Metalurji Mühendisliğine Giriş. Yrd. Doç. Dr. Rıdvan YAMANOĞLU

Transkript

1 Mühendisliğine Giriş Yrd. Doç. Dr. Rıdvan YAMANOĞLU

2 Ders İçeriği Giriş ve Ders İçerik Tanıtımı Metalurji Malzeme Nedir, Nasıl Sınıflandırılır Birim Sistemleri Temel Malzeme Grupları, Sınıflandırma Temel Malzeme Grupları ve Günümüz Kullanım Alanları Geçmişten Günümüze Demir-Çelik Demir Dışı Metaller Demir Dışı Metaller Cam ve Seramik Malzemeler Malzeme Üretim Yöntemleri Döküm ve Plastik Şekil Verme Teknolojileri Toz Metalurjisi ve Metalik Malzeme Uygulamaları Toz Metalurjisi ve Seramik Malzeme Uygulamaları Toz Metalurjisi ve Kompozit Malzeme Uygulamaları Yeni Nesil Malzemeler Yeni Nesil Üretim Yöntemleri

3 Malzeme Bilimi Taş devri, Tunç devri, Demir devri... İnsanlık tarihi boyunca devirler bile isimlerini malzemelerden almıştır. İnsan her türlü aleti yani malzemeleri kullanabilme yeteneğine sahip olduğu için diğer yaratıklara üstünlük sağlamış ve kendi malzemelerini geliştirdiği için bugünkü teknolojik seviyeye erişmiştir. Bir mühendise göre malzeme, Bir teknik fikri gerçekleştirmede kullandığı katı cisim dir. Fakat somut olarak malzeme, hem metal, hem plastik, hem ağaç, hem taş, hem ipek ve hem de yündür. Herhangi bir şeye ulaşabileceğimiz, üretebileceğimiz maddedir. Tüm bu örnekler çoğaltılabilir. Wikipedia: Kullanılabilir cisimler yapmak amacı ile doğal ya da yapay olarak üretilmiş maddelere malzeme denir.

4 Malzeme Bilimi Herhangi bir sınır olmadığından branşlaşmaların olması mümkündür. Tekstil mühendisi, makine mühendisi, seramik mühendisi, biyomedikal mühendislik... Tüm bu farklı branşların, dalların kendi alanlarında yeni teknolojik ürün geliştirebilmeleri için malzeme kavramının iyi anlaşılması gerekir. Malzeme biliminin önemi ise bu aşamada devreye girmektedir.

5 Malzeme Bilimi Malzeme mühendisliği, tüm metallerin ve metal olmayan malzemelerin, sentetik ve doğal malzemelerin, ham maddelerden üretilmesinden, kullanımları sırasındaki davranışlarından, hasara uğramalarından ve geri dönüşüm ürünü olarak tekrar kazanımlarından sorumlu olan bir daldır. Demirden çelik olur, çeliğe su verilir top olur, tüfek olur, süngü olur, dişli çark olur, pim olur, bıçak olur, neşter olur. Aluminyumdan piston olur, motor olur, uçak olur... Metaller nasıl dökülür, nasıl dövülür, nasıl bükülür, nasıl kesilir... Nasıl kaynak edilir, nasıl sertleştirilir... Taşı, kayayı ve en sert çeliği işleyen takımların kendileri nasıl yapılır... İŞTE MALZEME BİLİMİ BUNLARLA İLGİLENİR... Kaynak: Mehmet Yüksel, Malzeme Bilgisi, TMMOB Makina Mühendisleri Odası, MMO2003/271/2, 2003.

6 ve Malzeme

7 METALURJİ... Metal Bilimi, metal ve alaşımların, cevher veya metal içeren hammaddelerden, kullanım sürecine uygun kalitede üretilmesini, saflaştırılmasını, alaşımlandırılmasını, şekillendirilmesini, korunmasını, ve «üretim kullanım» ömrü içindeki çevresel kaygı ve sorumlulukları da dikkate alarak, insanların ihtiyaçlarına cevap verecek özellikte ve biçimde hazırlanmasını hedef alan bilim ve teknoloji dalıdır.

8 Üretim Metalurjisi (Ekstraktif Metalurji) ve Fiziksel Metalurji (Malzeme Bilimi) Metalurji, konusu itibarıyla, üretim metalurjisi (Ekstraktif metalürji ya da Kimyasal metalurji) ve fiziksel metalurji (Malzeme bilimi) olmak üzere iki ana dala ayrılmaktadır. Üretim metalurjisi, gerek doğada mevcut cevherlerden, gerekse metal içeren hammaddelerden veya ikincil kaynaklardan (hurda, artıklar, baca tozları, vs.) fiziksel ve kimyasal yöntemlerle saf metallerin veya alaşımların üretimi konularını kapsar. Öte yandan Malzeme Bilimi, metallerle birlikte seramikleri (porselen, fayans, tuğla, kiremit, cam, ateş tuğlası, refrakter malzemeler, özel sermetler, vb. malzemeleri), organik yapı malzemelerini (bilhassa polimerler gibi plastikleri, kauçuk maddesini), çimento, ahşap, fiber ve kompozit malzemeleri, elektrik-elektronik ve manyetik malzemelerini, dişçilik ve tıpta kullanılan malzemeleri, yakıt malzemelerini ve bunların özelliklerinin geliştirilmesini ve üretimini inceleyen bilim dalıdır.

9 Üretim Metalurjisi (Ekstraktif Metalurji) Cevher hazırlama Pirometalurji Hidrometalurji Elektrometalurji Üretim metalurjisi, cevher hazırlama aşamasından başlayarak, pirometalurjik, hidrometalurjik ve elektrometalurjik yöntemler uygulamak suretiyle metalin cins ve özelliğine uygun işlemler seçmekte ve diğer endüstrilerde kullanılmaya elverişli saf metaller veya alaşımlar üretmektedir. Ekstraktif metalurji, cevherden metalin özünü çıkararak, arındırır ve geri dönüşümünü sağlar. Yer kabuğunda bulunan birçok metal doğada oksit ve sülfür bileşikleri halinde bulunmaktadır. Bu mineral bileşikleri istenen metali elde etmek için azaltılmalıdır. Üretim metalurjisi, gerek doğada mevcut cevherlerden, gerekse metal içeren hammaddelerden veya ikincil kaynaklardan (hurda, artıklar, baca tozları, vs.) fiziksel ve kimyasal yöntemlerle saf metallerin veya alaşımların üretimi konularını kapsar. Halil Arık, Gazi Üniversitesi, Ekstraktif Metalurji Ders Notları, 2009

10 Üretim Metalurjisi (Ekstraktif Metalurji) Cevher hazırlama Pirometalurji Hidrometalurji Elektrometalurji Metallerin Reaktiflik Serisi Metallerin büyük çoğunluğu elektropozitiftir ve doğada elektron kaybederek diğer elementlerle bileşik oluşturma eğilimindedirler. Metallerin bileşik oluşturma hızı farklılık gösterir. Yandaki çizelgede en aktif metal potasyum, en az aktif ise platindir. Halil Arık, Gazi Üniversitesi, Ekstraktif Metalurji Ders Notları, 2009

11 Üretim Metalurjisi (Ekstraktif Metalurji) Cevher hazırlama Pirometalurji Hidrometalurji Elektrometalurji Metallerin Reaktiflik Serisi Altın, platin gibi birkaç metal dışında bütün metaller doğada bileşik halde bulunur. Halil Arık, Gazi Üniversitesi, Ekstraktif Metalurji Ders Notları, 2009

12 Üretim Metalurjisi (Ekstraktif Metalurji) Cevher hazırlama Pirometalurji Hidrometalurji Elektrometalurji Bir cevherdeki çeşitli mineralleri, kimyasal yapılarını bozmadan, endüstrinin ihtiyaçlarını en iyi karşılayabilecek hammadde haline getirmek ve ekonomik değeri olanlarla olmayanları birbirinden ayırmak için yapılan işlemlerin tümüdür. Halil Arık, Gazi Üniversitesi, Ekstraktif Metalurji Ders Notları, 2009

13 Mineral (doğal olarak oluşur, herhangi bir parçası bütününün özelliklerini taşır, belirli bir kimyasal formulü vardır, katı haldedirler. Hematit Fe2O3 Dünya kabuğunu teşkil eden ve doğal olarak belirli bir kimyasal yapıdaki homojen maddelere mineral denir. Doğal şekilde oluşan, homojen, belirli bir kimyasal bileşime sahip ve belirli kristal yapısı olan homojen maddelerdirler. Beyaz, kalsit Metalik gri: galenit Açık mor: florid Kuvars, Myanmar da Minerals, Issue #4, The Collector s Newspaper 2012

14 Endüstride ekonomik şekilde üretime yarayan minerallere cevher adı verilir. Cevher ve mineral terimlerini birbirinden iyice ayırmakta fayda vardır. Her cevher bir veya birden fazla mineral ihtiva eder. Fakat her mineralizasyon cevher vasfında olmak durumunda değildir. Bu arada mineralojik açıdan cevher deyimi ile metalurjik açıdan cevherden anlaşılan husus arasında da farklılık vardır. Mineralojik anlamda cevher tarifi teknolojik faydalanma imkanını kapsamaz. Metalurjik açıdan tarifinde ise teknolojik faydalanma temel kriterlerden biridir. Herhangi bir metalin minerallerini içeren ve ekonomik değeri olan kayaçtır. Bir kayacın cevher olabilmesi için ekonomik değeri olması kritiktir. Örneğin bir altın rezervi için, üzerinde yapılan fizibilite çalışmalarının ardından eğer o rezerv kar edilebilecek şekilde işletilebilecekse, yani ekonomik değeri varsa, rezervdeki altından "altın cevheri" olarak bahsedilebilir. Değerli olarak bilindiği halde ekonomik olarak işletilemediği, yani cevher sıfatını alamadığı için ayaklarımızın altında yatan yüz binlerce ton rezerv vardır. Örnek (Fe2O3,SiO2,Al2O3, )

15 Maden yatağı yer kabuğunu meydana getiren kayaçlar içinde normal bir dağılım gösteren çok sayıda mineralden bazılarının miktar, zaman ve yerel koşullarına göre teknik ve ekonomik açıdan kendilerinden faydalanılabilecek durumda yüksek yoğunlaşma gösterdikleri yerlerdir.

16 Üretim Metalurjisi (Ekstraktif Metalurji) Cevher hazırlama Pirometalurji Hidrometalurji Elektrometalurji Pirometalurji, yüksek sıcaklıklar gerektiren bir ekstraktif metalurji metodu diye tarif edilebilir. Pirometalurji işlemlerinde gerekli olan ısı suretiyle karşılanmaktadır. yakıt yakmak Yakıt yanması sonucu elde edilen ısı ile birlikte çıkan indirgeyici (indirgeyici) gazların mineralleri indirgemesi ile metaller elde edilmektedir. Cevherler, konsantreler, ara ürünler, yakıtlar, katkı maddeleri ve havanın oksijeni piro metalurji işlemlerinin hammaddesini teşkil etmektedir. Halil Arık, Gazi Üniversitesi, Ekstraktif Metalurji Ders Notları, 2009

17 Üretim Metalurjisi Cevher hazırlama Pirometalurji Hidrometalurji Elektrometalurji Sulu ortamlarda yapılan işlemlerle, cevher, konsantre, kalsine v.s. maddelerin çözülüp metallerin sonradan ayrılması diye tarif edilebilir. Hidrometalurji işlem kademeleri çoğu zaman cevher zenginleştirme işlem kademelerini (öğütme, sınıflandırma, filtrasyon) içine almaktadır. Hidrometalurji bir bakıma laboratuarlarda kullanılan sulu üretim metotlarının endüstriyel ölçüde tatbikidir. Uygun sulu solüsyonlar kullanılmak suretiyle mineral içindeki metal çözünmekte ve metal içermeyen gang minerali ise çözünmeksizin artık malzemede kalmaktadır. Metallerin bu şekilde uygun solüsyonlarla çözünmesine liç denmektedir. İnce taneli ham maddeler, mekanik karıştırıcılardan veya basınçlı havadan faydalanmak suretiyle solüsyon ile devamlı surette karıştırılarak liç yapılır. Liç işlemi tamamlandıktan sonra çözelti artıklardan ayrılmak (filtre etmek vs.) suretiyle zengin liç solüsyonu elde edilir. Halil Arık, Gazi Üniversitesi, Ekstraktif Metalurji Ders Notları, 2009

18 Üretim Metalurjisi (Ekstraktif Metalurji) Cevher hazırlama Pirometalurji Hidrometalurji Elektrometalurji Elektrometalurji : Cevher veya metal ihtiva eden her çeşit ham madde içindeki metalleri elektrik enerjisinden faydalanarak üretmeye elektrometalurji denir. Gerçekte Elektro metalurji elektro kimyanın bir kısmını teşkil etmektedir. Elektro metalurjide elektro kimya metotlarının metallere tatbiki söz konusudur. Elektro-kimyanın iki temel bölümü vardır. 1. Elektroliz (Elektrik enerjisi, elektroliz yapmak için kullanılmaktadır.) 2. Elektrotermik (Elektrik enerjisi, tamamen ısı temin etmek amacıyla kullanılmaktadır) Halil Arık, Gazi Üniversitesi, Ekstraktif Metalurji Ders Notları, 2009

19 Üretim Metalurjisi (Ekstraktif Metalurji) Cevher hazırlama Pirometalurji Hidrometalurji Elektrometalurji Elektroliz : Elektrik akımı yardımı ile, bir sıvı içinde çözünmüş kimyasal bileşiklerin ayrıştırılması işlemidir. Bu değişiklik maddenin elektron vermesinden (yükseltgenme) ya da almasından (indirgenme) kaynaklanır. Elektroliz işlemi, elektroliz kabı ya da tankı denen bir aygıt içinde uygulanır. Bu aygıt, çözünerek artı ve eksi yüklü iyonlara ayrılmış bir bileşiğin ( Elektrolit) içine birbirine değmeyecek biçimde daldırılmış iki elektrottan oluşur. Elektrotlar bir akım kaynağına bağlandığında meydana gelen gerilim (elektriki alan), iyonları karşıt yüklü elektroda (kutup) doğru hareket ettirir. Karşıt kutupta yükünü dengeleyen atom veya moleküller elektrotta çökelir veya elektrolit içindeki moleküllerle yeni reaksiyonlara girer. Halil Arık, Gazi Üniversitesi, Ekstraktif Metalurji Ders Notları, 2009

20 Elektroliz Elektroliz kapalı devre çalışan ve çevre kirliliğine duyarlı bir yöntemdir. Kurulum maliyeti ve uygulama maliyeti düşük ve aynı zamanda yüksek saflıkta metal üretimi gerçekleştirilebilen bir yöntemdir. Diğer yöntemlerle kıyaslandığında yüksek mukavemetle ve daha az oksijen içeren malzeme üretimi için daha avantajlıdır.

21 Elektroliz Bu tür bir sistemin çalışma prensibi Şekilde şematik olarak gösterilmiştir. Olay, elektrolitik bir hücre içerisinde uygulanan belirli bir gerilim altında anodun çözünmesi ile başlar. İlgili şekilde anot ve katot reaksiyonları bakır ve demir reaksiyonları olarak verilmiştir. Sülfat esaslı elektrolit üzerinden gerçekleşen madde taşınımı ile katot üzerinde saf halde bir çökelme gerçekleşir. Katot üzerinde oluşan bu poröz çökeltiler daha sonrasında hazneden alınarak sırası ile yıkama, kurutma, tavlama ve öğütme işlemlerinin uygulanması ile istenilen boyutta toz haline getirilir.

22 Elektroliz Elektrolitik teknikleri ile üretilen tozlar genel olarak dendritik veya süngerimsi bir yapıdadır. Tozun spesifik özellikleri, çöktürme süresince sağlanan banyo koşullarına ve sonra gelen proses kademelerine bağlıdır. Yüksek akım yoğunluğu, asidik hücre kimyasalları katotta gözenekli ve tozumsu birikinti oluşumunu kolaylaştırır Yapılacak hafif karıştırma katotta gevşek birikme sağlar

23 Elektroliz elektrolitik olarak üretilmiş nikel-kobalt tozlarının dentritik morfolojisi. (a) 300 X, (b) 1000 X.

24 Elektroliz (a) Kobalt, 520 X, (b) Nikel 400 X.

25 Elektroliz Örnek Uygulama: Bakır tozu üretimi, Tozlar kurutulduktan sonra öğütme işlemine tabi tutulmuşlardır. E. Uzun, M. Boz, 6th International Advanced Technologies Symposium, 83-87, 2011, Turkey

26 Fiziksel Metalurji (Malzeme Bilimi) Malzeme Bilimi, metallerle birlikte seramikleri (porselen, fayans, tuğla, kiremit, cam, ateş tuğlası, refrakter malzemeler, özel sermetler, vb. malzemeleri), organik yapı malzemelerini (bilhassa polimerler gibi plastikleri, kauçuk maddesini), çimento, ahşap, fiber ve kompozit malzemeleri, elektrik-elektronik ve manyetik malzemelerini, dişçilik ve tıpta kullanılan malzemeleri, yakıt malzemelerini ve bunların özelliklerinin geliştirilmesini ve üretimini inceleyen bilim dalıdır.

27 Birimler Ölçü Sistemleri 1. Metrik ölçü sistemi (Ülkemiz dahil birçok Avrupa ülkesinde kullanılan sistem) Uzunluk birimi metre. 1 metre, ışığın boşlukta 1/ saniyede aldığı yol olarak tanımlanmıştır. UBS (SI:Système international d'unités) 2. İngiliz ölçü sistemi (Parmak ve Pus da denir) (İngiltere, ABD, Kanada, Japonya ve diğer bazı ülkelerde kullanılan sistem) Uzunluk birimi yarda (yd) dır. 1 yarda = 3 fit (ft) 1 fit = 12 inç (inch) Not: İngiltere 1995 yılında metrik sisteme geçmesine rağmen hala kullanmaktadır. 1 metre = 39,37 inç = 3,28 ft 1 inç = 2,54 cm

28 T tera = G giga = M mega = k kilo = h hekto = D (da) deka = birim = 1 d desi = ,1 c senti = ,01 m mili = ,001 µ mikro = , n nano = 10-9 p piko = f femto = a atto = 10-18

29 Uzunluk:Metrik sistemde uzunluk birimi metredir. İngiliz ölçü biriminde parmak (inç) birimidir. Kütle :Metrik sistemde kütle birimi gramdır. İngiliz ölçü biriminde ons dur. Hacim :Metrik sistemde hacim birimi litredir. İngiliz ölçü biriminde galondur. Kuvvet :Metrik sistemde kuvvet birimi Newton'dur. İngiliz ölçü biriminde paund'tur. Sıcaklık :Metrik sitemde sıcaklık birimi santigrat ( C)dır. İngiliz ölçü biriminde Fahrenheit ( F )dır Saniye : sn değil s Kilogram : kg Gram: gr değil g Litre: lt değil l Mililitre: mlt, mlt değil ml Bun simgelerden sonra nokta konmaz

30 Birimler 1 Metrik ton (t) = 10 3 kg = 10 6 g 1 Long ton (t, İngiltere ve sömürgeleri) = 2240 Pound (lbs) = 1016,047 kg 1 pound = 453,59237 gram 1 Short ton (sh.t) USA = 2000 Pound (lbs) = 907,185 kg 1. Pound (lb) = 16 Ounce (oz) = 453,592 g 1 Ounce (oz) = 28,3495 g Değerli taş ve mücevherler için Troy adı verilen ikinci bir birimler sisteminde pound ve ounce değişiktir. 1 Pound (lb ing.tr) = 12 oz tr = 373,242 g 1 Ounce (oz tr) = 31,1035 g Mücevherler için, ölçü birimi karat ile ifade edilir. 1 Karat = 0,2 g = 200 mg Soy metallerde karat terimi kullanılır. 24 karat % 100 (veya 1000/1000) saf metal için verilmiştir. Buna göre: 24 Karat 1000/ Karat 917/ Karat 750/ Karat 583/ Karat 333/1000 konsantrasyonlarındaki metale karşıt gelmektedir. Milyem, Fransıca kökenli olup, gramın binde biri. Altın yada gümüş alaşımında bulunan saf, değerli maden miktarını ölçmekte kullanılır. % 99.5 saf altın 995 milyem.

31 Konsantrasyonlar Kütle yüzdesi cinsinden (%) belirtilir. Küçük olduklarında tonda gram (g/t) veya milyonda miktar (ppm) kullanılır. 1 g/t = 1 ppm = % 0,0001, 1 kg/t = % 0,1 Ticari hayatta ünite kullanılır. 1 ünite = % 1 = 10 kg/t pph-(parts per hundred)-yüzde bir ppt-(parts per thousand)-binde bir (mili) ppm-(parts per million)-milyonda bir (Mikro) ppb-(parts per billion)-milyarda bir (Nano) ppt-(parts per trillion)-trilyonda bir (Piko) ppq-(parts per quadrillion)-katrilyonda bir (Femto)

32 Temel Malzeme Grupları Birimler Uzunluk birimleri 1 mikron (μ) 1 nm (nm) = 1 μm = 0,001 nm = 1/ m = 1/ m = 1 x 10-9 m 1 Angström (Å) = 0.1 nm = 1/ m = m kısaltma Sembol 10 9 Giga G 10 6 Mega M 10 3 Kilo k 10-2 Centi c 10-3 Mili m 10-6 Micro μ 10-9 Nano n Pico p