Bölüm 4: Yoğunlaştırma Öncesi Toz İşlemleri, Şekillendirme ve Tozun Sıkıştırılması

Transkript

1 Bölüm 4: Yoğunlaştırma Öncesi Toz İşlemleri, Şekillendirme ve Tozun Sıkıştırılması Tozların güvenli bir şekilde kullanımı, öğütme, harmanlama, karıştırma, sınıflandırma, topaklanma gibi çeşitli toz değişim işlemleri, yağlayıcı ve bağlayıcı katkılar ve düşük basınçta şekillendirme üzerine bilgi verilecektir. Kalıpta sıkıştırmada, tozu istenilen şekle preslemek için alt ve üst zımbalar kanalıyla basınç uygulanır. Tozların en yaygın şekillendirme ve yoğunluk kazandırılma yöntemi budur. Sıkıştırma sonrası parça elle tutulabilir bir mukavemet kazanmış olsa da, esas mukavemet sinterlemeden sonra kazanılır. Sıkıştırma kalıpları toz, pres ve istenilen parça şekli dikkate alınarak tasarlanır.

2 4.1. Tozlara Şekillendirme Öncesi Uygulanan Temel İşlemler Üretilen tozun rahat bir şekilde taşınması, depolanması, yoğunlaştırılması ve sinterlenmesi için belirli özelliklere kavuşturulması gerekir. Bunun için yoğunlaştırma öncesi bir dizi işlem yapılır. Bu işlemlerden bazıları: Sınıflandırma: Elek veya hava sınıflandırıcısı kullanılarak yapılır. Bu işlem, yüksek kalitede ürün elde etmek için yapılır. Daha fazla safsızlıklara sahip küçük parçacıkların ayrıştırılması ile tozun saflığı artırılır. Küçük metal parçacıklarda oksijen miktarı daha fazladır. Karıştırma ve harmanlama: Sıkıştırma öncesi uygulanan işlemlerdendir. Her ikisi ile tozlar boyut homojen hale getirir. Harmanlama, farklı boyutlardaki aynı bileşime sahip sahip tozların karıştırılma işlemi, karıştırma ise farklı bileşime sahip tozlara uygulanan işlemdir. Öğütme: Birbirlerine bağlanmış tozların sıkıştırma öncesi aşındırılarak öğütülmeleri gerekli olabilir. Çok ince ayrıştırılmış tozlar isteniyorsa, öğütme ile topak dağıtılması faydalıdır. Granülasyon: Alternatif olarak parçacıklar arası sürtünmeye sahip küçük tozlar, otomatik şekil verme cihazında daha iyi akış sağlamak için yuvarlak kümeler oluşturacak şekilde granül hale getirilir. Oksit giderme: Metal tozlarının yüzeyinde oluşan oksit tabakasını gidermek için sıkıştırma ve sinterleme öncesi amonyak gazı veya hidrojen gazı altında tozlar tavlama işlemine tabi tutulur. Böylece, oksitler indirgeyici ortam altında giderilir. Tavlama işlemlerinin büyük bölümü, metalin mutlak erime sıcaklığının yarısının altındaki sıcaklıklarda gerçekleştirilir.

3 Güvenlik ve sağlık 10 µm üzeri parçacıklar akciğere ulaşmadan genizdeki mukaza tarafından yakalanır. Ancak, daha küçük parçacıklar akciğerlere ulaşır. Toz halindeki kurşun gibi toksik malzemelerle temastan kaçınılmalıdır. Küçük parçacıklarla çalışmanın diğer bir tehlikesi ise yanmadır veya oksitlenmedir. Küçük parçacıklar havada yanabilir ve 2 MPa (20 atmosfer) veya daha yüksek yanma basınçlarına yol açan potansiyel patlayıcı özellik gösterebilir. Al, Zr, Ta, Th, Ti ve Mg havada g/cm 3 miktarlarında bulunması durumunda ateş alır. Havalandırma üniteleri içinde biriken tozlar aniden patlayabilir. Bu bakımdan havalandırmanın iyi yapılması gerekir.yanmaları önlemek için tipik önlemler; kontrollu oksitlenme ile aktif yüzeylerin pasifleştirilmesi ve yüzey kaplamaların kullanımı (mesela yağ ile kaplama), kıvılcım ve sıcak yüzey oluşumlarının azaltılmasıdır. Bakır veya demir gibi yaygın olarak kullanılan tozların kullanımında herhangi bir tehlike bulunmamaktadır. Toz işleme süreçlerinde, alüminyum tozları kasıtlı bir şekilde, olası yanmaları veya patlamaları engellemek için oksitlenirler. Küresel şekilli 28 µm çapında bir parçacıkta ölçülen oksijen miktarı ağırlıkça %0,4 tür. Yüzeydeki oksit tabakasının her yerde aynı olduğunu varsayarsak, oksitin göreceli miktarını tahmin edebiliriz: Ağırlıkça oksit miktarı 0,004 = V V o oksit hacmi, ρ o oksit yoğunluğu (3,96 g/cm 3 ), V m metal hacmi ve ρ m ise metalin yoğunluğudur (2,7 g/cm 3 ). Bu durumda oksit kalınlığı 12,75 nm olarak hesaplanır. Bu ince film büyük oranda patlama riskini azaltır. m Voρo ρ + V ρ m o o

4 Topaklanma ve Topak Dağılması Küçük parçacıklar topaklanma nedeniyle zorluk çıkarır. Topaklanma yoğuşmuş sıvı veya ısının neden olduğu bağlardan kaynaklanır. Neticede, paketleme, akma, karıştırma, sıkıştırma ve sinterleme işlemlerini olumsuz yönde etkiler. Topaklanmanın diğer bir nedeni de öğütme ve karıştırma sırasında parçacıkların soğuk kaynaklanmasıdır. Topaklanma, yüksek yüzey alanı ve zayıf kuvvetler (van der Waals kuvveti) etkisiyle oluşur. Topaklanma genel olarak ortamdaki nemden kaynaklanır. Şekil 4.1 de görüldüğü gibi su parçacık temas noktalarında yoğuşarak sarkaç bağlar olarak tanımlanan kılcal köprüler oluşturur. Emilen nemden kaynaklanan topaklanma 100 µm den daha küçük parçacıklar için önemli bir sorundur. Bir mikronun altındaki tozlar ise kendiliğinden topaklanmaya uğrar. Topak dağıtımı, kurutma, hafif öğütme ve yüzey işlemleri ile sağlanır. Küçük parçacıklardan oluşan zayıf topaklanmalar için uygulanan bir yöntemde, ince kutupsal molekül kaplamaları ile itme kuvvetlerinin yaratılmasıdır. Yaygın olarak kullanılan deterjanlar, stearik asit, sodyum oleat, gliserin veya oleik asit gibi yüzey aktif maddeler çoğunlukla etkilidir. Hafif öğütmenin topak dağılmasına bir örnek Şekil 4.2 de görülmektedir. Şekil 4.1 Şekil 4.2

5 Polimer Katkılar (Geçici ilaveler) Polimer katkılar, düşük sıcaklıklarda ham parçadan uçurulan yağlayıcı ve bağlayıcı olarak toza ilave edilen geçici katkılardır. Yağlayıcı ve bağlayıcılar sinter sıcaklığına ısıtma esnasında düşük sıcaklıklarda ( C) gaz halinde ham parçadan sinter öncesi uzaklaştırılır. Yağlayıcı: Basınç altında parçacıkların hareketini kolaylaştırır. Parçacık-parçacık ve parçacık-kalıp arasındaki sürtünmeyi azaltır. Örnek: çinko stearat, stearik asit. Presleme sonrası kalıptan parça çıkarmak için gerekli gerilmelerin azaltılarak kalıp ömrünün artırılması için organik yağlayıcılar kullanılır. Tablo 4.1 de yaygın olarak kullanılan yağlayıcıların özellikleri gösterilmiştir. Şekil 4.3 de toz yağlayıcının faydalı etkisi gösterilmektedir. Ham parçanın kalıptan çıkarılması için gerekli kuvvet yağlayıcı ile önemli miktarda azalmaktadır.buna bağlı olarak kalıp aşınması daha az olur. Tablo 4.1 Bağlayıcı: Ham parçanın mukavemetini artırır. Ham parçada parçacıklar arası bağlantı zayıf ise toza bağlayıcı ilavesi (ör. Parafin) gereklidir. Kolay deforme olan metallerde parçacıklar arası bağlantı iyidir. Deforme olmayan WC, TiC, Al2O3 gibi malzemelerde iyi değildir. Benzer şekilde, oksitler, karbürler ve intermetalikler gibi sert tozlarda ham parça dayanımını (kalıplama veya presleme sonrası dayanım) artırmak için bağlayıcı ilave edilir. Toz enjeksiyon kalıplama ve ektrüzyonda olduğu gibi, şekil verme operasyonlarında, tozlar bağlayıcı yardımı ile şekillendirilebilir. Şekil 4.3

6 Kalıcı Katkılar Kalıcı ilaveler, elementel, kısmi alaşımlandırılmış, ana malzemeye ait parçacık üzerinde kaplanmış veya içinde dağılmış veya üzerinde topaklanmış haldedir ve sinterleme ile yapıda kalır. Böylece, sinterleme ile alaşım veya kompozit parçalar üretilir. Örneğin, ağırlıkca %92.5W-%5.25Ni-%2.25Fe içeren bir ağır alaşım parça yapılmak istenmektedir. Parçanın ağırlığının 100 gr olduğunu varsayarsak 92.5 g wolfram tozuna 5.25 gr Ni ve 2.25 g Fe elementel tozları katılır ve karıştırılır. Sinterleme ile ağır ve sünek wolfram ağır alaşım elde edilir. Diğer bir örnek çelik verilebilir. Çelik oluşturmak için yumuşak demir ile grafit karışımı hazırlanır. Grafit boyutları 4-7 µm arasında değişen pul şeklinde demir tozuna eklenir. Fakat,düşük yoğunluk ve küçük parçacık boyutu nedeni ile grafit işlemler sırasında demirden ayrılır. Bunu önlemek için polimer bağlayıcı ile grafit, demir parçacıklarına bağlanır. Karıştırma ve presleme sonrası yapılan sinterleme işlemi sırasında Fe-C alaşımı, yani çelik oluşur.

7 Karışımlarda Teorik Yoğunluk* Hesabı * boşluksuz yoğunluk

8 Karıştırma ve Harmanlama Karıştırma ve harmanlama işlemleri; özel parçacık boyut dağılımı hazırlanması, sinterleme sırasında yeni alaşımların oluşturulması, sıkıştırma için yağlayıcıların eklenmesi ve şekillendirme için toz bağlayıcı karışımının hazırlanması amacıyla yapılır. Tozlar, özellikle küçük ve büyük parçacıkların ayrışmasına neden olan taşıma sonrası parçacık boyut dağılımını homojen hale getirmek için harmanlanır. Tozlar, yeni bileşimler oluşturma için karıştırılır. Sinterleme esnasında homojen bir alaşımın elde edilmesinde ve kompozitlerde seramik takviye veya sinterlenmiş çeliklerde talaş kaldırmayı kolaylaştırmak için mangan sülfürün (MnS) ikinci faz olarak eklenmesinde karıştırma işlemi faydalıdır. Ön alaşımlandırılmış tozların sertliği daha fazla olduğu için, elementel tozlara kıyasla daha zor preslenir. Örnek, bronz bir parça üretimi için presleme işlemi ön alaşımlandırılmış tozdan yapılabilir. Ancak bu durumda tozun preslenmesi için daha yüksek presleme basıncı gerektiğinden preslemede kullanılan kalıp hızla aşınır. Bunun önlemek için daha yumuşak elementel tozlar kullanır. Sinterleme sırasında kalay bakır içersine yayınarak bronzu oluşturur. Toz enjeksiyon kalıplamada olduğu gibi, şekil verme operasyonlarında, tozlar bağlayıcı yardımı ile şekillendirilebilir. Bağlayıcının toz ile homojen karıştırılması gerekir. Benzer şekilde, presleme sonrası kalıptan parça çıkarmak için gerekli gerilmelerin azaltılarak kalıp ömrünün artırılması için tozlar organik yağlayıcılar ile karıştırılır. Oksitler, karbürler ve intermetalikler gibi sert tozlarda ham parça dayanımını (kalıplama veya presleme sonrası dayanım) artırmak için bağlayıcı ilave edilir. Yağlayıcı ve bağlayıcılar sinter sıcaklığına ısıtma esnasında gaz halinde uzaklaştırılır.

9 Kuru toz karıştırma: Toz karıştırma mekanizmalarışekil 4.4 de gösterildiği gibi; yayınma, konveksiyon ve kesmedir. Yayınma yolu ile karışım dönen silindir içersinde, konveksiyonla karışım vidalı karıştırıcıda ve kesme ile karışım ise bıçaklı karıştırıcıda yapılmaktadır. Yayınma ile karışım her parçacığın toz kütle içersinde hareketi ile oluşur. Toz yatak düzlemi, dış kenarda kırılarak yüzeyden akışın gerçekleşmesi sağlanır. Sürekli dönen silindir, taze tozları ve kesme düzlemlerini ortaya çıkarır ve bu durum parçacıkların birbiri içinde karışmalarını teşvik eder. Konveksiyonla karışım, toz gruplarının bir yerden diğer bir yere taşınımı ile karıştırılmalarını içerir. Vida küçük toz grubunu, alt yüzeyden keserek harman içerisinde üstlerde bir yere taşır. Kesme ile karıştırma sürekli ayrışma ve tozların kayma düzlemleri üzerinde akmaları ile oluşur. Şekil 4.5 de verilen ikili konik karıştırıcı genellikle fiyat, verimlilik ve kısa karıştırma süreleri açısından en etkilidir. Paletler ve yüksek hızda dönen bıçaklar sisteme ilave edilirse karıştırma işlemi daha da iyileştirilir. Karıştırıcının içi tozla dolduruldukça tozların göreceli hareketliliği engellenir. Karıştırıcı tankının toz hacmi olarak %20-40 nın kullanımı, genelde en uygun olarak kabul edilir. Dönme hızı da karıştırma verimliliğine büyük oranda etki eder. Yavaş dönme hızları yeterli karışımın elde edilmesi için gerekli süreyi uzatacak ve fazla miktarda serbest düşüş yapan tozlar karıştırıcı içerisinde tercihli boyut yerleşmesine neden olacak ve aşınmaya etki edecektir. Ancak, çok hızlı dönme işleminde oluşan merkez kaç kuvveti nedeniyle toz akışını engelleyecektir. İstenilen dönme hızı yer çekimi ile merkez kaç kuvvetlerini dengeleyen bir hızdır. Bir karıştırıcı için en uygun dönme hızı No( dakikada dönme sayısı) aşağıdaki şekilde hesaplanır: 32 N o = d d haznenin metre olarak dış yay çapıdır. Bu eşitliğe göre 1 m çapında bir silindirin en uygun dönme hızı 32 dev/dak olacaktır. Şekil 4.4 Şekil 4.5

10 Sıvı bağlayıcılarla karıştırma: Toz enjeksiyon kalıplama, ektrüzyon gibi şekillendirme işlemleri için karıştırma, toz-bağlayıcı besleme stoğunun hazırlanmasındaki ilk aşamadır. Parçacıklar arasındaki tüm boşlukları doldurmak için yeterli miktarda bağlayıcı ilavesi yapılır. Şekil 4.6 de gösterildiği gibi, toz-bağlayıcı karışımın yoğunluğu kritik yükleme değerinde (bağlayıcıya kademeli olarak toz eklenmekte ve karışımın yoğunluğu ölçülmekte) en üst noktaya ulaşır. Bu noktanın üstünde parçacığı yağlayacak kadar bağlayıcı bulunmadığından besleme stoğu akmayacaktır. Karışımın her kısmında parçacık ve bağlayıcı miktarları aynı olmalıdır. Aksi takdirde sinterlenmiş parçada kusurlar (gözenek, çatlak gibi) ortaya çıkacaktır. Kuru tozlar için yaygın olarak kullanılan karıştırıcılar toz-bağlayıcı karışımın hazırlanmasında uygun değildir. Bu işlem için bağlayıcının erime sıcaklığı civarında yandaki şekilde görülen sigma tipi ve ikiz vidalı sürekli karıştırıcılarda yapılır (Şekil 4.7). Şekil 4.7 Şekil 4.6 Çok yüksek sıcaklıklarda yapılan karıştırma bağlayıcıyı bozar veya düşük vizkositesi nedeni ile tozun ayrışmasına neden olur. Karıştırıcıdan çıkan pelet veya granül haldeki karışım bir sonraki şekillendirme aşaması için hazırdır.

11 4.2. Toz Enjeksiyon Kalıplama ile Şekillendirme Bu alt-bölümde düşük basınçta (1-20 MPa) bağlayıcı yardımıyla toz şekillendirme tekniklerinden biri olan toz enjeksiyon kalıplama (TEK) konusu ele alınacaktır. TEK de kullanılan ana işlem basamaklarışekil 4.7 de gösterilmiştir. İşlem seçilen toz ve bağlayıcıların karıştırılması ile başlar. Yüksek sinterleme yoğunluğuna ulaşmak için genellikle küresel şekle yakın ve ortalama çapı 20 µm altında olan parçacıklar kullanılır. Kullanılan bağlayıcılar, termoplastik karışımlardır ve içlerinde mumlar, polimerler, yağlar, yağlayıcılar ve yüzey aktif maddeler vardır. Bağlayıcı viskoz akış özelliklerine yardımcı olarak karışımın karmaşık kalıp geometrisini doldurmasını sağlar. Çoğu kalıplama makinesi, bağlayıcının ergime sıcaklığı üzerine ısıtılmış ve basınçlı bir silindirdeki besleme stoğunun bir girişten geçerek kalıbı doldurmasışeklinde çalışır. Bağlayıcı kalıpta donduktan sonra parça kalıptan çıkarılır. Ardından bağlayıcı uzaklaştırılır ve toz yapı sinterlenir. Enjeksiyon kalıplama ile karmaşık şekilli, tam yoğunluklu parça üretilir. Fakat, bazı sınırlamalar vardır. Tipik bir TEK parçası yaklaşık 25 mm ebatlarında ve ortalama 8 g ağırlıktadır. Ekonomik açıdan ve bazıları aşağıda verilmiş olan pek çok faktörden dolayı büyük parçalar üretilmez: Kalıp pahalıdır. İşlem ekipmanı büyük ve pahalıdır. Kalıplamada, bağlayıcı uzaklaştırmada ve sinterlemede ısı transferi yavaş olduğu için döngü süreleri yavaştır. Sabit ve ince duvar kalınlığı hızla bağlayıcının uzaklaştırmasını sağlar. Bir parçanın üretim hızı kalınlığına bağlıdır. Seramikler, paslanmaz çelikler ve titanum gibi işlenmesi zor malzemelerin talaş kaldırarak parça üretiminin gerektiği durumlarda TEK maliyet açsından diğer teknikler ile kolayca yarışabilir. Şekil 4.7

12 Şekil 4.8 de bir enjeksiyon kalıplama makinasının ayrıntıları, Tablo 6.2 de kullanılan toz-bağlayıcı özellikleri ve Şekil 4.9 da ise ham ve sinterlenmiş bir ürün gösterilmiştir. Şekil 4.8 Tablo 6.2 Şekil 4.9

13 4.3 Tozun Sıkıştırılması Kalıpta sıkıştırmada, tozu istenilen şekle preslemek için alt ve üst zımbalar kanalıyla basınç uygulanır. Tozların en yaygın şekillendirme ve yoğunluk kazandırılma yöntemi budur. Sıkıştırma sonrası parça elle tutulabilir bir mukavemet kazanmış olsa da, esas mukavemet sinterlemeden sonra kazanılır. Sıkıştırma kalıpları toz, pres ve istenilen parça şekli dikkate alınarak tasarlanır. Tozun sıkıştırılması ile kalıp şeklini alan tozun yoğunluğunda artış olur. Sıkıştırma sonrası yoğunluğa, ham yoğunluk denir. Ham yoğunluk, basit şekilli parçalar da parçanın fiziksel boyutlarının ölçülmesi ile bulunur. Aşağıdaki şekillerde de ifade edilebilir: Yüzde teorik yoğunluk=(ham yoğunluk / Teorik yoğunluk)x100 Kısmi yoğunluk=ham yoğunluk / teorik yoğunluk Şekil 4.10

14 Sıkıştırma basıncı ve metal sertliğinin ham parça yoğunluğuna etkisi Tozlar basınç uygulandığında; önce parçacıklar birbiri üzerinde kayarak ve daha sonra da yüksek basınçlarda parçacığın şekil değiştirmesiyle yoğunlaştırılır. Şekil 4.11 de görüldüğü gibi, yoğunluk artışı düşük basınçlarda hızlıdır, fakat gözenekler kapandıça toz, yoğunlaşmaya karşı artarak direnç gösterir. Parçacık sertliği arttıkça, yoğunlaşma azalır. Şekil 4.11

15 Ham Yoğunluğa Parçacık Boyutu ve Şeklinin Etkileri Parçacık boyutu azaldıkça, ham yoğunluk düşer. Küçük parçacıkların görünür yoğunluğu düşüktür, genellikle serttir ve sıkıştırma sırasında hızlı işlem sertleşmesine uğrar. Küçük parçacıklar arasında sürtünme daha fazladır. Bu sebeplerden dolayı preslenmeleri daha zordur. Örnek: 175 MP altında sıkıştırılan aluminyum tozlarda parçacık boyutunun ham yoğunluğa etkisi aşağıdaki gibidir: 3 µm parçacık boyutu, ham yoğunluk %84 20 µm parçacık boyutu, ham yoğunluk %92 95 µm parçacık boyutu, ham yoğunluk %94 Kalıpta presleme ile yüksek ham yoğunluğa sıkıştırılabilecek şekilde tasarlanmış tozlar genellikle yumuşak ve büyüktür. İç yapılarında gözenek bulunan sünger tozlar, içlerindeki gözeneklerin direnç göstermesinden dolayı zor sıkıştırılır. Örnek, 700 MPa basınçta su atomizasyonu ile üretilmiş yuvarlak demir tozu %90 ham yoğunluk verirken, indirgenmiş sünger demir tozu %84 yoğunluk verir. Aynı zamanda küçük tozlar ve sünger tozlar kalıpan çıkarma sırasında daha fazla yaylanma yapacağından çatlak oluşum ihtimali daha fazladır.

16 Malzemenin sertliği arttıkça ham yoğunluk düşer. Alaşımlama sertliği (mukavemeti) artırdığından ham yoğunluk veya sıkıştırılabirlikte azalma olur (Şekil 4.12). Bu grafik, alaşım elementlerinin miktarına bağlı olarak demir alaşımında 414 MPa daki sıkıştırılabilirliği göstermektedir. Görüldüğü gibi karbon kuvvetli bir mukavemet artırıcı olduğundan sıkıştırılabilirliğe olumsuz etkisi vardır. Malzeme Özelliklerinin Etkisi Şekil 4.12 Bu yüzden çeliğin sinterlenmesinde kolay sıkıştırılmayı sağlamak için karbon grafit olarak demir tozuna karıştırılır ve sinterleme sırasında demir içersinde çözünerek çelik oluşumu sağlanır. Diğer taraftan, kromun sıkıştırılabilirliğe daha az etkisi vardır ve genel olarak demir içersine ön alaşımlaması yapılır. Bu yüzden sıkıştırılabilirlikten endişe edilen durumlarda genellikle karışım haldeki elementel tozlar preslenir ve sinterleme sırasında alaşım oluşturulur. Sert parçacıklarda sıkıştırılabilirliği iyileştirmek için bir bağlayıcı (ör. Parafin) ilavesi ile sert parçacıklar topaklanarak granül hale getirilir ve orta basınçta sıkıştırılır. Granüller deforme olur, fakat parçacıklar olmaz. Sıkıştırılmış kütlede parçacıklar teorik yoğunluğun %55-60 ı civarındadır ve bağlayıcı gözeneklerin çoğunu doldurduğu için ham mukavemet sağlanmış olur.

17 Sıkıştırma esnasında parçacıkların davranışı Kalıpta sıkıştırmanın basitleştirilmiş bir görünüşüşekil 4.13 de şematik olarak verilmiştir. Sıkıştırma tozun görünür yoğunluğa sahip olduğu durumda başlar ve her bir parçacık 4-6 komşusu ile temastadır (koordinasyon sayısı). Bu aşamada tozun herhangi bir bağ mukavemeti yoktur. Basınç uygulandıkça parçacıklar yerleşir, şekil değiştirir ve bağ oluşur. Şekil değiştirme, parçacığın sertliğini artırdığından,sıkıştırmayı devam ettirmek için daha yüksek basınç gerekir. Toz cinsi ve kalıp malzemesine bağlı olarak maksimum 1000 Mpa sıkıştırma basıncı değerine çıkılabilir. Şekil 4.13 Tozların sıkıştırmasında iki aşırı uç vardır: Şekil değiştirmeyen çok sert parçacıklar ve kolay şekil değiştiren çok yumuşak parçacıklar. Yumuşak tozlar, orta basınç değerlerinde daha yüksek ham yoğunluğa ulaşırlar. Sert karbür, oksit, borür ve nitrür parçacıkları sıkıştırma sırasında değişikliğe uğramazlar. Dolayısı ile ham mukavemeti sağlamak için genellikle polimer bir bağlayıcı (ör. Parafin) kullanılır. Bu bakımdan sıkıştırma basınçları oldukça düşüktür ve ham parça yoğunluğu çoğunlukla teorik değerin %60 nın altındadır.

18 Kalıp Yüzeyi Sürtünmesinin Ham Yoğunluğa Etkisi Kalıpla sıkıştırmada en önemli zorluklardan biri kalıp yüzeyinde oluşan sürtünmedir. Sürtünme, ham parçanın kolay çıkarılmasını engellediği gibi aynı zamanda parça içinde yoğunluk farklılıklarının oluşmasına sebep olur. Zımbanın toza karşı hareketi kar küremeye benzer: Zımbaya yakın olan yerler yoğundur, ancak uzaklardaki tozlar etkilenmemiştir. Mesafeye bağlı basınç düşüşünün sebebi, tozun kuvveti kalıp çeperlerine sürtünme olarak yaymasıdır. Basınç ham yoğunluğu belirlediği için basınç farklılıkları yoğunluk farkları meydana getirir. Sinterlemede oluşan boyut değişimi ham yoğunlukla ters orantılı olduğundan düşük yoğunluklu bölgelerde daha fazla değişim olur. Kalıp yüzeyi sürtünmesine bağlı olarak değişen ham yoğunluk, parçanın sinterleme sırasında çarpılmasına neden olur. Netice olarak, kalıpta sıkıştırma en iyi, yoğunluk gradyanlarını en aza indiren şekillere uygulanır. Yükseklik/Çap oranı (H/D) düşük, ince parçalarda yoğunluk gradyanları azdır. Yoğunluk gradyanları, alt ve üst zımbaları çift hareketli olan preslerde aynı anda ortaya doğru hareket etmeleri ile azaltılmaktadır (Şekil 4.14). Yoğunluk gradyanlarını azaltmak için kalıp çeperleri yağlanır. Fakat, bu yöntem sıkıştırma çevrimini yavaşlatır. Bunu önlemek için sıkıştırma öncesi toza parçacık halinde polimer yağlayıcılar karıştırılır. Toz sıkıştırma ve şekillendirmede kullanılan başlıca yağlayıcılar stearik asit bazlı olup, kısa zincir molekülü CH 3 -(CH 2 ) 16 -CO 2 H den oluşur. Metal tozu yüzeyine yapışması için pek çok stearat zincirinde metal oksitler (ör.zno) bulunur. Şekil 4.14

19 Preslerde sıkıştırma hareketleri Şekil 4.15 Şekil 4.16 Şekil 4.17 Tablo 6.3 de sıkıştırma kalıplarının imalinde yaygın olarak kullanılan malzemeler Tablo 6.3 sıralanmıştır. Sert metaller, sert wolfram karbür parçacıklarının kobalt alaşım matrisi tarafından bağlanmış kompozit malzemelerdir. Bunlar pahalı ve zor işlenebilir malzemeler olup uzun çalışma ömürlerine sahiptir. Maçalar, zımbalar ve bazı dişli kalıplar için takım çelikleri kullanılır. Bunlar daha ucuz, kolay işlenebilen ve dolayısı ile düşük maliyettedir. Bazı çok iyi takım çelikleri toz metalurjisi teknikleri ile üretilir. Kalıplara uygun kaplamalar (sert TiC, TiN, elmas benzeri kaplamalar) aşınma direncini artırır. Kalıp malzemeleri ve kaplamalar

20 Kalıp Takımı Kalıp, Şekil 4.18 de görüldüğü gibi bir tek eksende basınç uygulanacak şekilde tasarımlanır. Kalıp, tozun doldurulup sıkıştırılacağı boşluğu temin eder. Toz dolumu sırasında üst zımba yukarı çekilmiş durumdadır. Dolum sırasında alt zımbanın bulunduğu konum doldurma konumu olarak tanımlanır ve kalıbın içersine ne kadar dolum yapılacağını belirler. Toz kalıp boşluğuna doldurma pabucu vasıtası ile doldurulur. Doldurma sonunda, sıkıştırma sırasında tozun kalıp merkezinde olması için alt zımba daha alt noktaya çekilir. Yoğunlaştırma, zımbaların kuvvet altında kalıp merkezine doğru doğru hareketi ile oluşur. Sonunda üst zımba geri çekilir ve alt zımba parçayı iterek çıkarır. Şekil 6.3 de zımbalar basit olarak gösterilmiştir, ancak karmaşık şekilli de olabilir. Ayrıca parça içinde delik oluşturmak için zımbaların içine yerleştirilmiş maça çubukları kullanılır. Sıkıştırılmış toza, ham parça adı verilir. Preslenme sonrası yoğunluk ham yoğunluk, presleme sonrası mukavemet ise ham mukavemet olarak adlandırılır. Basıncın alt ve üst zımbaların her ikisinden de yapıldığı işleme çift hareketli presleme denir. Aynı etki kalıbın üst zımbanın basınç uygulaması sırasında kalıbın hareketli olması ile de elde edilir. Eğer basınç tek bir zımbadan uygulanırsa parça yoğunluk açısından daha az homojendir ve bu işleme tek hareketli presleme denir. Şekil 4.18

21 Kademeli Parçalarda Sıkıştırma Parça karmaşıklığı arttıkça kalıp karmaşıklığı daha da artar. Parçanın her kademesine aynı basıncı uygulamak için kalıplar parçalı olarak yapılır. Şekil 4.19 daki iki kademeli parçayı göz önüne alalım. Eğer alt zımba tek bir parça olarak yapılırsa, parçanın iki tarafı değişik oranlarda sıkıştırılacaktır. Sıkıştırma ile elde edilecek ham yoğunluk ρ G, görünür yoğunluk ρ A, doldurma yüksekliği H o ve basılacak parçanın yüksekliği H ilişkileri aşağıda denklemlerle verilir: ρ H = ρ G G = = ρ H A O HO H H ρ AH O H H O Dolum yüksekliği Pres sonrası yükseklik H=Alt ve üst zımbalar arasındaki mesafede değişim (Zımba hareket mesafesi). Preslenmiş yoğunluk (ham yoğunluk) Şekil 4.19 Şekil 4.19 un üst kısmındaki dişi kalıp boşluğunun iki yarısındaki doldurma boyları değişiktir. Alt zımba tek parçadan yapılmış olduğu için, zımba hareketi ( H) kalın ve ince kesitler içi aynıdır. Bundan dolayı kısa doldurma yüksekliği olan ince kesitte preslenmiş yoğunluk daha yüksektir. Eğer, şeklin alt kısmında görüldüğü gibi alt zımba parçalı yapılırsa, kalıpta sağ ve sol yarımlar birbirlerine göre değişken hareket edebilir. Böylece homojen ham yoğunluk için presleme imkanı elde edilir.

22 Hata Tespiti ve Kontrol Ham parçada çatlaklar üç sebepten kaynaklanır: 1. Genellikle aşınmadan kaynaklanan kalıp yüzey bozuklukları 2. Uygun olmayan kalıp hareketleri 3. Çıkartma sırasında oluşan çekme gerilmeleri Şekil 6. de görüldüğü gibi çıkartma gerilmesi ham mukavemeti geçtiği zaman çatlaklar oluşur. Şekilde görülen tabaka şeklindeki çatlaklar, parçanın üst kısmı çıkartılmış, fakat alt kısmının hala kalıp içinde bulunması sırasında oluşur. Zorlanmış alt kısım ile rahatlamış üst kısım arasındaki gerilme farklılıkları bu çatlakları oluşturur. Çatlak, kalıp hareketlerinden kaynaklanabilir. Eğer kalıp hareketleri uygun bir sırada olmazsa, parçanın bir bölgesi daha önce sıkıştırılacaktır. Komşu bölge sıkıştırılırken, daha önce yoğunlaşmış bölgeyi hareketle geçer ve ara yüzeyde çatlak oluşur. Şekil 4.20 Şekil 4.21

23 Soğuk İzostatik Presleme Tek eksenli kalıpta tozların sıkıştırılması sık kullanılmakla birlikte, başka sıkıştırma metotları da vardır. Soğuk izostatik presleme (CIP), kademeli ve karmaşık şekilli parçalar veya boy/çap oranının büyük olduğu parçalar için tercih edilir. CIP işleminde toz esnek bir kalıp içine dökülür. Toz dolu kalıp, bileşiminde yağ veya su gibi bir sıvının olduğu kabın içinde sıkıştırılır. Genellikle yağlayıcılar kullanılmaz. CIP genellikle 420 MPa altındaki basınçalarda yapılır. Esnek kalıp; lastiki lateks, poliüretan gibi dayanıklı polimerleden yapılır. Bazı durumlarda sıkıştırmadan önce kalıbın içindeki hava boşaltılır. Şekil 4.22 de görüldüğü gibi toz ile dolduruluş esnek kalıp sıvı içerisine yerleştirilir ve hidrolik sistemle basınç uygulanır. Bu şekil, tozun katı bir maça çubuğu etrafında sıkıştırılarak içi boş bir borunun nasıl üretileceğini göstermektedir. Sıkıştırılma yapıldıktan sonra esnek kalıp hazneden dışarı alınır ve parça maça çubuğundan ve esnek kalıptan çıkartılır. İzostatik presleme, kalıp yüzeyi sürtünmesi olmadığı için kalıpta sıkıştırma yöntemine göre biraz daha fazla yoğunluk verir. İzostatik preslenmiş parçalarda yoğunluk gradyanları daha küçük olduğundan büyük sinterleme büzülmeleri sırasında Şekil 4.22 çarpılma olmaz. Bundan dolayı CIP, sert metaller, kalıp çelikleri, paslanmaz çelikler ve birçok seramik büyük parçaların şekillendirilmesinde kullanılır.

24 ÖDEV Soru : Yüksekliği bir tarafında 1,2 mm, diğer tarafında 12 mm olan iki kademeli bir parça (Şekil 4.19 daki gibi), toz presleme yöntemi ile üretilecektir. Görünür yoğunluğu %52 olan bir tozdan, ham yoğunluğu %94 e sıkıştırılacağı varsayımı ile, her tarafta eşit yoğunluk oluşturabilmek için toz dolum yükseklikleri ve zımba hareket mesafeleri ne olmalıdır? Hesaplayın.