TOZ METAL ALÜMİNYUM MALZEMELERİN MİKRODALGA ENERJİSİ İLE SİNTERLENEBİLİRLİĞİNİN İNCELENMESİ. Ahmet AYATA YÜKSEK LİSANS TEZİ METAL EĞİTİMİ

Transkript

1 TOZ METAL ALÜMİNYUM MALZEMELERİN MİKRODALGA ENERJİSİ İLE SİNTERLENEBİLİRLİĞİNİN İNCELENMESİ Ahmet AYATA YÜKSEK LİSANS TEZİ METAL EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ŞUBAT 2014 ANKARA

2

3 TOZ METAL ALÜMİNYUM MALZEMELERİN MİKRODALGA ENERJİSİ İLE SİNTERLENEBİLİRLİĞİNİN İNCELENMESİ Ahmet AYATA YÜKSEK LİSANS TEZİ METAL EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ŞUBAT 2014 ANKARA

4 Ahmet AYATA tarafından hazırlanan TOZ METAL ALÜMİNYUM MALZEMELERİN MİKRODALGA ENERJİSİ İLE SİNTERLENEBİLİRLİĞİNİN İNCELENMESİ adlı bu tezin yüksek lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Prof. Dr. Adem KURT Tez Danışmanı, Metalurji ve Malzeme Müh. Anabilim Dalı.. Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Metal Eğitimi Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Prof. Dr. Ramazan ÇITAK Metalurji ve Malzeme Müh. Anabilim Dalı, G.Ü... Prof. Dr. Adem KURT Metalurji ve Malzeme Müh. Anabilim Dalı, G.Ü... Doç. Dr. Çetin KARATAŞ İmalat Mühendisliği Anabilim Dalı, G.Ü... Tez Savunma Tarihi: 13/02/2014 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır. Prof. Dr. Şeref SAĞIROĞLU Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü..

5 TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Ahmet AYATA

6 iv TOZ METAL ALÜMİNYUM MALZEMELERİN MİKRODALGA ENERJİSİ İLE SİNTERLENEBİLİRLİĞİNİN İNCELENMESİ ( Yüksek Lisans Tezi) Ahmet AYATA GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Şubat 2014 ÖZET Mikrodalga enerjisi uzun yıllardan beri değişik uygulamalar için kullanılmaktadır yılından itibaren seramik malzeme işlemleri üzerinde mikrodalga uygulamalarına çalışılmaktadır. Metal tozlarının sinterlenmesin de mikrodalga sinterleme çok yeni bir gelişmedir. Tam yoğunluklu metal parça sağlamaları mikrodalgaların sürpriz uygulamalarını oluşturmaktadır. Bu teknoloji, değişik toz metal parçaların kısa bir sürede üretilmelerinde kullanılmaya başlanmıştır. Bu çalışmada, ortalama toz boyutu 51 µm olan Alüminyum tozlarından 125, 175, 225 MPa basınçlarda 31,7x12,7x6,35 mm ölçülerinde toz metal Alüminyum blok numuneler ASTM B e uygun olarak tek yönlü presleme ile üretilmiştir. Elde edilen ham blok numunelerin yoğunlukları ölçülmüş daha sonra klasik ve mikrodalga sinterleme işlemine tabi tutularak yoğunlaşmaları sağlanmıştır. Her iki sinterleme yönteminin yoğunlaşma, mikroyapı ve mekanik özellikleri karşılaştırılmıştır. Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler : Mikrodalga sinterleme, toz metalurjisi, mekanik özellikler Sayfa Adedi : 86 Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Adem KURT

7 v THE INVESTIGATION OF THE ABILITY OF ALUMINIUM POWDER METAL MATERIALS WITH MICROWAVE SINTERING PROCESS ( M.SC. Thesis) Ahmet AYATA GAZİ UNIVERSITY GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES February 2014 ABSTRACT Microwave energy has been used in various application for many years. Since 1960, microwave applications have been studied on ceramic meterial processes. Microwave sintering of metal powder is a relatively recent development. Provide full density metal parts are surprise executions of microwave sintering process. This technology have been used in producing several powder metal parts in a short time. In the present study, avarage powder size is 51 µm aluminium powder is one-way pressed under 125, 175, 225 MPa pressures with 31,7x12,7x6,35 mm of size aluminium powder metal block in accordance with ASTM B standart. Raw densities of the obtained blocks are measured and then subjected to conventional and microwave sintering processes to provide concentration. Both the sintering method s itensification, microstructure and mechanical properties were compared. Science Code : Key Words : Microwave sintering, powder metallurgy, mechanical properties Pages : 86 Adviser : Prof. Dr. Adem KURT

8 vi TEŞEKKÜR Yüksek Lisans çalışmam süresince bilgi ve tecrübelerinden istifade ettiğim, yapıcı ve teşvik edici yaklaşımıyla çalışmalarımı yönlendiren değerli danışman hocam Prof. Dr. Adem KURT a teşekkürlerimi sunarım. Çalışma süresince gerek moral olarak gerekse de deneysel çalışmalarda katkı sağlayan değerli hocalarıma ve arkadaşlarıma desteklerinden dolayı teşekkür ederim. Çalışmalarımda hiçbir zaman yardımlarını esirgemeyen değerli arkadaşlarım Sn. İsa ERCAN, Sn. Yasin PELİT ve Sn. Elif Selen Atmaca ya. Son olarak bugüne kadar yetişmemde maddi-manevi en büyük emeği olan başta anne ve babam olmak üzere bütün aileme ve büyüklerime; saygı, sevgi ve şükranlarımı sunarım.

9 vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... İV ABSTRACT... V TEŞEKKÜR... Vİ İÇİNDEKİLER...Vİİ ŞEKİLLER LİSTESİ... X RESİMLERİN LİSTESİ... Xİİ ÇİZELGELERİN LİSTESİ... XİV SİMGELER VE KISALTMALAR... XV 1. GİRİŞ TOZ METALURJİSİ Toz Metal Üretim Teknikleri Mekanik toz üretimi Elektrolitik toz üretimi Kimyasal toz üretimi Atomizasyon TOZ METALURJİSİNİN AVANTAJ VE SINIRLAMALARI TOZ METALURJİSİ İLE PARÇA ÜRETİMİ Karıştırma ( Harmanlama) Presleme ( Sıkıştırma ) SİNTERLEME VE AŞAMALARI Katı Hal Sinterlemesi Sıvı Faz Sinterlemesi Sürekli sıvı faz sinterlemesi... 34

10 viii Sayfa Geçici sıvı faz sinterlemesi Reaktif Sıvı Sinterlemesi Buhar Fazı Sinterlemesi SİNTERLEME YÖNTEMLERİ Klasik Sinterleme Parti fırınlarda sinterleme Sürekli fırınlarıda sinterleme Hızlı Sinterleme Teknikleri İndiksüyonla sinterleme Spark plazma sinterleme (SPS) Lazer sinterleme Mikrodalga sinterleme DENEYSEL ÇALIŞMALAR Malzeme Presleme İşlemi Sinterleme İşlemi Klasik sinterleme Mikrodalga sinterleme Yoğunluk ve Gözenek Oranının İncelenmesi Mikroyapı İncelemeleri Sertlik İncelemeleri Çapraz Kırılma Deneyi SONUÇLAR VE TARTIŞMA Yoğunluk Değişimleri... 63

11 ix Sayfa Ham yoğunluk Sinterlenmiş yoğunluk Mikroyapı İncelemeleri Çapraz Kırılma Deney Sonuçları Sertlik Sonuçları SONUÇLAR ÖNERİLER KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ... 86

12 x ŞEKİLLER LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. Bilyeli öğütme cihazının görüntüsü... 6 Şekil 2.2. Öğütme işleminde tozların davranışları... 7 Şekil 2.3. Elektrolitik toz üretimi... 8 Şekil 2.4. Atomizasyon ile toz üretim aşamaları Şekil 2.5. Su atomizasyonu işlemi Şekil 2.6. Düşey gaz atomizasyon ünitesi Şekil 2.7. Döner elektrot atomizasyon yöntemi Şekil 2.8. Vakum atomizasyon yöntemi ile metal tozu üretimi Şekil 4.1. Değişik öğütme ve karıştırma makinaları Şekil 4.2. Toz metal parçaları çift yönlü sıkıştırma basamakları Şekil 4.3. Metalürjik açıdan sıkıştırma işlemi Şekil 5.1. Boyun çapı X olan iki küresel parçacığın sinterleme profili Şekil 5.2. Sinterleme nokta teması ile başlayan ve parçacıklar arası bağ gelişimini gösteren iki küre sinterleme modeli Şekil 5.3. Sürekli sıvı faz sinterlemesi için uygun ikili sistemler Şekil 5.4. Ergime sıcaklıkları ve çözünürlük bakımından geçici sıvı faz sinterlemesine uygun denge diyagramları Şekil 6.1. Sinterleme fırınındaki kademeler (sıcaklık zaman ilişkisi) Şekil 6.2. Parti sinterleme fırınının şematik gösterimi Şekil 6.3. Sürekli sinterleme fırınının şematik bölgeleri Şekil 6.4. İndüksiyonla sinterlemenin şematik görünümü Şekil 6.5. Spark plazma sinterleme mekanizması Şekil 6.6. Spark plazma sinterleme sisteminin şematik görüntüsü Şekil 6.7. SLS sisteminin genel şematik görüntüsü... 46

13 xi Şekil Sayfa Şekil 6.8. SLS tezgahının genel şematik gösterimi Şekil 6.9. Geleneksel ve Mikrodalga fırınlarında ısıtma Şekil Klasik ve mikrodalga sinterleme süreleri arasındaki fark Şekil Malzemenin Mikrodalga ile Etkileşimi Şekil 7.1. Alüminyum tozlarının boyutu dağılımı Şekil 7.2. Toz metal Alüminyum blok numunenin şematik görünümü Şekil 7.3. Tasarlanmış mikrodalga fırının şematik görüntüsü Şekil 8.1. Toz metal Alüminyum blok numunelerin ham yoğunluk grafiği Şekil 8.2. Toz metal Alüminyum numunelerin klasik sinterleme işlemi sonucunda oluşan sinterlenmiş yoğunluk grafiği Şekil 8.3. Toz metal Alüminyum numunelerin mikrodalga sinterleme işlemi sonucunda oluşan sinterlenmiş yoğunluk grafiği Şekil 8.4. Basınç ve çapraz kırılma dayanımı değişim grafiği Şekil 8.5. Basınç ve sertlik değişim grafiği Şekil 8.6. Sinterleme süresi ve sertlik değişimi... 78

14 xii RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 5.1. Nikel tozunun sinterlemesi sırasında boyun oluşumu Resim 7.1. Presin şematik görünümü Resim 7.2. Klasik sinterleme işlemi yapılan fırınının görüntüsü Resim 7.3. Tasarlanmış mikrodalga fırının görüntüsü Resim 7.4. Çapraz kırılma test cihazının görüntüsü Resim 8.1. Klasik sinterleme ile a) 125 MPa, b) 175 MPa, c) 225 MPa'da 30 dk. sinterleme işlemi uygulanmış numunelerin mikroyapı görüntüleri Resim 8.2. Klasik sinterleme ile a) 125 MPa, b) 175 MPa, c) 225 MPa'da 45 dk. sinterleme işlemi uygulanmış numunelerin mikroyapı görüntüleri Resim 8.3. Mikrodalga sinterleme ile a) 125 MPa, b) 175 MPa, c) 225 MPa'da 10 dk. sinterleme işlemi uygulanmış numunelerin mikroyapı görüntüleri Resim 8.4. Mikrodalga sinterleme ile a) 125 MPa, b) 175 MPa, c) 225 MPa'da 25 dk. sinterleme işlemi uygulanmış numunelerin mikroyapı görüntüleri Resim MPa ve 580 ºC de a) Klasik sinterlenme ile 30dk, b) Mikrodalga sinterleme ile 10 dk. sinterleme işlemi uygulanmış numunelerin SEM görüntüleri Resim MPa ve 580 ºC de a) Klasik sinterlenme ile 30 dk, b) Mikrodalga sinterleme ile 10 dk. sinterleme işlemi uygulanmış numunelerin SEM görüntüleri Resim MPa ve 580 ºC de a) Klasik sinterlenme ile 30 dk, b) Mikrodalga sinterleme ile 10 dk. sinterleme işlemi uygulanmış numunelerin SEM görüntüleri Resim MPa ve 580 ºC de a) Klasik sinterlenme ile 45 dk, b) Mikrodalga sinterleme ile 25 dk. sinterleme işlemi uygulanmış numunelerin SEM görüntüleri Resim MPa ve 580 ºC de a) Klasik sinterlenme ile 45 dk, b) Mikrodalga sinterleme ile 25 dk. sinterleme işlemi uygulanmış numunelerin SEM görüntüleri... 73

15 xiii Resim Sayfa Resim MPa ve 580 ºC de a) Klasik sinterlenme ile 45 dk, b) Mikrodalga sinterleme ile 25 dk. sinterleme işlemi uygulanmış numunelerin SEM görüntüleri... 73

16 xiv ÇİZELGELERİN LİSTESi Çizelge Sayfa Çizelge 7.1. Alüminyum toz boyutu Çizelge 8.1. Basınç, sinterleme yöntemi ve süreye bağlı yoğunluk değişimleri Çizelge 8.2. Presleme basıncı, sinterleme yöntemi ve süresinin kırılma dayanımına etkisi Çizelge 8.3. Basınç ve süreye bağlı sertlik sonuçları tablosu... 76

17 xv SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama Q R T D X γ Ω k Aktivasyon enerjisi Gaz sabiti Mutlak sıcaklık Parçacık çapı Boyun çapı Yüzey enerjisi Atom hacmi Boltzman sabiti Kısaltmalar Açıklama T/M SPS SLS SLM MD. S. Toz Metalurjisi Spark Plazma Sinterleme Seçici Lazer Sinterleme Seçici Lazer Ergitme Mikrodalga Sinterleme K. S. Klasik Sinterleme

18 1 1. GİRİŞ Malzeme alanında yapılan gelişmeler bu alanlarda kullanılan malzemelerin de geliştirilmesini gerekli kılmıştır. Geliştirilmesi gerekenlerden birisi de (T/M) toz metalurjisi yöntemi ile üretilen malzemelerdir [1]. Toz metalürjisi, 20. yy da ortaya çıkmış ve günümüzde hızla gelişmektedir. Toz metalurjisi ile üretilen parçalar pek çok değişik alanda kullanılmaktadır. Dişliler, kendinden yağlamalı burçlar, elektrik kontakları, sert kesici takım uçları vb. birçok parça toz metalurjisi yöntemi ile üretilmektedir [2]. Toz metalurjisi çok küçük partiküllerin birbirine preslemeyle bağlanarak, parça haline getirilmesi işlemidir. Maliyet ve kalitenin hedef haline geldiği günümüzde toz metal teknikleri ile parça üretimi giderek önem kazanmaktadır. Toz metalurjisinin önemi; döküm, talaşlı imalat ile şekillendirilmesi oldukça zor veya imkânsız olan parçaların bu yöntemle kolaylıkla ve kütle üretimlerde ekonomik bir şekilde üretilebilmesinden kaynaklanmaktadır [3]. Toz metalurjisi yönteminin birçok avantajı olduğu gibi kendine özgü bazı problemleri de vardır. Yetersiz sinterleme, kalıptan çıkartma esnasında sürtünmeden dolayı oluşan çatlaklar, presleme biçiminden kaynaklanan yoğunluk değişimleri bunlardan bazılarıdır. Toz metalurjisi yöntemi ile parça üretimini etkileyen parametre ise toz tipi, toz büyüklüğü, presleme basıncı, sinterleme sıcaklığı, sinterleme süresi vb. dir. Bu parametreler, nihai ürünün mekanik özelliklerini doğrudan etkiler. Toz metalurjisinde üretilecek uygun bileşime sahip olan tozlar ilk işlem olarak uygun bir kalıp içinde preslenmektedir. Presleme basıncı ve etki şekline bağlı olarak parçanın yoğunluğu değişmektedir. Yapılan bu ilk işlem, parçanın mekanik ve fiziksel özelliklerini belirlemektedir.

19 2 Elde edilecek parçalarda uygulanacak ikinci ve en önemli işlem ise sinterlemedir. Sinterleme işlemi, ergime sıcaklığı altında ve genellikle koruyucu atmosferde gerçekleştirilir. Bu işlemde; parça, fırın içine konur ve korozyondan korunması için fırın içerisine koruyucu gaz gönderilir. Fırındaki parçanın içindeki yağlayıcıların temizlenmesi için numuneler ön ısıtmaya tabi tutulur. Oksit indirgenmesinin ardından fırının sıcak bölgesinde sinterleme işlemi gerçekleşir ve fırından çıkan parça soğumaya bırakılır [4]. Ürünlere hızlı ısıtma ile sinterleme tekniklerinin geliştirilmesi sayesinde, düzgün ürün kalitesinin yanı sıra hızlı ısıtma ve üniform bir ısı transferinin gerçekleştirmesi nedeni ile hızlı sinterleme yöntemlerinin kullanımı hızla yaygınlaştı. Bu çalışmada, klasik sinterleme yönteminin yanı sıra metallerin sinterlenmesinde son zamanlarda yaygın olarak kullanılmaya başlanan mikrodalga sinterleme yöntemleri kullanılarak toz metal numuneler sinterlenmiş ve bu numunelerin birbirlerine göre üstünlükleri karşılaştırılmıştır. Alüminyum tozlarının farklı basınçlarda preslenmesiyle üretilen toz metal parçalar klasik ve mikrodalga sinterleme ile sinterlenmişler ve bu malzemeler üzerinde yoğunluk, mikroyapı, sertlik, çapraz kırılma ve SEM incelemeleri yapılmıştır.

20 3 2. TOZ METALURJİSİ Toz metalurjisi (T/M), metal işleme teknolojileri arasında diğer yöntemlere göre çok büyük farklılık gösteren bir üretim tekniğidir. Çok eskilerden beri bilinen, uygulanan bir yöntem olmasına rağmen uygulama açısından yeni sayılabilecek bir işlemdir. Tarihe baktığımızda, ilk toz metalurjisi uygulamaları kimyasal olarak elde edilmiş platin ve iridyum gibi yüksek sıcaklıkta ergiyen malzemeler üzerinde çalışılmıştır da Rusya da tedavüle çıkarılan platin para toz metalurjisinin ilk endüstriyel uygulaması olmuştur [4]. Toz Metalurjisi (T/M) işlemi ilk olarak geleneksel döküm, sıcak ve soğuk presleme ve talaş kaldırma üretim yöntemlerine alternatif olarak geliştirilmiştir. Toz metalurjisi, imali zor parçaların (küçük, fonksiyonel, birbiri ile uyumsuz, kompozit yapılar, vb.) toz formunda hammaddelerden başlayarak ekonomik, yüksek mukavemet ve minimum toleransla (düşük fireli olarak) ve diğer üretim yöntemlerine kıyasla daha avantajlı bir şekilde üretimi sağlayan yöntem ve tekniktir. Arzu edilen durum, yapılan işlemlerin ucuz olması ve kullanılacak olan tozların istenilen fiziksel ve kimyasal özellikleri sağlamasıdır. Son yıllarda, özellikle otomotiv endüstrisinde kullanılan parçaların bir bölümünün üretim tekniği tamamen T/M ne dayanmaktadır. İçeriğinin kontrol edilebilir olması, homojen mikroyapı dağılımı ve birim maliyetin düşük kalması gibi faktörler nedeni ile T/M ile üretim yöntemi son yıllarda imalat sektöründe müstakil üretim seçeneği olarak kullanılmaktadır. Günümüzde, toz metalürjisinin endüstriyel üretim aşamalarının hemen hemen tamamında uygulanabilir hale gelmesinin nedenleri vardır. Bu nedenler arasında, malzemeden tasarruf edilmesi, üretilen parçanın mikro yapısında ince tane boyutları ile kimyasal olarak homojenizasyonun sağlanması, karmaşık şekilli parçaların nispeten ekonomik olarak üretilmesi ve tam yoğunluk ile yüksek dayanım performansı gibi faktörler sayılabilir.

21 4 Üretim aşamalarında, tozların şekillendirilip, pekiştirilmesi ve ısıtılarak sinterlenmesi anahtar adımlar olduğundan, toz metalürjisi düşük enerji tüketimi, düşük maliyetlerde ve yüksek verimde malzeme kullanımı içeren otomasyon üretim süreçlerinden yararlanır. Bu özellikleri itibarı ile toz metalürjisi, günümüz teknolojilerinde önemli kavramlar olan verimlilik, enerji ve hammadde üçlüsü ile uyum içindedir [5]. Bu nedenle, toz metalürjisi dünyada giderek yaygınlık kazanmakta olup gerek teknolojik, gerekse ekonomik açıdan diğer metalürjik üretim süreç ve teknolojilerine alternatif oluşturan bir teknolojidir Toz Metal Üretim Teknikleri Bir tozun nasıl üretildiğinin bilinmesi tozun boyutu ve şekli gibi özelliklerinin başlangıçta tahmin edilmesini sağlar. Hemen her malzeme toz haline getirilebilir, fakat belirli bir malzemeyi toz haline getirmek için seçilen yöntem; maliyet, tepkimeler ve istenen özellikler gibi faktörlerin karışımına bağlıdır [9]. Bütün toz üretim yöntemlerinde, yeni yüzey alanı oluşturmak amacıyla enerji harcaması yapılmaktadır. Maalesef bütün yöntemlerin verimi düşüktür, bu sebeple, toz oluşturmak için gereken enerji yeni oluşturulan yüzey enerjisinden birkaç kat büyüktür. Toz metalurjisinde ortalama boyutları birkaç mikrondan birkaç yüz mikrona kadar parçalanmış partiküller, toz olarak tanımlanmıştır. Tozun geometrik şekli üretim yöntemine bağlı olarak değişmektedir. Üretilen toz şekilleri küreselden, dendritik vb. gibi çok farklı olabilmektedir. Aynı şekilde tozun yüzey durumunun düzgün veya gözenekli olması da üretim yöntemine göre değişiklik göstermektedir. Tozun ortalama boyutları, şekli ve yüzey durumu parça imalatı açısından önemlidir.

22 5 Toz üretimini esas olarak mekanik, fizikokimyasal, kimyasal ve elektrokimyasal olmak üzere dört ana grupta toplamak mümkündür [5] Mekanik toz üretimi Tüm toz üretim yöntemlerinde olduğu gibi mekaniksel toz üretim yöntemlerinin de temel prensibi, enerji kullanmak suretiyle yeni serbest yüzeylerin oluşturulmasıdır. Toz üretimi, gerçekte fiziksel veya kimyasal süreçlerle yeni serbest yüzeyleri enerji kullanmak suretiyle ortaya çıkartılmasının sağlanması ve bunun sonucunda parçacık diye nitelendirilen küçük boyutta malzemelerin üretilmesi işlemidir. Ancak toz üretim yöntemlerinin hemen hemen tümünde toz üretimi için kullanılan enerji girdisinin, oluşan yeni yüzeylerin ihtiyaç duyduğu enerji miktarından çok daha fazladır. Diğer bir deyişle, düşük verimlidir. Hemen hemen bütün malzemeler toz formunda üretilebilirler. Malzemenin niteliklerine bağlı olarak ve maliyet unsurları göz önünde bulundurularak en uygun üretim metodu seçilmesi gerekir. Örneğin, gevrek yapıdaki intermetalik alaşımlar (enjeksiyonla kalıplamada kullanılan ve çok ince yapıdaki tozlardan üretilen ferro-krom ve ferro-silikon) mekaniksel olarak bilyeli değirmenlerde öğütülmek suretiyle toz haline getirilmektedir. Mekaniksel yöntemlerle yapılan toz üretimi dört ana başlıkta ele alınabilir [6]. a. Vurmak (darbe) suretiyle toz haline getirmek, b. Öğütmek (küçük bilyelerin bulunduğu dönen bir sistem-değirmen içerisinde öğütme yapmak suretiyle toz üretimi), c. Kırpmak (kesip kopartmak) suretiyle toz üretimi, d. Basmak (ezmek, ufalamak) suretiyle toz üretimi.

23 6 Vurma - darbe yardımı ile toz üretimi, örneğin çekiçlemek gibi, büyük kütleli parçacıkların küçük taneler haline getirilmesinde hızlı ve etkili bir yöntemdir. Öğütmek, toz haline getirilecek olan malzemenin cinsine bağlı olarak seçilmiş olan öğütme bilyeleri kullanılmak suretiyle, bunların yüksek enerjili bir sistemde bir birleri ile çarpıştırılmaları sonrası parçacıkların parçalanarak daha küçük parçacıklar haline getirilmesi ilkesine dayanmaktadır. Şekil 2.1 de öğütme işleminde yaygın bir şekilde kullanılan kavanoz öğütücü değirmeni görülmektedir. Şekil 2.1. Bilyeli öğütme cihazının görüntüsü [6]. Kavanoz döndükçe, bilyeler toz malzemeye sürekli olarak çarpar ve daha küçük parçacıklara ayrılır. Öğütme ile gevrek malzemelerin kırılması için gerekli darbe gerilmesi, malzemenin kusur yapısına ve çatlak ilerleme davranışına bağlıdır. İri parçacıkları kırmak için daha az darbe gerilmesi gerekir. Öğütme sırasında boyut küçüldükçe gerekli olan gerilme değeri artar.

24 7 Sonuçta, belirli bir işletme şartında tozlar asimptotik en az bir boyuta ulaşır ve daha uzun süre çalışılması boyutu değiştirmez. Parçacık boyutu küçüldükçe daha yavaş öğütme davranışı gerçekleşir. Bu yüzden küçük tozların üretiminde, değirmenler tercih edilmez. Öğütme, birçok sünek malzeme için de kullanışlı değildir, çünkü bu tür malzemeler kırılarak ufalanma yerine şekil değiştirir veya topaklanır. Ayrıca sistemin verimi de düşük olup, çoğunlukla %1 3 arasındadır. Gevrek malzemeler daha kolay öğütüldüklerinden, malzemeleri gevrekleştirilmiş olarak öğütmek daha uygundur [7]. Şekil 2.2 de ise öğütme işleminde bilyelerin birbirine çarpması sonucu gevrek ve sünek tozların nasıl bir davranış sergilediği görülmektedir. Şekil 2.2 de görüldüğü gibi gevrek tozlar kırılarak daha küçük parçalara ayrılırken, deformasyon nedeni ile sünek tozların şekillerinde değişim meydana gelmekte ve bunun sonucunda pekleşme davranışı sergilemektedirler. Şekil 2.2. Öğütme işleminde tozların davranışları. Kırpmak suretiyle toz üretimi ise daha çok talaşlı imalat esnasında kesici bir takımın malzeme yüzeyinden kaldırdığı talaşlardan oluşan parçacıkların kullanılması ilkesine dayandırılmaktadır.

25 8 Son olarak özellikle gıda sektöründe uygulanan ezme, basma kuvvetinin etkisi ile parçacıkların oluşturulması prensibine göre gerçekleştirilir. Mekaniksel yöntemle toz üretiminde yukarıda belirtilen birkaç yöntem veya tümü etkili olabilmektedir [8] Elektrolitik toz üretimi Bu üretim yönteminde bir elektroliz hücresinin katodu üzerinde belirli çalışma şartlarında elementsel tozlar biriktirilebilir. Örnek metaller arasında bakır, krom, demir, çinko ve gümüş verilebilir. Bu üretim yönteminin diğer üretim yöntemlerine göre en önemli üstünlüğü, yüksek ürün saflığıdır. Çevrim, Şekil 2.3 te şematik olarak gösterilen hücreye uygulanan voltaj altında anodun çözünmesi ile başlar. Anot ve katot aşınımları şekilde verilmiştir. Elektrolit içerisindeki taşınım katot üzerindeki birikintinin saflaştırılmasında kullanılır. Şekil 2.3. Elektrolitik toz üretimi. Katotta biriken Cu veya Fe tozları sıyrılarak alınır, yıkanır, kurutulur ve gerekirse öğütme işlemi yapılarak toz tane ebadı küçültülebilir. Bu yöntemle elde edilen tozlar, indirgeyici gazlar ile tavlanarak sıkıştırılabilme özellikleri artırılır. Elektroliz tekniği ile üretilen tozların şekilleri dendritik veya süngerimsidir. Bu yöntem ile genel olarak bakır tozu üretilir.

26 9 Bu yöntemle demir tozları elde etmek mümkün olmakla beraber, maliyetinin yüksek olması nedeni ile demir tozu üretiminde diğer yöntemler daha avantajlıdır. Bu yöntemle sadece saf element tozları üretimi yapılabilir, alaşım tozları üretilemez [8] Kimyasal toz üretimi Hemen hemen tüm metaller kimyasal yöntemle üretilebilir. Kimyasal ve fizikokimyasal yöntemlerle metal tozlarının üretimi, toz özelliklerinde önemli farklılıklara izin verir. Proses değişkenlerinin ve üretim parametrelerinin çeşitliliği partikül boyutu ve şeklinin sıkı kontrolüne müsaade eder [9]. Bu yöntemde tozlar, oksitlerin indirgenmesi, çözelti veya bir gazdan çökelme, termal ayrışma, kimyasal gevrekleştirme, hidrit çökelme gibi farklı kimyasal işlemlerle üretilir. Bu kategoride en yaygın kullanılan proses, oksit indirgeme, ayrıştırma ve ısıl çöktürmedir [7]. Oksit indirgeme; demir, bakır, tungsten ve molibden tozlarının kendi oksitlerinden üretimi, ticari olarak oldukça iyi yapılmaktadır. İndirgeme ortamı katı, gaz ve sulu çözelti olabilmektedir [10]. Daha küçük ölçekte, oksit indirgeme kobalt ve nikel tozlarının üretiminde de kullanılır. Bu yöntemle üretilen tozlar, karakteristik olarak, sünger toz olarak isimlendirilir. Höganas yöntemi katı indirgeme ortamlarıyla demir oksitlerin indirgenmesiyle demir tozu üretiminde en önemli yöntemdir. Bu yöntemde; başlangıç malzemesi, yüksek saflıkta magnetit filizleridir (Fe 3 O 4 ). Bu cevherin uygun indirgeyici ortamlarla indirgenmesiyle sünger yapılı demir tozları elde edilir [11]. Bu süngerimsi yapı, gözeneklerin boyut ve miktarıyla kontrol edilir ve iyi sıkıştırılabilirlik (yüksek ham mukavemet) için kullanılır [12].

27 10 Oldukça yaygın kullanılan diğer bir kimyasal yöntem olan ayrıştırma prosesi ile iki kategoride toz üretimi yapılır; bunlar metal hidritler ve metal karbonillerin ayrıştırılmasıdır. Metal hidritleme; Ti, Zr, Hf, V, Th veya U gibi refrakter metallerin sünger formda ısıtılmasını ve hidritlenmesini içerir. Metaller talaş formunda hidrojenle ısıtılır. Kırılgan hidritler toz haline öğütülür, daha sonra arttırılmış sıcaklıkta vakum altında dehidritlenir. Örneğin, TiH C arasındaki sıcaklık aralığında titanyumdan şekillenir. Bu hidritler, oldukça kırılgandır ve istenen incelikteki tozlar bilyeli öğütülmeye hazırdır [10]. Bir diğer kimyasal yöntem olan ısıl çöktürme ile hem demir hem de nikel, kendi karbonillerinin çöktürülmesiyle üretilir. Karbonil işlemi ilk olarak nikeli rafine etmek için geliştirilmiştir. Bu yöntemde ham metal, basınç altında karbonil oluşturmak için karbon monoksit ile reaksiyona girer. Karbonil, reaksiyon sıcaklığında gazdır ve sıcaklığın yükselmesi ve basıncın azalması ile ayrışır. Aynı işlem demir için kullanılır ve karbonil demir tozları, yüksek saflık istenen durumlarda kullanılır. Karboniller, özel sıcaklık ve basınçta süngersi metal üzerinden karbon monoksitin geçirilmesiyle elde edilir [7]. Genel olarak üretilen tozların kimyasal saflıkları, elektrolitik ve atomizasyon yöntemlerinde üretilen tozlara göre daha yüksektir. Kimyasal çöktürme yöntemi ile istenilen toz boyutları ve şekli kolaylıkla üretilebilmektedir [9].

28 Atomizasyon Atomizasyon, sıvı metali mekanik olarak ya da belirli bir hıza sahip sıvı veya gaz akımı ile parçalamaktır [13]. Diğer toz üretim teknikleri arasında atomizasyon yöntemleri, metal ve alaşım tozlarının üretiminde en çok tercih edilen yöntemdir. Atomize tozlar, diğer üretim yöntemleri ile elde edilemeyecek özelliklere ve avantajlara sahiptir [14]. Bu işlemde, eriyik formdaki metal birbirleri ile veya katı yüzeylerle temas etmeden çok küçük damlacıklara parçalanır ve soğutulurlar. Temel prensip, eriyik haldeki metal çok ince şerit halinde akıtılması ve bu esnada bir su veya gaz jeti ile çok küçük parçacıklara ayrılarak soğutulmasıdır. Hava, azot ve argon sıklıkla kullanılan gazlardandır ve su (veya gazyağıparafin) ise çok sık tercih edilen sıvıdır. Atomizasyon, metal tozu üretiminde kullanılan en yaygın toz üretim yöntemidir. Bu üretim tekniği üç ana bölüme ayrılır [8]: 1. Ergitme 2. Atomizasyon 3. Katılaşma ve soğuma Atomizasyon tekniğinde kullanılan yöntemler: - Su atomizasyonu yöntemi - Gaz atomizasyonu yöntemi - Döner disk yöntemi - Vakum atomizasyon yöntemi

29 12 Şekil 2.4. Atomizasyon ile toz üretim aşamaları. Su atomizasyonu yöntemi Endüstriyel manada düşük kurulum ve işletme giderleri nedeniyle, atomizasyonla toz üretim yönteminde; su jeti sıvı atomizasyonu, üretim miktarı açısından kullanılan en yaygın toz üretim yöntemidir. Şekil 2.5 te görüldüğü gibi pota çıkış ağzından eriyik metal düşey yönde akıtılırken yüksek basınçlı ve özel tasarımlı su jetleri ile parçalanır. Uygulamalı çalışmalar sonucu elde edilen ampirik ilişkiler bu yöntemle elde edilen toz malzemelerin ortalama tane boyutu ve dağılımına, suyun basıncı ve hızı, metal eriyik akış açısı, eriyik viskozitesi, eriyik yoğunluğu, eriyik yüzey gerilimi, sıvı metal akış hızının soğutma suyu akış hızına oranı gibi parametreler etki etmektedir. Su atomizasyon yöntemi ile elde edilen tozların genelde ortalama tane boyutu μm arasında olmaktadır. Proses parametrelerinin değiştirilmesi suretiyle, toz şekli farklılık gösterebilir. Tipik toz şekli düzensiz olup bu tozların sıkıştırma sonrası ham dayanımları yüksektir ve yapısal parçaların imalinde kullanılır. Atomize edilen metal ve kullanılan suyun reaksiyonu ise sistemin dezavantajlarındandır [8].

30 13 Şekil 2.5. Su atomizasyonu işlemi [17]. Gaz atomizasyonu yöntemi Basınçlı gaz ile atomizasyon da prensip olarak su atomizasyonu yöntemine benzer, ancak burada akışkan olarak su yerine gaz kullanılır. Şekil 2.6 da görüldüğü gibi sistemin, birbirine nozul ile irtibatlı, düşey olarak üst üste bulunan iki odası vardır. Üstteki odada sıvı metal potası bulunmakta, alttaki odada ise atomizasyon işlemi yapılmaktadır. Her iki oda da vakum pompasına bağlantılı olup; oksidasyonu engellemek için işlem vakum altında yapılmaktadır. Basınçlı gaz tüpünden boru ile nozula ulaşan gaz, potadaki sıvı metali beraberinde sürükleyerek atomizasyon odasına pulvarize ederek dağıtır. Soğuyan metal tozu, bu odanın tabanındaki bir hazne içinde toplanır. Pulverize edilen metal tozlarının birbirine yapışmaması, şekillerinin bozulmaması için atomizasyon odasının boyutları dikkatli seçilmelidir [16].

31 14 Şekil 2.6. Düşey gaz atomizasyon ünitesi [17]. Döner elektrot atomizasyon yöntemi Atomizasyon için değişik yöntemler kullanılabilmektedir, bunların içinde önemli yer tutan bir yöntem olarak merkezkaç kuvvetinin etkisiyle toz metal üretimini sağlayan döner disk yöntemi gösterilebilir. Bu yöntem içinde de iki ayrı üretim tekniği vardır. Bunlardan biri, belli bir miktarda sıvı metal toz oluşturacak kadar merkezkaç kuvvete tabi tutulur. Diğer yöntemde ise ergimiş metal sürekli olarak dönen bir disk veya koni üzerine akıtılır. Sistem, Şekil 2.7 den incelendiğinde buradan saçılan metalin toz haline getirildiği görülmektedir. Ergitme odasından akıtma potasına aktarılan sıvı metal, akıtma potası altındaki memeden dönen bir disk üzerine akıtılır.

32 15 Disk üzerindeki set ve yarıklara çarpan sıvı metal, parçalanarak şekildeki gibi saçılır. Saçılan metal parçacıkların, nozuldan çıkışta bazen su ile soğutularak birbirine yapışmadan katılaşmaları sağlanır. Sıvı metali mekanik olarak parçalamakta uygulanan basit bir yol da katılaşma sırasında karıştırmaktır. Örneğin; alüminyum katılaşırken karıştırılırsa, toz haline gelir. Eğer bir alaşım söz konusu ise karıştırma, katılaşma aralığında yapılır. Alüminyum, çinko, kalay gibi metallerin bu yolla çok şekilli tozları elde edilebilir [16]. Şekil 2.7. Döner elektrot atomizasyon yöntemi [17]. Vakum atomizasyon yöntemi Bu yöntemde Şekil 2.8 de görüldüğü gibi silindirik bir tankın alt kısmında sıvı metal potası, üst kısmında da vakum atomizasyon odası bulunmaktadır. Her iki bölüm sıvının geçeceği memeyi taşıyan bir plaka tarafından bölünmüştür. Memenin alt kısmında ona bağlı bir seramik boru bulunmaktadır.

33 16 Vakum altındaki sıvı metal, önce belirli bir sıcaklığa kadar indüksiyon akımı ile ısıtılır, bundan sonra bu bölüme hidrojen gazı doldurulur. Potadaki sıvı metal de bu hidrojen gazı çözündükten sonra potayı yukarı taşıyan mil potayı yukarı iterek seramik boruyu potaya daldırır. Üst kısımda vakum olduğu için ergimiş sıvı metal memeden geçerek parçalanarak pulverize olur ve soğur. Böylece metal ve alaşımlarından ince küresel tozlar üretilebilmektedir. Şekil 2.8. Vakum atomizasyon yöntemi ile metal tozu üretimi.

34 17 3. TOZ METALURJİSİNİN AVANTAJ VE SINIRLAMALARI T/M yöntemi ile parça imalatının avantaj ve limitlerinin anlaşılabilmesi için, önemli altı parametrenin gözden geçirilmesi gerekmektedir. Bunlar: Şekil boyutları, şekil karmaşıklığı, toleranslar, malzeme sistemleri, mekanik ve fiziksel özellikler, kalite ve maliyet olarak nitelendirilebilir [7]. Bu parametreler değerlendirildiğinde, T/M teknolojisinin döküm ve dövme gibi imalat yöntemlerine nazaran birçok avantajı olmakla birlikte bazı sınırlamaları da mevcuttur [19]. Bunlar, aşağıdaki gibi ekonomiklik ve özellik avantajı olarak nitelendirilmektedir [20]. Mekanik özellikler ve ekonomiklik avantajları; Döküm ve dövme yöntemlerine nazaran daha karşılaştırılabilir kalitede mamül üretilebilmesi, daha ekonomik bir yöntem olması ve başlangıçtaki tüm ham malzemelerin %99 un kullanılması ile ergime kayıplarının ortadan kaldırılması, İstenilen gözenekli yapının sağlanmasıyla, kendinden yağlamalı yatakların imal edilebilmesi, gözenekli kemik yapısına uygun implant malzemelerin üretilebilmesi, Talaş kaldırma gibi ikincil operasyonlarını en aza indirerek malzeme sarfiyatını azaltma, Küçük ve karmaşık şekilli parçaların diğer metotlara nazaran, yüksek verimlikte seri imal edilebilmesi, Diğer yöntemlerle imal edilmesi hemen hemen imkânsız olan, ergime sıcaklığı yüksek refrakter metallerin (tungsten, tantalyum, molibden vs.) ve sert metallerin imalatında tek ekonomik metottur, Yüksek mukavemet, süneklik ve termal dayanıma sahip mikro kristal ve amorf yapılar yalnızca bu yöntemle imal edilebilirler (Konstrüktif ağırlığını önem arz eden uçak parçalarında) İyi yüzey kalitesi ve dar boyutsal tolerans,

35 18 İstenilen mekanik ve fiziksel özelliğe göre kontrollü olarak gözenekli yapının oluşturulabilmesi, gözeneklerin infiltrasyonu, Kompozit malzeme üretebilme, Yukarıda bahsedilen avantajlar, özellikle kaliteli ve parça imalatının hızlı gerçekleştirilmesinde ve gereksinimleri karşılamada toz metalürjisi tekniğini, diğer klasik yöntemlere nazaran tercih edilir hale getirmiştir. Ancak her imalat yönteminin kendine özgü kullanım alanı olması dolayısıyla, TM teknolojisinin de avantajlarının yanı sıra bazı sınırlamaları da mevcuttur; Seri imalat yapılmaz ise, sıkıştırma ve sinterleme üniteleri gibi ilk yatırım maliyeti ve ikincil yatırım maliyeti olarak tanımlanan; gözenek doldurma donanımı, kalıpların tasarım ve imalat maliyetlerinin yüksek olması [21]. Metal tozların maliyetinin, ingot haldeki malzemeden daha pahalı olması, Mukavemet gerektiren parçalarda gözenek doldurma ve infiltrasyonu gibi ikincil işlem uygulanmaz ise, diğer yöntemlere nazaran kötü mekanik özellikler ve değişken yoğunluk değerlerinin elde edilmesi, Gözenekten kaynaklanan düşük korozyon dayanımı ve düşük plastisite özellikleri, Büyük hacimdeki parça imalatının yapılamaması, tasarım sınırlılıkları veya yüksek maliyetteki yeni TM tekniklerinin (SLS) kullanılması.

36 19 4. TOZ METALURJİSİ İLE PARÇA ÜRETİMİ 4.1 Karıştırma ( Harmanlama) Toz metalurjisi teknolojisinin toz imalatından sonraki önemli aşamalarından birisi de tozların homojen bir şekilde karıştırılmasıdır. Metalik tozlar, yağlayıcılar ve isteğe bağlı alaşım elementleriyle homojen bir karışım elde etmek için karıştırılır. Karışım, imalatı yapılacak parçanın ağırlığına göre, % olarak karışım elementlerinin ağırlığı belirlenerek oluşturulur. Karışım içerisine, genellikle % arası yağlayıcı ilave edilmektedir. Yağlayıcı olarak çinko stearat, stearik asit, metalik stearatlar ve parafin en çok kullanılanlardır. Özellikle küresel tozların paketlenmesinde, parafin, polivinil alkol (PVA) gibi bağlayıcılar sıklıkla kullanılmaktadır. Yağlayıcın temel amacı, toz taneleriyle takım yüzeyleri ve kalıp duvarları arasındaki sürtünmeyi azaltmak, tozların sıkıştırma sırasında kolay kaymalarını sağlamaktır [22]. Şekil 4.1 de değişik öğütme ve karıştırma makinaları gösterilmiştir: (a) Dönen tambur, (b) Dönen çift koni, (c) Vidalı mikser ve (d) Bıçaklı mikser Şekil 4.1. Değişik öğütme ve karıştırma makinaları: (a) Dönen tambur, (b) Dönen çift koni, (c) Vidalı mikser ve (d) Bıçaklı mikser. Karıştırma işleminde, karıştırıcının doluluk oranının minimum %30-40 oranında olması tavsiye edilmektedir [23].

37 20 Karıştırma devri dev/dak hızda dakika süreyle yapılmaktadır. Optimum karıştırma işlemi, ham yoğunluğu ve daha sinterleme sonrası yoğunluğu etkilemektedir. Eğer, uygun karıştırma yapılmazsa, partiküller arasında mekanik kilitlenme meydana gelerek sinterleme sonrası daha büyük gözenekli yapı meydana gelir ve bu da mekanik özelliklerin kötüleşmesine neden olmaktadır. Yüksek hızda karıştırma, homojenliği ortadan kaldırır ve toz tanelerinde plastik deformasyon meydana getirebilmektedir. İlave edilen yağlayıcının miktarı arttıkça, ham yoğunluk değerlerinin düştüğü ve ham numunenin sıyırma sırasında daha çok deformasyona uğradığı tespit edilmiştir [23] Presleme ( Sıkıştırma ) Toz metalürjisindeki en önemli ve üçüncü işlem basamağı sıkıştırmadır. Metal tozlar, özel olarak hazırlanmış kalıp içersinde basınç etkisiyle briket hale getirilir. Sıkıştırmanın temel amacı, toz partiküllerin istenilen şekle dönüştürülmesi için, yapıya kendi ağırlığını taşıyabilecek kadar yoğunluk kazandırılmasıdır. Sıkıştırma; eksenel, izostatik ve hacim deformasyonu olarak üç farklı yöntemde gerçekleştirilir. Eksenel sıkıştırma; tek ve çift etkili olabildiği gibi soğuk, sıcak ve ılık sıkıştırma şeklinde de olabilmektedir. İzostatik sıkıştırma soğuk ve sıcak olmak üzere iki farklı şekilde uygulanabilir. Hacimsel deformasyon işlemleri ise, toz dövme, toz ekstrüzyon ve toz haddeleme olarak uygulanmaktadır [24]. Şekillendirme ve sıkıştırma yöntemine karar verilirken aşağıdaki parametreler dikkate alınır: Kullanılacak tozun tipi (küresel, sünger, pul vb.) ve toz imalat yöntemi, Bağlayıcı ve yağlayıcı kullanımı,

38 21 Rijit kalıp kullanımı, Üretilecek malzemeden istenilen özellikler. Genellikle endüstriyel uygulamalarda, Şekil 4.2 de sistematik olarak gösterilmiş olan çift etkili sıkıştırma işlemi kullanılmaktadır. Şekil 4.2. Toz metal parçaları çift yönlü sıkıştırma basamakları [24]. Çift etkili sıkıştırmada, zımbaların her ikisi de hareketlidir. Şekil 4.2., a ilk aşamadır ve imal edilecek parçanın kalıbı daha önceden tasarlanmış olup, bu aşamada kalıp prese montajlanır. Şekil 4.2., b ikinci aşamada, toz partikülleri kalıp doldurma pabucundan kalıba serbest akış durumunda doldurulur. Üçüncü aşamada, kalıp boşluğuna doldurulan toz, sistemin titreşim mekanizmasıyla sıkıştırma öncesi titreşimli yoğunluk kazandırma işlemi yapılarak doldurulan tozun kalıpta düzgün bir şekilde yerleşmesi sağlanır. Bu sırada da, ıstampa ile kalıp yüzeyinde artan tozlar diğer toz haznesine itilir ve üst zımba sıkıştırmak için dişi kalıp boşluğuna yerleşir (Şekil 4.2., c). Dördüncü aşamada, sıkıştırma işlemi gerçekleştirilir. Bu aşamada, toz taneleri sıkıştırmanın etkisiyle belli bir değerde yoğunluk ve mukavemet kazanarak briket hale gelmektedir. Beşinci aşamada ise mukavemet ve yoğunluk kazandırılmış ham briket, belli bir sıyırma kuvvetiyle alt zımba tarafından kalıp boşluğundan çıkartılır.

39 22 Altıncı ve son aşamada (Şekil 4.2., f), kalıp boşluğundan çıkarılan ham briket toz doldurma pabucu tarafından itilir ve ikinci parçanın preslenmesi için toz doldurma işlemi gerçekleştirilir. Şekil 4.3 de görüldüğü gibi, sıkıştırma işlemi metalürjik açıdan üç aşamada ele alınabilir [24]. Şekil 4.3. Metalürjik açıdan sıkıştırma işlemi [23]. İlk aşamada, sıkıştırma basıncının uygulamasından sonra, toz tanelerinin yer değiştirmesi ve yeniden pozisyon belirlemesi sağlanır. Bu aşamada, plastik şekillendirme yoktur, ancak bir kısım toz tanelerinde kırılma olabilir. Partikül boyutu, şekli, toz boyut dağılımı ve taneler arası sürtünme önemli rol oynar. İkinci aşamada elastisite ve plastik deformasyon faktörleri baskındır. Partiküller arası soğuk şekillendirmeye bağlı olarak, bağlar oluşabilir. Ayrıca, tanelerin mekanik kilitlenmeleri ve tane-tane etkileşimleri bu aşamada gerçekleşir. Sıkıştırma basıncının arttığı ve sıkıştırmanın son aşamasında, toz tanelerinin kırılması, boşlukların dolması ve toz taneleri arasında soğuk kaynaklanma oluşmakta ve ham yoğunluk kazandırılmış olur.

40 23 Toz sıkıştırmada temel problem tozlar ile kalıp cidarları arasındaki sürtünmedir. Sürtünme kuvveti uygulanan kuvvetin alt bölgede azalmasına neden olmaktadır. Ayrıca; sıkıştırılabilme, toz şekli ve büyüklüğü, yağlayıcı durumu ve sıkıştırma oranı ile ilişkilidir.

41 24 5. SİNTERLEME VE AŞAMALARI 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. Boyunlaşma; mukavemetin, ham mukavemete oranla artmasını ve diğer birçok faydalı özelliğin gelişmesini sağlar. Resim 5.1 de sinterleme esnasında birbirine temas eden parçacıkların temas ettiği noktada boyun oluşumunun ilk safhası görülmektedir. Resim 5.1. Nikel tozunun sinterlemesi sırasında boyun oluşumu. Sinterleme, yüksek sıcaklıkta atomların yayınımı ve küçük parçacıkların yüzey enerjilerinin azalmasıyla gerçekleşir. Toz üretimi, malzemeye enerji vererek yüzey alanı veya yüzey enerjisi oluşturma 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 [25]. Sinterleme sırasında boyun büyümesi, yüzey enerjisini azaltırken tane sınırı enerjisini arttırır. Doğal olarak bu, sadece yüzey enerjisindeki azalmanın tane sınırı enerjisindeki artıştan yüksek olması durumunda meydana gelir.

42 25 Sinterlemeyi hızlandıran faktörler, mekanizmalar ve aşamalar açısından incelenmelidir. Sinterlemenin itici faktörleri, bağlanmaya neden olan mikroskobik eğrilikleri tanımlar. Sinterleme mekanizmaları itici güçlere tepki olarak oluşan atom hareketlerinin yolunu tanımlar. Sinterleme aşamaları atom hareketleri sonucu oluşan geometrik değişiklikler diğer itici güçleri değiştirir. İtici faktörler ve sinterleme gerilmeleri mikro yapıdaki eğriliklerden kaynaklanır. Sinterleme mekanizmaları genellikle yüzey, tane sınırı veya kristal kafeste oluşan yayınım işlemleridir. Sinterleme aşamaları etkin itici gücün ve kinetiğin açıklanmasına yardımcı olur ve işlemin matematiksel modellemesinde kullanılır [25]. Yüksek sıcaklıkta hareket edebilmek için yeterli enerjiye sahip olan atomların sayısı Arrhenius sıcaklık eşitliğinde verilen istatiksel kavramlar ile tanımlanır. N No = exp Q RT (5.1) Burada (N/No) hareket eden atomların sayısının toplam atom sayısına oranı, (Q) aktivasyon enerjisi, (R) gaz sabiti ve (T) ise mutlak sıcaklıktır. Aktivasyon enerjisi, malzemeye ve atomlar arası bağ kuvvetine bağlıdır. Bu nedenle Q, ergime sıcaklığı Tm ile ölçeklidir (0,145Tm). Sinterleme sıcaklığı, ergime noktasına yaklaştıkça hareket eden atomların sayısı arttığından sinterleme hızı da artar. Ergime sıcaklığında atomların sıçrama hızı saniyede 1 milyon düzeyindedir. Ancak sinterlemenin, ergime sıcaklığının %1 ine çıkıldığında atom sıçrama hızlarının başladığı gözlenmiştir [25].

43 26 Şekil 5.1. Boyun çapı X olan iki küresel parçacığın sinterleme profili. Sinterleme sırasında atom hareketi görülmez. Ancak hacim değişiklikleri meydana geldiğinden, işlem genelde bu değişimler ile izlenir. Boyun büyümesi bunlardan biridir. Sinterlemenin temel ölçülerinden biri Şekil 5.1 de tanımlandığı gibi boyun büyüklük oranıdır. X/D, boyun çapının parçacık çapına oranıdır. Ayrıca sinterleme sırasında yüzey alanı hızla azalır ve S/S 0 boyutsuz parametresi ile izlenir. Bunların yanı sıra birçok ham parçada; sinterleme sırasında boyut, yoğunluk, mukavemet, sertlik, elektrik ve ısıl iletkenlik, elastik modülü gibi özellik değişimleri olur. Bu nedenle sinterleme işlemlerini izlemek için hacim özellikleri kullanılmaktadır [25]. Sinterlemenin itici gücü yüzey enerjisinin azalmasıdır. Rastgele atom hareketleri sırasında atomlar mikro yapıdaki boşlukları doldurur. Kavisli yüzeylerin atom yerleşmeleri üzerine etkisini göstermenin bir yolu gerilmeye bakmaktır. Laplace eşitliği kavisli yüzey ile ilgili gerilmeyi, σ = γ 1 R1 + 1 R2 (5.2) olarak verir. Burada γ yarıçaplarıdır. yüzey enerjisi R 1 ve R 2 ise yüzeyin eğrilik temel

44 27 Örnek olarak kabarcığı ele alalım. Küçük kabarcıklar yüzeylerinde yüksek gerilmelere sahiptir. Dolayısıyla küçük kabarcıklar hızla birleşerek düşük gerilmeli büyük kabarcıklar oluşturmaya yönelir. Şekil 5.2. Sinterleme nokta teması ile başlayan ve parçacıklar arası bağ gelişimini gösteren iki küre sinterleme modeli. Küçük parçacıklarda, boyun bölgesinin doldurulması için daha az sayıda atom gerekir. Atomların hareket mesafesi daha kısadır ve gerilim daha büyüktür. Bunun doğal sonucu olarak, küçük boyutlu parçacıklar daha hızlı sinterlenir. Şekil 5.2 de gösterildiği gibi birbiriyle temas halinde olan küresel iki parçacığı ele alalım. Ham parça içinde, her parçacık üzerinde bu tür birçok temas noktası vardır. Sinterleme işlemi ilerledikçe birbirine temas eden parçacıklar arasında bağ büyür ve birleşir. Her temas noktasında bir tane sınırı büyür ve katı-buhar ara yüzeyinin yerini alır. Uzun süre sinterleme iki parçacığın tamamen birleşerek çapı başlangıç çapının 1,26 katı olan tek küresel parçacık oluşturmasına yol açar. Preslenmiş ham madde içinde her parçacığın birçok komşusu vardır. Böylece her parçacığın birkaç noktasında bağ oluşur. Sinterleme üç aşamada tamamlanmaktadır.

45 28 İlk aşama; İlk aşama sinterlemesine eğrilik denkleminin uygulanması, sinterleme mikro yapısında buhar basıncı, boşluk oranı ve gerilme farklılığının tahminini sağlar. Örneğin; boyun bölgesindeki buhar basıncı, boyun içbükey olduğundan, denge basıncından daha düşüktür. Bununla birlikte dışbükey yapıdan dolayı, toz kütlesi denge basıncının üzerinde buhar üretir. Sonuç olarak, parçacık boyutundan daha kısa mesafelerde basınç farkı oluşur. Suyun aşağı doğru akması gibi; basınç farkı, boyun bölgesine kütle taşınımına yol açar. Buhar basıncına benzer şekilde, kavisli yüzey altındaki boşluk yoğunluğu C, eğriliğe bağlıdır. C = C O 1 γω kt 1 R R 2 (5.3) Burada C o denge durumundaki boşluk yoğunluğu, γ yüzey enerjisi, Ω atom hacmi, k Boltzman sabiti, T ise mutlak sıcaklıktır. Denge durumundaki boşluk yoğunluğu Arrhenius sıcaklık denklemine bağlıdır ve C o, exp(-q/rt) ile değişir. Burada Q, T boşluk oluşumu için gerekli olan ergime sıcaklığı ile orantılı olan aktivasyon enerjisidir. Yüzey eğriliği ne kadar fazla ise, denge durumundaki boşluk yoğunluğundan sapma da o kadar fazla olur. İçbükey bir yüzey için, boşluk yoğunluğu denge durumundaki konsantrasyondan daha yüksek iken, dışbükey bir yüzey için bu değer daha düşüktür. Dolayısı ile boşluklar, içbükey yüzeyden dışbükey yüzeye akarken; atomlar ters yönde hareket eder. Gerçekte gözenekler kütlesel boşluk birikme yerleri olup, balon gibi zamanla iç basıncı kaybederek çökerler [25]. Sinterleme hızının tahmin edilmesi için burada ele alınmayacak olan oldukça fazla sayıda matematiksel denklem kümesine ihtiyaç duyulur. Gerçekte, içbükey ve dışbükey yüzeylerin boşluk yoğunluğundaki farklılık, boşluk yoğunluk gradyanını oluşturur. Boşluk ile kütle akısı ilişkisi için Fick in birinci kanunu kullanılır.

46 29 Boyun hacminin bilinmesi, boyun büyüklüğü ve yayınımın olduğu alanla ilişkilendirilmesi, toplam boyun büyüklüğünün; zaman, sıcaklık ve parçacık boyutunun bir fonksiyonu olarak hesaplanmasını mümkün kılar. Buradan, sinterlemenin ilk aşamasında sabit sıcaklık boyun büyümesi modelleri boyunbüyüklük oranını X/D aşağıdaki gibi verilir. X D n = Bt D m (5.4) Burada X boyun çapı, D parçacık çapı ve t ise sabit sıcaklık sinterleme süresidir. Sinterleme sıcaklığı üssel bir eşitlik içinde yer alır [25]. B = B O exp Q (5.5) RT Burada B o malzeme, sıcaklık ve geometrik sabitlerin toplamı, R gaz sabiti, T mutlak sıcaklık ve Q ise atom taşınım işlemi ile ilgili aktivasyon enerjisidir. Yukarıdaki denklemdeki n, m ve B nin değeri kütle taşınım mekanizmasına bağlıdır. Bu denklem, ideal şartlarda eşit boyutlu küresel tozlar için geçerli bir modeldir. Bu nedenle, gerçek toz ve sinterleme döngülerine uygulandığında çok hassas olmamakla birlikte, önemli işlem parametrelerini verir. Parçacık boyutunun tersine aşırı duyarlılık, küçük parçacıkların daha hızlı sinterlenmesi anlamına gelmektedir. Diğer işlemlerde, küçük parçacık boyutlarında yüzey yayınımı ve tane sınır yayınımı artar. Bütün durumlarda, sıcaklık üssel bir terim olarak yer alır ve yüksek sıcaklıklarda küçük sıcaklık değişimleri önemli etki yapar. Son olarak zamanın azalan etkisi vardır [25]. Orta aşama; Özellik gelişiminin önemli bir bölümü sinterlemenin orta aşamasında gerçekleşir. Bu aşama; gözenek yuvarlaklaşması, tane büyümesi ve genellikle yoğunluk artışı ile ortaya çıkar.

47 30 Sinterlemenin orta aşamasında, yoğunlaşma hızı boşlukların gözeneklerden uzaklara yayınımına ve tane sınırlarındaki boşlukların üzerinde yok olmasına bağlıdır. Boşlukların yok olması, tane sınırlarının hacim değişimini telafi etmesini gerektirir. Bu ise tane büyümesi, tane bükülmesi ve tane dönmesi ile gerçekleştirilir. Tane dönmesinin yoğunlaşmaya katkısı, kürelerin zamanla dönmesi ve sinterlemenin orta aşamasındaki yoğunluk artış hızı, (d ρ/dt), boşlukların ve atomların akışı, yayınım mesafesi ve birim hacimdeki gözenek sayısı ile belirlenir. Yoğunluk aşağıda verilen denklem ile ifade edilir: ρ = ρ 1 + B 1 ln t t 1 (5.6) Burada ρ s kısmi sinterlenmiş yoğunluk, ρ 1 orta aşamanın başlangıcındaki oransal yoğunluk, B 1 denklemden elde edilen değer, t 1 orta aşamanın başlangıç zamanı, t ise sıcaklık sinterleme süresidir. t>t 1 Genellikle B 1 parçacık boyutunun tersinin küpü ile değişir ve sinterleme esnasındaki yoğunluk artışında tane boyutunun etkisinin önemini yansımaktadır Bu nedenle, tane büyümesi gecikmesi ve tane sınırı yayınımının arttırılması yoğunlaşmayı önemli ölçüde iyileştirir. Tane büyümesi sinterlemeyi yavaşlattığından, sinterleme sırasındaki tane büyümesi kinetiğinin anlaşılması önemlidir. Yoğun malzemelerde ortalama tane büyüklüğü G, klasik yasaya göre, zamana bağlı olarak artar. G 2 = G K t (5.7) Burada t ısıtma süresi, G o başlangıç tane büyüklüğü, K, faktör B ye benzer bir şekilde ısıl aktivasyon parametresidir. Gözenekler olduğunda, K faktörü kabaca gözeneklerle kesişen tane sınırlarının oranı kadar azalır. Dolayısı ile sinterlemenin ilk aşamasında, tane sınırlarının büyük bir bölümü gözenekleri kestiğinden, tane büyümesinin meydana gelmesi için oldukça fazla engel vardır.

48 31 Fakat yoğunluk arttıkça ve gözenekler giderildikçe, K değerinin artması ile daha büyük tane oluşumu sağlanır. Bunun sonucu olarak sinterleme yavaşlar [25]. Sinterlemenin orta ve son aşamalarında, tane şeklinin tane sınırlarında silindirik şekilli gözeneklerin bulunduğu on dörtkenarlı tetrakaidekahedron olduğu varsayılmaktadır. Bu geometride gözenek çapı d g, tane boyutu G, gözenek oranı ε arasında aşağıdaki ilişki vardır: ε = π d g G 2 (5.8) Tane sınırları gözeneklere bağlı kaldığı sürece, bu denkleme göre gözenekler bir araya geldikçe veya gözenekler giderildikçe; tane boyutu büyür. Orta aşamada yoğunlaşma sırasında, hacim ve tane sınırı yayınımı daha önemlidir. Tane sınırlarında bulunan gözenekler kaybolur. Ancak tane sınırına bağlı olmayan gözenekler, kararlı bir şekilde kalır. Orta aşama sinterlemesinde gözenek yuvarlaklaşması ve gözenek göçünden de anlaşılacağı üzere yüzey taşınımı etkindir. Fakat yüzey taşınımı, yoğunluk artışına katkıda bulunmaz. Yayınım hızı, tane büyümesi ve gözenek hareketi ısı ile etkinleştirilmiş işlemlerdir. Pek çok malzemede bu işlemler tane boyutu, gözenek boyutu ve gözenekler arası mesafeye bağlıdır [25]. Son aşama; Sinterlemenin son aşaması, kapalı gözeneklerin meydana gelmesi ile olur. Son aşama sinterlemesinde, gözenek boyutu artar. Eğer kapalı gözenekler hareketli ise tane büyümesi sırasında tane sınırları ile birlikte hareket ederek yoğunlaşmanın sürmesini sağlar. Ancak başlangıçtaki yüzey enerjisinin azalması ile son aşama sinterlemesi yavaştır. Böylece yakıt bittikçe sönen ateş gibi, kalıntı yüzey enerjisi azaldıkça sinterleme de yavaşlar.

49 32 Son aşama sinterlemesi sırasında gözenekler kapalıdır, izoledir ve küresel veya mercek şeklinde olma eğilimindedir. Tane sınırındaki bir gözenek için, tane sınır enerjisi ile katı-buhar yüzey enerji arasındaki denge iki düzlemli açı kanalı oluşturarak mercek şekilli gözenek oluşumuna yol açar. Gözenek tane sınırından ayrıldığında ise küresel olur. Bazı hallerde tane büyümesi gibi gözenek büyümesi de olur. Bu durumda, gözenek sayısı azalırken; ortalama gözenek boyutu artar. Gözenek eğriliğindeki ve boşluk yoğunluğundaki farklılıklar az kararlı olan küçük gözeneklerin kaybolmasına ve kararlı olan büyük gözeneklerin irileşmesine yol açar. Bu işlem Ostwald olgunlaşması olarak adlandırılır. Gözenek içinde gaz varsa bu durum gözenek giderilmesini yavaşlatır veya engeller. Bu nedenle tam yoğunluk gerekiyorsa, vakumda sinterleme tercih edilir. Son aşamadaki gözenek giderme hızı yüzey enerjisi ve gözenek gaz basıncı P G arasındaki dengeye bağlıdır. Yoğunlaşma hızı aşağıdaki denklem ile verilir [25]. dρ = 12D v Ω dt ktg 2 γ P dp G (5.9) Burada ρ kısmi yoğunluk, t tutma süresi, Ω atom hacmi, D v hacim yayılma gücü, k Boltzman sabiti, T mutlak sıcaklık, G tane boyutu, γ katı-buhar yüzey enerjisi, dp gözenek çapı ve P G gözenek içindeki gaz basıncıdır. Bu denkleme göre, gözenek içinde gaz basıncı bulunursa, bütün gözenekler giderilmeden önce yoğunlaşma hızı sıfıra gider. Bu nedenle eğer sinterleme vakumda veya katı içinde çözünen gaz ortamında yapılamaz ise birçok durumda tam yoğunlaşma mümkün değildir. Malzemelerin çoğunda ham parça sinterlenirken, gözenek boyutları bir dağılım gösterir. Bunun sonucu olarak bazı bölgeler sinterlemenin son aşamasına, komşu bölgelerden daha erken ulaşır.

50 33 Bunun anlamı, orta aşama ile son aşama arasında keskin bir geçişin olmamasıdır. Ham kütle içindeki gözenek dağılımının bir sonucu, yoğunlaşma kinetiğinde görülebilen gözenekler ve taneler arasındaki karmaşık etkileşimdir [25] Katı Hal Sinterlemesi Katı hal sinterlemesi, difüzyon ile malzeme taşınımını içerir. Bu proses için gerekli itici güç, boyun bölgesi ile tozun yüzeyi arasında meydana gelen serbest enerji veya kimyasal potansiyel farkıdır [26] Sıvı Faz Sinterlemesi Sıvı faz sinterlemesinde, sıvı faz oluşumu için iki ana mekanizma vardır. Bunlardan birincisi, farklı kimyasal bileşimlerde toz karışımı kullanmak olup en yaygın olarak kullanılan yöntemdir. Sinterleme sırasında farklı bileşimdeki tozların etkileşimi ile sıvı faz oluşur. İkincisi ise sıvı fazın toz karışımında bulunan bileşenlerden bir tanesinin ergimesi veya ötektik faz oluşumu ile oluşmasıdır. Oluşan bu sıvı faz çözünme durumuna göre sinterleme sırasında alaşım oluşumu ile ortadan kalkabilir (geçici sıvı faz sinterlemesi veya reaktif sinterleme) veya sinterleme süresince içyapıda sürekli olarak bulunabilir (sürekli sıvı faz sinterlemesi). Farklı bir yöntem de ön alaşımlı tozun solidüs-liküdis sıcaklığı arasında sinterlenmesi sureti ile sıvı + katı karışımı oluşturarak solüdüstü sinterlemedir [26]. Sinterleme işleminde bir denge durumu yoksa bile dengeye yaklaşım söz konusudur. O halde işlem değişkenlerinin tanıtılmasında faz diyagramları kullanılabilir. İkili faz diyagramları ve sinterleme işlemi arasında önemli ilişkiler vardır. Ergime sıcaklıkları sinterleme sıcaklığının seçiminde yol gösterirken, faz diyagramı bileşenler arasındaki termodinamik ilişkileri de sergiler.

51 34 Sinterleme sonunda oluşan alaşımdaki oranı yüksek olan ana metal B bileşeni, oranı az olan metal katkı olarak adlandırılmış olup A bileşeni olarak gösterilmiştir (Şekil 5.3). Sinterleme sıcaklığı Ts ve sinterlemeden sonra elde edilen son bileşim ise Xs ile gösterilmiştir ( Şekil 5.3) [26] Sürekli sıvı faz sinterlemesi Bu yöntemde, sinterleme işleminin yüksek sıcaklık aşamasında içyapıda sürekli olarak bulunan sıvı faz, sürekli yoğunluk artışı ve tane büyümesine neden olur. Başlangıçta katıyı ıslatan sıvının katı parçacıklar üzerine uyguladığı kapiler kuvvetler yardımıyla parçacıkların yeniden düzenlenmesi ile hızlı bir yoğunluk artışı olur. Yeniden düzenleme ile erişilecek 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 daha etkin hale gelerek çözünme ve tekrar çökelme safhasına geçilir. Ostwald olgunlaşması ve tane şeklinin 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 göstergesidir. Sürekli sıvı faz sinterlemesi için uygun iki örnek Şekil 5.3 de verilmiştir. Şekil 5.3.a da solidüsüstü sinterleme için uygun olan ikili denge diyagramını göstermektedir. Solidüsüstü sinterlemede, ön alaşımlı toz solidüs-likidüs sıcaklıkları arasındaki bir sıcaklıkta sinterlenir. Sinterleme sıcaklığında oluşan sıvı faz miktarı kaldıraç kurallarına göre hesaplanabilir. Eğer solidüs-likidüs sıcaklık aralığı geniş ise işlemin kontrolü daha kolay olur. Şekil 5.3.b de gösterildiği gibi ısıtma sırasında her toz parçacığı içinde sıvı faz oluşur.

52 35 Bu durum parçacıkların tekrar parçalanmasına sebep olmakta ve karıştırılmış tozlara oranla sıvı faz dağılımı daha homojen olmaktadır. Sıvı oluşumu ile birlikte yoğunluk artışı çok hızlı olmakta ve artan sıvı oranıyla artmaktadır[26]. Şekil 5.3. Sürekli sıvı faz sinterlemesi için uygun ikili sistemler; (a) Ön alaşımlı toz, (b) Karıştırılmış tozlar Geçici sıvı faz sinterlemesi Sıvı faz sinterlemesinin değişik bir uygulaması da geçici sıvı faz sinterlemesidir. Sinterleme sırasında oluşacak olan denge fazı katı ise sıvı faz, difüzyon homejenizasyonu ile katılaşarak kayıp olur. Bu yöntemde sıkıştırılabilirliliği yüksek, saf element tozları kullanılabilir. Sürekli sıvı faz sinterlemesinde görülen tane irileşmesi olmaz. Ancak oluşan sıvı faz miktarı bazı işlem parametrelerine bağlı olduğundan bu yöntem sinterleme şartlarına çok duyarlıdır. Geçici sıvı faz sinterlemesinin uygulanabilmesi için bileşenlerin birbiri içinde çözünebilmesi ve son bileşimin tek faz bölgesinde olması gerekir. Geçici sıvı faz sinterlemesi için uygun iki tür denge diyagramı Şekil 5.4 te verilmiştir.

53 36 Şekil 5.4.a da sinterleme sıcaklığı için iki metalin bulunması gerektiği aralık gösterilmiştir. Şekil 5.4.b deki sistemde ise sıvı fazın, bileşenlerin difüzyonu sonucunda oluşan ötektik dönüşüm ile sağlandığı belirtilmiştir. Sinterleme sıcaklığı, ötektik sıcaklığın üzerinde olup son bileşim tek faz bölgesindedir. Her iki durumda da sıvının katı fazda çözünürlüğü yüksek olup; sinterleme süresinde sıvı kaybolmaktadır. Bu özellik sinterleme sıcaklığına ısıtma sırasında şişmeye neden olabilir [26]. Şekil 5.4. Ergime sıcaklıkları ve çözünürlük bakımından geçici sıvı faz sinterlemesine uygun denge diyagramları Reaktif Sıvı Sinterlemesi Sıvı faz sinterlemesine benzerdir. Fakat bu mekanizmada sıvı faz, bileşimini değiştirmektedir. Bu proses, sinterleme sıcaklığında katı fazın sıvı içerisinde sınırlı miktarda çözünebildiği sistemlere uygulanabilir [26] Buhar Fazı Sinterlemesi Buhar fazı sinterlemesinde itici güç, yüzey eğriliği nedeniyle buhar basıncında meydana gelen farktır. Tozların yüzeyi, pozitif eğrilik yarıçapına sahip olup buhar basıncı yüksektir.

54 37 Diğer taraftan, iki tozun birbirine temas ettiği boyun bölgesindeki eğrilik çapı negatif olup buhar basıncı düşüktür. Bu proseste gözeneklerin morfolojisi değişebilir fakat yoğunlaşma gerçekleşmez [26].

55 38 6. SİNTERLEME YÖNTEMLERİ 6.1. Klasik Sinterleme Klasik sinterleme fırını, sinterleme işlemi sırasında sıcaklık ve zaman ilişkisini kontrol eder. Buna ek olarak yağlayıcı ve bağlayıcı gibi ilavelerin giderilmesini sağlayarak; parçanın sinterleme sonrası ısıl işlemine imkan verir. Isıl işlemin gerçekleştirilebilmesi için fırının arzu edilen sinterleme atmosferinde çalışabilmesi gereklidir. Klasik sinterleme fırınları, işlemi parti veya sürekli sinterleme şekilde uygulayabilir. Şekil 6.1 de metal tozlarının sinterlenmesi sırasında sinterleme fırınındaki kademeler gösterilmiştir. Klasik sinterleme fırınının ön ısıtma bölgesinde organik bazlı yağlayıcıların giderimi ve indirgeme, sıcak bölgede ise sinterleme gerçekleşmektedir. En son kademe olan soğutma kademesinde ise sinterlenen parçalar dengeli bir şekilde soğutulmaktadır. Şekil 6.1. Sinterleme fırınındaki kademeler (sıcaklık zaman ilişkisi) [26].

56 Parti fırınlarda sinterleme Parti fırın, sinterlenecek malzeme ile yüklenir ve sıcaklık döngüsü birkaç saat uygulanır. Her bir döngü farklı programlanabildiği için parti fırınların kullanımı esnektir. Ayrıca, vakum sinterleme ve basınç takviyeli sinterleme sadece parti fırınlarda yapılabilir. Genellikle, fırın cidarları ve çalışma bölgelerinin etrafındaki yansıtıcı ısı kalkanları dıştan su soğutma ile sürekli olarak soğutulur. Sinterlenen malzeme ve koruyucu atmosferi ihtiva eden kutu ısıtıcı elemanlarla dışarıdan ısıtılmalıdır. Sıcak bölgeye yükleme önden, üsten veya alttan çeşitli kaldıraçlarla ile yapılabilir [27]. Şekil 6.2 de vakum veya akan işlem atmosferi altında çalışan bir parti fırını gösterilmektedir. Hazne çapı büyüdükçe sinterleme yükü artmakta, 500 kg a kadar erişmektedir. Maksimum 3000 C sıcaklığa çıkması ve bazı parti fırınlarında birkaç atmosfer basınç altında çalışması mümkündür. Yarı sürekli vakum sinterleme fırınlarında seri halde üç veya daha fazla oda bulunmaktadır. Yük, bir odada belirli bir süre tutulduktan sonra bir sonraki odaya taşınır. Böylece döngü, parti fırınlarında art arda sinterleme şeklinde meydana gelir. Şekil 6.2. Parti sinterleme fırınının şematik gösterimi [27].

57 Sürekli fırınlarıda sinterleme Sürekli fırınlarda parçanın konumu zamana karşı taşıyıcı bant veya itici konveyörler kullanılarak ardışık bölgelerde kontrol edilir. Konveyörler genellikle tel örgüden imal edilir. Yüksek sıcaklıklar için seramik, grafit, refrakter bant veya itici kullanılması gerekir. Refrakter malzeme veya grafit ile 2000 C nin üzerindeki sıcaklıklara çıkmak mümkündür [27]. Sürekli bir fırında ilk bölgeler yağlayıcı, polimer ve kirletici giderme için kullanılır. Atmosfer bileşimi ve akışı, her bir bölgede tepkimeleri kontrol etmek ve kirleticileri yüksek sıcaklık bölgesinden uzak tutmak için ayarlanır. En uygun fırın tipi ve boyutları üretim miktarı, sinterlenecek malzeme, işlem maliyeti, atmosfer tipi ve sinterleme sonrası soğutma hızına bağlıdır. Şekil 6.3. Sürekli sinterleme fırınının şematik bölgeleri. Şekil 6.3 te en yaygın kullanılan sürekli fırın gösterilmektedir. Bu fırın, sabit bir sıcaklığa ve belli bir hızda hareket eden bir banda sahiptir. Yatay bant, sıcak bölgeden geçerek dönüşte fırının altından hareketine devam eder.

58 41 Bant; fırında hareket ederken yük, kademeli olarak ön ısıtma, yüksek ısı ve soğutma bölgesinden geçer. Fırının uzun süreli kullanımında bantta uzama, aşınma, sürünme ve ısı çevrimi oluşur. Bu sebeplerden dolayı bant kullanım dışı kalır. Yüksek sıcaklıklarda kullanılması durumunda fırının ömrü kısalır. Hidrokarbon, etanol, metan ve yüksek hidrojen içeren gazlar kullanıldığında fırının ömrünü hızla azaltır. Yüksek sinterleme hızları için volfram, seramik (silisyum karbür), grafit taşıyıcı bantlar kullanılmalıdır. Bu kısma kadar bahsedilen fırınlar, klasik sinterleme fırınlarıdır. Buradan sonra hızlı sinterleme tekniklerinden bahsedilecektir Hızlı Sinterleme Teknikleri Hızlı sinterleme tekniklerine indiksüyonla sinterleme, spark plazma sinterleme, lazer sinterleme ve mikrodalga sinterlemedir İndiksüyonla sinterleme İndüksiyonla sinterleme, elektriksel kondüktörlerin oluşturduğu manyetik alan içerisine yerleştirilmiş kalıp içerisinde bulunan toz metal malzemelere indüklenen akım ile ısı oluşturulması sonucu sinterleme prensibine dayanır. Kondüktör ile kalıp arasında fiziksel temas bulunmamaktadır. Kalıba akımın indüklenmesi Faraday prensibine dayanmaktadır. Elektromanyetik indüksiyon prensibi, Michael Faraday ın 1800 lü yıllardaki keşfiyle başlar. Faraday bir demir nüveyi çevreleyen iki tel bobinden meydana gelen deney düzeneğinde; bir bataryaya anahtar düzeneği ile bağlı birinci bobin kapatıldığında, ikinci bobinde anlık akım oluşumunu gözlemiştir. Aynı anlık akım birinci bobinin anahtarı ani olarak açıldığında da gözlenmiştir. Bu araştırmadan, elektromanyetik alandan elektrik akımı üretilebileceği sonucu çıkarılmaktadır.

59 42 Ancak 1800 lü yılların sonu 1900 lü yılların başlarına doğru indüksiyonla ısıtma, metal malzemelerin ısıtılmasında kullanışlı bir yöntem olarak görülmeye başlanmıştır [28]. İndüksiyonla ısıtma, parçanın yüzeyinde oluşan alternatif manyetik alanın, Eddy akımlarını ve histerezis kayıplarını parçada indüklemesiyle ısı oluşturmasını sağlayan bir yöntemdir. Alternatif manyetik alan, iş parçası etrafını çevreleyen veya iş parçasına paralel olarak tutulan, üzerinden alternatif akım geçen indüksiyon bobini tarafından oluşturulur [28]. İndüksiyon bobinine alternatif voltaj uygulanması, bobin içinde alternatif akımın gelişmesine sebep olur. Çevrede zamana göre değişen manyetik alan oluşur ve bu alanın frekansı uygulanan akımın frekansı ile aynıdır [28]. Elektromanyetik alan değiştirildiğinde herhangi bir geçirgen malzemede manyetik kuvvet oluşur. Eğer akım geçişine malzeme içerisindeki bütün bir yolda izin verilirse, indüklenen kuvvet bu yol boyunca bir akım oluşturur. Malzemenin direncinden dolayı Joule etkisi gözlenir ve I 2 R ile orantılı olarak, ısı üretimi gerçekleşir. Burada I manyetik akım, R malzemenin direncidir[28]. Devamlı akım durumunda, düzgün bir kesit alanına sahip homojen malzemenin direnci; R = ρl A (Ohm, Ω) (6.1) olarak tanımlanır. Burada ρ özdirenç (Ω.m), L (m) akım doğrultusunda malzemenin boyudur. A (m 2 ) ise akımın geçtiği doğrultuya dik kesit alanıdır. Şekil 6.4 te manyetik alan içerisine yerleştirilmiş toz metal malzemelerin sinterlenme işlemi şematik olarak sunulmuştur.

60 43 Şekil 6.4. İndüksiyonla sinterlemenin şematik görünümü. Penetrasyon derinliği, indüksiyon sisteminin frekansına göre değişir. Demir gibi çok iletken malzemeler kısa sürede ısınır. Yüksek sıcaklık veya yüksek frekansta penetrasyon derinliği azalır. Tüm toz malzemeler, indüksiyonla sinterleme malzemesi olarak kullanılabilir. Oda sıcaklığında 100 mm ye kadar penetrasyon derinliği gerçekleşebilir ama sıcaklık artarsa penetrasyon derinliğinde azalma meydana gelir. Sıcaklık avantaj olduğu halde indüksiyon sinterlemede çok az kullanılır. Genellikle indüksiyon akımını düzelten grafit ile birlikte yavaş adımlarla ısıtma sağlanan sıcak presleme işlemi kullanılır [27].

61 Spark plazma sinterleme (SPS) Spark plazma sinterleme (SPS) tekniği enerji tasarrufuna ve yüksek sinterleme hızlarına olanak tanıyan yeni bir sinterleme teknelojisi olup, bu yöntemde basınçlı sinterleme, sıcak presleme, sıcak isostatik presleme gibi geleneksel sinterleme metodlarına kıyasla %20 ile %30 daha az enerji kullanarak blok malzeme elde etmek mümkündür. SPS tekniğinin temel çalışma prensibi; yüksek akım yoğunluğundaki doğru elektrik akımının, grafit kalıp sistemi ve kompakt hale gelmesi istenen tozun içinden geçirilmesidir. Bu sayede diğer bilinen sinterleme yöntemlerinin tersine SPS tekniğinde numune içeriden ısınır. SPS sisteminde, sisteme bağlı harici bir ısıtıcı yoktur. Bunun yerine elektrik akımını oluşturan ve kalıp sistemine gönderen bir elektrik akım jeneratörü vardır. Bu sayede 600 C/dakika gibi yüksek ısıtma ve soğutma hızlarına çıkılabilir ve dolayısıyla sinterleme süresi dakikalar içerisinde tamamlanabilir [29,30]. Standart sinterleme tekniklerinde toz malzemeyi bu denli yüksek sinterleme hızlarında sinterlemek mümkün olmadığından, taneler malzeme yapısında kolaylıkla kabalaşma eğilimi gösterir. SPS tekniği ise nanokristalin tanelerden oluşan ince taneli bir mikroyapıya sahip blok malzeme elde etmeye olanak tanır. SPS yönteminin sinterleme mekanizması Şekil 6.5 te gösterilmiştir. Şekil 6.5. Spark plazma sinterleme mekanizması.

62 45 Şekil 6.6 da SPS sisteminin çalışma düzeneği şematik olarak gösterilmiştir [29,30]. Şekil 6.6. Spark plazma sinterleme sisteminin şematik görüntüsü. Bugüne kadar SPS yöntemi kullanılarak yapılan çeşitli sayıda deneysel çalışmalar göstermiştir ki, SPS tekniği ile birçok malzemeyi tam yoğunluk elde edilinceye kadar sinterlemek mümkündür Lazer sinterleme Lazer sinterleme, toz malzemenin katman katman birbirlerine lazer ile sinterlenmesiyle, birçok değişik malzemeden 3 boyutlu parça imalatı yapabilen bir hızlı prototipleme teknolojisidir. 80 li yılların ortalarında, 90 lı yılların başında gelişmeye başlayan hızlı prototipleme çalışmaları 90 lı yıllarda seçici lazer sinterleme (SLS) ve seçici lazer ergitme (SLM) sistemleri gelişerek metal tozlarından direkt parça imalatına geçilmiştir. SLS prosesinde, toz serme yöntemi ve tozlar arasında bölgesel ergime sağlanmaktadır. Lazer mikro sinterleme işleminde de aynı SLS deki gibi toz serme işlemi yapılarak tozlar arasında bölgesel ergime sağlanmaktadır.

63 46 SLM imalat yönteminde ise toz serme ve tozlar arası tam ergitme sağlanmaktadır. 3D lazer giydirme işleminde de tozlar bir lüle vasıtası ile lazerin odağına püskürtülmekte ve tam ergitilme sağlanmaktadır. Toz olarak; tek bileşenli tozlar, alaşımlı tozlar ya da düşük ergime noktasındaki toz karışımları ve yüksek ergime noktasındaki tozlar günümüzde geçerli kullanımı olan tozlardır. Bölgesel ergitme yapan sistemlerde teorik yoğunluk, %45 ile %85 arasında değişmektedir. Sinterleme de ergime noktası düşük metaller kullanıldığında (bakır ve bronz); teorik yoğunluğu artmakta ve tam erime sağlanabilmektedir. SLM ve 3D giydirme yöntemlerinde üretilen parçalar teoriye yakın olarak yüksek yoğunluktadır. Ayrıca üretilen parçalardaki mikro yapı ve ısıl artık gerilmeler, ısıl tavlamada azalmaktadır. Bu da bazı parçalara yüksek yüzey kalitesi sağlayabilmektedir, ince talaşla son bir işlem yapılmasına gerek kalmamaktadır [31,32]. Şekil 6.7. SLS sisteminin şematik görüntüsü [31]. SLM ve SLS yöntemleri eklemeli imalat (additive manufacturing) yöntemleri grubuna girmektedir. Katman kalınlığı kadar serilen toz lazer ışınları ile STL formatındaki 3 boyutlu CAD modelde seçilen yerler ergitilir ya da sinterlenir.

64 47 Bu işlem tamamlandıktan sonra toz tablası katman kalınlığı kadar aşağı iner ve süpürücü veya merdane vasıtasıyla metal tozlar tekrar serilir. Toz serme işleminden sonrada toz yatağının seçilen bölgeleri ergitilir ya da sinterlenir. Bu işlemler tüm model oluşturuluncaya kadar devam eder. Böylece birçok katmandan oluşan katı gerçek parça elde edilmiş olur. Şekil 6.7 de SLS sistemi şematik olarak gösterilmektedir. Şekil 6.8 de ise SLS tezgahı şematik olarak gösterilmektedir. Şekil 6.8. SLS tezgahının şematik gösterimi [31] Mikrodalga sinterleme Mikrodalga enerjisi uzun yıllardan beri değişik uygulamalar için kullanılmaktadır yılından itibaren seramik malzeme işlemleri üzerinde mikrodalga uygulamalarında yoğun bir artış olmuştur lı yılların sonunda yüksek sıcaklık uygulamaları üzerine çalışmalar yapılmaya başlamıştır li yıllarda seramiklerde uygulanan kurutma, kalsinasyon, sinterleme gibi konular çalışılmalarındaki gelişmeler hızla artmıştır. Yiyeceklerin ısıtılması, kauçuk malzemelerin kurutulması ve medikal terapi mikrodalganın endüstriyel uygulamaları arasındadır.

65 48 Geçen 20 yılda mikrodalga enerjisi ile ev yemeği pişirmede, devrim niteliğinde başarılı gelişmeler kaydedildi. Metal tozlarının mikrodalga ile sinterlenmesi çok yeni bir gelişmedir. Tam yoğunluklu metal parça sağlamaları, mikrodalgaların sürpriz uygulamalarını oluşturmaktadır. Bununla birlikte oda sıcaklığında korumasız ortamda gözeneksiz bir katı metal meydana getirmesi metal tozlarının sinterlenmesi için çok önemli bir avantajdır. Bu teknoloji değişik toz metal parçaların, küçük silindirlerin, dişlilerin ve otomotiv parçaların dakika gibi kısa bir sürede üretilmelerinde kullanılmaya başlanmıştır. Toz numunelerin mikrodalga sinterleme ve ısınma davranışı ile klasik sinterleme davranışları arasında büyük farklılık bulunmaktadır. Klasik sinterleme metodunda, ısıtıcı elemanların öz direnci aracılığıyla ısı enerjisine çevrilen elektrik enerjisi, ışıma ve konveksiyon yoluyla malzeme yüzeyine, oradan da iletim yoluyla malzemenin iç kısımlarına transfer edilir. Sonuçta, numunenin yüzeyi daha yüksek sıcaklıkta iken, iç kısımları daha düşük sıcaklıklarda bulunur. Buna karşın; mikrodalga sinterleme teknolojisinde, malzemede iyonik parçaların göçü, dipolar parçaların rotasyonu, ferromanyetik kayıplar ve indüklenen Eddy akımlarının yol açtığı ohmik kayıplar gibi mekanizmalar aracılığıyla, mikrodalgalar ile hacimsel olarak doğrudan etkileşim söz konusudur. Bu nedenle malzeme hacimsel ısı açığa çıkartarak ısınırken, numuneye göre soğuk olan fırının iç kısmı yüzeyden ısı kaybeder. Dolayısıyla mikrodalga ısıtma yönteminde, konvansiyonel yöntemin aksine, malzemenin iç kısımları yüzeyden daha sıcaktır. Mikrodalga sinterlemede ısı, verilen elektromanyetik enerjinin doğrudan malzemeyle etkileşimi sonucunda açığa çıktığından çok daha verimli ve hızlı bir şekilde sıcaklık artışı sağlanabilir.

66 49 Mikrodalga enerjisinin kullanımı malzeme işlemleri için büyük potansiyele ve klasik ısıtmaya göre gerçek bir avantaja sahiptir. Bunlar; Kısa işlem süreleri ve enerji tasarrufu, Hızlı ısıtma aralığı, Yüksek enerji verimliliği, İyi bir mikro yapı ve bundan dolayı geliştirilmiş mekanik özelliklerle daha iyi üretim performansı sağlamak, Düşük çevresel riskler. Şimdiye kadar mikrodalga ısıtma sadece seramiklere ve yarı metal gibi özellik gösteren karbür ve nitrürlere uygulandı. Bununla birlikte araştırmalar; geliştirilmiş mekanik özellikli, ham parçaların yüksek sinterlenme bağlarının oluşmasında metal ve alaşımlarıyla intermetaliklerin mikrodalga ortamında sinterlenebildiklerini ortaya koymuştur. Şekil 6.9 da görüldüğü gibi geleneksel ve mikrodalga sinterleme arasındaki fark gösterilmiştir. Şekil 6.9. Geleneksel ve mikrodalga fırınlarda ısıtma. Toz metalurjisi yöntemi ile karmaşık şekilli ve kontrollü makro yapıya sahip, yüksek mekanik özelliklerde metalik malzemeler üretmek mümkündür. Ancak istenilen özelliklerde malzemeler üretebilmek için malzemelere yeteri kadar sinterlenme işlemi uygulanması gerekir.

67 50 Endüstriyel işlemler için; klasik sinterleme yöntemin en önemli dezavantajı, maliyetin ve üretim zamanını fazla olmasından dolayı bir dezavantaj oluşturmasıdır. Ancak mikrodalga sinterleme işlem zamanını azaltması ve düşük enerji maliyetinden dolayı tercih edilmektedir. Şekil 6.10 da görüldüğü gibi klasik sinterleme ve mikrodalga sinterleme süreleri arasındaki fark görülmektedir. Şekil Klasik ve mikrodalga sinterleme süreleri arasındaki fark. Bu dezavantajı ortadan kaldırmak için hızlı bir ısıtma yöntemi olan mikrodalga enerjisinin sadece yiyecek maddeleri ve seramik tozu gibi endüstriyel malzemelerin ısıtılma ve sinterlenmesinde kullanılması ile sınırlı kalmayıp, metal tozlarından imal edilen makine parçalarının da seri olarak sinterlenmesinde kullanılması gerekir. Mikrodalgalar iyonik parçacıkların göçü veya dipolar parçacıkların rotasyonu ile moleküler harekete neden olurlar. Mikrodalgalar malzeme tipine bağlı olarak yansıma, absorbe etme veya geçirimli olabilirler ve optik kurallara uyum gösterirler [33].

68 51 Metaller saydam olmadıkları için mikrodalgalar yüzeyden yansıma yaparlar. Bu nedenle metalleri mikrodalga ile ısıtamayız. Genelde metaller yüksek iletkenliğe sahiptirler ve iyi yansıtıcıdırlar. Dielektrik özelliğe sahip olan seramik malzemelerden mikrodalgalar geçirimli olarak geçer. Bu nedenle seramikler yalıtkandırlar ve mikrodalga fırında malzemenin ısıtılmasını desteklemek için kullanılırlar. Belli bir kritik sıcaklığın üzerine çıkıldığı zaman bu malzemeler, mikrodalgadan daha fazla etkilenerek ısıyı absorbe ederler. İletkenlik ve fiber oluşumunu sağlayan magnetik fazların eklenmesiyle oluşan geçirimli seramikler ile mikrodalgaların absorbsiyonu daha da hızlı olur. Mikrodalga enerjiyi mükemmel absorbe edebilen bu malzemeler kolaylıkla ısıtılırlar. Şekil da malzemenin mikrodalga ile etkileşimi görülmektedir. Şekil Malzemenin mikrodalga ile etkileşimi [33,34]. Mikrodalga enerji kaybının iki önemli mekanizması; iyonik iletim ve polar rotasyondur. Buna göre, dielektrik sabiti ve dielektrik kaybının oranı malzemenin harcama (tükenme) faktörünü verir. Dielektrik sabiti, malzemenin mikrodalga enerjisinin iç kısımdan geçmesi sırasında; ısıyı absorbe etme yeteneğinin bir ölçüsüdür.

69 52 Kayıp faktörü ise giren mikrodalga enerjinin malzeme içerisinde ısı olarak tüketilmesiyle kaybolma miktarını vermektedir. Bu nedenle yüksek kayıp faktörlü bir malzeme, mikrodalga enerjisiyle kolaylıkla ısıtılabilmektedir [34]. Mikrodalga radyasyonunun yansıması, geçirimi ve absorbe edilmesiyle malzemenin elektriksel ve magnetik özellikleri saptanır. Seramiklerin çoğu mikrodalga enerjiyi geçirimli veya zayıf absorbe eder. Fakat seramiklere iletkenlik ve fiber oluşumunu sağlayan magnetik fazlar eklenerek kritik sıcaklığa ısıtıldıklarında, mikrodalga enerjiye geçirimli olarak katkıda bulunurlar. Karışık geçirgenlik ε ; mikrodalga enerji ile etkileşen alanın miktarı ile saptanır [33]. ε =εο(ε r - jε eff ) (6.2) j =(-1)½, εο; boş alan geçirgenliği (εο=8, F/m), ε r ; izafi dielektriklik sabiti, ε eff ; etkili izafi dielektrik kayıp faktörü dür. Mikrodalgalar bir yalıtkan maddeyi delip geçerken, içeride oluşan elektrik alanları, boşta kalan elektron veya iyonların hareketine ya da ikiz kutup gibi dönen şarj komplekslerinin oluşumuna sebep olurlar. Sürtünme kuvveti ve yukarıda söylediğimiz hareketlerden dolayı oluşan güçler elektrik alanlarında kayba ve değişimlere neden olur. Bu tür kayıpların sonucunda hacimsel ısınma meydana gelir. Kolaylık olması için bütün kayıplar tek bir paremetrede toplanmıştır. Genellikle bu tür kayıpları tanımlamak için tanδ kullanılır. Kayıp faktörü tanδ; etkili izafi dielektrik kayıp faktörünün, izafi dielektrik sabitine oranıdır. tanδ=ε eff /ε r (6.3)

70 53 Birim hacim başına absorbe etme gücü P ( N/m 3 ) ile ifade edilen dielektrik ısıtma ve iletkenlik arasındaki ilişki aşağıdaki eşitlikte verilmiştir. P=σ Ε 2 =2πfεοε r tanδ Ε 2 (6.4) Ε; elektrik alanı, σ; elektriksel iletkenlik, f; mikrodalganın frekansı dır. Absorbe edilen malzemenin gücünün 1/2 deki nüfuz etme derinliği D;malzemenin absorbe etme gücünün nasıl çoğaltılacağını ve mikrodalganın nasıl nüfuz edebileceğini saptamaya yarayan bir parametredir. [33] D=3λο/8,686 π tanδ (ε r /εο)½ (6.5) λο; mikrodalganın dalga boyudur. P ve D verilen malzemenin hacimsel ısıtma davranışını etkiler. ε r ; izafi dielektrik sabiti değerielektrik alanında malzemenin kutuplaşmasının ölçülmesidir. tanδ; kayıp faktörü değeri malzemeye bağlı olarak mikrodalga enerjinin kaybı veya absorsiyonun ölçülmesidir. Isıtma sırasında ε r ve tanδ değerleri sıcaklıkla değişir ve bunların değişim bilgisi işlem kontrolü için önemlidir. Kısacası; seramik malzemenin mikrodalga ile ısıtılması, frekans ve sıcaklığa bağlı olan kayıp faktörü (tanδ) ve izafi dielektrik sabiti (ε r ) ilişkisiyle etkilidir [33]. Dinesh Agrawal ve arkadaşları yaptıkları makalelerde şeffaf alüminanın mikrodalga ile sinterlenmesi isimli makalelerinde yüksek saflıktaki %99,99 ve başlangıç partikül boyutu 0,15 µm olan ticari alümina tozu kullanmışlar. Başlangıçta alümina tozları, kütlece %0,05 MgO ile birlikte asetonla karıştırılmış ve organik bağlayıcı (Acrycoid) ile birlikte alümina harcı oluşturmuşlardır. Ham numuneler, tek yönlü kuru soğuk izostatik presleyle 280 MPa basınçta preslenmiş ve ham yoğunlukları %52-54 civarında olan numuneler elde edilmiştir. Numuneler, fırın içerisinde 1100 ºC de 2 saat bağlayıcıları uçurmak için ön ısıtmaya tabi tutulmuşlardır [35].

71 54 Bazı saf, hiçbir MgO katkısı olmadan, Al 2 O 3 numunelerine yüksek ısıtma hızları kullanılarak ( ºC/dk.) 1850 ºC de yüksek saflıktaki H 2 atmosferinde bekletilmiştir. Bu çalışmadaki amaç; MgO yokken ısıtma hızı ve kısa sinterleme sürelerinde mikrodalga enerjisi ile tam yoğunluklu ve ince taneli yapı elde edilip edilemeyeceğidir. Yapılan sinterleme işlemi sonucunda tane sınırlarında birçok gözeneğe ve çok büyük tane sınırlarına sahip oldukları gözlenmiştir. Burada önemli olan ilk şey; sinterlemeye yardımcı MgO kullanmak zorunludur ve mikrodalga sinterleme esnasında MgO tane büyümesi neden olur. Mikrodalga sinterlemenin yapılacağı numuneler, kütlece %0,05 MgO içermektedir. Isıtma hızı 100 ºC/dk. olacak şekilde 1750 ºC de 15, 30 ve 45 dk. sinterlenmiştir. Numunelerin hepsinde düzenli tane sınırı yapısı, benzer tane büyüklüğü ve gözeneksiz yapı gözlenirken; sinterleme süresi 15 dk dan 45 dk. ya çıkarıldığında ortalama tane boyutu 20 µm den 40 µm ye çıkmıştır [35]. Bu çalışmada, kütlece %0,05 MgO içerikli, 1750 ºC de 30dk. sinterlenmiş alümina numuneleri, yüksek saflıktaki H2 atmosferinde, ºC aralığında 2 saat son sinterleme işlemine tabi tutulmuştur. Böylece, çok kristalli yapının, son sinterleme işlemiyle tek kristalli yapıya dönüştüğü gözlenmiştir. Mikrodalga alan içerisinde, alümina seramik numunelerin tane büyümesi ve yoğunlaşmalarında büyük miktarda artış olmuştur ºC de 15 dk. sintrerlenen numune, tam yoğunlaşma ve iyi saydamlık özellikleri göstermiştir. Ayrıca, mikrodalga son sinterleme prosesi, katı hal çok kristalli alümina dönüştürme işlemine göre; tek kristalli alümina üretim işleminde daha hızlıdır [35].

72 55 Ayrıca, Ni-Zn ferritlerinin mikrodalga sinterleme ve klasik sinterleme yöntemlerinin karşılaştırılması çalışmasında; teorik yoğunluğu %95 ten yüksek olan Ni1- x Zn x Fe 2 O 4 malzemede, x = 0,0 0,1 aralığında ve 0,2 şer aralıklarla artırılarak klasik ve mikrodalga sinterleme işlemlerine tabi tutulmuştur [36]. Ni1- x Zn x Fe 2 O 4 de X= 0, 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 ve 1,0 olarak, yüksek saflıkta NiO, ZnO ve Fe 3 O 4 ile hazırlanmıştır. Tozlar, karıştırılarak öğütülmüş ve 1100 ºC de 4 saat kalsine edilmiştir. Toz boyutlarındaki değişimi engellemek amacıyla karışımdaki tüm malzemeler sabit tutulmuştur. Tüm kompozisyon 1275 ºC de 30 dk. klasik sinterleme fırınında sinterlenmiştir. Mikrodalga sinterleme işleminde de buna paralel olarak aynı sinterleme sıcaklığı ve süresi kullanılmıştır. Aynı deneysel şartlar kullanılmasına ve tozların aynı parti numarasına ve partikül boyutuna sahip olmalarına rağmen; numunelerin mikroyapısında şaşırtıcı değişimler gözlenmiştir. Buna göre; mikrodalga sinterleme yöntemi kullanılarak sinterlenmiş olan numunelerin gözenek boyutu büyük ve gözenek sayısı daha az iken; klasik sinterlenmiş numunelerin gözenek boyutu küçük ve gözenek sayısı daha fazladır. Tane sınırlarındaki atom mobilitesinin artmasıyla difüzyon ve tane büyüme aralığı artmasında ve yoğunlaşmanın atmasında mikrodalga alanı önemli bir rol oynamaktadır. Mikrodalga alan uygulanması sonucunda aktivasyon bariyer yüksekliğindeki muhtemel azalma nedeniyle bu sonuca ulaşıldığı tahmin edilmektedir [36].

73 56 7. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Bu çalışmada ortalama toz boyutu 51 µm olan Alüminyum tozlarından 125, 175, 225 MPa basınçlarda 31,7x12,7x6,35 mm ölçülerinde toz metal Alüminyum blok numunelere çapraz kırılma işlemi yapılacağı için ASTM B e uygun olarak tek yönlü presleme ile üretilmiştir. Elde edilen ham blok numunelerin yoğunlukları ölçülmüş ve daha sonra klasik ve mikrodalga sinterleme işlemine tabi tutularak yoğunlaşmaları sağlanmıştır. Her iki sinterleme yönteminin yoğunlaşma, mikro yapı ve mekanik özellikleri karşılaştırılmıştır Malzeme Deneyde kullanılan Alüminyum tozlar lazerle parçacık boyutu ölçen Malvern Mastersizer E boyut ölçer cihazı ile toz boyutları ölçülerek boyut dağılım analizi yapılmıştır. Çizelge 7.1 ve Şekil 7.1 de alüminyum tozlarına ait boyut ve dağılım verilmiştir. Çizelge 7.1. Alüminyum toz boyutu.

74 57 Şekil 7.1. Alüminyum tozlarının boyut dağılımı Presleme İşlemi Toz metal parçalar, Şekil 7.2 de verilen boyutlarda ve Şekil 7.3 de görüntüsü verilen 60 ton basma kapasiteli MTI FYD-40 marka cihazda 125, 175, 225 MPa presleme basınçlarında tek yönlü preste yapıldı. Preslenen blok numunelerin kalıptan kolay çıkmasını sağlamak için kalıp iç yüzeyleri ile zımba dış yüzeyi etil alkol ve çinko stearat tan oluşan karışım ile yağlandı. Şekil 7.2. Toz metal Alüminyum blok numunenin şematik görünümü

75 58 Resim 7.1. Presin şematik görünümü Sinterleme İşlemi Blok numuneler 580 ºC sinterleme sıcaklığında Helyum korumalı atmosferde klasik ve mikrodalga sinterleme yöntemleri ile sinterlenmiştir. Klasik sinterleme için dk. sinterleme süreleri, mikrodalga sinterleme için ise dk. sinterleme süreleri kullanılmıştır Klasik sinterleme Klasik sinterleme işlemi atmosfer kontrollü carbolite tüp fırında akan Helyum ortamında gerçekleştirilmiştir. Fırın oda sıcaklığında iken blok numuneler grafitten yapılmış bir kayık içerisinde fırının merkezine yerleştirilmiş.15 ºC/dk. ısıtma hızı ile sinterleme sıcaklığı olan 580 ºC kadar ısıtılmıştır. Sinterleme süresi sonunda fırın oda sıcaklığına kadar 15 ºC/dk. soğutma hızında kontrollü olarak soğutulmuştur.

76 59 Resim 7.2. Klasik sinterleme işlemi yapılan fırınının görüntüsü Mikrodalga sinterleme Mikrodalga sinterleme işlemi ise mutfak tipi 2.45 GHz gücündeki sinterleme fırını laboratuar amaçlı olarak Şekil 7.3 de görüldüğü gibi tasarımı yapılmıştır. Şekil 7.3. Tasarlanmış mikrodalga fırının şematik görüntüsü.

77 60 Şekil 7.3 de görüldüğü gibi fırın içerisine metal blok numuneler sinterlemek için kapaklı seramikten yapılmış tüpe yerleştirilmiş, blok numunelere atmosfer koruması sağlamak için sisteme seramikten yapılmış gaz giriş ve çıkış boruları eklenmiştir. Daha sonra fırın oda sıcaklığında iken blok numuneler grafitten yapılmış bir kayık içerisinde Helyum korumalı atmosferde 580 ºC kadar ısıtılmıştır. Sinterleme sıcaklığını ölçmek için malzeme yüzeyine temas edecek şekilde termokupl yerleştirilerek sinterleme sıcaklığı dijital olarak ölçülmüştür. Sinterleme işlemi sonunda numuneler fırınla birlikte oda sıcaklığına gelinceye kadar soğumaya bırakılmıştır. Resim 7.3. Tasarlanmış mikrodalga fırının görüntüsü. Resim 7.3 de ise tasarlanmış olan mikrodalga fırının görüntüsü görülmektedir Yoğunluk ve Gözenek Oranının İncelenmesi Üretilen blok numunelerin sinterleme öncesi ve sonrası yoğunlukları Arşimet prensibine göre 0,0001 gr hassasiyetli elektronik bir terazide ölçülmüştür. Üretilen numunelerin gözenek oranının belirlenmesinde aşağıdaki eşitlik kullanılmıştır.

78 61 % Gözeneklik = qteorik qdeneysel x100 q teorik Burada; qteorik: Teorik yoğunluk (g/cm 3 ) qdeneysel: Deneysel yoğunluk (g/cm 3 ) şeklindedir Mikroyapı İncelemeleri Sinterlenmiş numunelerde faz dağılımlarını ve sinterleme işleminin olup olmadığını görebilmek için, öncelikle numuneler 400, 600, 800 ve 1200 meshlik dairesel zımpara kâğıtları ile zımparalama işlemine tabi tutulmuşlardır. Zımparalama işlemi için Met-kon marka zımparalama cihazı kullanılmıştır. Daha sonra 6, 3 ve 1 µm elmas pasta ile parlatma işlemi yapılmış. Uygun bir kimyasal dağlayıcı (keller) hazırlanarak dağlama işlemi 10 sn. süre ile yapılmıştır. Yapılan bu işlemlerin ardından numunelerin mikroyapıları Leica DM 4000 M Optik Mikroskop ve JEOL marka JMS- 6060LV Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile incelenmiştir Sertlik İncelemeleri Numunelerin sertlik ölçümleri Instron-Wolpert DIATESTOR 7551 model sertlik ölçme cihazında, Vickers (HV-1) 136 elmas piramit uç kullanılarak ölçülmüştür. Her numuneden 6 şar adet ölçüm yapılarak ortalaması alınmıştır Çapraz Kırılma Deneyi Çapraz kırılma deneyi 5 kn kapasiteli bilgisayar kontrollü Schimadzu marka çekme ve eğme işlemi yapabilen cihaz ile 0,5 mm/dak ilerlerme hızında yapılmıştır. Resim 7.4 de çapraz kırılma test cihazının görüntüsü verilmiştir.

79 62 Deneyde her numuneden 3 er adet yapılmış ve numunelerin sonuçlarının güvenilirliğinin artırılması amacıyla çapraz kırılma yapılacak numuneler herhangi bir metalografik işlem uygulanmadan preslenmiş ve sinterlenmiş yüzey özellikleri koruyarak çapraz kırılma deneyi uygulanmıştır. Resim 7.4. Çapraz kırılma test cihazının görüntüsü.

80 63 8. SONUÇLAR VE TARTIŞMA 8.1. Yoğunluk Değişimleri Ham yoğunluk Farklı basınçlarda (125, 175 ve 225 MPa) tek yönlü presle preslenen numunelerin ham yoğunlukları Şekil 8.1 de verilmektedir. Şekilde görüldüğü gibi 125 MPa da % 79 olan ham yoğunluk, 175 MPa da % 85 e, 225 MPa da ise % 88 e yükselmiştir. Şekil 8.1. Toz metal Alüminyum blok numunelerin ham yoğunluk grafiği. Artan presleme basıncı ile kalıp içerisindeki toz partikülleri boşluklara akmak sureti ile boşlukları doldurarak yoğunlukta artışa neden olmaktadır. Yoğunluk artışında presleme en önemli faktör olmakla birlikte tek belirleyici faktör değildir. Preslenen tozların tane boyutu, tane şekli ve sertliği gibi değişkenler yoğunluk değişiminde etkilidirler.

81 64 Küçük taneli tozlarda tane sınırı alanı artacağından sıkıştırabilirlik azalacak bu da yoğunlaşmayı azaltıcı etki yapacaktır. Benzer şekilde sert tozlar sıkıştırılabilirlikte yoğunlaşmayı azaltıcı davranış sergilerler. Bu çalışmada, kullanılan tozlar ortalama 51µm boyutunda olduğundan presleme sırasında yoğunlaşmaya olumsuz etki eden bir davranış sergilediler. Kullanılan tozların boyutunun küçük olması tane sınırı alanı fazla olmasına ve yumuşak olması ise kalıp duvarlarına sıvanmayı artırdığı için yoğunlaşmayı olumsuz etkilemektedir. Buna rağmen bu çalışmada kullanılan en yüksek basınç olan 225 MPa da % 88 ham yoğunluk elde edilmiştir. Burada dikkat çekici husus 125 MPa da % 79 ham yoğunluk elde edilirken 175 MPa dan sonra yoğunluk artış oranı azalmakta muhtemeldir ki 225 MPa dan sonra yoğunlaşma oranı daha da azalarak yatay hale dönecektir Sinterlenmiş yoğunluk Ham yoğunlukları belirlenen numuneler klasik sinterleme ile 580 ºC de 30 ve 45 dk. mikrodalga sinterlemede ise 10 ve 25 dk. sinterlenmişler, sinterlemeden sonra Arşimet prensibi ile ölçülen yoğunlukları aşağıda verilmektedir. Şekil 8.2 de görüldüğü gibi klasik sinterlemede 30 dk. sinterleme süresinde 125 MPa da % 79 olan ham yoğunluk % 82,3 e, 45 sinterleme süresinde ise % 85,6 çıkmaktadır. Çizelge 8.1. Basınç, sinterleme yöntemi ve süreye bağlı yoğunluk değişimleri.

82 65 Çizelge 8.1 de basınç, sinterleme yöntemi ve süreye bağlı yoğunluk değişimleri verilmiştir. Şekil 8.2. Toz metal Alüminyum numunelerin klasik sinterleme işlemi sonucunda oluşan sinterlenmiş yoğunluk grafiği. Mikrodalga sinterlemede ise 10 ve 25 dk. sinterlenmiş olan numunelerin sinterlemeden sonra yoğunluk değişimleri Şekil 8.3 de verilmektedir. 125 MPa presleme basıncında 10 dk. mikrodalga sinterleme sonucu yoğunluk % 83 e, 25 dk. mikrodalga sinterleme sonucunda ise % 86,3 çıkmıştır. Mikrodalga sinterleme ile 10 dk. sinterleme süresinde elde edilen yoğunluk artışı, klasik sinterlemede 30 dk. da elde edilenden daha yüksek olmuştur. 175 MPa presleme basıncında 30 dk. klasik sinterlemede % 87, 45 dk. da ise % 88 yoğunluk sağlanırken 225 MPa presleme basıncında % 88 olan ham yoğunluk 30 dk. sinterleme sonucun da % 89,3 e, 45 dk. sinterleme sonucunda ise %90,8 e çıkmıştır.

83 66 Şekil 8.3.Toz metal Alüminyum numunelerin mikrodalga sinterleme işlemi sonucunda oluşan sinterlenmiş yoğunluk grafiği. Aynı basınçlarda mikrodalga sinterleme deki yoğunluk artışı, klasik sinterleme metoduna göre çok fazla davranış farklılığı göstermemiştir. Mikrodalga sinterlemenin düşük basınçlarda daha fazla yoğunluk artışına sebep olduğu görülmektedir. Sinterlemede yoğunlaşma mekanizmasında; önce taneler arası temas, temas alanında boyun oluşumu ve bu boyunlar arasındaki çekme gerilmeleri taneleri birbirlerine yaklaştırıcı etki yaparak yoğunlaşma meydana getirmektedir. Yüksek basınçlarda preslenmiş numenlerde taneler arası yakınlaşma basıncın etkisi ile sağlandığından sinterleme etkisi azalmaktadır. Düşük basınçlarda yoğunlaşmaya sinterlemenin etkisinin daha fazla olduğu görülmektedir.

84 Mikroyapı İncelemeleri Mikrodalga ve klasik sinterlenmiş numuneler optik mikroskop ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile mikroyapı fotoğrafları alınarak sinterleme yöntemi ve sinterleme sürelerinin mikro yapıya etkileri incelenmiştir. Resim 8.1.(a) da 125 MPa da 30 dk. sinterlenmiş, Resim 8.1.(b) de 175 MPa da 30 dk. ve Resim 8.1.(c) de ise 225 MPa da 30 dk. klasik sinterleme ile sinterlenmiş numunelerin mikroyapıları görülmektedir. Şekillerde görüleceği gibi sinterleme süresi aynı olmakla birlikte gözeneklerde azalma olduğu ve mikroyapının tam yoğun malzeme mikro yapısına doğru değişmeye başladığı görülmektedir. Sinterleme süresi aynı olmakla birlikte düşük basınçlarda daha iri tanelerin, yüksek basınçlarda ise daha küçük taneli bir yapının olduğu görülmektedir. a b c Resim 8.1. Klasik sinterleme ile a) 125 MPa, b) 175 MPa, c) 225 MPa da 30 dk. sinterleme işlemi uygulanmış numunelerin mikroyapı görüntüleri.

85 68 Sinterleme sırasında tane irileşmesi düşük enerjili yönlere doğru daha hızlı olacağından, düşük basınçlarda gözeneklerin fazla olması ve tanelerin boşluklara doğru büyümesi daha kolay olmaktadır. a b c Resim 8.2. Klasik sinterleme ile a) 125 MPa, b) 175 MPa, c) 225 MPa da 45 dk. sinterleme işlemi uygulanmış numunelerin mikroyapı görüntüleri. Klasik sinterlemede sinterleme süresi 45 dk. ya çıkartıldığında mikroyapıda ciddi oranlarda gözenek azalması olduğu görülmektedir. Sinterlemenin sıcaklık ve süre ile yakın bir ilişkisi bulunmaktadır. Sinterleme sıcaklığı düşük tutulduğunda, sinterleme süresi artmakta ve düşük sinterleme sürelerinde ise yüksek sinterleme sıcaklıklarına ihtiyaç duyulmaktadır. Ancak yüksek sinterleme süreleri bazı alaşımlarda çökeltilerin oluşmasına yol açabileceğinden sinterleme süresi ve sıcaklığın seçiminde malzemenin kimyasal kompozisyonu da dikkate alınmalıdır.

86 69 Resim 8.3 de a) 125 MPa, b) 175 MPa, c) 225 MPa basınçta preslenmiş ve 10 dk. 10 dk. mikrodalga fırınında sinterlenmiş numunelerin mikroyapıları görülmektedir. a b c Resim 8.3. Mikrodalga sinterleme ile a) 125 MPa, b) 175 MPa, c) 225 MPa da 10 dk. sinterleme işlemi uygulanmış numunelerin mikroyapı görüntüleri. Resim 8.3.(a) da görüldüğü gibi düşük basınçlarda tanelerin ve gözeneklerin daha iri olduğu görülmektedir. Aynı zamanda artan presleme basıncı ile tane boyutu ve gözenekliliğin azaldığı da görülmektedir. Gözenek miktarı 10 dk. mikrodalga sinterlenmiş numunelerde, 30 dk. klasik sinterlenmiş numunelerden daha az olduğu ve tanelerin klasik sinterlenmiş numunelerde daha küçük olduğu görülmektedir. Mikrodalga sinterleme çalışan birçok araştırmacı mikrodalga sinterlemenin tane küçülmesine neden olduğunu ifade etmektedir.

87 70 Mikrodalga sinterlemede sinterleme süresi 25 dk. ya çıkartıldığında mikroyapısal değişimin, gözenek miktarının azalması ve boyutunun küçülmesi şeklinde değiştiği görülmüştür. a b c Resim 8.4. Mikrodalga sinterleme ile a) 125 MPa, b) 175 MPa, c) 225 MPa da 25 dk. sinterleme işlemi uygulanmış numunelerin mikroyapı görüntüleri. Sinterleme yöntemi ve süresi ile mikroyapısal değişim Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) incelemelerinde daha açık şekilde görülmektedir. Resim 8.5.(a) da 125 MPa klasik sinterleme ile 30 dk. sinterlenmiş numune Resim 8.5.(b) de ise 10 dk. mikrodalga ile sinterlenmiş numunelerin mikroyapıları görülmektedir. Klasik sinterlemenin 1/3 sinterleme zamanına sahip olan mikrodalga sinterlenmiş numunelerde gözenekliliğin çok azaldığı ve tanelerin tane sınırı şeklinde yoğun bir malzeme tane yapısına dönüştüğü görülmektedir.

88 71 20 µm 20 µm a b Resim MPa ve 580 ºC de a) Klasik sinterlenme ile 30dk, b) Mikrodalga sinterleme ile 10 dk. sinterleme işlemi uygulanmış numunelerin SEM görüntüleri. Presleme basıncı 175 ve 225 MPa a çıkartıldığında basınçla tanelerin iç enerjisi artarak sinterleme sırasında tane irileşmesine yol açtığı gibi bir durum görülmüştür. Ayrıca, tane içlerinde yeni fazların oluştuğu görüntüler de elde edilmiştir. 20 µm 20 µm a b Resim MPa ve 580 ºC de a) Klasik sinterlenme ile 30 dk, b) Mikrodalga sinterleme ile 10 dk. sinterleme işlemi uygulanmış numunelerin SEM görüntüleri. Sinterleme süreleri klasik sinterlemede 30 dk. dan 45 dk. ya, mikrodalga sinterlemede ise 10 dk. dan 25 dk. ya çıkartıldığında 125 MPa ile preslenmiş numunelerde artan sinterleme süresinin gözenek miktarının azalmasında, 25 dk. sinterleme süresine sahip mikrodalga sinterlemeden daha etkili olduğu Resim 8.8.(a) ve (b) de görülmektedir.

89 72 20 µm 20 µm a b Resim MPa ve 580 ºC de a) Klasik sinterlenme ile 30 dk, b) Mikrodalga sinterleme ile 10 dk. sinterleme işlemi uygulanmış numunelerin SEM görüntüleri. 45 dk. klasik sinterlenmiş numunelerde gözenek miktarı azalırken tanelerin 25 dk. mikrodalga sinterlemedekilere göre daha fazla irileştiği görülmektedir. Ancak, bu etkinin presleme basıncı 175 ve 225 MPa daki numuneler için aynı şekilde olduğu söylenemez. Resim 8.9.(a) da 175 MPa da klasik sinterlenmiş ve Resim 8.9.(b) de ise 25 dk. ile mikrodalga sinterlenmiş numunelerin mikroyapıları görülmektedir. 20 µm 20 µm a b Resim MPa ve 580 ºC de a) Klasik sinterlenme ile 45 dk, b) Mikrodalga sinterleme ile 25 dk. sinterleme işlemi uygulanmış numunelerin SEM görüntüleri.

90 ve 175 MPa basınçla preslenmiş numunelere klasik sinterleme metodu uygulandığında, tane boyutu ve gözenek oranında çok fazla fark görülmez iken, mikrodalga sinterlenmiş numunelerde 175 MPa basınçta preslenmiş numunelerin gözenekliliğinin 125 MPa dan daha az olduğu görülmektedir. 20 µm 20 µm a b 10 µm Resim MPa ve 580 ºC de a) Klasik sinterlenme ile 45 dk, b) Mikrodalga sinterleme ile 25 dk. sinterleme işlemi uygulanmış numunelerin SEM görüntüleri. Mikrodalga sinterlemenin yüksek ham yoğunluklu numunelerde daha etkili olduğu Resim 8.10.(a) da 225 MPa da preslenmiş ve 25 dk. mikrodalga sinterleme işlemine tabi tutulmuş numunenin mikroyapı görüntüsünden anlaşılmaktadır. 20 µm 20 µm a b Resim MPa ve 580 ºC de a) Klasik sinterlenme ile 45 dk, b) Mikrodalga sinterleme ile 25 dk. sinterleme işlemi uygulanmış numunelerin SEM görüntüleri.

91 Çapraz Kırılma Deney Sonuçları Klasik ve mikrodalga sinterleme yöntemleri ile sinterlenmiş numunelere çapraz kırılma testi uygulanarak; presleme basıncı, sinterleme yöntemi ve sinterleme süresinin kırılma dayanımına etkisi Çizelge 8.2 de verilmektedir. Çizelge 8.2. Presleme basıncı, sinterleme yöntemi ve süresinin kırılma dayanımına etkisi. Basınç (MPa) Sinterleme Türü Sinterleme Süresi (dk.) Ham Kırılma Dayanımı (Mpa) Sinterlenmiş Kırılma Dayanımı (Mpa) Sinterlenmiş Yoğunluk (%) MD. S ,5 86,3 K. S , ,3 85,6 MD. S , ,2 88 K.S ,5 88 MD. S , ,1 K. S , ,8 *MD. S. : Mikrodalga Sinterleme *K. S. : Klasik Sinterleme Çizelge 8.2 de görüldüğü gibi mikrodalga sinterlenmiş numunelerde 125 MPa presleme basıncında 25 MPa kırılma dayanımı, 175 MPa presleme basıncında 27 MPa ve 225 MPa presleme basıncında ise 34 MPa kırılma dayanımı göstermiştir. Artan presleme basıncına bağlı olarak, sabit sinterleme süresinde kırılma dayanımının artışında ham yoğunluk artışının da etkili olduğu görülmektedir.

92 75 Şekil 8.4. Basınç ve çapraz kırılma dayanımı değişim grafiği. 125 MPa da preslenmiş ve klasik sinterleme ile 30 dk. sinterlenmiş numunenin kırılma dayanımı, 10 dk. mikrodalga sinterlenmiş numune ile aynı değerdedir. 175 MPa da preslenmiş ve 10 dk. mikrodalga ile sinterlenmiş numune 27 MPa kırılma dayanımı göstermiştir. Bu değer 125 MPa da preslenmiş ve 45 dk. klasik sinterlenmiş numunenin kırılma dayanımından daha yüksektir. 225 MPa da preslenmiş ve mikrodalga sinterleme ile 10 dk. sinterlenmiş numunenin dayanımı 34 MPa a yükselmiştir. Çizelge 8.2 de görüldüğü gibi bütün presleme basınçlarında klasik sinterlenmiş numunelerin kırılma dayanımlarının, mikrodalga ile sinterlenmiş numunelerden daha yüksek olduğu görülmektedir. Burada klasik sinterleme sürelerinin mikrodalga ile yapılan sinterleme süresinden daha yüksek olduğu gözden kaçırılmamalıdır. Kırılma dayanımının artışıda, sinterleme yönteminin mi yoksa sinterleme süresinin mi etkili olduğu tartışılabilir. Bunun için sabit sinterleme sürelerinde deneylerin yapılması gerekir. Ancak, mikrodalga sinterlemenin en önemli avantajı hacimsel ısıtma nedeni ile sinterleme süresinin kısa tutulmasıdır.

93 76 Mikrodalga sinterlemedeki sinterleme süresini klasik sinterleme için en düşük sinterleme süresi olan 30 dk. ya çıkartmak yöntemin avantajını ortadan kaldırır. Kaldı ki klasik sinterlemede sinterleme süresi 30 ve 45 dk. olmasına rağmen ön ısıtma ve soğuma süreleri bunların dışındadır. Toplam süre dikkate alındığında, bu süre 180 ve 205 dk. arasında değişmektedir. Elbette bu ısınma ve soğuma, üst sıcaklık değerlerinde sinterleme süresince devam etmekte, bu da kırılma dayanımında klasik sinterleme yöntemini avantajlı hale getirmektedir. Özellikle yüksek presleme basınçlarında klasik sinterlemenin daha etkili olduğu mikroyapısal değerlendirilmelerde ifade edilmiştir. Kırılma dayanımlarında 225 MPa ile preslemiş ve mikrodalga sinterleme yöntemi ile 25 dk. sinterlenmiş numunenin kırılma dayanımı 68 MPa ve 30 dk. klasik sinterlenmiş numunenin kırılma dayanımı 62 MPa olarak bulunmuştur. Bu sonuçlarda yüksek basınçlar kullanılarak preslenmiş numunelerin, mikrodalga sinterleme metodundaki daha kısa sinterleme sürelerinde klasik sinterlemeden daha yüksek dayanım sağlayamadığı görülmektedir Sertlik Sonuçları Farklı basınçlarda preslenmiş numunelere farklı sürelerde mikrodalga ve klasik sinterleme ile sinterleme işlemi yapıldıktan sonra sertlik deneyleri yapılmış sonuçlar Çizelge 8.3 de ve Şekil 8.5 de verilmiştir. Çizelge 8.3. Basınç ve süreye bağlı sertlik sonuçları tablosu, Sertlik (HV 1)-5 Kg.