Tozların Şekillendirilmesi ve Sinterleme Yrd. Doç. Dr. Rıdvan YAMANOĞLU

Transkript

1 Tozların Şekillendirilmesi ve Sinterleme Yrd. Doç. Dr. Rıdvan YAMANOĞLU

2 Tozların Şekillendirilmesi Toz metalurjisinin çoğu uygulamalarında nihai ürün açısından yüksek yoğunluk öncelikli bir kavramdır. Genellikle basınç esaslı yoğunlaştırma teknikleri büyük taneli (yumuşak) tozlara, sinterleme esaslı yoğunlaştırma teknikleri ise küçük taneli tozlara uygulanır. Toz yoğunlaştırması (densifikasyon) aşağıda tanımlanan üç yöntemden biri ile sağlanır. 1- Düşük yoğunlukta ön şekillendirilmiş parçanın sinterleme ile yoğunluştırılması 2- Yüksek yoğunlukta presleme ve sonrasında sinterleme 3- Tam bir yoğunluğun eldesi için eş zamanlı presleme ve sinterleme

3 Tozların Şekillendirilmesi Tozlar basınç uygulandığında, önce birbirleri üzerinde kayarlar daha sonra da yüksek basınçlarda şekil değiştirerek yoğunlaşma gerçekleşir. Dolayısıyla başlangıç aşamasında düşük basınçlarda yoğunluk artışı hızlıdır, gözenekler kapandıkça tozların yoğunlaşmaya karşı dirençleri artar. Sonuç olarak toz sertliği en önemli kavramdır fakat sıkıştırma sırasında soğuk şekil değişimi ile artan sertlik etkiside unutulmamalıdır. Şekilde gösterildiği gibi uygulanan basınçla birlikte yoğunlaştırmanın başlangıç hızı yüksektir. Deformasyonun devam etmesi ile birlikte uygulanan basınc-yoğunluk eğrisinin eğimi partiküller arası soğuk sertleşmeden dolayı azalır.

4 Tozların Şekillendirilmesi Tozlar kalıpta sıkıştırılır. Başlangıç yoğunluğu görünür yoğunluktur. Bu aşamada her bir parçacık 4-6 parçacıkla temas halindedir. Bu kavramsal olarak koordinasyon sayısı olarak ifade edilir. Partiküller arasında bir bağ oluşumu yoktur. Basınç uygulandıkça partiküller yerleşir, şekil değiştirir ve aralarında bağlar oluşmaya başlar. Şekil değiştirme partiküllerin sertliğini arttırdığında sıkıştırmaya devam etmek için daha yüksek basınç uygulamak gerekir. Toz cinsi ve kalıp malzemesine bağlı olarak en üst sıkıştırma basıncı 1000 MPa değerlerine çıkabilir.

5 Tozların Şekillendirilmesi Kalıpta sıkıştırma genelde tek eksende yapılır. Sistem kalıp gövdesi, zımba veya iticilerden oluşur. Yönteme göre kalıp malzemesi ve basınç eksenleri değişiklik gösterebilir.

6 Tozların Şekillendirilmesi Presleme sırasında gerçekleşen hareketler Toz doldurmak için üst zımba yukarı çekilir. Doldurulacak tozun yükseliği alt zımba ile belirlenir. Toz beslenir. Bu konumda tozun akış özellikleri çok önemlidir. Doldurulacak tozun kalıbın merkezinde kalması için alt zımbanın konumu ayarlanır. Sıkıştırma sırasında alt ve üst zımbalar kalıbın merkezine doğru hareket ettirilir. Üst zımba geri çekilir. Alt zımba ile parça itilir ve çıkarılır. Seri üretim için bu çevrim sürekli tekrarlanır.

7 Tozların Şekillendirilmesi Presleme sonrası yoğunluk ham yoğunluktur. Bu durumdaki mukavemete ise ham mukavemet denir. Basınç her iki zımba tarafından uygulanırsa, çift hareketli presleme, tek zımba tarafında yapılırsa tek hareketli presleme denir. Çift yönlü preslemede yoğunluk daha homojendir.

8 Tozların Şekillendirilmesi Preslemeden sonra ham parça kalıbın içinde kilitlenmiş durumdadır, Parçayı kalıptan çıkarmak için gerekli kuvvete çıkartma kuvveti denir. Bu aşamada çıkarma kuvvetini azaltmak ve kalıbı korumak için yağlayıcılar kullanılır. Zımbaya yakın yerlerde yoğunluk yüksektir. İçe doğru gittikçe yoğunluk gradyanı oluşur.

9 Tozların Şekillendirilmesi Kalıba doldurulduktan sonra partiküllerin temas sayısı 4-6 arasındadır. Sıkıştırma sırasında kuvvet daha fazla parçacıklara dağıldıkça koordinasyon sayısı artar. Tam yoğunlukta koordinasyon sayısı 14 e yaklaşır. Yapı dörtgen ve altıgenlerden oluşan bir çokgene dönüşür.

10 Tozların Şekillendirilmesi

11 Kalıp Malzemeleri ve özellikleri Az sayıda parça üretileğinde takım çelikleri Yüksek basınç ve yüksek miktarda üretim için sert metal kalıplar kullanılır. Çelik bir zımba 700 MPa sıkıştırma basıncı altında % 0,3, sert metal zımba ise % 0,1 boyut değişimi gösterir. Bunların yanında uygulama alanına göre grafit kalıpların kullanımı da yaygındır. Kalıpta kısa sürede hasar oluşuyorsa seçilen kalıp malzemesinin yetersiz olduğu anlaşılır. Uzun ömürlü hasarlar ise genellikle kalıbın talaşlı imalatı hatalarından kaynaklanan yorulma kırılmalarıdır. Bu nedenle keskin köşelerden kaçınılır ve çizikleri gidermek için kalıplar çok iyi parlatılır. Kalıplara uygulanan kaplama sayesinde aşınma dirençleri arttırılabilir. Özellikle TiN ve TiC... Kalıp elemanlarının hareketi sırasında aradaki boşluklardan toz girmemesi için parçalar sıkı geçmeli.

12 Sinterleme Birbirine temas eden partiküllerin yeterli sıcaklıklarda birbirine difuzyon ile bağlanmasıdır. Kullanılan yönteme göre ergime sıcaklığının altındaki değişen sıcaklıklarda genellikle katı halde atom hareketleriyle oluşabilirken pek çok durumda sıvı faz oluşumuda gerçekleşir. Sinterleme yüksek sıcaklıklarda atomların yayınımı ve küçük partiküllerin yüzey enerjisinin azalmasın bir sonucudur. Toz üretimi ile ortaya çıkan yüzey enerjisi sinterleme ile geri alınır.

13 Sinterleme Partikül boyutundaki azalma ile aray yüzey enerjisi nedeniyle küçük boyutlu partiküller daha hızlı sinterlenir. Fakat bu enerjinin hepsi sinterlemeye harcanmaz. Yüzey enerjisi azalırken ortaya çıkan tane sınırları nedeniyle tane sınırı enerjisi artış gösterir. Sinterleme yüksek sıcaklıklarda atomların yayınımı ve küçük partiküllerin yüzey enerjisinin azalmasın bir sonucudur. Toz üretimi ile ortaya çıkan yüzey enerjisi sinterleme ile geri alınır.

14 Sinterleme Sinterleme sırasında atomların hareketi ile parçacıkların birleşmesi ile gözenekler kaybolur. Gözenekler kaybolurken birleşen tanelerde büyümüş olur. Yüksek sıcaklıkta atomların çoğu komşuları ile bağlarını koparacak ve yeni yerlere gidecek düzeyde veya daha yüksek seviyede enerjiye sahiptir. Ergime sıcaklığında atomların sıçrama hızı saniyede 1 milyon düzeyindedir. Dolayısıyla seçilen sinterleme sıcaklığı ergime sıcaklığına yaklaştıkça hareket eden atom sayısı artar v sinterleme hızlanır. Yüksek sıcaklıklarda sıçrayan atomlar rastgele hareket ederler. Bu atomların partikül birleşme yerlerine gitmesiyle yüzey enerjisi azaltılır. Isıtma ile atom sıçrama sayısı arttırılır.

15 Sinterleme Sinterlemenin göstergesi boyun boyut oranıdır. Sinterlemede itici güç yüzey enerjisinin azaltılmasıdır. Rastgele atom hareketleri sırasında atomlar mikroyapıdaki boşlukları doldurur. P eğrilik yarıçapı. Küçük partiküller yüzeylerinde yüksek gerilmelere sahiptir. Birleşerek düşük gerilmeli büyük partiküller oluştururlar.

16 Sinterleme Sinterlemenin göstergesi boyun boyut oranıdır. Düz bir yüzeyde gerilme yoktur. Sinterleme sırasında iç bükey yüzeyler basma, dış bükey yüzeyler çekme gerilmesi altındadır. Doğal durum, asfalt örneğinde olduğu gibi yüzeyi düz haline getirme doğrultusundadır. Dış bükey yüzeyler iç bükey yüzeyleri doldurarak bir nevi hareket ederler.

17 Sinterleme Partiküller yüzeyleri ve tane sınırları düzensiz atom kümelerinden oluştuklarından yüksek enerjili yörelerdir. Sinterleme başlayınca temas noktasıda bu tarz bir yapıya sahip olur. Partiküller üzerinde herhangi bir yük basınç olmasa bile temas nokları basma gerilmeleri altındadır. Dolayısıyla basıncın olmadığı çok çok uzun sürelerde bile sinterleme tamamlanabilir. Basınç süreyi kısaltmak için önemli bir parametredir.

18 Sinterleme Laplace teoreminden 10 mikrometrelik partiküller arasında 0,4 MPa çekme ve 9 MPa basma gerilmesi vardır. Küçük bir boyunda gerilme gradyanı oldukça fazla olabilir. Bu sayede dış bükey bölgeden iç bükey bölgeye kütle transportu için yeterli itici güç bulunmuş olur. Bu sebeple küçük partiküller daha düşük sıcaklıklarda sinterlenir. Gerilme gradyanındaki etkinin yanında, küçük partiküllerde boyun bölgesinin doldurulması için daha az sayıda atom gerekmeside önemlidir. Atomların katetmeleri gereken mesafe daha kısadır. TÜM BU ETKENLER NEDENİYLE KÜÇÜK BOYUTLU PARTİKÜLLER DAHA HIZLI SİNTERLENİR.

19 Sinterleme Sinterleme sırasında partiküller arasındaki temasın ardından her noktada bu temas noktası tane sınırına dönüşür. Uzun süre sinterleme ile iki parçacık tamamen birleşerek çapı başlangıç çapının 1,26 katı olan tek küresel parçacıklar oluşur. Bağ sayısı sadece iki adet değildir. Koordinasyon sayısı nekadarsa o kadar bağ oluşur.

20 Sinterleme Sıkıştırma öncesi temas noktaları çok küçüktür. Bu nedenle ilk gözenek şekilleri köşeli ve düzensizdir. Boyun büyüdükçe kavis azalır, itici güc azalır, proses yavaşlar. Ara aşamada gözenekler yuvarlaklaşır fakat hala yeterli itici güç bulunmaktadır. Gözenekler yuvarlaklaşsada hala birbirleriyle bağlantılıdırlar. İlerleyen sinterleme ile taneler büyür, gözenekler küçülür. Son aşamada gözenekler kapalı ve küresel hale gelir.

21 Sinterlemede boyut değişimi

22 Sinterleme Sıvı Faz Sinterleme Sinterleme sırasında düşük ergime dereceli malzemenin ıslatma özelliğinden yararlanılır. Islatma katının sıvı içinde kısmen veya tamamen çözündüğü durumlarda gerçekleşir. Bu şartlarda yayınım hızı katı hal yayınımından çok daha fazladır. TiC-Ni, WC-Co ve Cu-Sn en önemli örneklerdir.

23 Sinterleme Sıvı Faz Sinterleme Başlangıçta, ısıtma ile partiküller katı hal sinterlemesi ile birbirlerine bağlanır. İlk sıvı oluştuğunda tanelerin yeniden düzenlenmesi ile hızlı bir yoğunluk artışı olur. Oluşan sıvı katı fazı ıslatır ve yeniden düzenlenmeyi sağlar. Sıvı katı atomları taşır (tekrar çökelme). Bu aşamada küçük boyutlu katı fazlar sıvı içinde çözünür ve büyük boyutlu tanelerin üzerine çökelir.

24 Sinterleme Sıvı Faz Sinterleme Katı tane çözünürlüğü tane boyutu ile ters orantılıdır. Zamanla tane sayısı azalır tane boyutu artar.

25 SON