MLİ DERS I TOZ METALURJİSİ. Prof.Dr.Muzaffer ZEREN

Transkript

1 TEKNİK K SEÇİML MLİ DERS I. TOZ METALURJİSİ Prof.Dr.Muzaffer ZEREN

2 TOZ ÜRETİMİ Genel olarak elde edilen bir tozun üretim yöntemini bilmek, tozun karakteristik özelliklerini kolaylıkla anlamamıza sağlar. Günümüzde çoğu malzemenin toz olarak eldesi mümkün olmasına rağmen tozu üretirken seçilen yöntem malzemenin spesifik özelliklerine bağlıdır.

3 TOZ ÜRETİMİ Üretim yöntemini bilmek; Tozun boyutu Şekli Mikroyapısal özelliklerinin önceden bilinmesi için önemlidir.

4 TOZ ÜRETİMİ Üretim yöntemini seçerken; Maliyet Tepkimeler Beklentiler dikkate alınmalıdır.

5 TOZ ÜRETİMİ Üretim yöntemleri; Mekanik Kimyasal Elektrolitik Atomizasyon

6 Toz oluşumunda amaç daha fazla yüzey alanına sahip küçük boyutlu partiküllerin oluşturulmasıdır. Yüzey alanı Enerji

7 Örnek Enerji verimi açısından 1 cm küplük metalin 1 μm boyutlu metal partiküllerine ayrıştığını göz önünde tutalım.

8 Partikül şeklinin küresel olarak kabullenilmesiyle yaklaşık 2x10 18 tane toz elde edilir; burada proses verimliliğine bağlı olarak ortalama 6x10 6 m 2 lik net bir yüzey alanı oluşur. Bu miktarda yeni yüzey alanı oluşturmak için gerekli (üretim açısından bakıldığında) oldukça yüksektir. Yüzey enerjisinin 30 katı...

9 Ders içeriği olarak; toz üretim teknikleri dört ana kategoride artan önem derecesine bağlı olarak temel prensipler çerçevesinde ele alınacaktır. Bunun yanısıra herbir üretim tekniği için uygun örneklendirmeler verilerek ana karakteristiklerin altı çizilecektir. Özellikle toz metalurjisinin gelişmesinde etkin bir rol oynayan atomizasyon gibi teknikler çeşitli uygulama yöntemleri incelenecektir.

10 MEKANİK YÖNTEMLERLE TOZ ÜRETİMİ Bu yöntemle toz üretiminde genel olarak dört temel mekanizma vardır; bunlar (1) darbe, (2) sürtünme ile aşınma (küçük boyutlu parçacıkların kopması; atrisyon), (3) kayma (kesme), (4) basma dır.

11 Mekanik yöntemlerle tozun hazırlanmasında kullanılan genel kuvvetler.

12 Darbe ile malzemeye ani bir kuvvet uygulanır ve böylece öncelikli olarak oluşan çatlak sonucu kırılma gerçekleşir; bunun sonucu olarak toz boyutsal bir küçülmeye uğrar.

13 Sürtünme ile aşınmada partikül boyundaki azalma sürtme hareketinin bir sonucu olarak gerçekleşir. Kayma, kesme sonucunda malzemede klivaj kırılması oluşturur.

14 Partikül boyutu Darbe ile daha büyük boyutlu tozlar, mm mikrometre için bilyeli öğütücüler Öğütülmüş demir borür ve talaşlı imalat ile elde edilen aluminyum

15 Basma mekanizması ile daha düşük boyutlarda toz üretimi ise ana malzemenin yeteri kırılganlığa sahip olması ile birlikte gerçekleşir. Darbe, sürtünme ile aşınma, kayma ve basma gibi mekanizmalar ile değişik boyutta ve şekilde metalsel tozlar elde edilebilir.

16 Talaşlı imalat Metal işleme sonucu ortaya çıkan çok miktarda talaş hurdası metal tozları için büyük bir kaynaktır. Bu talaşlar kimyasal teknikler ile temizlenerek küçük boyutlara indirgemek için öğütme işlemine tabi tutulurlar. Tozlar hava ve işleme sıvılarından kaynaklanan kimyasal kirlilikleri içerebilir. Verimi düşük ve yavaş bir yöntemdir. Bazı polimer ve sert metal tozlarının üretiminde kullanılır.

17 TALAŞLI İŞLEMLEME Düzensiz ve kaba şekilli tozlar, talaşlı işlem uygulanmış. metallerde kayma (kesme) kuvvetleri sonucu oluşur. Metal işleme sonrası elde edilen çoğu talaş iyi bir toz kaynağıdır. Bu tür talaşlar taşlama ile daha düzenli ve şekilli bir hale getirebilir. Talaşlı işlemleme ingot ile üretim sonrasında uygulanan kolay bir tekniktir. Bundan dolayı elde edilen talaş kolaylıkla daha küçük boyutlu toz haline getirilir. Kimyasal kirlilik, oksijen, yağ ve diğer metallerin yer alması gibi tozun karakteristik özelliklerine olumsuz bir etkide bulunan kavramlar göz önüne alındığında, bu kavramların talaşlı işlemleme tekniğinde kaçınılmaz olması bir dezavantajdır.

18 TALAŞLI İŞLEMLEME Talaşlı işlemleme toz üretimi için birincil bir seçim değildir ve. aynı zamanda yavaş ve yetersiz bir prosestir. Ancak yine de başka bir işleme sonrası elde edilen talaşın değerlendirilmesi yararlıdır. Örneğin kullanım sırasında yüksek performansın arandığı koşullar gibi çoğu durumda tozlar oldukça düzensiz ve kaba ise değirmen sistemlerinde tekrar öğütülüp istenen boyuta ve şekle getirilebilir. Talaşlı işleme sonrası elde edilen tozların çoğu yüksek karbonlu çelik ve bazı dental amaçlı kullanılan amalgam tozlarıdır.

19 Öğütme Öğütme sistemi, özellikle kırılgan (gevrek yapılı) malzemelerden toz üretiminde kullanılan, darbe kuvvetlerinin ağırlıklı olarak yer aldığı ve içerisinde kırma amaçlı sert bilyalar içeren bir sistemdir.

20 Öğütme Değirmen sistemi silindirik olup içerdiği sert bilyalar ile malzemeyi öğütür. Değirmen döndükçe bilya malzeme üstüne düşer; gerçekleşen bu etkileşim sonucu toz boyutunda küçülme söz konusudur.

21 Öğütme Değirmende öğütme hareketinin görünüşü. Değirmen kendi çevresinde dönerken içinde bulunan malzeme bilyalarının düşmesiyle toz halinde parçalanır. Kavanoz tipi. Kavanozun hızı bilyeleri kavanozun en üstüne taşıyıp öğütülen malzemelerin üstüne düşecek şekilde ayarlanır.

22 Öğütme Bilyalı değirmende bilya ile uygulanan darbe, kırılgan malzeme açısından öncelikli olarak çatlak içeren yörelerde ve yapısal hatalarda etkili olur.

23 Öğütme En uygun öğütme için, Bilya çapı toz çapının yaklaşık 30 katı olmalı Bilyalar kavanoz hacminin yaklaşık yarısını doldurmalı Öğütülecek malzeme kavanoz hacminin yaklaşık % 25 ini doldurmalı

24 σ = 2Er D Öğütme Bu sistem için ön görülen darbe gerilimi, σ = 2Er D Bu eşitliği göz önüne alırsak, büyük tane boyutlarında kırılma için daha düşük darbe gerilmesine gerek vardır.

25 Öğütme. Öğütme boyunca partikül boyutu azaldıkça, partikül boyutunu küçültmek için gerekli olan darbe gerilmesi giderek artacaktır ve bundan dolayı uzun süreli öğütmede üretilebilirlik de bir azalma söz konusu olacaktır.

26 Öğütme

27 Öğütme Tozun öğütülmesi için gerekli olan bir diğer kavram ise. enerjidir. Başlangıç partikül boyutu Di olan ve arzu edilen nihai toz boyutunu (Df) elde etmek için sistemin sahip olması gereken enerji (W) aşağıdaki gibi bir eşitlikle kolaylıkla hesaplanabilir. Bu eşitlik için g: malzeme, bilya, öğütücü dizaynı ve öğütme düzeneğine bağlı bir sabit, a : 1 ile 2 arasında değişen bir üstel bir sayıdır. Enerji, toz boyutunu istenen boyuta küçültmek amacı ile istenir. Bundan dolayı öğütme süresi güç kaynağına, partikül boyutu değişimine, öğütme ortamı boyutuna ve dönme hızına bağlı olarak belirlenir

28 Öğütme Mekanik ayırma sonucunda bir tozun partikül boyut dağılımında değişim. a orjinal partikül boyut dağılımı; b, c ve d öğütme süresinin artmasıyla partikül boyut dağılımında meydana gelen değişim (b>c>d).

29 Öğütme.Öğütme yumuşak malzemeler için uygun değil. Sertleştirilererek kullanılabilir. Titanyum hidrojene maruz kalınca gevrekleşir. Öğütme sonrası hidrojen ortamdan uzaklaştırılabilir. gevrek malzeme tarzı köşeli kırılma Niyobyum tozları Hidrürleme, öğütme ve vakum altında Hidrojen giderme

30 Öğütme.Öğütme çoğu sünek malzeme için tane boyutunun düşürülmesi açısından uygun bir seçim değildir. Sünek partiküller kendi aralarında soğuk kaynaklanabilme özelliğine sahiptir. Bundan dolayı pratikte kırılgan malzemelerin öğütme ile daha düşük toz partiküllerine dönüşümü kolaydır. Oksit esaslı malzemeler kırılgan davranış gösterirler. Bunun yanı sıra bazı metaller kırılgan hidrit oluşturur.

31 Öğütme Değirmenin dönüşü, maksimum darbe hızını verecek. şekilde olmalıdır. Bu açıdan hız, sistem içindeki bilyaları en üst seviyeye çıkaracak ve sonrasında serbest düşme ile bilya-malzeme etkileşimini sağlayacak yeteri hızda ayarlanmalıdır. Çok düşük hızlar sonucunda bilya-malzeme etkileşimi istenilen düzeyde olmayıp boyut küçültme için harcanan süre uzun olacaktır. Bunun yanı sıra değirmenin dönüş hızının çok yüksek seçilmesi sonucunda merkezkaç kuvvetin fazla olmasından dolayı bilyalar belirli bir seviyeye çıkıp sonrasında serbest düşme ile malzeme üzerine darbe etkisinde bulunmayıp onun yerine sürekli olarak değirmenin dönüş yönünde hareket edecektir.

32 Öğütme Akışkan. veya koruyucu bir atmosfer oksidasyonu azaltmak ve öğütmeyi desteklemek amacı ile kullanılır. Öğütme içersinde yapılan enerji analizleri, enerji kaybının ağırlıklı olarak ısı ve gürültü olarak harcandığını göstermektedir. Öğütme ile oluşturulan metal tozları soğuk sertleşmiş, düzensiz bir halde olup zayıf akışkanlık ve paketlenme karakteristiği gösterirler.

33 Öğütme. Diğer bir problem ise gerek bilyalardan gerekse de değirmenden malzeme içerisine karışan yabancı malzeme partikülleridir. Öğütme yaygın olarak tavlama sonrası elektrolitik, atomize veya indirgenme ile elde edilen tozlardaki aglomerasyonu önlemek amaçlı kullanılır. Bunun yanı sıra borürler, karbürler ve intermetalik gibi kırılgan bileşenlere uygulanır

34 MEKANİK ALAŞIMLAMA 1960 lı yıllarda beri oksit sertleştirilmiş malzemeler sahip oldukları yüksek sürünme direncinden dolayı yaygın bir şekilde kullanılmaya başlanmıştır. Dispersiyon (ince dağılım) sertleştirilmiş alaşım içerisinde ince dağılım halde bulunan ince ikincil faz partikülleri homojen bir dağılımını elde etmek üretim aşamasında bir takım zorlukları da beraberinde getirmektedir.

35 MEKANİK ALAŞIMLAMA Mekanik alaşımlama tekniği ile MgB2 tozu üretimi

36 MEKANİK ALAŞIMLAMA

37 MEKANİK ALAŞIMLAMA Mekanik alaşımlamada kullanılan bilyalar

38 MEKANİK ALAŞIMLAMA Atritör sisteminde oluşturulan mekanik alaşımlama. t= C d 2 /N 1/2, t homojen ürün elde etme için gerekli zaman, N milin dönme hızı, d bilya çapı, C sabit. Enerji açısından verimli değil fakat ürün özel bir kompozit olabilir. Belirli şartlar altında nano ölçekli veya amorf tozlar mekanik alaşımlama ile üretilebilir. Tozlar köşelide olsa sıcak yoğunlaştırma İle yüksek özellikte malzeme eldesi mümkün.

39 MEKANİK ALAŞIMLAMA Toz-küre darbe etkileşimi (solda) ve sünek Cu-Nb tozlarının mekanik alaşımlama ile üretimi

40 MEKANİK ALAŞIMLAMA Öğütme teknikleri mikronaltı boyutlardaki oksitlerin oldukça ince bir dispersiyonunu sağlar. Bu açıdan bakıldığında uygulanabilecek en iyi yöntem mekanik alaşımlamadır. Mekanik alaşımlama yöntemle hareketli bilyalar arasında kalan malzemeye etki eden sürtünme kuvvetleri ile alaşımlı kompozit partiküller elde edilir.

41 MEKANİK ALAŞIMLAMA Bu yöntemle hareketli bilyalar arasında kalan malzemeye etki eden sürtünme kuvvetleri ile alaşımlı kompozit partiküller elde edilir. Tekrarlanan darbe, soğuk kaynak ve kırılmalar sonucunda istenen kompozit tozları mikroskopik bir seviyede elde edilir.

42 MEKANİK ALAŞIMLAMA Diğer mekanik toz üretim teknikleri gibi mekanik alaşımlama açısından da kirlenme riski önemli bir problemdir. Bu problem bilya, karıştırma çubuğu ve üretilecek toz ile aynı malzemeden yapılmış tank kullanımı ile minimize edilebilir.

43 MEKANİK ALAŞIMLAMA Öğütme sırasında organik bir akışkanın seçilmesi, öğütme ve mekanik alaşımlama için gerekli olan kaynaklanma arasında bir dengenin kurulması açısından önemlidir. Tozların işlem sırasında yüksek oranda sertleşmesine ve kabalaşmasına rağmen sıcak yoğunlaştırma teknikleri ile nihai yoğunlaştırma gerçekleştirilebilir

44 DİĞ İĞER DARBELİ TEKNİKLER Yüksek gerinme hızına sahip darbeler ile toz üretim teknikleri kırılgan malzemeler için oldukça kullanışlıdır.. Basma kuvvetleri özellikle zayıf malzemelerin partikül boyutlarını 1 mm ve daha altına indirmek amacı için kullanılır. Özellikle sert tungstenkarbür kanatcıklara sahip olan yüksek hızlı darbeli öğütücülerle boyutları daha da indirgemek mümkündür.

45 DİĞ İĞER DARBELİ TEKNİKLER Ṡoğuk akış yöntemi; Partiküller çok yüksek hızda soğuk ve sert bir hedefe yönlendirilirler. Tozlar 7 Mpa basınçlı gaz beslemesi ile İvmelendirilirler. Elde edilen ürünler 10 mikronun üzerindedir. Soğuk yüzey ile daha gevrek özellik elde edilir. Alevle püskürtme tozları ve filtreler için paslanmaz çelik tozları bu yolla üretilebilir.

46 DİĞ İĞER DARBELİ TEKNİKLER Tanımlanan. tekniklerin dışında diğer bir teknik ise kendi kendine darbeli sürtünmeli aşınma olarak bilinir. Aynı toza ait iki karşıt toz akış hüzmesinden biri diğerinin üzerinde yönlenir. İvmelendirilmiş toz partikülleri yüksek bir darbe hızı ile karşıt yönden gelen diğer ivmelendirilmiş tozlarla çarpışır. Böylece tozlar kırılarak boyutsal olarak küçülür. Burada amaç hedef malzemeden gelebilecek kontaminasyondan kaçınmaktır. İlgili teknik, örneğin berilyum gibi kırılgan metallerden kaba partiküller (50 μm) elde etmek için uygulanır.

47 Farklı kuvvetlerden dolayı oluşan boyut dağılımları

48 Milimetre boyundaki tozlar için çekiçli kırıcılar yeterlidir. Ancak istenilen tozun boyutu μm arasında ise bilya destekli karıştırma ve diğer yoğun sürtünme ile ana malzemeden parçacık kopartabilen donanım ile çalışmak daha uygun olacaktır.

49 Kırıcı ve öğütücülerde etkili olan kuvvetler

50 Mekanik yöntemler ile elde edilen tozlar genellikle düzensiz şekilde oluşurlar. (a) (b) Mekanik yöntemler ile hazırlanan tozlara ait tarama elektron mikroskop görüntüleri (a) Mekanik kesme ile elde edilen aluminyum tozları (b) Darbe kuvvetlerinin ağırlıklı olarak yer aldığı bilyalı değirmen sisteminde hazırlanmış TiCtakım çeliği toz karışımı

51 TOZ METALURJİK UYGULMADA ENDÜSTRİYEL ÖRNEK Zirkonya/Silika tozları Toz metalurjik yöntem 16 mikron çapında %99 saf aluminyum tozlarından oluşan matriks içerisinde 50 mikron çapında zirkonya/silika partiküllerin karışımından oluşturulan kompozit malzeme