TEKNİK SEÇİMLİ DERS I TOZ METALURJİSİ

Transkript

1 TEKNİK SEÇİMLİ DERS I. TOZ METALURJİSİ Prof.Dr.Muzaffer ZEREN TOZ HAZIRLAMA

2 TOZ HAZIRLAMA Çoğu durumda tozlar üretildiği gibi kullanılamaz. Bunun için aşağıda anılan işlemlerden bazılarının endüstriyel üretim prosesine ilavesi gerekir: * Boyut sınıflandırması (klasifikasyon) * Saflaştırma veya yumuşatma amaçlı ısıl işlem * Pres katkılarının karıştırılması * Tozların değişik tane boyutu sınıflarının karıştırılması * Mekanik alaşımlama ve granulasyon

3 TOZ KLASİFİKASYONU Üretildiği konumda toz oluşumu geniş bir boyut aralığı içerisindedir. Optimal doldurma yoğunluğu ve preslenebilirlik elde edebilmek için belirli boyut aralıkları gerekmektedir. Üretim sonrası ham toz değişik tane boyutu fraksiyonlarına ayrılır ve buradan arzulanan boyut aralıkları alınarak karıştırılır. RESİM RESİM

4 TOZLARIN ISIL İŞLEMİ. Tozlar depolanma sürecinde, özellikle uzun zamanlarda ve sıcaklık ile nemin oluşturabileceği elverişsiz koşullarda yüzeysel olarak okside olabilir. Her durumda tozun reduksiyonu gerekecektir. Reduksiyon tipik sinterlenme fırınlarında gerçekleştirilir. Tablo

5 Tablo. Bazı önemli metal oksitlerin redüksiyon sıcaklıkları (hidrojen atmosferinde ve bar basınçta) Metal Sıcaklık, C Co Cu 250 Fe 700 Ni W Mo

6 TOZLARIN ISIL İŞLEMİ Al, Cr, Mn ve Ti gibi hemen okside olan elementler ticari olarak büyük boyutta ekonomik veya etkili olarak indirgenemez. Reduksiyon sıcaklıkları tozlararası topaklanmanın engellenmesi için mümkün en düşük seviyelerde seçilir. Aksi taktirde oluşan sinter kekinin (yüksek sıcaklık reduksiyonunda tozlar indirgeme sonrası boyun oluşumuyla düşük derecede sinterlenir; oluşan karışım bir kek e benzediği için böyle anılır) öğütülmesi gerekir. Sert tozlar veya işlem sürecinde soğuk sertleşen tozlar preslenmeden önce inert gaz atmosferinde yumuşak tavlanır. Böylece preslenmede tozlararası yeterli kontakt ve mekanik soğuk kaynaklanma oluşur.

7 PRES KATKILARININ İLAVESİ Pres katkıları (yağlayıcı, bağlayıcı, plastifiye eden katkı; additif veya lubrikant olarak da adlandırılır) çoğu durumda tozlara karıştırılır. Bu additifler tozlararası ve toz ile kalıp duvarı arası sürtünmeyi düşürmek amacıyla katılır. Daha da ötesi bu katkılar sayesinde pres takım aşınması azaltılır. Bu nedenle seri üretim parçalarında ilgili lubrikant katkısı daima yapılır. Tabloda endüstride kullanılan en önemli katkı maddeleri verilmiştir. Stearatlar, özellikle çinkostearat uygulamada dominant bir konumdadır. Presleme öncesi toz kollektivine yapılan katkı miktarı % arasındadır. Sinterleme öncesi bu katkıların uçup gitmesi gerekir. Bu nedenle tünel tipi sinterleme fırınının ilk bölümünde sinterleme sıcaklığına çıkarken bu katkılarında yapıdan atılması gerekmektedir.

8 Yağlayıcı adı. Formül Ergime sıcaklığı, C Buharlaşma sıcaklığı, C Çinko stearat Zn(C 18 H 35 O 2 ) Kalsiyum stearat Ca(C 18 H 35 O 2 ) Aluminyum stearat Al(C 18 H 35 O 2 ) Magnezyum stearat Mg(C 18 H 35 O 2 ) Kurşun stearat Pb(C 18 H 35 O 2 ) Lityum stearat LiC 18 H 35 O Stearik asit CH 3 (CH 2 ) 16 COOH Oleik asit C 8 H 17 CH=CH-(CH 2 ) 7 COOH Benzoik asit C 6 H 5 COOH Kaproik asit CH 3 (CH 2 ) 4 COONH Etilen distearlamid C 2 H 4 (NHCOC 17 H 35 ) >350 Parafin wax (mum) C 22 H 46 ile C 27 H 56 arası Molibden disülfür MoS Tungsten disülfür WS Molibdenik asit anhidrid MoO Grafit C (kristalin) 3500 Mangan sülfür MnS 1655

9 HOMOJEN VE HETEROJEN TOZLARIN KARIŞTIRILMASI Karıştırma, değişik toz fraksiyonlarının homojenleştirilerek belirli toz tane boyutu dağılımı gösteren üniform bir toz haline sokulması amacıyla gerçekleştirilir (Şekil). Şekil 3.1. Büyük ve küçük kürelerden oluşan karışımlarda paketlenme yoğunluğu eğrisi (Not: Eğride büyük partiküllerin daha sıkı paketlendiği ve küçük partiküllerin arayerleri doldurarak

10 . Şekil. Toz karıştırma modları (difüzyon, konveksiyon ve kayma).

11 . Şekil. Tozların karıştırılması ve harmanlanmasında kullanılan bazı ekipman geometrileri (Not: Bu ekipmanlarda karıştırmayı artırmak için kanatçıklar bulanabilir). a) Döner silindir, b) döner küp, c) çift koni ve d) ikiz kovan veya V-türü.

12 Değişik kimyasal kompozisyonlu toz bileşenleri sinterlenmesi hedeflenen alaşım için kullanılır (heterojen karışım). Toz metalurjik alaşımlama teknikleri arasında bu teknik en yoğun olarak kullanılanıdır. Toz karışımları saf elementel tozlardan olabileceği gibi kısmen alaşımlanmış tozlardan da olabilir. Alternatif olarak ana toz, difuzyon-alaşımlanmış olabileceği gibi alaşım bileşeni, yüksek alaşımlanmış master alloy (ön alaşım) tozu üzerinden karışıma sokulabilir.

13 Şekilde değişik alaşımlama teknikleriyle üretilen toz türleri sunulmuştur: bunlar toz karıştırma (heterojen karışım), difuzyon alaşımlama, toz kaplama ve tamamen ön-alaşımlama. Şekil 3.4. Farklı alaşımlama yöntemleri kullanarak alaşım elementlerinin dağıtılması. a) harmanlanmış tozlar, b) difüzyon alaşım tozları, c) kaplanmış tozlar ve d) önalaşımlanmış tozlar

14 TOZLARDA DİFUZYON-ALAŞIMLAMA Alaşımın bileşenlerinin karşılıklı çözünürlük göstermesi durumunda sinterlenmiş alaşımlar tamamen ön-alaşımlanmış tozlardan üretilebilir. Ancak bu durumda tozun yoğunlaştırılabilirliği sertleşme nedeniyle düşer. Bu durumlarda difuzyon alaşımlama tekniğiyle çalışmak daha avantajlıdır. Değişik kimyasal kompozisyonda olan toz bileşenleri yoğun bir şekilde mekanik olarak karıştırılır. Karışım, alaşım elementi tozu ile ana toz arasında karşılıklı difuzyon ile ince bir difuzyon tabakası oluşturabilmesi için yeterince yüksek bir sıcaklığa ısıtılır. Uygun proses koşulları altında (optimal difuzyon alaşımlama sıcaklığı ve zamanı) ana tozun partikül yapısı ile yüzey kalitesi korunabilir.

15 . Şekil 3.6. Farklı alaşımlama teknikleriyle üretilen % 1.75 Ni ve % 0.5 Mo içeren bir demir tozunun sıkıştırılabilirliği Şekil 3.7. Farklı alaşımlama teknikleri kullanılan çelik tozlarından üretilen sinterlenmiş parçaların mukavemeti.

16 TOZLARIN MEKANİK ALAŞIMLANMASI Yüksek intensiteli mekanik karıştırmada atomik seviyede homojenizasyona ulaşılabilir; bu işleme mekanik alaşımlama denir. Gevrek malzemelerin kırılması amacıyla yapılan öğütmeye karşılık mekanik alaşımlamada ana tozun sünek olması gerekir. İkinci bileşen ise gevrek veya sünek olabilir. Konvansiyonel karıştırmaya göre çok daha yüksek enerjili bir karıştırma olan mekanik alaşımlamada atritör tipi karıştırıcı ile toza boyut oranı daha büyük bilyalar kullanılır. Proses sürecinde sabit bilya-toz çarpışmaları gerçekleşir; yüksek karıştırma enerjisi doğrultusunda tozların yoğun deformasyonu ile çevrimsel kaynaklanma, kırılma ve tekrar kaynaklanma oluşur.

17 ŞEKİLLLLLLLLLLLLLLLLL Darbelerdeki yüksek enerji şiddeti ile toz taneleri birkaç yüz derece ısınır. Böylece difuzyonun gerçekleşmesine de olanak tanınır. Uzun süreli intensiv karıştırma sonrası mikroyapıda ikincil faz homojen bir şekilde ince dağılır. Mekanik alaşımlama ilk olarak ODS (oxyde dispersion strengthened; ince dağılımlı oksit tanecikleri ile sertleştirme) süper alaşımlarda başarı ile uygulanmıştır. Bu teknik hala yoğun olarak bu malzemede, kütle-% 1 Y2O3 (itriyumoksit) ile Ni, Cr ve Ni (Al, Ti) önalaşım tozlarını atritör ile karıştırarak uygulanır. Ayrıca aluminyumun yüksek sıcaklık özelliklerini artırmak için Al2O3 veya Al4C3 partikülleriyle mekanik alaşımlanması yaygındır..

18 TOZLARIN KAPLANMASI Tozların kaplanmasıyla toz bileşenlerinin ayrışması engellenirken homojen bir karışım elde edilir. Bu proseste her ana toz partikülü, arzulanan alaşım miktarının belirlediği kalınlıkla kaplanır. Yüzey kaplama, elektrolitik yöntemlerin yanısıra CVD (chemical vapour deposition; kimyasal buhar fazından kaplama) ve PVD (physical vapour deposition; fiziksel buhar fazından kaplama) yöntemleriyle gerçekleştirilir. Kaplama yöntemi bileşen miktarının düşük olduğu ve yalnızca bağlayıcı olarak kullanıldığı durumlarda öncelikle uygulanır. Örneğin Cu-W kontaktörlerinde iletken bakır iskeleti bu yöntemle oldukça kaliteli bir seviyede elde edilir..

19 TOZ GRANULASYONU Granulasyon (topaklama), ince tozların akışkan hale gelebilmesi için gerçekleştirilir. Bu gruba karbonil tozlarıyla elektroliz ve çökeltme yoluyla elde edilen tozlar girer. Tipik granulasyon mekanik ve termik yolla gerçekleştirilir. Ayrıca birkaç mikron boyutlu çok ince tozlarda püskürtmeli kurutma (spray drying) tekniği uygulanır..

20 TOZ GRANULASYONU Granülleştirme için ilgili toz, bir organik çözücü (mum, parafin, glikol vb.) yardımıyla granulasyon additifleri ile karıştırılır. Sinterleme öncesi bu katkılar toz aglomeratından (yığını) uzaklaştırılır. Mikronaltı, yani nano-boyutlu tozlar ise hiçbir katkı olmadan yüksek tozlararası çekim kuvvetleri nedeniyle- kuru durumda bile kendiliğinden granüllenir..

21 TOZ GRANULASYONU Mekanik granulasyonda toz mekanik olarak preslenir ve böylece oluşan kompakt öğütülür. Termal granulasyon da ise toz karışımı ön-sinterlenir. Bu işlemde oluşan kek (tozlararası hafif bağların oluşmasıyla toz yığını kek benzeri bir görünüm alır) öğütülür..

22 TOZ GRANULASYONU Değişik bir granulasyon metodu ise, örneğin sertmetal üretiminde kullanılan püskürtmeli kurutmadır. Çamur konumuna getirilen toz yüksek basınç altında bir meme (ki buna nozzle kelimesinden üretilen nozül de denir) yardımıyla püskürtme haznesine püskürtülür. Çamur proseste droplet lar oluşturur. Püskürtülen çamur dropletları hemen sıcak gaz hüzmesi (azot veya hava) ile kurutulur. Kule şeklindeki haznenin altında oluşan granüller toplanır.

23 TOZ GRANULASYONU Şekillerde bir püskürtmeli kurutma sistemi ve ilgili granüle tozlar gösterilmiştir..