Element Yoğunluk Ergime derecesi g/cm 3 Ni 8, Mg 1,7 650 Ti 4, Sn 7,2 232 Fe 7, Pb 11,3 327 Cu 8,9 1080

Transkript

1 Malzeme Üretim Teknikleri Yrd. Doç. Dr. Rıdvan YAMANOĞLU

2 Element Yoğunluk Ergime derecesi g/cm 3 o C Ni 8, Mg 1,7 650 Ti 4, Al 2,7 660 Sn 7,2 232 Fe 7, Pb 11,3 327 Cu 8,9 1080

3 Demir Çelik arasında en çok kullanılan demir ve çelik günlük yaşantımızın her alanında karşımıza çıkmaktadır. Top 10 steel-producing countries Günümüzde demir, sanayinin temel hammaddesini oluşturmakta ve ülkelerin ekonomik kalkınmasında önemli bir rol oynamaktadır. Ülkelerin ekonomik gelişmişlik göstergeleri kişi başına düşen gayri safi milli hasıla yanı sıra kişi başına düşen demir-çelik tüketimi ile de ölçülebilmektedir. Ham çelik üretimi

4 Demir Çelik Demir tüm metaller içinde en çok kullanılandır. Saf demir çok yumuşak ve kolay şekil verilebilir özelliğe sahiptir. Saf demirin mekanik özelliklerinin düşük olması nedeniyle konstrüksiyon malzemesi olarak kullanımı imkansızdır. Demiri çelik yapan karbondur. Karbon miktarı çok az değişmesine karşın çeliğin mekanik özelliklerinde çok büyük değişimler olur. Karbon, α-, γ- ve δ- demiri kristallerinin ara yerlerine yerleşir. Dolayısı ile belli miktarda karbon demir kristallerine yerleşir. Karbon içeren katılaşmış bu haldeki α demirine ferrit, γ demirine ostenit denir. Ferrit yumuşak, kolay şekil verilebilen vemanyetik özelliğe sahiptir.

5 Demir Çelik Fe: 911 o C ye kadarαfe, khm o C arasındaγfe kym o C arasındaδfe khm

6 Demir Çelik Çelik en çok bilinen demir alaşımı olup, diğer kullanım formları şunlardır: Dökme demir: % 2-4 arasında C, % 1-6 Si ve az miktarda Mangan içerir. Pik demirde bulunan ve malzeme özelliklerini olumsuz etkileyen S ve P gibi katışkılar kabul edilebilir seviyelere düşürülmüştür. Çelik: % 2 C miktarına kadar alaşıma çelik denir.

7 Demir Çelik Demir cevherleri Demir doğada saf olarak bulunmaz. Demir çelik sektörünün ana hammaddesi demir cevheridir. Bir madenin cevher olarak değerlendirilebilmesi için işletilmesi ve kullanılmasının ekonomik olması gerekir. En önemli demir cevherleri: Manyetit (Fe3O4), Hematit (Fe2O3), Limonit (2Fe2O3.2H2O), Siderit (FeCO3) mineralleri şeklinde bulunur. Magnetite Hematite Limonite Siderite Hematit:%40 60 Fe içerir ve kırmızı renklidir Magnetit:%50 70 oranında Fe içerir Limonit:%30 40 Fe içerir. Siderit:%30 40 Fe içerir.

8 Demir Çelik Paslanmaz Çelikler Alaşımlı ve az alaşımlı çelikler korozif etkilere dayanıklı değildirler. Bileşimlerinde en az % 10,5 Cr bulunanlarsa yüzeylerine kuvvetle bağlanan yoğun tok ve çok ince bir krom oksit tabakası nedeniyle pasifleşerek korozyona dayanıklı hale gelirler. Bu tip yüksek alaşımlı çelikler Paslanmaz Çelik olarak adlandırılırlar. Paslanmaz çeliklerde en önemli alaşım elementi kromdur. Kromun oksijene karşı olan ilgilisi-afinitesi demirden daha fazla olduğu için mevcut oksijen ile birleşerek Cr2O3 tabakası oluşturur. Paslanmaz çeliklerde diğer önemli alaşım elementi nikeldir. Nikel oksitleyici ve redükleyici ortamlara karşı dayanım getirir. Paslanmaz çelikler gıda ve kimya sanayi elemanlarının, tıbbi cihazların, korozif ortamlarda çalışacak makina parçalarının ve çeşitli ev aletlerinin üretiminde kullanılır.

9 Demir Çelik Paslanmaz Çelikler Paslanmaz çelik bir Fe, Cr ve C alaşımıdır. Krom içeriği ne kadar fazla olursa pasif koruyucu film o kadar etkili olur. Mo ve N gibi elementler koruyucu filmin mukavemetini arttırırken korozyon direncini de yükseltirler. Eğer pasif koruyucu film kaldırılır veya zarar görürse hava veya su ile temas halinde tekrar oluşacaktır. Nikel ilavesi ile kaynaklanabilirlik, işlenebilirlik ve tokluk gibi üstün özellikler kazanılır.

10 Demir Çelik Paslanmaz Çelikler 300 Serisi Alaşımlar krom ve nikel içerirler. 300 serisi paslanmaz çelikler dünya paslanmaz çelik üretiminin yaklaşık %70 ini oluştururlar. Dekorasyonda, makine imalatında, beyaz eşyada, kimya sanayinde ve evye imalatında kullanılır. 400 Serisi Alaşımlar çelikler ise krom içerir. Bu paslanmaz çelikler genelde nikel içermeyip yüksek krom içeren (%12 ile %30 arasında), molibden, titanyum vanadyum gibi alaşım elementleri içeren bir paslanmaz çelik gurubudur. Genelde içerdikleri yüksek krom oranı çok yüksek bir korozyon direnci sağlar. 400 serisi paslanmaz çelikler, 300 serisinin tersine manyetiktirler.

11 Demir Çelik Paslanmaz Çelikler Gıda, mutfak, mutfak eşyaları, ev eşyaları, otomotiv ve tıp endüstrisinde, evye üretiminde Depolama tankları ve kazanlarda Otomotiv sanayinde, mutfak aletlerinde ve dekoratif uygulamalarda eksoz borularında

12 Demir Çelik Paslanmaz Çelikler Çamaşır yıkama makineleri, köprüler

13 Demir Dışı Bu malzemeler demir esaslı malzemelere göre bazı üstünlükleri nedeniyle endüstride önemli kullanım alanlarına sahiptirler. Düşük yoğunluk Korozyon dayanımı Yüksek ısıl özellikler Yüksek elektriksel özellikler Kolay işlenebilme Negatif olarak pahalıdırlar.

14 Demir Dışı Saf demirde olduğu gibi demir dışı metallerde de saf halde mukavemet değerleri düşüktür. Alaşımlandırma Isıl işlem Soğuk şekillendirme ile mukavemet değerleri oldukça yüksek değerlere ulaşabilir.

15 Demir Dışı Yoğunluk g/cm 3 Ergime Derecesi o C Aluminyum 2,7 660 Bakır 8, Magnezyum 1,7 650 Titanyum 4, Kalay 7,2 232 Çinko 7,1 419 Nikel 8, Pb 11,3 327

16

17

18

19 Aluminyum, (Al) Alüminyum, yumuşak ve hafif bir metal olup mat gümüşümsü renktedir. Bu renk, havaya maruz kaldığında üzerinde oluşan ince oksit tabakasından ileri gelir. Alüminyum, zehirleyici ve manyetik değildir. Yoğunluğu, çeliğin veya bakırın yaklaşık üçte biri kadardır. Kolaylıkla dövülebilir, makinede işlenebilir ve dökülebilir. Çok üstün korozyon özelliklerine sahip olması, üzerinde oluşan oksit tabakasının koruyucu olmasındandır.

20 Aluminyum Yoğunluk 2,7 g/cm 3, demirin üçte biri kadar. Ergime derce 665 oc. Alaşımsız halde çekme mukavemeti 90 N/mm2, alaşımlama ile çekme mukavemeti 220 N/mm2, ısıl işlem ile çekme mukavemeti 440 N/mm2 Bu nihai değer bazı çeliklerin mukavemetine yakındır. Mukavemet / yoğunluk değeri çelikten 3 kat fazla olduğu için otomobil ve havacılık uygulamaları için çok avantajlıdır. Korozyona oldukça dayanıklıdır (yüzeyde oluşan oksit tabakası aluminyumu korozyona karşı korur) Elektrik iletkenliği yüksektir (bakırın % 60 ı kadar, fakat bakırdan üç kattan daha az yoğun oluğundan birim ağırlık başına düşen iletkenlik yönünden bakırdan daha üstün) Bu nedenle geniş aralığa sahip yüksek gerilim hatlarında çelik taşıyıcılar ile birlikte en uygun iletken aluminyumdur. Çok rahat plastik şekil değiştirebilir (haddeleme sonucu % 99 oranında şekil değiştirerek folyo haline getirilebilir). Ayrıca toksik olmadığından gıda endüstrisinde ve paketlenme işlemlerinde çok yaygın kullanılır.

21 Aluminyum Yıllara göre dünya alüminyum üretim miktarları

22 Aluminyum ve üretimi Yerkabuğunda bol miktarda (%7,5-8,1) bulunmasına rağmen serbest halde çok nadir bulunur ve bu nedenle bir zamanlar altından bile daha kıymetli görülmüştür. Alüminyumun ticari olarak üretiminin tarihi 100 yıldan biraz fazladır. Alüminyum ilk keşfedildiği yıllarda cevherinden ayrıştırılması çok zor olan bir metal idi. Alüminyum rafine edilmesi en zor metallerden biridir. Bunun nedeni, çok hızlı oksitlenmesi, oluşan bu oksit tabakasının çok kararlı oluşu ve demirdeki pasın aksine yüzeyden sıyrılmayışıdır.

23 Aluminyum geridönüşümü Alüminyumun hurdalardan geri kazanımı, günümüz alüminyum endüstrisinin önemli bir bileşeni haline gelmiştir. Geri kazanım işlemi, metalin basitçe tekrar ergitilmesi esasına dayanır, ki bu yöntem metalin cevherinden üretimine nazaran çok daha ekonomiktir. Alüminyum rafinasyonu çok yüksek miktarlarda elektrik enerjisi gerektirir, buna karşılık geri kazanım işlemi, üretiminde kulanılan enerjinin %5'ini harcar. Geri döndürülen alüminyum kaynakları arasında otomobil parçaları, pencere ve kapılar, cihazlar, ve konteynerler sayılabilir.

24 Aluminyum ve üretimi Metalsel alüminyumun üretimi genellikle farklı tesislerde gerçekleştirilen üç adıma ayrılabilir: 1. Gerekli hammaddenin (boksit ve diğer cevherler) madenden çıkarılması 2. Cevher hazırlanması ve cevherden alümina (Al 2 O 3 ) üretilmesi 3. Alüminadan birincil alüminyum üretilmesi Cevherden Al üretimi: Birincil Aluminyum Hurdadan Al üretimi: İkincil Aluminyum

25 Aluminyum ve üretimi Alüminyum oksit (beyaz toz), yaklaşık %30-40 demir içerdiği için kırmızı renkli olan boksitin rafinasyonu ile üretilir. Bu işlemin adı Bayer işlemidir. Boksit: Alüminyum üretiminde kullanılan en önemli cevherdir. Farklı oranlarda su içeren oksitlenmiş alüminyum mineralleridir. Dünyadaki metal alüminyum üretiminin % 90'ı bu cevherden temin edilmektedir. Bu bakımdan boksit cevheri dünya ticaretinde önemli bir yer tutmaktadır.

26 Aluminyum ve üretimi Boksit tüketiminin % 85-90'ı alümina ve alüminyum üretimine yöneliktir. Boksit ayrıca, kimya ve refakter sanayiinde, çimento ve aşındırıcı yapımında kullanılmaktadır. Alüminyum üretiminde kullanılan boksit en az % 50 Al2O3 ve en fazla % 15 SiO2 içermektedir. Yaklaşık olarak 4 ton boksitten 1 ton alüminyum elde edilmektedir. Bauxite mine in Western Australia

27 Aluminyum ve üretimi Boksit cevherinden alümina üretimi: Alüminyum üretiminde kullanılabilmesi için boksit içindeki alüminanın saflaştırılması gerekir. Bu işlem için Karl Bayer tarafından 1888 yılında patenti alınan Bayer prosesi kullanılmaktadır. Boksit cevheri 175 C deki NaOH çözeltisi içinde çözülür. Al 2 O NaOH + 3 H 2 O 2 NaAl(OH) 4 Yukarıda reaksiyon sonucu cevher içindeki alümina alüminyum hidroksite dönüşürken diğer oksitler çözünmeden katı halde kalırlar. Bu katı oksitler filtrasyon işlemi ile ayrılır. Filtrasyon sonucu elde edilen kırmızı çamur çevre sağlığı açısından sorunlar oluşturur.

28 Aluminyum, Bayer Prosesi Akja Alümina tesisleri Macaristan 4 Ekim 2010, Kırmızı çamur sızıntısı

29 Aluminyum, Bayer Prosesi Filtraston işleminden sonra çözelti soğutulur ve alüminyum hidroksit çökelir. Elde edilen çökeltinin 980 C de ısıtınca aşağıdaki reaksiyona bağlı olarak gerçekleşir ve saf alümina üretilmiş olur. NaAl(OH) 4 Al(OH) 3 + NaOH 2 Al(OH) 3 Al 2 O H 2 O

30 Hall Héroult Prosesi Bayer prosesinden elde edilen alüminanın metalsel alüminyuma dönüştürülmesi için 1889 da Hall ve Héroult tarafından geliştirilmiş olan proses kullanılır. Bu proseste alümina elektroliz işlemi ile alüminyum ve oksijene ayrılır. Alümina üretiminden sonraki aşama, alüminanın ergimiş kriyolit (Na3AlF6) banyosunda elektrolizi ile metalik alüminyuma dönüştürülmesidir. Birincil alüminyum, alüminanın alüminyum elektroliz hücrelerinde yüksek akım altındaki C sıcaklıkta elektrolit adı verilen kriyolit-alüminyum florür ergimiş tuz eriği içinde çözünmesi, ayrışması ve indirgenmesi sonucu nötrleşen alüminyum metalinin tabanda birikmesi ile elde edilmektedir.

31 Türkiye de Aluminyum Talsad: Türkiye Alüminyum Sanayicileri Derneği ETİ ALÜMİNYUM END ALÜMİNYUM METAL MAKİNA KİMYA SAN. TİC. LTD.ŞTİ. CMS JANT VE MAKİNA SANAYİ A.Ş. KALE OTO RADYATÖR SAN. VE TİC. A.Ş. ASAŞ ALÜMİNYUM SAN. VE TİC. A.Ş. FENİŞ ALÜMİNYUM SAN. VE TİC. A.Ş. ASSAN ALÜMİNYUM SAN. VE TİC. A.Ş. TEKNİK ALÜMİNYUM SANAYİ A.Ş. YILMAZLAR KABLO VE ELEKTRİK SAN. TİC. LTD. ŞTİ.

32 Aluminyum alaşımlarının sınıflandırılması

33 Aluminium-bodied Austin "A40 Sports" (c. 1951)

34

35

36 Aluminyumun ısı transfer hızı demirden 2.4 kat daha hızlıdır.

37

38

39

40