Toz Metalurjisinin Savunma Sanayiinde Uygulanması

Transkript

1 Toz Metalurjisinin Savunma Sanayiinde Uygulanması Bedri BAKSAN, Remzi GÜRLER Osmangazi Üniversitesi, Metalurji Enstitüsü, Eskişehir 1.Giriş Bilindiği üzere insanlığın gelişiminde rol oynayan malzemeler, teknikler ve yöntemler genellikle olmasını istemediğimiz savaşlar sayesinde ilerleme göstermiştir. Elektronik sanayiinin ilerlemesi, radarın kullanılması, yöneylem araştırması teknikleri, ikinci dünya savaşı ile ortaya çıkan gelişmelerden bazılarıdır. Bu nedenlerden dolayı yeni malzemelerin, ileri tekniklerin kısaca en iyilerin kullanıldığı saha savunma sanayiidir denebilir. Savunma sanayiinde yapılan araştırma geliştirme faaliyetlerinin bütçeleri, bir çok ülkenin bütçesinden bile büyüktür. Bu kadar büyük bütçelerin söz konusu olduğu bir sahada gelişme elbette kaçınılmazdır. Toz metalurjisi de bilinen en eski yöntem olmasına rağmen, en yeni ve en ileri üretim tekniklerinden biridir. Toz metalurjisi genellikle karmaşık şekilli parçaların ve diğer üretim teknikleri ile üretimi mümkün olmayan malzemeler için kullanılan yöntemlerden biridir. Savunma sanayiinde, kullanım açısından alışılagelmiş parça üretiminden başka piroteknik uygulamalarında da rahatlıkla toz metalurjisi teknikleri kullanarak malzeme üretimi yapılabilir. Aşağıda, bundan böyle T/M olarak kısaltacağımız toz metalurjisi hakkında genel bilgi, sonraki bölümlerde T/M uygulamaları ve son olarak Osmangazi Üniversitesi Metalurji Enstitüsü laboratuarlarında T/M ile ilgili yapılan çalışmalar hakkında bilgi verilecektir. 2. Toz Metalurjisi Nedir? Toz metalurjisi (T/M), metal işleme teknolojileri arasında çok büyük farklılık gösteren bir üretim tekniğidir. Çok eskilerden beri bilinen, uygulanan bir yöntem olmasına rağmen uygulama açısından yeni sayılabilecek bir üretim tekniğidir. 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. Toz metalurjisini cazip kılan, ekonomik açıdan, çok yüksek hassasiyette karmaşık şekilli, yüksek kalitede parça üretiminin mümkün olmasıdır. Toz metalurjisi ile parça üretiminin ilk işlem adımları; presleme ve sinterlemedir. Bu aşamada toz metal sıcak izostatik presleme ve dövme ile önceden şekil verilmiş parçanın istenen oranda yoğunlaştırılması işlemleri yapılır. Bu uygulama adımları daha sonra tek tek ele alınacaktır. Uygulanan işlem adımları esnek, etkin, düşük maliyetli ve çevreye zararsız yöntemlerdir. T/M parçaların avantajlı taraflarından biri de diğer üretim tekniklerinden daha kısa imalat çevrim süresi vardır, çünkü bazı işlem kademeleri uygulanmaksızın nihai ölçülerde, doğrudan yerine takılarak kullanmaya müsait parça üretimi mümkündür. Ergime sıcaklığı yüksek olan metaller, T/M ile kolaylıkla şekillendirilebilirler. Döküm, gibi alışılagelmiş üretim tekniklerinde yaşanan oksidasyon, segregasyon, gaz absorpsiyonu ve yüksek yoğunluk farkından dolayı alaşım oluşturamama gibi bir çok problem T/M yöntemi ile kolaylıkla ortadan kaldırılabilir. Bir üretim yöntemi olmasının yanı sıra T/M aynı zamanda önemli bir malzeme ve yarı mamul üretim yöntemidir. Periyodik cetvelde metal olarak kabul edilebilen 86 kadar elementten yaklaşık 8000 kadar alaşım üretilebilmiştir. Halbuki bu 86 elementten ikili, üçlü, dörtlü gibi farklı kombinasyonlarla mertebelerinde alaşım üretebilmek mümkün olabilir

2 bunu mümkün kılabilen yegane yöntem olarak T/M ortaya çıkmaktadır. T/M, kompozit malzeme üretiminde de kullanılan yöntemlerden biridir. Bu yolla alışılagelmiş malzemelerden daha farklı ve üstün özelliklerde malzeme üretmek mümkündür. Bu avantajlarının yanında, T/M ile üretilmiş parçaların boyut ve ağırlığının sınırlı olması nedeni ile nispeten yüksek maliyetleri bu yöntemin olumsuz tarafını oluşturmaktadır. T/M yönteminin avantajlarını aşağıdaki gibi özetleyebiliriz; Eşsiz özelliklerde, neredeyse sınırsız sayıda alaşım ve kompozit malzeme üretmek mümkündür, Boyut, şekil ve parça içindeki porozitenin kontrolu kolaydır, İstenen mikroyapıda, fiziksel ve mekanik özelliklerde malzeme üretimine imkan verir, Üretim adetleri orta miktardan yüksek miktarlara kadar çıkabilir, Neredeyse sınırsız şekilde parça üretimi yapılabilir, Başlangıçtan, yani malzeme seçiminden, nihai ürüne kadar aradaki kademelerde üretim optimizasyona elverişlidir, Son ölçülerde parça üretimi mümkün olduğu için talaş, çapak vs. gibi artıklar yoktur, Döküm, dövme ve talaşlı imalat gibi yöntemlere nazaran metal işleme/şekillendirme maliyet oranı açısından daha avantajlı yöntemdir. 3. Toz Metal Üretim Teknikleri Metal malzeme üretimi açısından ortalama boyutları birkaç mikrondan birkaç yüz mikrona kadar parçalanmış partiküller, burada toz olarak tanımlanmıştır. Tozun geometrik şekli üretim yöntemine bağlı olarak küreselden, dendritik formlara kadar çok farklı olabilmektedir. Aynı şekilde tozun yüzey durumu da yani düzgün veya gözenekli olması da yine üretim yöntemine göre değişiklik göstermektedir. Tozun ortalama boyutları, şekli ve yüzey durumu parça imali açısından önemlidir. Toz üretimini esas olarak mekanik, fizikokimyasal, kimyasal, ve elektrokimyasal olmak üzere dört ana grupta toplamak mümkündür. 3.1 Mekanik Toz Üretimi Bu yöntemde malzeme mekanik ya da pnomatik olarak kırma, çarpma ve öğütme şeklinde parçalanarak toz haline getirilir. Bu amaçla kullanılan makineleri kırıcılar, kaba ve ince öğütücüler olarak gruplandırabiliriz. Kırıcılar genellikle cevher hazırlamada kullanılır. Kaba ve ince öğütücüler ise birkaç mikrona kadar değişen boyutlarda toz hazırlamada kullanılır.seramik malzemeler Metaller arası bileşikler, ferro alaşımlar; ferrosilis, ferrokrom gibi gevrek malzemeler bilyalı değirmenlerde öğütülür ve toz haline getirilir. Gevrek olmayan malzemelerin kırılması zor olduğu için öğütme işlemi genellikle bu tür malzemelere uygulanmaz, bunun yerine bazı sünek malzemeler sıvı azot ile soğutularak gevrek hale gelmesi ve öğütme işlemine elverişli hale gelmesi sağlanır. Sünek malzemelerin öğütülmesi özellikle aluminyumun öğütülmesinde yapışmayı engelleyici yağlayıcılar kullanılır. Bu yöntemde diğer bir uygulama da hidrürler oluşturmak ve sonra bu hidrürlerin vakum ortamında giderilmesi ile metal veya tozlarının eldesi sağlanır, bu yöntem daha çok titanyum için kullanılan bir yöntemdir. Burada elde edilen toz, kütleler halindedir, ve yüksek oranda hidrojen ve oksijen içerir. Şekil-1 de öğütme yöntemi ile mekanik olarak toz elde edilişini görmekteyiz.

3 Şekil-1 Mekanik öğütme ile toz üretiminin şematik gösterimi 3.2 Fiziko-Kimyasal Yöntemle Toz Eldesi Bu yöntemde bileşenler organik bir bağlayıcı ile fiziksel olarak bir bağ oluşturacak şekilde karıştırılır, sistemdeki solvent uçurularak kalan malzeme elekten geçirilir. Üfleme sırasında bağlayıcının yanması sağlanır. Bu yöntem daha çok NiAl ve AlSi-polyester tozlarının eldesinde kullanılır. Püskürtme ile kurutma yöntemi tozların topak haline getirilmesinde yaygın olarak kullanılmaya başlamıştır. Bulamaç haline getirilen karışım döner bir püskürtücüden geçirilir, oluşan bulut karşıdan verilen sıcak hava ile tozların ayrılması ve hava akımı ile taşınmaları sağlanır. Bu yöntem zirkonya gibi seramik malzemelerde ve WC- Kobalt gibi sermetlerde kullanılır. Toz genellikle küreseldir, fakat püskürtme ile kurutma yapıldığından gözenekli ve kolayca ufalanabilir durumdadır. Malzeme genellikle sinterleme ile yoğunlaştırılır ve kararlı hale getirilir. Kimyasal olarak topak haline getirmekten başka bir de mekanik topaklaştırma (Hosakawa Yöntemi) vardır. Bu yöntemde daha sert olan bileşenlerden biri daha yumuşak olan matris içine mekanik olarak girmesi ve böylece kompozit bir toz haline gelmesi sağlanır. Aslında basit öğütme işlemi ile kompozit malzeme eldesi mümkündür. Sinterleme, toz metalurjisinin adımlarından biri olmasına rağmen kendi başına da toz metal üretiminde de kullanılan bir yöntemdir. Tekrarlı sinterleme işlemi ile reaksiyona girmiş bir veya çok bileşenli toz malzeme elde etmek mümkündür. 3.3 Kimyasal Yöntemle Toz Üretimi Kimyasal yolla toz üretiminde sayısız yöntem kullanmak mümkündür, bunlar arasında Sol-gel, kimyasal çöktürme, reaksiyon ile, CVD kimyasal buhar biriktirme, redüksiyon (otoklav içindeki hidrojen vasıtasıyla metal tuzlarını redükleyerek metal eldesi), dekompozisyon (parçalama, örneğin metal karbonil bileşikleri gibi) ve elektroliz sayılabilir. CVD yönteminde hidrojen atmosferinde ısıtma ile aşağıdaki reaksiyon sonucu TiC tozları üretilmektedir. TiCl 4(g) + CH 4(g) TiC (k) + 4HCl (g) Sol-Gel metodu ise genellikle nükleer endüstri için seramik malzeme üretimi için eleme ve sınıflandırma işlemlerinden kurtulabilmek için geliştirilmiş bir yöntemdir, bu yöntemle elde edilen parça boyutları <20µm dur, ve akıcılığı çok iyidir.

4 Diğer ilginç kimyasal yöntem INCO firmasının geliştirdiği karbonil prosesidir, bu yöntemle nikel-grafit clad tozları gibi clad yapılmış tozlar üretmek mümkündür. 3.4 Elektrolitik Yöntemle Toz Üretimi Sıcaklık, bileşim, çözeltinin tazeliği, akım yoğunluğu gibi şartların uygunluğu sağlandığında metaller süngerimsi veya toz yapısında katodda biriktirilebilir. Daha sonra elde edilen metal yıkanır, kurutulur, redüklenir, tavlanır ve belki de öğütmek gerekebilir. Bakır bu yöntemle en çok üretilen metaldir, krom ve mangan tozları da elektroliz ile üretilen diğer tozlardır. Bu yöntemle elde edilmiş tozlar oldukça kırılgandır, bu nedenle öğütülmeleri gerekebilir. Demir de elektroliz ile üretilmiştir, diğer yöntemlerin daha ucuz olması nedeniyle pek tercih edilen üretim yöntemi değildir. Bu yolla üretilen tozların saflık derecesi oldukça yüksektir. Şekil-2 de elektroliz hücresi şematik olarak gösterilmektedir. 3.5 Atomizasyon Şekil-2 Elektrolitik Toz Üretimi Bu yöntemde sıvı metalin başka bir katı yüzeye çarpmadan önce küçük damlacıkların hızlı bir şekilde katılaşması ile elde edilir. Bu ise sıvı metalin, bir gaz veya sıvı akışkan jeti ile parçalanmasını sağlamak suretiyle gerçekleştirilir. Kullanılan gaz çeşitleri genellikle argon, azot veya hava, sıvı olarak ise su kullanılır. Püskürtme açısı ve konisi, akışkan hızı, debisi, akan metalin kalınlığı gibi bir çok parametrenin kontrolü ile çok farklı boyutlarda toz üretimi mümkündür. Katılaşma hızına bağlı olarak parçacığın şekli küresel halden, su veya düşük ısı kapasiteli gaz kullanılması halinde ise daha düzensiz parçacığa kadar farklılık gösterebilir. Pratikte bu yöntem ergitilebilen bütün metallere uygulanabilir, ticari olarak üretilebilen tozlar arasında, demir, takım çelikleri, alaşımlı çelikler, bakır, pirinç, bronz ve aluminyum, kurşun, kalay çinko ve kadmiyum gibi diğer düşük ergime dereceli metal tozları sayılabilir. Krom gibi kolay oksitlenebilen metaller içeren alaşımlar, argon gibi asal gaz altında gittikçe artan oranda üretilmektedir. Atomizasyon yönteminin avantajlarından biri de alaşım tozlarının ergitilmesinde rahatlıkla kullanılabilmesidir, bu yöntemle üretilen tozların bileşimleri her bir toz tanesinde aynı kalmaktadır Döner Disk Yöntemi Atomizasyon için değişik yöntemler kullanılabilmektedir, bunların içinde önemli bir yer tutan yöntem olarak merkezkaç kuvvetinin etkisiyle toz metal üretimini sağlayan döner disk yöntemini görmekteyiz. 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, buradan saçılan metalin toz haline gelmesi sağlanır. (Şekil-3) Bir potadan tandişe aktarılan sıvı metal, tandiş altındaki memeden dönen bir disk üzerine akıtılır. Disk üzerindeki set ve yarıklara

5 Şekil-3 Döner Disk Atomizasyon Yöntemi çarpan sıvı metal parçalanarak şekildeki gibi saçılır. Saçılan metal parçacıklar nozülden çıkışta bazen su ile soğutularak birbirine yapışmadan katılaşmaları sağlanır. Sıvı metali mekanik olarak parçalamakta uygulanan basit bir yol da katılaşma sırasında karıştırmaktır. Örneğin aluminyum katılaşırken karıştırılırsa toz haline gelir. Eğer bir alaşım söz konusu ise karıştırma katılaşma aralığında yapılır. Aluminyum, çinko, kalay gibi metallerin bu yolla çok şekilli tozları elde edilebilir Döner Elektrod (REP) Yöntemi Bu yöntemde tozu elde edilecek metalden yapılmış bir elektrod ile ergimeyen tungsten elektrod arasında ark oluşturulur (Şekil-4). Ergiyen elektrodun döndürülmesiyle, elektrik arkı altında bunun ucunda oluşan metal damlaları savrularak parçalanır ve tankta toplanır. Oksidasyonu önlemek için toz toplama tankı genellikle helyum, argon gibi bir asal gazla doldurulur. Bu yöntemle küresel ve oldukça eşit tane iriliğinde metal tozu üretmek mümkün olmaktadır. Şekil-4 Döner Elektrod Atomizasyon Yöntemi

6 3.5.3 Vakum Atomizasyon Yöntemi Bu yöntemde Şekil-5 te 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. Vakum altındaki sıvı metal önce belirli bir sıcaklığa kadar indüksiyon akımı ile ısıtılır, bundan sonra bu bölüme hidrojen gazı doldurulur. Potadaki sıvı metalde 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 Su Atomizasyon Yöntemi Şekil-5 Vakum Atomizasyon Yöntemi Sıvı metali pulverize etmek için bu yöntemde basınçlı su kullanılır. Şekil-6 da yöntemin temel prensibi şematik olarak gösterilmektedir. Ergitme ocağından tandişe, buradan da bir nozülden geçerek akan sıvı metal demetine belirli açıda basınçlı su püskürtülerek pülverize olması sağlanır. Kimyasal ve fiziksel özellikleri değiştirebilmek için suya bazı katkılar yapılabilir. Özel memelerden püskürtülen suyun basıncı 5,5-20 MPa, hızı m/s, debisi ise litre/dakika değerleri arasında değişir. Kullanılan su filtre edilip soğutulduktan sonra tekrar kullanılabilir. Atomize edilen sıvı metal paslanmaz çelikten yapılan bir tankta toplanır. Metal tozunu oksidasyondan korumak için tanka azot gazı doldurulabilir. Sıvı metalin aktığı memenin şekli ve suyu püskürten üfleçlerin tipi elde edilecek metal tozunun boyutlarını, boyut dağılımını ve şeklini etkilemektedir Gaz Atomizasyon Yöntemi Basınçlı gaz ile atomizasyon da prensip olarak su atomizasyon yöntemine benzer, ancak burada akışkan olarak su yerine gaz kullanılır. Gaz yerine, su buharı veya hava da kullanılabilmektedir. Basınçlı gaz ile atomizasyonu Şekil-7 deki gibi şematik olarak gösterebilir.

7 Şekil-6 Su Atomizasyon Yöntemi Sistemin birbirine püskürtme memesi 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. Sıvı metal potası ve atomizasyon memesi yüksek frekanslı indüksiyon bobinleri ile sıcak tutulmaktadır. Atomizasyon odasında oluşan fazla buharı ve yüksek basıncı atmak için emniyet ventilinden yararlanılmaktadır. Bu ventilin bulunduğu borunun diğer ucu siklon ve filtre üzerinden atmosfere veya bir emişe bağlıdır. Basınçlı gaz tüpünden boru ile memeye ulaşan gaz potadaki sıvı metali beraberinde sürükleyerek atomizasyon odasına pulverize ederek dağıtılır. Soğuyan metal tozu bu odanın tabanındaki bir hazne içinde toplanır. Pulverize edilen metal tozlarının birbirine yapışmaması şekillerinin bozulmaması için atomizasyon odasının boyutları dikkatli seçilmelidir. Süper alaşımlar için kapalı devre argon gazı kullanılır. Takım çelikleri ve paslanmaz çelikler için ise daha ucuz olması bakımından argon veya argon gazı karışımı kullanılır. Sıvı metal atomizasyon gazının bir kısmını absorplayabilir, bu gaz daha sonra vakum altında uzaklaştırılabilir. Su atomizasyon yönteminde olduğu gibi gaz atomizasyon yönteminde de üfleçlerin özellikleri elde edilecek tozun şeklini yakından etkilemektedir. Genellikle istenen tane boyutu olabildiğince ince toz üretmektir, bunun için ise supersonik üfleçler geliştirilmiştir. Bu sayede çok ince boyutlu toz elde edilir. Şekil-7 Gaz Atomizasyon Yöntemi

8 Tablo-1 Üretim Şekline göre Toz Özellikleri 4. Toz Metalurjisi ile elde edilen tozların özellikleri Tozun şekli daha önce bahsedildiği gibi tozun ısı transferi ve püskürtme karakteristiklerine bağlı olarak farklılık gösterir. Genellikle şekil sınıflandırmasında düzensiz şekilli, kitle halinde veya küresel halden bahsedilir. Düzensiz şekiller, daha çok kübik veya iğnemsi yapıdaki malzemeleri ifade eder, kitle halinde toz ise en büyük ve en küçük tane boyutunun birbirine yakın olduğu tozları, küresel olanlar ise büyük oranda küresel formda olan tozları ifade eder. Üretim şekline bağlı olarak elde edilebilecek tane şekli Tablo-1 de özetlenmiştir. 5. Toz Metal Parça Üretimi Toz Özellikleri Düzensiz Gözenekli Düzensiz Yoğun Kitlesel Yoğun Küresel Gözenekli Öğütme X X Fiziko-Kimyasal X X X X X Küresel Yoğun Kimyasal X X X X X Atomizasyon X Toz metalurjisi parça üretimi nihai ölçülerde ve hassas boyutlarda parça üretimine imkan verdiğinden çok önemli ve üretim miktarı ve karmaşıklığı göz önüne alındığında oldukça ekonomik sayılabilecek bir üretim tekniğidir. T/M parça üretimi de çeşitli aşamalardan oluşmaktadır. Bunlar, karıştırma, presleme, sinterleme ve sinterleme sonrası işlemler 5.1 Karıştırma Metal tozu, varsa istenen alaşım elementleri ilave edilir. Tozlarla birlikte uygun bir yağlayıcı da belirli oranlarda (max % ) olmak üzere ilave edilir, yağlayıcı olarak metal stearatlar ve mum kullanılır. Yağlayıcı kullanılmasının temel nedeni, sıkıştırma esnasında tozun kalıp cidarlarına yapışmasını engellemek ve tozların birbiri üzerinde daha rahat kaymasını ve şekil almasını ve preslenmiş parçanın kalıptan çıkışını kolaylaştırmaktır. Bunun faydası yoğunluğun her tarafta mümkün olduğunca aynı olmasını sağlamaktır. Karıştırma yönteminde önceden alaşımı yapılmış tozlar kullanmaksızın karıştırma sırasında alaşım yapma imkanı vardır. Demir tozlarının bu şekilde çok sıkışmaları ve alaşım elementlerinden dolayı sertleşmeleri önlenmiş olur. Ana alaşım elementi olan karbon toz grafit halinde karıştırılır. 5.2 Sıkıştırma Sıkıştırma çelik veya karbür kalıplar içinde MPa gibi basınçlarla yapılır. Karmaşık şekilli parçalar tek operasyonla dakikada 25 parça hızla üretilebilinir. Parçalar sinterleme öncesi sıkıştırma sonucu yeterli mukavemeti aldıklarında kalıptan çıkarılır. İyi bir sıkıştırma ile neredeyse teorik özgül ağırlığa yakın yoğunlukta parça üretimi mümkün olabilir. Örneğin 800 MPa basınçta, demir tozları 7.3 g/cm 3 gibi teorik özgül ağırlığın yaklaşık % 93 ü sağlanabilir. Sıcak sıkıştırma denilen alternatif sıkıştırma işlemi ile T/M parçanın özgül ağırlığı 0.2 g/cm 3 kadar artırılabilir. Sıcak sıkıştırma işleminde toz karışımı özel bir yağlayıcı ile yağlanır ve kalıplar yaklaşık C sıcaklığında işlem tamamlanır. Sıcak sıkıştırma işleminin avantajlı yanı, sinterleme öncesi parça daha yüksek mukavemete sahip olduğu için bazı talaş kaldırma işlemleri yapılarak takım ömrünü artırmasıdır.

9 5.3 Sinterleme Sinterleme sıkıştırılmış parçaların mukavemet kazandığı bir ısıl işlemdir. Demir esaslı alaşımlar için sinterleme sıcaklığı genellikle C arasındadır. Bazı durumlarda sinterleme sıcaklığı C a kadar çıkabilir. Sinterleme işleminin süresi uygulamanın çeşidine göre 10 ila 60 dakika arasında değişebilir. Sinter fırınlarında kullanılan bant genellikle elek tipindedir ve malzemeler bir kap içine yerleştirildikten sonra bant üzerine yerleştirilir. Diğer tip (arabalı, askılı vs.) fırınlar da kullanılmaktadır. Sinterleme sırasında oluşacak oksidasyonu engellemek için kullanılan atmosferler kırılmış amonyak veya azot gibi atmosferlerdir. Sinterlenmiş parçalarda örneğin demir esaslı alaşımlarda karbon içeriğinin kontrolü nihai özellikler açısından önemlidir. Sinterleme işlemi aşağıdaki kademelerden oluşur. - Mumun giderilmesi - Sinterleme - Soğutma Mumun giderilmesi bölgesinde yağlayıcının uçması sağlanır. Aynı anda toz tanecikleri üzerindeki oksitler fırın içinde redüklenirler ve birbirine temas eden taneciklerde ilk bağlanma başlar. Sinterlemenin ana mekanizmaları yüzey ve hacim difüzyonudur. Difüzyon ile katkı maddelerinin demir içine difüze olmaları sağlanır. Termodinamik kurallarına göre enerjiyi minimize edebilmek için porozitelerin yuvarlanması ve küçüklerin büyüklerin gelişimine yardımcı olabilmek için kaybolduğu gözlenir. Sinterleme fırınının soğutma bölgesinde, parçaların hava ile temas ederek oksitlenmelerini engellemek amacıyla oksitlenmeden koruyucu bir gaz altında soğumaları sağlanır. Soğuma hızı C civarındadır ve malzemenin mekanik özellikleri meydana gelen faz dönüşümleri nedeniyle soğutma hızı ile yakından ilişkilidir. Sinterleme sırasında boyutta orta derecede değişim görülür.birçok malzeme küçüldüğü halde, bakır gibi bazı alaşımlarda boyutta artış görülür. Baskı kalıbı tasarlanırken bu değişimlerin de göz önünde bulundurulması gerekir. 5.4 Sinterleme Sonrası İşlemler Gözeneklerin Doldurulması Parçanın yapıldığı malzemenin sinterleme sıcaklığından daha düşük ergime sıcaklığına sahip metal ile gözeneklerin doldurulması esasına dayanır, örneğin demir esaslı alaşımlarda genellikle sinterleme esnasında bakır kullanılarak gözeneklerin dolması sağlanır. Gözeneklerin doldurulması, geçirgenliği azaltır ve mekanik özelliklerin iyileşmesini sağlar, fakat göz önüne alınması gereken bir konu da bu sırada parça boyutlarında değişim görülmesidir. Bu işlemin diğer bir faydası da ısıl işlem sırasında istenen tabaka kalınlığının hesaplanmasında porozite olmadığı için kolaylık sağlamasıdır Yağ Emdirme Sinterlenmiş parçaların korozyona karşı direncini artırabilmek için yağ veya metal olmayan maddeler emdirilmesi yoluna gidilebilir. Kendinden yağlamalı yataklar sadece T/M metodu ile yapılabilir, bu yataklarda porozitelerin içine yağ emdirilmek suretiyle yağlamasız yatak yapımı gerçekleştirilir Son Ölçüye Getirme ve Baskı Son ölçüye getirme ve baskı sinterleme sonrası uygulanan ilave presleme işlemleridir. Son ölçüye getirebilmek ve yüzey kalitesini artırabilmek için orta kuvvette presleme işlemi yapılarak çok hafif plastik deformasyon sağlanır.

10 Baskı işleminin iki amacı vardır; hem boyut hassasiyetini artırmak, hem de parça yoğunluğunu artırmaktır. Bu iş için alışılagelmiş presler kullanılır Buharla İşlem Sadece demir esaslı alaşımlara uygulanır, bunun için parçalar C sıcaklığa kadar ısıtılır ve sonra parça üzerine su buharı gönderilir, böylece parça üzerinde ve boşluklarında Fe 3 O 4 oluşması sağlanır. Bu işlemle parçanın korozyon direnci, sertliği, aşınma direnci ve basma yüklerine karşı direnci artırılmış olur Tekrar Presleme Mekanik ve manyetik özellikler gibi özellikler açısından bir önem arz ediyorsa parçaya tekrar presleme işlemi uygulanır ve böylece istenen özelliklerin elde edilmesi sağlanır. Preslenmiş parçaların C de ön sinterlenmesinde ilave edilen yağlayıcılar yanarak uzaklaşır ve parçada yeniden kristalleşme gerçekleşir. İşlem sırasında oluşan sertleşme ve iç gerilimler sonrası parçaya tekrar eski sünekliğini ve yoğunluğunu daha fazla artırabilmek gerekir, bu nedenle presleme yapılır ve parça bundan sonra sinterlenir Talaş Kaldırma İşlemleri T/M ile üretilmiş parçalar her ne kadar karmaşık şekilli ve hassas toleranslarda yapılabilseler de yine de bazı kısıtlamalar olabilir. Bu nedenle delme, talaş kaldırma, delme, diş açma gibi bazı talaşlı imalat metodlarının şekillendirme kalıpları üzerinde bulunması mümkün değildir. Sinterlenmiş parçalar için uygulanan işlem hızları aynı bileşimde dövme olarak imal edilmiş parçalara göre daha düşüktür, bu nedenle işlem hızları seçilirken buna dikkat edilmesi gerekir. Kesici takım ömrünün artırılması için tozların içine talaşlı imalatı kolaylaştırıcı MnS ilave edilir. Sinterleme sonrasında da yapıda bu katkılar kaldığı için talaşlı imalatı olumlu yönde etkiler Çapak Alma Çapak alma işlemi presleme sonrası parça üzerinde oluşan çapakların giderilmesi işlemidir. En genel uygulama tambur içinde aşındırıcı toz kullanarak yapılan çapak alma işlemidir Birleştirme ve Montaj Büyük ve karmaşık şekilli parçalar birleştirmek suretiyle gerçekleştirilebilir. Birleştirme için kullanılan yöntemler; difüzyonla birleştirme, sinter braze veya laser ile kaynaktır Isıl İşlem T/M ile üretilmiş parçada faz dönüşümleri parça içindeki porozite ile değil fakat parçayı oluşturan tozların bileşimi ve homojen olması ile ilgilidir. Bu nedenle her türlü T/M ile üretilmiş parçaya ısıl işlem uygulanabilir. Su verme ile sertleştirme ve temperleme işlemleri sonucu T/M parça mukavemetinde, aşınma direncinde artış olurken sünekliğinde ise azalma görülür. T/M ile üretilmiş parçalara genellikle karbürleme, karbonitrürasyon gibi yüzey sertleştirme işlemleri uygulanır Yüzey Kaplama İşlemi Eğer malzemenin korozyona karşı daha dirençli olması isteniyorsa elektroliz ile yüzey kaplaması yapılabilir. Burada dikkat edilmesi gereken nokta elektrolitin T/M parçanın

11 boşluklarına girerek olumsuz etkilere neden olmasını engellemek için porozitenin daha önce bahsedildiği gibi gözeneklerin doldurulması gerekir. 6. Toz Metalurjisinin Uygulama Alanları Toz metalurjisi ile üretilmiş parçalar veya toz metal genel uygulamaları aşağıdaki gibi özetlenebilir. T/M Parçalar Fe, Cu, Bronz, Takım Çelikleri, Paslanmaz Çelik MIM Elektrik Kontakt Malz. Aşınmaya Dirençli Kaplama Brazing Kaynak Diş Hekimliği Ergitme Atık Çevrim (recycling) Elektronik Lehim Pastaları Kesici Takımlar Boya ve renklendiriciler Manyetik Malzemeler Fe, Au, Paslanmaz çelik Ag ve AgCd Alaşımları Fe, Ni ve Co Alaşımları Cu, Ag, Au ve Pd Alaşımları Fe, FeSi45, FeMn AgCuSn Amalgamları Fe, Ni, Co, Cu Matları ve saflaştırma için Zn Ag, Au, Pt, Co SnPb, Bi ve Sb Alaşımları Cu, Co, Ni, Fe Cu, Al, Zn Yumuşak ve sert manyetik malzemeler 7. Toz Metalurjisinin Savunma Sanayiinde Uygulama Alanları Toz metalurjisi ileri üretim yöntemlerinden biridir. Karmaşık şekilli parçaların üretim kolaylığı, imalat maliyetleri açısından sivil amaçlı olduğu kadar askeri alanda uygulamaları kuşkusuz ki oldukça fazladır. Malzemeleri uygulama açısından iki ana grupta değerlendirmek mümkündür; alışılagelmiş T/M ile üretilmiş parçalar, diğeri ise piroteknik uygulamalar. Alışılagelmiş T/M uygulamaları T/M ile üretilmiş parçaları kapsar, bunlar; çeşitli silah ve mermi parçaları, uçak, deniz ve yer teçhizatında ve taşıtlarında kullanılan parçalardır. Piroteknik uygulamalarda ise metal ve metal olmayan malzemelerin tozları çeşitli organik maddelerle karıştırılarak hangi alanda kullanılmak isteniyorsa ona göre karışım hazırlanır. Bu grup içinde roket yakıtları, patlayıcılar, tutuşturucular, geciktiriciler, ateşleyiciler, aydınlatma bombaları, dumanlar vs. girer. 7.1 Alışılagelmiş T/M Uygulamaları Alışılagelmiş T/M uygulamaları denince ilk olarak yapısal parçalar aklımıza gelir, bunlar herhangi bir mekanizmada kullanılan T/M yöntemiyle imal edilmiş parçalardan başka her türlü kara, hava ve deniz araçlarında kullanılan muhtelif parçalardır. Bunlar arasında uçak motor türbin diskleri gibi çok önemli parçalar sayılabilir. Bu parçalardan başka silah sistemlerinde yapı elemanları ve tamamlayıcı elemanlar şeklinde kullanımları da söz konusudur. Bu türden alışılagelmiş T/M uygulamaları arasında hemen akla gelenler arasında ağır top mermilerinde kullanılan ve uçuş kararlılığını sağlayan mermilerde döner bant, parça tesiri yapmak amacıyla tüm havan mermisi gövdeleri, ağır zırhları delmekte kullanılan yüksek kinetik enerjili delicilerin içinde kinetik enerjisinden faydalanılan tungsten deliciler, parça tesirli cephaneler gibi silah sistemleri ve parçaları sayılabilir.

12 7.2 Piroteknik T/M Uygulamaları Havadaki oksijene bağlı kalmaksızın çeşitli kimyasal karışımlar kullanarak, ve bu karışımları her hangi bir ateşleyici vasıtasıyla reaksiyona sokarak, gözle görülebilir, mekanik ve ısıl etkiler oluşturmak suretiyle yapılan uygulamalardır. Bu amaçla kullanılan karışımların hemen hepsi toz karakterlidir. Sıvı ve kompozit olarak kullanılan başka karışımlar da vardır. Bu karışımlar reaksiyona sokulduğunda gözlenen etkiler, ışık, ısı, ses, duman, gaz vs.dir. Pirotekniklerin sınıflandırması, kullanım amaçları, etkileri ve kullanılış şekline göre çoktur, onun için burada sınıflandırmadan daha çok bu tür piroteknik uygulamalarda T/M nin ne şekilde yapıldığı bizi daha çok ilgilendirmektedir. Bu uygulamalarda kullanılan toz metallerin hangileri olduğu, ne oranlarda kullanıldığı önemlidir, çünkü bu metal tozları tamamen yurt dışından temin edilmektedir. Piroteknik amaçla kullanılan metal tozları olarak aluminyum, magnezyum, berilyum, tungsten, zirkonyum, titanyum, manganez, krom sayılabilir.aşağıda toz metallerin piroteknik uygulamalarında hangi amaçla ne kadar kullanıldığı tablolarla gösterilmektedir. Örnek 1. Tutuşturucular, genellikle tahribata yol açan yangınları başlatmak amacıyla kullanılan bileşimlerdir. Tablo-2 de tipik küçük silah tutuşturucu bileşimleri verilmektedir. Tablo incelendiğinde metal tozlarının karışımın % 50 sine kadar kullanıldığını görmekteyiz. Genelde kullanılan alaşım Al-Mg alaşımıdır veya tek başına al tozu kullanılmaktadır. Tablo.2 Tipik Küçük Silah Tutuşturucu Bileşimleri Tutuşturucu Adı Bileşim IM-11 % 50 Al-Mg Alaşımı (50/50) % 50 Baryum nitrat IM-21A % 48 Al-Mg Alaşımı (50/50) % 48 Baryum Nitrat % 3 Kalsiyum resinat % 1 Asfalt IM-28 % 50 Al-Mg Alaşımı (50/50) % 40 Baryum Nitrat % 10 Potasyum Perklorat IM-68 % 50 Al-Mg Alaşımı (50/50) % 25 Amonyum Nitrat % 24 Baryum Nitrat % 1 Çinko Stearat IM-69 % 50 Al-Mg Alaşımı (50/50) % 40 Baryum Nitrat % 10 Demir Oksit (Fe 2 O 3 ) IM-112 % 45 Al-Mg Alaşımı (50/50) % 5 Tungsten tozu % 50 Baryum Nitrat IM-136 % 49 Al-Mg Alaşımı (50/50) % 49 Potasyum Perklorat % 2 Kalsiyum Resinat IM-139 % 10 Al-Mg Alaşımı (50/50) % 40 Kızıl Fosfor % 47 Baryum Nitrat % 3 Aluminyum Stearat IM-142 % 46 Al-Mg Alaşımı (50/50) % 48 Baryum Nitrat % 5 Asfalt % 1 Grafit IM-214 % 25 Al-Mg Alaşımı (50/50) % 50 Zirkon (60/80) % 25 Potasyum Perklorat IM-241 % 25 Al-Mg Alaşımı (50/50) % 50 Zirkon % 25 Potasyum Perklorat IM-385 % 49 Al-Mg Alaşımı (50/50) % 49 Amonyum Perklorat % 2 Kalsiyum Resinat

13 Tablo.3 Tipik Aydınlatma Sinyal ve İz Bırakma Bileşimleri YAKIT (%) OKSİTLEYİCİ (%) BAĞLAYICI (%) Renk Mg Al Diğer Ba(NO 3 ) 2 NaNO 3 StNO 3 NaOkz. Diğer Yağ Mum Diğer Beyaz Sarı Yeşil Kırmızı Karanlık Tablo.4 Patlayıcılardaki metal tozu miktarları Patlayıcı Bileşim (%) DBX % 21 RDX, %21 Amonyum nitrat, %40 TNT,%18 Al tozu Minol %40 TNT, %40 Amonyum nitrat, %20 Al tozu Mox-1 %35 Amonyum perklorat, %26 Al tozu, %26 Mg tozu, %10 tetril, %3 diğer Torpex %41 RDX, %41 TNT, %10 Al tozu, %7 Mg tozu, %1 mum Japon-1 %81 Amonyum pikrat, %16 Al tozu, %2 odun hamuru, %1 petrol Tritonal %80 TNT, %20 Al tozu Tablo.5 Aluminyum tozu ilavesinin patlayıcılara etkisi Yoğunluk Gaz Hacmi Patlama Isısı Patlayıcı (g/cm 3 ) (l/kg) (kj/kg) TNT %82 TNT ve %18 Al tozu Plastik Patlayıcı %69 Plastik patlayıcı ve %31 Al tozu Örnek 2. Aydınlatıcılar; bu amaçla kullanılan metal tozları içinde magnezyum daha parlak ve kuvvetli ışık verdiği için daha yüksek oranlarda kullanılmaktadır. Bu uygulamalara ait bileşimler Tablo-3 de görülmektedir. Örnek 3. Patlayıcılar: Patlayıcılar çok kısa sürede kimyasal reaksiyona girerek oldukça yüksek miktarda enerji açığa çıkaran bileşimlerden oluşur. Patlayıcıların enerji miktarını artırabilmek için metal tozları kullanılır. Tablo-4 de çeşitli patlayıcıların bileşimleri verilmektedir. Tablo-5 te ise aluminyum tozunun patlayıcılara etkisi görülmektedir. Örnek 4. Katı Roket Yakıtları; katı roket yakıtları sıvı roket yakıtlarına nazaran daha küçük hacim içinde daha yüksek yoğunluk ve itici güce sahip olmalarından dolayı kullanılmaktadırlar. Bu yakıtlarda kullanılan tozlar içinde yine aluminyum, berilyum, lityum ve magnezyum en çok kullanılan metal tozları olarak ön plana çıkmaktadır. 8. Toz Metalurjisinin Durumu Toz metalurjisinin ileriki yıllarda daha da artan oranda kullanımının artacağı kuşkusuzdur. Çünkü toz metal dövme, sıcak izostatik presleme, yüksek sıcaklıkta sinterleme

14 gibi T/M yöntemleri uygulama sahalarının giderek artmasını sağlamaktadır. Bu da giderek yeni T/M ile üretilmiş parçaların artması ve yeni pazarlar meydana gelmesi demektir. ABD.deki verilere göre 1997 yılında T/M ile üretilmiş parçaların değeri 1.7 milyar dolar mertebesinde idi. Yapılan tahminlere göre bu rakamın daha da artacağı ve T/M ile üretilmiş parçaların ağırlığının 500,000 tonu aşacağı öngörülmektedir. Bu nedenle üreticiler yeni üretim tesisleri yatırımına ağırlık vermektedirler. Yabancı ülkelerde bu konudaki yatırımlar bu kadar büyük boyutlarda olmasına rağmen ülkemizde halen endüstriyel olarak toz metal üretimi ciddi olarak ele alınmamıştır. Gerek üniversitelerimizde gerekse sanayide kullanılan tozlar halen yurtdışından getirilmekte ve memleketimizde işlenerek nihai ürün haline getirilmektedir. Savunma sanayi sektöründe, örneğin jet uçak motorları tamirinde hiç de azımsanmayacak miktarda toz metal termal spray tekniği ile kullanılmaktadır. Bakır ve bakır esaslı alaşım tozları, aluminyum ve paslanmaz çelik pazarları 2000 yılından itibaren giderek genişlemektedir. Aluminyum tozlarından, boyalar, kaplamalar, alaşım elementi olarak kimyasallar, katı füze ve roket yakıtları, patlayıcılar ve piroteknik uygulamalarda, T/M parçalar ve kompozit malzeme üretiminde giderek artan oranda faydalanılmaktadır. T/M den yapılmış aluminyum parçalar otomobil üreticilerinin ilgisini giderek artan oranda çekmektedir. Uygulama olarak kam mili yatakları, ayna parçaları, amortisör parçaları, pompalar ve bağlantı kolları sayılabilir. Paslanmaz çeliklerde ise daha çok 400 serisi ekzost flanşlarında, ABS sistemlerinin sensor parçalarında giderek kullanımı artmaktadır. Paslanmaz çelikler ayrıca kilitlerde ve bazı parçalarda kullanılabilmektedir. Avrupa da da T/M parça üretimi giderek artmaktadır. Sonuçta global olarak bu sektörde genişleme görülmektedir. Bu konuda özellikle GM, Ford, Daimler-Chrysler, Toyota, Honda, BMW ve Volkswagen gibi otomotiv firmaları önemli adımlar atmaktadırlar. T/M aynı zamanda stratejik bir yöntemdir, çünkü bu üretim tekniği daha önce bahsettiğimiz gibi bir çok üretim tekniğinden avantajlı olabilecek yönlerinin yanı sıra üretimi zor olan parçaların üretiminde adeta tek üretim tekniği olarak görülmektedir. Bu üretim tekniği ile beraber kullanılan yöntemleri de bu konuda sürüklemekte ve onları da önemli uygulamalar olarak karşımıza çıkarmaktadır, örneğin sıcak izostatik presleme, püskürtme ile şekillendirme, termal spray, soğuk şekillendirme ve mikron altı boyutta parçaların işlenmesi. Sıcak izostatik presleme ile üretilen super alaşım T/M parçalar uçakların motor parçaları, motor parçalarının tamiri, petrokimya endüstrisi sayılabilir. Roket ve füzelerde aluminyum ve magnezyum metal tozlarının katı yakıt olarak kullanımı ise son yıllarda giderek artmaktadır. Keza yakıt malzemesi dışında diğer patlayıcı ve piroteknik uygulamalar toz metal uygulamalarının önemini artırmaktadır. 9. Yüksek Basınç Gaz Atomizasyonu Enstitümüzde yüksek basınç gaz atomizasyonu yöntemi kullanılarak çok hızlı soğumuş, çok ince tozlar üretmek amacı ile bir çalışma başlatılmıştır. İlk çalışmalar olumlu sonuç vermiştir. Saf aluminyum metalinden ilk toz üretme denemeleri yapılmıştır. Yapılan denemelerde 10 atm. basınç ve 700 o C metal sıcaklığı kullanılarak ilk toz üretimi yapılmıştır. Üretilen tozun taramalı elektron mikroskobundan elde edilen görüntüsü Şekil-8 de verilmektedir. Bundan sonraki hedefimiz ise katı roket yakıtlarında kullanılan 20µm dan küçük tane boyutlarında toz metal üretimini gerçekleştirmektir.

15 Şekil-8 Aluminyum Tozu SEM görüntüsü (Osmangazi Üniversitesi, Metalurji Enstitüsü Laboratuarlarında yapılan ilk çalışmalar sonucu üretilen tozun SEM görüntüsü) 10. Sonuç ve Öneriler Sonuç olarak, T/M sanayiinin neresindeyiz sorusunun cevabını aradığımızda ne yazık ki diğer ülkelerle kıyaslanmayacak ölçüde geride olduğumuz ortadadır. En büyük problemimiz ülkemizde çok basit sayılabilecek yöntemlerle dahi toz üretimi yapılmamasıdır, sanayi için gerekli olan toz metal hammaddesi yurt dışından alınmakta, dışarıya çok yüksek döviz ödenmektedir. Örneğin jet motorlarının tamiri için kullanılan toz metal miktarı yaklaşık olarak yılda ton civarındadır, toz metalin kilogram birim fiyatının yaklaşık 200 US$ olduğu düşünülürse, sadece bu iş için verilen para yıllık en az 2 milyon dolar mertebesindedir. Gerek havacılık sanayii, gerekse piroteknik sanayiinde kullanılan toz metal miktarları göz önüne alındığında ödenen paraların çok büyük mertebelere vardığı ortadadır. Bu nedenle, bir an önce toz metal üretimi hedeflenmelidir. T/M günümüzdeki gelişmiş malzeme üretim tekniklerinden biri ve üretim hızı ve teknikten kaynaklanan nedenlerden dolayı, gerek toz üretimi, gerekse parça üretimi bütçeleri oldukça büyüktür. Bunun için T/M üretim tekniğine ağırlık verilmeli, özellikle de yerli üretim desteklenmeli ve teşvik edilmelidir. Dünyadaki toz üreticilerine bakıldığında, bunların sayısının da çok fazla olmaması T/M sanayiinin geliştirilmesiyle yurt dışına mamul madde ihraç imkanı da sağlanabilir. Yurt dışından ithal edilecek kalemler sadece hammadde ile sınırlı kalmaya çalışılmalıdır.