğer taraftan, kromun sıkıştırılabilirliğe daha az etkisi vardır ve genel olarak demir içerisine ön alaşımlaması yapılır. Bu sebeple sıkıştırılabilirlikten endişe edilen durumlarda genellikle karışım tozlar preslenir ve sinterleme parçacıkların birbirlerine nüfuz ederek alaşım oluşumu için 26

36 kullanılır. Sert ve yumuşak parçacıkların karışımı orta derece sıkıştırabilirlik gösterir. Az miktarlarda sert parçacıkların sıkıştırmaya etkisi düşüktür. Fakat sürekli iskelet oluşturmaya yetecek miktarda sert parçacıklar olduğu zaman sıkıştırabilirliği ciddi derecede etkiler. Sıkıştırılabilirliği iyileştirmek için bir bağlayıcı ilavesiyle sert parçacıklar topaklanarak granül haline getirilir. Bu granüller orta basınçta sıkıştırılır. Granüller deforme olur fakat parçacıklar deformasyona uğramaz. Sıkıştırılmış kütlede parçacıklar teorik yoğunluğu %55-60 oranındadır ve bağlayıcı gözeneklerin çoğunu doldurduğu için ham mukavemet sağlamış olur Kalıpta sıkıştırma teknolojisi Sıkıştırma; toz karışımı, yağlayıcı ve yağlama tekniği, basınç uygulama tekniği, kalıp tasarımı ve pres ile ilgili kararları içerir Yağlamanın Önemi Presleme ve kalıptan çıkartma sırasında kalıp duvarları ile toz arasında oluşan sürtünme, yoğunluk farklılıkları ve kalıp aşınmasına sebep olur. Sıkıştırma basıncı arttıkça parçanın kalıptan çıkması çıkartılması güçleşir ve kalıp aşınmasını azaltmak için yağlayıcılar gereklidir. Polimer yağlayıcılar parçacık yapılıdır ve sıkıştırmadan önce tozla karıştırılır. Bir başka yöntem ise sıkıştırma çevrimleri arasında kalıbın yağlanmasıdır. Püskürtme üniteleri, yağlayıcı parçacıklarının kalıp duvarlarına yapışmaları için statik yükler. Bununla beraber; takımların yağlanmasının toz dolumundan önce yapılması gerektiğinden, kalıp duvarlarının yağlanması sıkıştırma çevrimini yavaşlatır. Pratikte, özellikle düşük miktarlarda kullanıldığı zaman, yüksek vizkositeli yağlayıcılar tercih edilir. Fazla yağlayıcı miktarı yüksek çıkartma basıncını azaltır. Kalıpların güçlü ve sert, fakat preslenmiş parçanın zayıf olmasından dolayı çıkartma sırasında parçada çatlaklar oluşabilir. 27

37 Şekil 2.17 Alt zımba hareketine göre basıncın değişimi Basınç Uygulaması Kalıpta sıkıştırmaların çoğu mekanik preslerlerde yapılır. Besleme pabucu dişi kalıp boşluğuna tozu doldurur. Basınç uygulamasından önce toz kütlesi kalıp merkezine taşınır. Aynı anda pek çok olayın oluşması nedeniyle, boşluğa doldurulan toz kütlesinden küçük değişmeler meydana gelir. Buna bağlı olarak, sinterleme sonrasında parçaların boyutları bunun 1/3 ü kadar değişir. Çok kademeli parçalarda yoğunlaşma homojenliği problem yaratmaktadır. Bunu önlemenin yolu kalıbı fazla doldurmak ve sıkıştırmadan önce fazla tozu atmaktır veya toz besleme pabucu kalıbın üstündeyken alt zımba geri çekilerek tozu kalıbın içine çekmektir. Doldurma yapıldıktan sonra, toz kütlesi sıkıştırma pozisyonuna taşınır ve üst zımbanın kalıba ilerlemesi sağlanır. 28

38 Şekil 2.18 Sıkıştırılmış parçalardaki yatay çizgiler kademe kavramı hakkında bilgi vermektedir. Bu dört çizim artan karmaşıklığı göstermektedir. Özellikle parçanın boyut ile çap oranı arttıkça, tek taraftan uygulanan basınç yoğunluk ve özelliklerde büyük gradyanlar meydana getirir. Çift taraftan basınç uygulanmasıyla toza daha homojen gerilme uygulanır ve böylece daha homojen ürün elde edilir. Hidrolik preslerde basma hızı genellikle yavaştır fakat yoğunluk daha homojendir ve toz doldurma miktarındaki değişmeler parça boyunda küçük değişmelere sebep olur. Basma zorluğunu belirlemenin yollarından biri parçanın sahip olduğu kademe sayısını bilmektir. Kademe sayısı arttıkça kalıbın karmaşıklığı hızla artar Kalıp Sıkıştırma presleri, uygun şekil ve yoğunlukta hatasız parça sağlamak için kalıp hareketlerini koordine eder. Parça karmaşıklığı arttıkça, kalıp karmaşıklığı daha da artar. Kalıp tasarımında dikkate alınması gereken husus, oluşturulacak ham parçaya göre toz doldurma yüksekliğidir. Küçük tonajlı presler ancak küçük doldurma yükseklikleri kabul edecekleri için, preslenecek parça için kalıp ve pres arasında çok iyi uyum olmalıdır. Az sayıda parça üretileceği zaman takım çeliklerinden, yüksek basınçlar ve yüksek sayıda 29

39 üretim için sert metalden yapılan kalıplar kullanılır. Parçanın her kademesine aynı basıncı uygulayabilmek için kalıplar parçalı olarak yapılır. Kalıp setini prese yerleştirebilmek için çeşitli tutucu, adaptör ve bağlantı elemanları kullanılır. Bu kalıp seti parçaları hepsinin de basma ve çıkartma sırasında oluşan yüklere dayanacak şekilde boyutlandırılmaları gerekir. Zımbalar ve dişi kalıbı prese uygun bir şekilde bağlayabilmek için adaptörler gerekebilir (Şekil 2.19). Şekil 2.19 Basit silindirik bir malzeme için kalıp seti Pres Çeşitleri Sıkça kullanılan pres ölçüsü tonajdır. Bu sıkıştırılacak parça için hazır olan kuvvettir. Bu kuvvet, zımbaların basma yönüne dik kesit alanı ile sıkıştırma basıncının çarpımıyla hesaplanır. Küçük parçalar düşük tonajlı preslerde, büyük parçalar ise yüksek tonajlı preslerde üretilir. Pres kapasitesi 1000 tona kadar çıkabilir. Ancak, toz sıkıştırmanın çoğu ton kapasiteli preslerde yapılır. Sıkıştırma preslerini ayıran bir diğer özellik ise parçadaki kademe sayısıdır. Basma yönünde %10 değişiklik gösteren her kademe için ayrı bir zımba hareketine ihtiyaç vardır. Bu kademeler alt veya üst zımbada olabilir. Doldurma yüksekliği ise diğer bir kısıtlayıcı özelliktir. Kalın parçaların doldurma yüksekliği fazla olmalıdır, fakat bu da pres kapasitesini artırır. Dolayısıyla, özellikle büyük parçalar için, pres seçiminde doldurma kapasitesi önemlidir. Basınç uygulama mekanizmaları prese göre değişmektedir. Toz sıkıştırmada kullanılan presler; hidrolik, mekanik, havalı ve melez sistemlerdir. Hidrolik presler merkezi basınç sisteminden güç alır ve servo vanalar kanalı ile çeşitli basma takımlarına oransal hidrolik basınç uygular. Bu tip preslerde basınç iyi kontrol edilir ve kontrollü yoğunluk gerektiren işlemlerde çok uygundur. Mekanik preslerde elektrik motoru ile döndürülen bir volan vardır. Pres hareketlerini 30

40 veren bütün kam ve iticiler bu volandan güç alır. Bu tip preslerde ham boyut ölçüsü iyi kontrol edilir. Döner presler de benzer şekilde hareket alır. Fakat bu tip preslerde döner tabla üzerine yerleştirilmiş çok sayıda dişi kalıba, tablanın her dönmesinde sıkıştırma uygulanır. Örs tipi presler basit parçalar içindir, ancak hızlı presleme çevrimleri vardır. Elektronik endüstrisinde kullanılanlar gibi küçük parçaların üretiminde küçük presler kullanılmaktadır. Bu preslerde kalıp hareketlerinin koordinasyonu elektrik motoru ile düzenlenir. Melez preslerde, farklı cins preslerin özellikleri aynı anda kullanılmaktadır. Mesela; mekanik pres esaslı bir melez preste, aşırı basınç seviyesinin kontrol altına alınması için zımbalara havalı basınç yastıkları uygulanabilir. Diğer pres tasarımları, homojen parça üretmek için bilgisayarlı geri besleme sistemlerine dayanır. Bilgisayarla sayısal kontrollü (CNC) sıkıştırma presleri çok karmaşık preslerdir. Bu tip preslerde uygun kalıp tasarımı ve çalışma parametrelerinin belirlenmesi bilgisayarla benzeşimlerle yapılır. Bunlar çok karmaşık şekillerin üretiminde kullanılır Haddeleme, Ekstrüzyon, Toz Enjeksiyon Kalıplama teknikleri Haddeleme yöntemiyle genellikle çubuk, levha, şerit ve tüp gibi basit geometrik şekillerdeki parçaların sıkıştırılması işlemleri yapılır. En basit ve yaygın uygulama ise, iki veya daha fazla silindir arasından gevşek haldeki metal tozlarının geçirilmesidir. Silindirler arasındaki açıklık mesafesi sıkıştırma ve elde edilecek kalınlığın belirlenmesinde önemli bir değişkendir. Haddeleme hızı genellikle yavaştır. Tozların haddeleme silindirleri arasına gönderilmesi dikey ve yatay pozisyonlarda yapılabilmektedir. Bu durum Şekil 2.20 da şematik olarak gösterilmiştir. Haddeleme işleminden sonra tozların şekli değişmekte ve bir miktar yönlenmiş ve yassılaşmış bir şekil almaktadır. Genellikle gevrek malzeme tozlarının şekillendirilmesinden sonra tozlarda pekleşme ile aşırı sertlik artışı meydana gelmektedir. Bu sebeple sünek olan tozların haddelenmesi daha çok tercih edilmektedir. 31

41 Ekstrüzyon yöntemiyle çubuklar, tüpler, bal peteği şekli ve matkap uçları gibi uzun ince şekillerin üretimi yapılır. Toz ve bağlayıcı içeren karışım ısıtılmış olan hazneye yerleştirilir ve bir piston vasıtasıyla sıkıştırılır. Şekil verme kalıbı haznenin dışına yerleştirilmiştir. Doldurulan tozların uçtaki kalıptan akışı uygulanan basınca bağlı olarak değişir. Basınç genellikle 1 Mpa ın üzerindedir. Ürünün şekli, yerleştirilen kalıbın şekline bağlıdır. En basit şekil ise dairesel parçaların üretimidir. Şekil 2.21 de silindirik şekilli bir parçanın üretiminde kullanılan basit bir ekstrüzyon düzeneği şematik olarak verilmiştir. Burada hazne içerisine toz ve bağlayıcı karıştırılarak hamur kıvamına getirilmiş ham madde ekstrüzyon yapılmak için hazne içerisine doldurulur ve piston vasıtasıyla bir basınç uygulanarak diğer uçta bulunan kalıptan toz metal ham parça elde edilir. Toz Enjeksiyon Kalıplama ( TEK ) ; Plastik enjeksiyon kalıplama tezgahı ve plastik bağlayıcılar kullanarak, inorganik tozlardan mühendislik parçaları üretmektir. Bu yöntem için kullanılan tozlar plastik ise Plastik Enjeksiyon Kalıplama (PEK), tozlar metal ise Metal Enjeksiyon Kalıplama ( MEK ), seramik ise Seramik Enjeksiyon Kalıplama (SEK) olarak adlandırılır. Küçük karmaşık şekilli, tam boyutlu, hassas toleranslı, düzgün yüzeyli, yüksek mukavemetli, işlenmesi güç ve fazla işlem gerektiren parçaların ekonomik üretimi için uygun bir toz işleme teknolojisidir (Şekil 2.22). Şekil 2.22 TEK Venn Şeması ile gösterimi 32

42 Uygulama alanı mühendislik alanı açısından oldukça geniştir. Karmaşık şekilli makine parçaları, robot kolları, tıbbi cihaz parçaları, uçak ve uzay araçlarının çeşitli motor parçaları, baskı devreleri, talaş kaldırma ve işleme aletleri, silah parçaları, otomotiv parçaları üretimi TEK yöntemiyle yapılabilmektedir (Şekil 2.23);. TEK işlemi son derece küçük tozların kullanılmasını gerektirmektedir( metaller için 20 mikrometreden küçük). TEK 4 ana işlemden oluşmaktadır, bunlar işlem sırasına göre ; 1. Karıştırma, 2. Enjeksiyon Kalıplama, 3. Bağlayıcı giderme, 4. Sinterleme ( Pişirme ) dir. 33

43 2.3.6 Sinterleme Sinterleme Esasları Sinterleme parçacıkların birbirine bağlanmasını önemli ölçüde mukavemet artışına ve özelliklerin iyileşmesine sebep olan ısıtma işlemidir. Sinterleme, birbirine temas eden parçacıkların yüksek sıcaklıklarda birbirine bağlanmasını sağlar. Bu bağlanma, ergime sıcaklığının altında katı halde atom hareketleriyle oluşabilir. Fakat pek çok durumda, sıvı faz oluşumu ile birlikte gerçekleşir. Mikroyapı ölçeğinde, bağlanma temas eden parçacıklar arasında boyunlaşma ile kendini gösterir. Şekil 2.24 'de verilen taramalı elektron mikroskobu görüntüsünde küresel parçacıklar arasında katı halde boyun oluşumu görülmektedir. Bu tür boyunlaşma mukavemetin ham mukavemete oranla artmasını ve diğer birçok faydalı özelliğin gelişmesini sağlar. Şekil 2.24 Sinterleme ile boyun oluşumu taramalı elektron mikroskobu görüntüsü Sinterleme, yüksek sıcaklıkta atomların yayınımı ve küçük parçacıkların yüzey enerjisinin azalmasıyla gerçekleşir. Toz üretimi malzemeye enerji vererek yüzey alanı veya yüzey enerjisi yaratma işlemidir. Sinterleme ile bu yüzey enerjisi giderilir. Birim hacimdeki yüzey enerjisi parçacık boyutu ile ters orantılıdır. Bu nedenle, daha yüksek özgül yüzey alanına sahip olan küçük boyuttaki parçacıklar daha yüksek enerjiye sahiptir ve daha hızlı sinterlenir. Fakat, yüzey enerjisinin tamamı sinterlemeye harcanmaz. Kristal yapılı katılarda, hemen hemen bütün parçacık temas noktaları sınırlarını enerjisine sahip olan tane sınırı oluşturur. Böylece boyun büyümesi yüzey enerjisini azaltırken, tane sınırı enerjisini artırır. Doğal olarak, bu sadece yüzey enerjisindeki azalmanın tane sınırı enerjisindeki artıştan yüksek olması durumunda meydana gelir. Sinterleme esas olarak itici güçler, mekanizmalar ve aşamalar açısından incelenir: 34

44 Sinterlemenin itici güçleri bağlanmaya neden olan mikroskobik eğrilikleri tanımlar. Sinterleme mekanizmaları itici güçlere tepki olarak oluşan atom hareketlerinin yolunu tanımlar. Sinterleme aşamaları atom hareketleri sonucu oluşan geometrik gelişimi tanımlar. Bu aşamalar da diğer taraftan itici güçleri değiştirir. Sinterleme sırasında atom hareketi görülmez, ancak hacim değişimleri meydana geldiğinden, işlem genelde bu değişimler ile izlenir. Boyun büyümesi bunlardan bir tanesidir. Sinterlemenin temel ölçülerinden biri, Şekil 2.26 ta tanımlandığı gibi boyun büyüklük oranlıdır,x/d, boyun çapının parçacık çapma oranıdır. Ayrıca, sinterleme sırasında yüzey alanı hızla azalır (yüzey alanındaki değişmenin başlangıç yüzey alanına oranıdır.) boyutsuz parametresiyle izlenir. Yüzey alanı mikroskop analiz gaz adsorbsiyonu veya gaz geçirgenliği teknikleriyle ölçülür. 35

45 Şekil 2.26 Boyun çapı X olan iki küresel parçacığın sinterlenme profili. ( Küre çapı : D ve Boyunun dairesel profilinin yarıçapı : P ) Birçok ham parçada sinterleme sırasında boyut, yoğunluk, mukavemet, sertlik, elektrik ve ısıl iletkenlik, elastik modülü gibi özellik değişimleri olur. Bu nedenle, sinterleme işlemini izlemek için hacim özellikleri kullanılabilir ve Şekil 2.27 'te gösterildiği gibi sıcaklık ve zamanla benzer değişimler gösterir. Şekil 2.27 Sinterleme esnasında malzemedeki özelliklerin zamanla değişimi Sinterleme Yöntemleri Sinterleme genel olarak döner ızgaralı fırınlarda yapılmaktadır. Bunun yanında, vagon ve döner fırın sinterleme yöntemleri de geliştirilmiştir. Bu şekilde yapılacak olan sınıflandırmaya göre sinterleme yöntemlerini şöyle sıralayabiliriz. Hava akımında sinterleme Döner ızgara bant yöntemi Vagon sinterleme yöntemi Döner fırında sinterleme yöntemi Hava akımında sinterleme: yakıtla karıştırılan cevher gevşek olarak ızgara üzerine 36

46 verilmekte ve üstten ateşlenerek, aşağı doğru emilen hava ile ızgara altına kadar yakılmaktadır.yakıt+cevher karışımı değiştirilerek, sinterleme temperatürü ayarlanabilmektedir. Bu tür bir sinterleme için yakıt + cevher yığınının geçirgen olması şarttır. Hava akımında sinterleme türlerinden biri olan vagon sinterleme de, sabit duran ve tabanı ızgaralı sac vagonlara yakıt + cevher karışımı doldurulmakta ve yakılmaktadır. Vagonların yüzeyleri m2 arasındadır. 21 m2 lik 5 vagonun 24 saatlik kapasitesi ton sinter arasında değişmektedir. Proses emniyetli ve teknik olarak kolay uygulanabilmektedir. Yine hava akımında sinterleme yöntemlerinden biri olan döner ızgara bant sinterleme yönteminde, yürüyen bir bant vardır. Yakıt + cevher karışımı12 30 cm. kalınlığında bu bant üzerine verilmektedir. Bant hızı m/d. arasındadır. Cevher kalınlığı ve bant hızı ayarlanarak sinterleşmenin bant sonuna kadar tamamlanması sağlanmaktadır. Bantlarda 1.3 t/m2.saat, civarında sinter üretilmektedir. En yaygın sinterleme yöntemi bu yöntemdir. Döner fırın sinterleme yöntemi: uzunluğu m. arasında ve çapı birkaç metre olan döner fırın kullanılmaktadır. Fırın eğiktir ( 3 derece civarında) ve d/d. hızla dönmektedir. Alt kısımdan yanıcı gaz verilmektedir. Bu suretle sinterlenen mal, ya başka bir döner fırında veya bantlarda soğutulmaktadır. Bunların en büyük mahzurları, sinterlerin fırın gövdesine yapışması ve sık sık temizleme gereğinin ortaya çıkmasıdır. Bunun için, devamlı sinter istenmesi halinde, iki döner fırın yapılması zorunludur. İşletme masrafı nispeten yüksektir. Sinterleme yöntemlerinin sınıflandırılmasında sinterleme işlemi sırasında basınç uygulanıp uygulanmaması durumu da önemlidir. Yüksek yoğunlukta kaliteli parça üretim yöntemlerinin birçoğunda sıcak presleme, sıcak dövme, sıcak ekstrüzyon gibi yöntemler kullanılır. Bütün bu sinterleme işlemleri basınç altında gerçekleşir. Basınçsız sinterleme yöntemlerini de katı hal sinterlemesi ve sıvı faz sinterlemesi olarak ikiye ayırabiliriz. Katı hal sinterlemesini de 1) Faz karışımı 2) tek faz olarak tekrar ikiye ayırabiliriz. Faz karışımıda kendi arasında Kompozit, Homojen, Hızlandırılmış olarak üçe ayrılabilir (Şekil.2.28). 37

47 Şekil 2.28 Basınçsız sinterleme yöntemleri Basınçsız Sinterleme Yöntemleri Katı hal sinterlemesi : sinterleme işlemi süresince iç yapıda sıvı faz oluşmaz ve bütün olaylar (difüzyon, yoğunluk artışı vb.) katı halde meydana gelir. Sıvı faz sinterlemesi kaliteli parça üretiminin uygun bir yoludur. Sinterleme sırasında oluşan sıvı faz kapiler etki ile parçacıklara yeterli iç basınç uyguladığından dış basınca gerek yoktur. Kapiler kuvvet büyük miktarda dış basınca eşit etki yapar. Sıvı faz sinterlemesi bazı özelliklere sahip çok bileşenli sistemlere uygulanabilmektedir. Sinterleme işleminin herhangi bir safhasında oluşan sıvı faz, gözenekleri doldurarak difüzyonu ve yoğunluk artışını hızlandırmaktadır. Yüksek performansta parça üretimi günümüzde önemli olduğu için sıvı faz sinterlemesi gibi teknikler malzeme mühendisliği için önerilmektedir. Sıvı faz sinterlemesinde sıvı faz oluşumu için iki ana mekanizma vardır. Bunlardan birincisi, farklı kimyasal bileşimlerde toz karışımı kullanmaktır. Sinterleme sırasında farklı bileşimdeki tozların etkileşimi sonucunda sıvı faz oluşur. İkincisi ise sıvı fazın toz karışımında bulunan bileşenlerden bir tanesinin ergimesi veya ötektik faz oluşumu ile oluşmasıdır. Sıvı faz sinterlemesi genel olarak şu şekildedir; Geçici sıvı faz sinterlemesi Sürekli sıvı faz sinterlemesi Solidüs-üstü sinterleme Reaksiyonlu sinterleme Bu sınıflandırmada, oluşan sıvı fazın çözünme durumuna göre sinterleme sırasında alaşım oluşumu ile ortadan kalkması ( geçici sfs veya reaktif sinterleme) veya sinterleme 38

48 süresince iç yapıda sürekli olarak bulunabilmesi (sürekli sfs)göz önünde bulundurulur. Farklı bir yöntemde ön alaşımlı tozun solidus likidus sıcaklığı arasında sinterlenmesi suretiyle sıvı+ katı karışımı oluşturarak yapılan solidus-üstü sinterlemedir. Sıvı faz sinterlemesi ana gruplarının içinde malzeme özelliklerine bağlı olarak ortaya çıkan bazı farklı durumlar vardır. Örneğin katı, oluşan sıvı içinde çözünür veya çözünmeyebilir. Bu farklılık sinterleme hızını ve mikroyapı oluşumunu önemli ölçüde etkiler. Diğer önemli faktörler sıvı katı fazlar arasındaki arayüzey enerjisi ( ıslatma ve ıslatmama durumu) ve sıvı fazın katı katı tane sınırlarına nüfuziyet durumlarıyla ilgilidir. Bu değişkenler parçacık boyutu, sinterleme sıcaklığı, sinterleme atmosferi ve ham yoğunluk gibi işlem parametreleriyle birlikte oluşacak iç yapıyı önemli ölçüde etkilerler. Bu değişkenlik sıvı faz sinterlemesini hem metal hem de seramikler için esnek bir üretim yöntemi haline getirir. Sürekli Sıvı Faz Sinterlemesi: Sinterleme işleminin yüksek sıcaklık aşamasında iç yapıda sürekli bulunan sıvı faz hızlı yoğunluk artışı ve tane büyümesine neden olur. Başlangıçta katıyı ıslatan sıvının parçacıklar üzerine uyguladığı kapiler kuvvetler sonucu parçacıkların yeniden düzenlenmesiyle yoğunluk artışı olur. Yeniden düzenlenme sonucu oluşan yoğunluk artışı, oluşan sıvı faz miktarına, parçacık büyüklüğüne ve katının sıvı fazda çözünürlüğüne bağlıdır. Sıkıştırılmış kütle içindeki gözenek miktarının azalması sıvı faz akışını güçleştirir. Bu nedenle yoğunlaşma hızı giderek azalır. Belirli bir aşamadan sonra çözünürlük ve yayınma (difüzyon) daha etkin hale gelir ve çözünme ve tekrar çökelme safhasına geçilir. Bu safhada yoğunlaşma ve tane büyümesine katkıda bulunan Ostwald olgunlaşması ve tane şekli oluşumunun her ikisi de difüzyon kontrollü işlemlerdir. Bu işlemlerin oluşabilmesi için katı fazın sıvı fazda çözünürlüğünün olması gerekir. Alaşım oluşumu ile ergime sıcaklığının düşmesi sinterleme özelliğinin iyileştiğinin bir göstergesidir. Sürekli sıvı faz sinterlemesinin başarılı olması bazı kriterlerin yerine getirilmesine bağlıdır. Normal olarak toz karışımı sıvının oluştuğu sıcaklığa ısıtılırken ön alaşımlı tozlar solidüs üstü (süpersolidüs)sıcaklığa ısıtılarak hızlı sinterleme gerçekleştirilir. Başarılı sistemlerde oluşan sıvı faz katı fazı ıslatır ve aynı zamanda katıyı çözer. Düşük sıcaklıkta ergiyen katıların çoğu zaman tatminkar olmadığı görülmüştür. Bu yöntemde en çok başarı gösteren sistemler ötektik sistemlerdir. Geçici Sıvı Faz Sinterlemesi: Sıvı faz sinterlemesinin değişik bir uygulamasıdır. Sinterleme sırasında oluşacak olan denge fazı katı ise sıvı faz difüzyon homojenizasyonu ile katılaşarak kaybolur. Bu yöntemde sıkıştırılabilirliği yüksek saf element tozları kullanılabilir ve sürekli SFS sisteminde görülen tane irileşmesi olmaz. Ancak oluşan sıvı faz miktarı bazı işlem parametrelerine bağlı olduğundan bu yöntem sinterleme şartlarına çok duyarlıdır. GSFS nin uygulanabilmesi için bileşenlerin birbiri içinde çözülebilmesi ve son bileşimin tek faz bölgesinde olması gerekir Çelik Parçaların Sinterlenmesi Solidüs-üstü Sinterleme: Bu yöntemin uygulandığı sistemlere örnekler yüksek karbonlu çelikler, takım çelikleri, nikel esaslı süper alaşımlar ve kobalt esaslı aşınmaya 39

49 dayanıklı alaşımlardır. Bu sinterleme yüksek alaşımlı malzemelerin yüksek yoğunlukta sinterlenmeleri için çok uygundur. En önemli avantajlarından bir tanesi nispeten iri boyutta tozların kullanılmasının mümkün olmasıdır. Diğer taraftan hızlı karıştırılmış ince taneli yüksek alaşımlı malzemelerin tam yoğunlukta sinterlenmeleri için uygun yöntemdir. Solidüsüstü sinterlemede bazı önemli problemlerle karşılaşılabilir. Sinterleme sıcaklığına ısıtma sırasında oluşan katı hal sinterlemesi parçacıklar arasında bağ oluşturarak yeniden düzenlemeyi zorlaştırabilir. Ayrıca sinterleme sıcaklığı, toz bileşimine bağlı olduğundan sıkı bir şekilde kontrolü gerekir. Sıvı oluşumundan sonra sinterleme hızı çok yüksektir. Bu durum boyut ve mikroyapı kontrolünü zorlaştırmaktadır. Gözeneklerde gaz hapsolmasını önlemek için vakumda sinterleme daha başarılı olmaktadır. Süper katıgen sıvı fazlı sinterleme,karışım tozlar yerine ön alaşımlı tozların kullanıldığı, sıvı fazlı sinterlemenin değişik bir türüdür. Alaşımlı tozlar,her bir parçacıkta sıvı çekirdeklenmesi için, sıvılaşma ve katılaşma eğrilerinin arasında bir sıcaklığa ısıtılır. Sonuç olarak, yarı-katı parçacıklar yumuşar ve kılcal etkiden dolayı yeniden düzenlenme ile hızla yoğunlaşır. Sıcaklık ve bileşim sıvıların hacim oranını belirler.işlem, geniş ergime aralığına sahip sistemlere uygulanır ve büyük parçacıklar ile yüksek yoğunlaşma sağlandığı için çekicidir. Bu yöntem takım çelikleri ve paslanmaz çeliklerin üretiminde kullanılır ( Şekil 2.29 ). Şekil 2.29 Nikel-Alüminyum toz karışımının ekzotermik tepkimeli sinterlenmesinden oluşan yapının optik görüntüsü.tepkime ısısı kullanılarak ilk yoğunluğu % 72 olan ham parça, yoğunluğuı %96 olan Ni3Al intermetaliğine sinterlenir. ( Veriler: Animesh Bose) Sinterlenmiş çelikler ile ilgili örnekler Kısım de de yer almaktadır. Şekil 2.30 da çelik bir parçanın sinterleme esnasında atomlarda meydana gelen değişikliklerin simülasyon fotoğrafı verilmiştir. 40

50 41

51 42

52 Şekil 2.30 Toz Enjeksiyon Kalıplama ile üretilmiş malzemenin sinterleme aşamalarında malzemede ve atomlarının değişimlerini gösteren fotograflar. MATERYAL VE METOD 3.1. Uddeholm Soğuk İş Takım Çeliği UDDEHOLMS - AB Dünya nın önde gelen robot malzemeleri ve toz metalurjisi ile üretimini yaptığı Takım Çelikleri ve diğer toz metalurjik çeliklerde en iyi ürünleri imal ettiği için gerekli dökümanlardan, kataloglardan ve sorumlu kişilerden gerekli bilgiler alındı bu şekilde TM de nasıl bir yol izledikleri ve olumsuzluklar karşısında neler yaptıkları ve malzemeleri en iyi hale getirme metodları araştırıldı, bunlar hakkında bilgi vereceğim. Aracın ön kısmında kullanılan soğuk iş takım çelikleri verilmiştir (Şekil 3.1 ). 43

53 Şekil 3.1.a Uddeholm firmasının araç ön mekanızmasında kullanılmak üzere üretimini yaptıkları toz metalurjik soğuk iş takım çelikleri 44

54 Şekil 3.1.b Uddeholm firmasının araç orta vearka mekanızmasında kullanılmak üzere üretimini yaptıkları toz metalurjik soğuk iş takım çelikleri Şekil 3.2 Çalışma biçimi Soğuk İş Takımını Etkileyen Faktörler Soğuk iş takım performansını birçok faktöre bağlıdır. Şekil.1 de verilen şemaya uyulması takım performansını kalitesini arttırır.çoğu uygulamada, özel 45