TOZ METALURJİSİ (TM) ve HIZLI PROTATİPLEME

BÖLÜM-10 TOZ METALURJİSİ (TM) ve HIZLI PROTATİPLEME Prof. Dr. Yusuf ÖZÇATALBAŞ GİRİŞ Toz metalurjisi : Metal veya seramik tozlarının üretimi ve bu tozların mekanik ve ısıl etkilerle birleştirilerek blok parça haline getirilme işlemidir. Toz metalurjisi yöntemiyle parça üretimi günümüzde çok yaygın olarak kullanılmakta olup, giderek bilinen klasik üretim yöntemlerine alternatif olmaktadır. Mevcut Üretim Yöntemlerinden Bazıları Döküm yöntemi Talaşlı imalat Soğuk ve sıcak şekillendirme Kaynaklı birleştirmeler 1

Toz Metal Parça Üretiminde İşlem Basamakları - Tozların Üretimi - Tozların Karakterizasyonu - Tozların Karıştırılması - Tozların Sıkıştırılması - Blok Parçaların Sinterlenmesi - Son İşlemler Toz Metalürjisi yöntemi ile parça üretim aşamaları Toz Metalürjisi Ürünlerinin Avantajları T/M küçük, karmaşık ve boyutsal hassasiyeti yüksek parçaların seri imalatına son derece uygundur. Belirli derecede gözenek ve geçirgenlik elde edilir. Talaşlı işlem gereksiniminin azaltılması veya tamamen ortadan kaldırılması Yüksek üretim hızları Karmaşık şekillerin üretimi Çok geniş bir bileşim aralığı Özelliklerin geniş bir aralıkta değişimi Hurda miktarının azaltılması veya ortadan kaldırılması 2

Toz Metalurjisi Ürünlerinin Dezavantajları Nispeten yüksek kalıp maliyeti Yüksek malzeme maliyeti Dizayn sınırlamaları Toz Metalurjisinin Kullanıldığı Alanlar Toz Metalurjisinin Zorunlu Kullanıldığı Alanlar Bu durumda malzemede veya parçada bulunması istenen özellikler ancak T/M ile sağlanabilir - Ergitilmesi çok zor olan, şekillendirilebilme özelliği de sınırlı olan refrakter malzemeler (W, Mo, Ta, Nb), - Hem sert hem de tok karma malzemelerin üretimi (tok bir matris ile bağlanmış sert karbürlerden oluşan kesici uçlar) söz konusu olduğunda, - Yatak burçları, metalsel filtreler gibi gözenekli olması istenen parçalarda, - Değişik bileşenlerin özellikleri değişmeden yan yana bulunması istenen parçalar (elektrik kontaklarında bakır ve grafit) gibi, - Biri erime sıcaklığında iken, diğerinin gaz fazında olduğu bileşenler içeren alaşımlar (Fe, Co, Ni,... Zn, Cd, Sn, Pb,...) 3

Toz Metalurjisinin Tercihen Kullanıldığı Alanlar Bu durumda T/M klasik yöntemlerin yanında bir alternatiftir ve ancak ekonomik olması halinde tercih edilir. - Yüksek saflıktaki parçaların üretiminde, - Plastik şekil vermenin ve talaş kaldırmanın zor olduğu, döküm yöntemiyle üretilen malzemenin özelliklerinin yetersiz olduğu durumlarda, - Pahalı malzemeden üretilen ve hurdaya ayrılan malzeme miktarının az olması istenen parçalarda, - Başka yöntemlerle üretimi zor olan küçük parçalarda, - Toleranslarının hassa yüzey kalitesinin yüksek olması istenen ve yıllık üretimi ekonomik üretim miktarının üzerinde olan parçalarda. METAL TOZLARININ ÜRETİM TEKNİKLERİ Toz Nedir? Malzemelerin toz metalurjisi yöntemleriyle 200 mikron ve altındaki zerre yığınlarına toz denir. Metal tozlarının imalinde kullanılan teknikler, tozların birçok özelliklerini tayin eder. Tozun geometrik şekli üretim yöntemine bağlı olarak küreselden, karmaşık şekle kadar çok farklı olabilmektedir. Tozun yüzey durumu da üretim yöntemine göre değişiklik göstermektedir. Malzemelerin çoğu, özelliklerine uygun bir teknik kullanılarak toz haline getirilebilir. Bir çok toz üretim tekniği arasından, ticari olarak şu teknikler kullanılmaktadır Mekanik yöntemler, Kimyasal yöntemler, Elektroliz yöntemi, Atomizasyon yöntemleri şeklinde sıralanabilir. 4

Mekanik yöntemler Talaşlı Üretim Bu yöntemle tornalama, frezeleme ve taşlama gibi talaş kaldırma teknikleri kullanılarak çok iri ve karmaşık tozlar üretilir. Üretilen tozlar, öğütülerek ince tozlar haline getirilebilir. Toz özelliklerinin kontrolündeki zorluk, oksitlenme, yağlanma, kir tutma ve diğer malzeme hurdaları ile karışarak kirlenme problemleri olabilir. Yüksek karbonlu çelik tozları bu yöntemle üretilir. Öğütme Bir metal tozu üretim tekniği olmakla birlikte, diğer tekniklerle üretilmiş tozların kırılması için de kullanılan öğütme, en çok bilyalı değirmenlerde yapılmaktadır. Kırılgan malzeme tozlarının üretiminin yapıldığı bu yöntemde, temel prensip parçalanacak malzeme ile sert bir cisim arasında bir darbe meydana gelmesini sağlamaktır. Yüksek Enerjili Adritörde Mekanik Alaşımlama Mekanik alaşımlama (M.A.) yöntemi, kuru ve katı haldeki tozların birbirlerine periyodik olarak kaynaklanmasını ve tekrar bu kaynakların kırılmasını sağlayarak daha ince ve homojen bir mikroyapıya sahip yüksek dayanımlı kompozit malzemelerin üretilmesinde kullanılır. M.A. yönteminde tozlar kapalı bir kap içerisine konulur ve şaft döndürülür. Tozlar, şaft kolları ve bilyalar yardımı ile deforme edilir ve bu tozlarda kırılma ve soğuk kaynaklaşmalar meydana gelir. Mekanik alaşımlama yöntemi 5

Kimyasal Yöntemle Demir Tozu Üretimi Metal tozlarının kimyasal yöntemle üretimi, metal oksitlerin (demir, bakır, tungsten, molibden, nikel ve kobalt) CO veya hidrojen(h 2 ) gibi indirgeyici gazlarla oksitlerinden kimyasal olarak indirgenmesidir. Kimyasal yöntemle üretilen sünger-demir tozu bu yöntemin önemli bir uygulama örneğidir. Sünger demir, demir oksit cevherinin uygun nitelikte indirgeyici elemanlara indirgenerek süngerimsi bir kütleye dönüştürülmesiyle elde edilir. Magnetit minerali (Fe 3 O 4 ), kok ve kireç taşı ile karıştırılır ve seramik kaplara doldurulur. Karışım seramik kaplar 1200 C sıcaklıkta 68 saat bekletilir. İndirgenmenin tamamlanması ile sünger demir elde edilir. Elde edilen sünger demir külçeleri yüksek sıcaklıkta (1200 C) birbirine kaynak olmuş tozlardan oluştuğundan öğütülerek istenilen tane büyüklüğüne getirilir. Hidrojen gazı altında 870 C de tavlanarak oksijen ve karbondan mümkün olduğu kadar arıtılır ve son olarak elekten geçirilir. Fe 3 O 4 + CO 3 FeO + CO 2 FeO + CO Fe + CO 2 Elektroliz yöntemi Elektroliz yöntemiyle, oksitlerden oluşan tozlar katoda akım vermek suretiyle elektrolitik banyoda çökertilir ya da iyi kırılabilme özelliğinde katot da toplanır Banyo teknesi kurşun kaplıdır. Elektrolitik olarak bakır sülfat ve sülfürik asit kullanılır. Anot bakır, katot ise antimuanlı kurşundur. Elektroliz yöntemi ile genellikle bakır tozları imal edilir. Elektroliz yönteminde, elektrolitik banyoda çökertilen veya katotta toplanan metal kolaylıkla öğütülerek ince toz haline getirilir ve üretilen tozlar yıkanarak elektrolitten iyice temizlenir. Kurutma asal gazlar altında yapılarak oksitlenme önlenir. Elektroliz sırasında oluşan parçacıklar dendritik bir yapı gösterirlerse de daha sonraki işlemlerle bu yapı kaybolur. Elektrolitik tozların en büyük avantajı yüksek safiyetleri, dolayısıyla iyi sıkıştırabilme özelliklerine sahip olmalarıdır. 6

Atomizasyon Yöntemleri Dünyada üretilen tozların yaklaşık %80 i bu yöntemle üretilmektedir. Bu metodun en büyük avantajı üretilen tozların şeklinin ve kimyasal bileşiminin kontrol edilebilmesidir. Metal ve alaşım tozları bu yöntemle rahatlıkla üretilebilmektedir. Atomizasyon, bir sıvı demetinin farklı boyutlardaki çok sayıda damlacıklara ayrılmasıdır. Temel prensip, bir potanın dibindeki delikten akmakta olan ergimiş metalin üzerine yüksek basınçlı gaz veya sıvı püskürtülmesidir. Hava, azot ve argon sıklıkla kullanılan gazlardandır. Su ise çok sık tercih edilen sıvıdır. Burada gaz veya sıvı, ergiyik haldeki metal demetini farklı boyutlarda çok sayıda damlacıklara ayırır. Damlacıklar daha sonra katılaşarak metal tozlarını oluştururlar. Bu üretim yöntemi üç ana bölüme oluşur. Gaz atomize tozlar küresel veya küresele yakın şekillidirler. Bu yöntemle üretilen tozların tane boyutu 20 300 m arasındadır. Su atomize tozlar genel olarak karmaşık şekilli olup, bu tozların sıkıştırılabilirlikleri ve sıkıştırılma sonrası ham mukavemetleri yüksektir. Su atomizasyon yöntemiyle elde edilen tozların ortalama tane boyutu 30 1000 mikron arasındadır. Küresel şekilli gaz atomize kalay tozlarının genel yüzey görüntüleri 7

Döner elektrot atomizasyon yöntemi Döner elektrot kullanılarak yapılan santrifüj atomizasyon yöntemi ise, dönmekte olan elektrotun ergiyen ucundaki sıvı metal damlaların atomize olması esasına dayanır. Döner elektrot atomizasyon yöntemi Döner elektrot kullanılarak yapılan santrifüj atomizasyon yönteminde tozu elde edilecek metalden yapılmış elektrot ile ergimeyen tungsten elektrot arasında ark oluşturulur. Ergiyen elektrotun döndürülmesiyle, elektrik arkı altında oluşan damlacıklar savrularak parçalanır ve tankta toplanır. Oksidasyonu önlemek için toz toplama tankı helyum, argon gibi asal gazlarla doldurulur. Döner elektrot yöntemiyle, kobalt, krom ve titanyum alaşım tozları üretilmektedir. Toz Biçimleri 8

Toz Karıştırma -Ön alaşımlı Tozların yağlayıcılarla karıştırılması -Alaşımı oluşturacak farklı tozların karıştırılması Sıkıştırma (Soğuk yada Sıcak Presleme) 9

Tek zımba ile ve çift zımba ile çift etkili presleme İzostatik Presleme : Esnek bir kalıp içerisinde sıvı basıncı ile presleme CIP: Soğuk İzostatik Presleme HIP:Sıcak İzostatik Presleme Sinterleme - Kalıpta sıkıştırılmış toz kütleyi ergime sıcaklığının altında ısıtılarak difüzyon yolu ile kimyasal bağlanmasını sağlamak ve böylece gözenek miktarını düşürme işlemine tozların sinterlenmesi denir. - Preslenmiş toz parçalar sinterlendiğinde yüksek dayanım kazanırlar. Bu şekildeki boyun büyümesi toz özelliklerinin değişmesine de neden olur. 10

Sinterleme Bir Tünel Fırında Sinterleme Süreci 11

Sinterlenmiş Parçaların Bitirme İşlemleri İkincil Presleme: Yoğunluğu ve mekanik özellikleri arttırmak tekrar preslenir. Boyutlandırma: Boyutsal hassasiyeti arttırmak için tekrar preslenir. Talaşlı İşleme: Gerektiğinde, delik delmei tornalama, taşlama vb. Toz Metalurjisi Ürünleri -Seramik ve çelik parçalar 12

Toz Metalurjisi Ürünleri- Kesici Takımlar W- and Ti-carbide plates for highspeed cutting Toz Metalurjisi Ürünleri- Çeşitli Otomotiv ve Makine parçaları 13

TM uygulamalarında farklı Tasarımlar Dişli Üretiminde Üç Üretim Yönteminin Kıyaslanması 14

Hızlı Prototipleme (Rapid-Prototyping Operations) Hızlı Prototipleme (Rapid-Prototyping Operations) 15

Hızlı Prototipleme (Rapid-Prototyping Operations) Hızlı Prototipleme (Rapid-Prototyping Operations) İmalat endüstrisinde yaygın olarak kullanılan 4 farklı Hızlı Prototipleme teknikleri; -Isı Enerjisi ile Toz Bağlama Tekniği -Yapıştırıcı ile Toz Bağlama Tekniği -Sıvayarak Harç Yığma Tekniği -Tarayarak Işıkla Kür Tekniği 18

Isı Enerjisi ile Toz Bağlama Tekniği Bu teknikte, ısıtıldıgında kaynasabilen toz halindeki bir insa hammaddesi ince ve düzgün bir tabaka halinde yayılır. Ardından yüzeydeki seçilen bölgeler lazer ısınıyla taranır. Isının yüzeye çarptıgı noktalarda olusan sıcaklıkla toz malzeme kısmen eriyerek ve/veya sinterlenerek temas halinde oldugu diger toz taneleri ile kaynasır. Bu islemden sonra insa zarfının tabanında bulunan platform, bir katman kalınlıgı kadar asagı çekilir. Her katmanın insası için bu islemler gerektigi kadar tekrarlandıktan sonra, insa süresince dogal bir destek görevi üstlenmis olan serbest tozlar fırça veya vakum emici ile manuel olarak temizlenerek üretilen parça veya parçalar tezgah tablasından alınır. nsa malzemesi olarak plastik, metal veya seramik tozları kullanılabilecegi gibi bunların karısımlarından olusan kompozit tozlar da kullanılabilir. Cam elyaf takviyeli plastik tozları veya üzeri plastik kaplı metal tozları buna verilebilecek örneklerdendir. Yapıştırıcı ile Toz Bağlama Tekniği Bu teknik, çok agızlı bir memeden yapıstırıcı püskürtülerek tozların birbirine baglanması prensibine göre çalısır. Bir merdane ile yeni bir katman toz yayılır. Çok agızlı meme insa edilmesi gereken bölgelere yapıstırıcı püskürterek tozları birbirine baglar. Yatay platform katman kalınlıgı kadar Z ekseninde asagı hareket eder. Bu islem insa bitimine kadar tekrar eder. nsa bittikten sonra, parçayı çevreleyen ve aynı zamanda destek malzemesi görevi görmüs olan tozlar vakum temizleyici ve/veya fırçayla temizlenir. Kullanılan malzeme ve uygulamaya göre, infiltrasyon ve sinterleme gibi degisik ek islemler de yapılabilir. 19

Sıvayarak Harç Yığma Tekniği Bu teknikte, bir besleme bobininden sürülen ve ektrüzyon baslıgında ısıtılarak sıvı veya macun kıvamına getirilen yapı malzemesinin 0.3 mm çapında bir memeden sıkma yöntemiyle çıkarılıp gerekli noktalara geometriksel çevrim yöntemiyle sıvanması seklinde insa gerçeklestirilir. Fiziksel etkenler ile yapı malzemesinin yanlıs konumlanmaması için ikincil bir insa gerçeklestirilir. Destek yapısı olarak adlandırılan bu ikincil insa, isleme sonrası fiziksel veya kimyasal olarak parça yüzeyinden temizlenir. Tarayarak Işıkla Kür Tekniği Tarayarak ısıkla kür, fotopolimer esaslı sıvı malzeme dolu bir tanktaki polimerlerin lazer kullanılarak katı hale getirilmesi yani kür edilmesi esasına dayanır. Kullanılan sıvı polimer, morötesi ısıga maruz kaldıgında katılasan veya kuruyan bir fotopolimer malzemedir. Nokta seklindeki lazer ısını bilgisayar kontrolü ile yansıtılarak tank içerisindeki sıvı malzemenin üst yüzeyinde seçilen bölgeleri kür ederek katılastırır. Bir katman insası tamamlandıktan sonra parçanın bulundugu platform, katman kalınlıgı kadar asagı indirilir ve bir kanat yardımıyla yeni bir kat sıvı fotopolimer kaplanır. Malzemenin yapıskan özelligi sayesinde tabakalar birbirlerine yapısırlar. Bu islem tüm model tamamlanıncaya kadar devam eder. Altları bos olan kısımlar sistem yazılımı ile tespit edilerek bu kısımlar destek yapıları insa edilir. slem sonrası bu destek yapıları asıl parçadan ayrılırılar 20

Hızlı Protatip Üretimi Kaynaklar 2002 John Wiley & Sons, Inc. M. P. Groover, Fundamentals of Modern Manufacturing 2/e Prof. Dr. Halil Arık, Toz Metalurjisi Notları TALAT, Training in Aluminium Application Technologies Dr. M. Medraj Mech. Eng. Dept. - Concordia University Mech 421/6511 lecture 12/1 Kalpakjian Schmid, Manufacturing Engineering and Technology, 2001 Prentice-Hall 21