TiO 2 KATKILI ALUMİNA ÜRETİMİ-ENJEKSİYON KALIPLAMA Ö. ŞENTÜRK, C.B. EMRULLAHOĞLU, Ö.F.EMRULLAHOĞLU Afyon Kocatepe Universitesi Afyon Mühendislik Fakültesi Seramik Mühendisliği Bölümü/ Afyon ÖZET Bu çalışmada ağırlıkça % 5 TiO 2 içeren alumina tozunun düşük basınçlı enjeksiyon kalıplama makinasında kalıplanarak elde edilen ürünlerin bağlayıcısının uzaklaştırılması ve 1300-1600 C sıcaklık aralığında sinterlenmesine ait deney ve sonuçları sunulmuştur. Deneysel çalışmalar üç aşamadan oluşmaktadır. Birinci aşamada alumina, titan ve bağlayıcı içeren sıcak karışım enjeksiyon kalıplama makinasında şekillendirilmiştir. İkinci aşamada şekillendirilen ürünler wax uzaklaştırma ve sinterleme işlemlerine tabi tutulmuştur. Üçüncü aşamada da sinterlenmiş numunelere çeşitli testler uygulanmıştır. Yapılan incelemeler sonucunda sinterleme sıcaklığı artışı ile birlikte birim hacim ağırlığı, basma dayanımı artmış, su emme ve porozite değerlerinde azalmalar meydana gelmiştir. Anahtar Kelimeler; Alumina, Titanyum Dioksit, Enjeksiyon kalıplama 1. GİRİŞ Alumina seramikleri ise 50 li yıllardan beri bilinmektedir. Tekstil makinalarında iplik klavuzu olarak kullanılan alumina seramikler, çelik, cam ve sırlanmış porselen ile aşınma ve erozyon direnci, dayanımı ve boyutsal dengesi, ipliğe verdiği zarar açısından kıyaslandığı zaman daha üstün özelliklere sahiptir[1,2] Bu malzemeler yüksek sıcaklık, düşük yoğunluk, ısısal kararlılık, korozyon dayanımı gibi üstün özellikleri nedeni ile teknolojinin gelişmesine paralel olarak yeni kullanım alanları bulmaktadır. Alumina seramiklerin en iyi bilinen askeri uygulaması ise hafif balistik panel yüzeylerinin balistik dayanımını artırmak için alumina seramik plakalarla kaplanmasıdır. Alumina seramiklere çeşitli katkı maddelerinin ilave edilmesinin amacı sinterleme sırasında yoğunlaşmayı artırmak veya geçiktirmek ve mekanik özelliklerini geliştirmektir. Genellikle Cr 2 O 3, NiO, MgO, TiO 2 ve MnO 2 gibi katkılar tek başına veya birkaçı bir arada olacak şekilde en yaygın kullanılan katkılardır[1]. Daha yoğun, gözeneksiz ve daha düşük sıcaklıklarda sinterlenebilen malzeme üretimi için sürekli araştırmalar yapılmaktadır. İlk çalışmalar katkıların aluminanın sinterleşme davranışına etkisi üzerine yoğunlaşmıştır[3-5]. Daha sonraki çalışmalar aluminanın sertliğini geliştiren krom katkısı üzerinedir[6,7]. Birçok diğer seramiklerde olduğu gibi aluminanın dayanımı da tane büyüklüğü ile ilişkilidir. Bu yüzden aluminanın mikroyapısı ince ve homojen olduğunda dayanımı yüksektir. Bununla beraber malzemenin krılma tokluğu genellikle düşüktür. Alumina içeren seramiklerin kırılma tokluğu büyük uzun veya levhamsı taneler ince tane yapılı matrikste rastgele dağıldığı zaman artar. Kırılma işlemi sırasında bu büyük taneler çatlak ilerlemesine wisker içeren kompozit malzemelerde olduğu gibi etkili bir şekilde direnç gösterirler[7]. Az miktarda MgO katkısının sinterleme sırasında aluminanın anormal tane büyümesini önlediği, mikroyapıyı ince ve homojen yaptığı çok iyi bilinmektedir. Tersi olarak da MgO katılmadığı durumlarda sinterleme sırasında anormal tane büyümesi genellikle gerçekleşir. Tane sınırlarında ikinci bir fazın bulunması aluminanın anormal tane büyümesi için gerekli olan bir şart olduğu
genellikle kabul edilen husustur. Bu yüzden aluminanın mikroyapısı sık sık TiO 2, MnO 2 veya SiO 2 ile kombinasyonu ve diğer oksitler (Na 2 O, CaO, SrO ve BaO) gibi ikinci fazların ilavesi ile kontrol edilir[7].. Toz enjeksiyonkalıplama yötemi yoğun ürün üretim tekniklerinen birisidir. Küresel yapılı küçük metal ve seramik tozlar yaklaşık 100 C sıcaklıkta polimerik veya organik bağlayıcı içerisinde karıştırılır ve enjeksiyon kalıplama makinası kullanılarak şekillendirilir. Toz enjeksiyon kalıplama şimdi yüksek ölçü hassasiyeti olan küçük, karmakşık şekilli ürünlerin üretilmesinde kullanılmaya başlanmıştır.. 2.DENEYSEL ÇALIŞMALAR 2.1. Toz Hazırlama : Deneysel çalışmalarda ticari kalitede alumina, titanyum dioksit tozları ve parafin kullanılmıştır. Alumina malzemeler α-al 2 O 3 (Alcoa CT 3000 SG, 99.7 % saflıkta, d 50 = 0.7 µm) ile TiO 2 (Kronos). ve parafin (Öztil Chemical Ltd) kullanılarak üretilmiştir. Tozların dispersiyonunu sağlamak üzere Tariş Zeytinyağı Fabrikası ndan temin edilen oleik asit kullanulmıştır. 2.2. Karışım Hazırlama : Karışım ağırlıkça % 79.16 alumina, % 4.16 TiO 2, % 16.67 parafin ve % 0.1 oleik asit kullanılmıştır. Önce tank sıcaklığı 50 C ye ayarlanarak parafin eritilmiş, daha sonra tank sıcaklığı 125 C ye yükseltilerek toz karışımı ilave edilmeye başlanmıştır.toz ilavesine başlandığında karıştırıcı da çalıştırılmıştır. Karışım ilave toz alamayacak duruma geldiğinde oleik asit ilave edilerek akışkanlık artırılmış ve tekrar toz ilave edilmeye devam edilmiştir. İstenen kıvamda karışım hazırlandıktan sonra tank kapağı sıkı bir şekilde kapatılarak 6 saat süre ile karıştırılmış, daha sonra 2 saat süre ile de vakum ortamında karıştırma yapılmıştır. 2.3.Numunelerin Şekillendirilmesi : Şekillendirme çift karıştırıcı, ısıtıcı bobin ile donatılmış düşük basınçlı (max 8 atm) Teknoser marka enjeksiyon kalıplama makinasında gerçekleştirilmiştir. Numunelerin şekillendirilmesinde paslanmaz çelikten yapılmış, 1.6 cm çapında, 5.6 cm yüksekliğinde silindirik metal kalıp kullanılmıştır. Karışım 6 atmosfer basınçta şekillendirilmiştir. 2.4. Bağlayıcı uzaklaştırma : Numuneler iri taneli Seydişehir aluminası içerisine aralıklı olarak yerleştirilerek bağlayıcı uzaklaştırma işlemi elektrikle ısıtılan kuyu fırında gerçekleştirilmiştir. Fırın sıcaklığı önce 160 C ye ayarlanmış ve fırın bu sıcaklıkta 24 saat bekletilmiş, sonra fırın sıcaklığı 600 C ye yükseltilerek bu sıcaklığa ulaştıktan sonra 6 saat bekletilmiş, daha sonra fırın kapatılarak soğumaya bırakılmıştır 2.5. Sinterleme İşlemi : Aluminanın sinterleme şekli katı hal sinterleme olup sinterleme işlemi 5 C/dak ısıtma hızı ile 1300, 1400, 1500 ve 1600 C lerde 2 saat bekletme şeklinde gerçekleştirilmiştir. 2.6. Numunelere Uygulanan Testler : Sinterlenmiş numunelerin ilk ve son hacimlerinden hesaben pişme küçülmesi hesaplanmıştır. Numunelerin kuru, su emmiş ve su içerisindeki ağırlıklarından hareketle de su emme, görünür, kapalı ve toplam porozite ile birim hacim ağırlığı ve görünür yoğunluklar hesaplanmıştır. Numuneler ayrıca üç nokta eğme dayanımı testine tabi tutulmuştur. Karakterizasyon çalışmalarında SEM ( Leo 1430VP) kullanılmıştır
3. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ 3.1. Pişme Küçülmesi Pişme küçülmesi değerlerinin sinterleme sıcaklığı ile değişimi çizelge 1 de sunulmuştur. Çizelge 1.. Numunelerinin Artan Sinterleme Sıcaklığı ile Pişme Küçülme % leri Değişimi Sinterleme Sıcaklığı.( C) 1300 1400 1500 1600 Pişme küçülmesi (%) 34.96 35.16 36.02 36.56 Çizelge 1. de görüldüğü gibi artan sinterleme sıcaklığı ile gözenekler kapandığı için numunelerde küçülme artmıştır. 3.2. Su Emme Deneyi Sonuçları Su emme % lerinin sinterleme sıcaklığı ile değişimi çizelge 2 de sunulmuştur Çizelge 2.. Numunelerinin Artan Sinterleme Sıcaklığı ile Su Emme % leri Değişimi Sinterleme Sıcaklığı. ( C) 1300 1400 1500 1600 Su emme ( %) 3.22 2.05 1.82 1.34 Çizelge 2. de görüldüğü gibi artan sinterleme sıcaklığı ile daha fazla gözenek kapandığı için numunelerin su emme % lerinde azalma meydana gelmektedir. 3.3. Birim Hacim Ağırlığı (Bulk yoğunluk) Birim hacim ağırlığının sinterleme sıcaklığı ile değişimi sonuçları çizelge 3 de sunulmuştur Çizelge 3.. Numunelerinin Artan Sinterleme Sıcaklığı ile Birim Hacim Ağırlığının Değişimi Sinterleme Sıc..( C) 1300 1400 1500 1600 B. H. Ağırlığı (gr/cm 3 ) 3.30 3.47 3.52 3.57 Çizelge 3. de görüldüğü gibi artan sinterleme sıcaklığı ile numuneler küçüldüğü için bunun sonucu olarak da numunelerin birim hacim ağırlığı değerlerinde artma meydana gelmektedir. 3.4. GörünürYoğunluk Görünür yoğunluk değerlerinin sinterleme sıcaklığı ile değişimi çizelge 4 de sunulmuştur. Çizelge 4.. Numunelerinin Artan Sinterleme Sıcaklığı ile Görünür Yoğunluk Değişimi Sinterleme Sıc..( C) 1300 1400 1500 1600 Görünür yoğ. (gr/cm 3 ) 3.68 3.73 3.75 3.78 Çizelge 4. de görüldüğü gibi sinterleme sıcaklığı arttıkça görünür yoğunluk değerlerinin arttığı görülmektedir. Artan sinterleme sıcaklığı ile açık kapalı porlar azaldığı numunelerin görünür yoğunluk değerlerinde azalma meydana gelebilir.
3.5. Görünür Porozite Görünür porozite değerlerinin sinterleme sıcaklığı ile değişimi çizelge 5 de sunulmuştur. Çizelge 5. Numunelerinin Artan Sinterleme Sıcaklığı ile Görünür Porozite Değişimi Sinterleme Sıc..( C) 1300 1400 1500 1600 Görünür porozite ( %) 10.46 7.08 5.89 4.73 Çizelge 5. de görüldüğü gibi artan sinterleme sıcaklığı ile açık porlar tamamen veya kısmen malzeme tarafından doldurulduğu için numunelerin görünür porozite değerlerinde azalma meydana gelmektedir. 3.6. Kapalı Porozite Kapalı porozite değerlerinin sinterleme sıcaklığı ile değişimi çizelge 6 da sunulmuştur. Çizelge 6. Numunelerinin Artan Sinterleme Sıcaklığı ile Kapalı Porozite Değişimi Sinterleme Sıc..( C) 1300 1400 1500 1600 Kapalı porozite ( %) 7.10 5.57 5.30 5.22 Çizelge 6. de görüldüğü gibi artan sinterleme sıcaklığı ile kapalı porlar tamamen veya kısmen malzeme tarafından doldurulduğu için numunelerin kapalı porozite değerlerinde azalma meydana gelmektedir. 3.7. Toplam Porozite Toplam porozite değerlerinin sinterleme sıcaklığı ile değişimi sonuçları şekil 7 ve çizelge 7 de sunulmuştur. Çizelge 7. Numunelerinin Artan Sinterleme Sıcaklığı ile Toplam Porozite Değişimi Sinterleme Sıc..( C) 1300 1400 1500 1600 Toplam porozite ( %) 17.56 12.65 11.19 9.95 Çizelge 7. de görüldüğü gibi sinterleme sıcaklığı arttıkça toplam porozite değerlerinin azaldığı görülmektedir. Artan sinterleme sıcaklığı ile bazı porlar küçüldüğü, bazıları da tamamen kapandığı için numunelerin toplam porozite değerlerinde azalma meydana gelmektedir. 3.8. Üç Nokta Eğme Dayanımı Üç nokta eğme dayanımım değerlerinin sinterleme sıcaklığı ile değişimi sonuçları çizelge 8 de sunulmuştur. Çizelge 8. Numunelerinin Artan Sinterleme Sıcaklığı ile Üç Nokta Eğme Dayanımı Değişimi Sinterleme Sıcaklığı.( C) 1300 1400 1500 1600 Üç N.E. dayanımı (kğ/cm 2 ) 380.67 381.92 452.47 482.06 Çizelge 8. de görüldüğü gibi artan sinterleme sıcaklığı ile pekişme arttığı için bunun sonucu olarak da numunelerin üç nokta eğme dayanımı değerlerinde artma meydana gelmektedir.
3.10. SEM İncelemesi Sonuçları Numunelerin SEM görüntüleri Resim 1, 2, 3 ve 4 de sunulmuştur. Resim.1. 1300 C de Sinterlenmiş Numunin SEM Görüntüsü Resim 2. 1400 C de Sinterlenmiş Numunin SEM Görüntüsü Resim 3. 1500 C Sinterlenmiş Numunenin Sem Görüntüsü Resim 4. 1600 C de Sinterlenmiş Numunenin SEM Görüntüsü SEM görüntülerinin incelenmesi sonucunda ; 1300 ve 1400 C lerde sinterlenen numunelerde büyük ve çok miktarda gözenek bulunduğu, 1500 C de sinterlenen numunede ise
hem gözeneklerin azaldığı ve hem de ortalama 3 mikron büyüklüğünde birbirine yakın boyutta tanelerin oluştuğu, 1600 C de sinterlenen numunede ise tanelerin birbirine kenetlenerek veya sıvı faz nedeni ile birleşerek büyüdüğü görülmektedir. SONUÇLAR Sinterleme sıcaklığı artışı ile beraber pişme küçülme % si, birim hacim ağırlığı, kapali porozite ve üç nokta eğme dayanımı değerlerinin arttığı, su emme % si, görünür yoğunluk, görünür porozite, toplam porozite değerlerinin azaldığı görülmüştür. SEM görüntülerinin incelenmesi sonucu sinterleme sıcaklığı arttıkça gözeneklerin azaldığı ve küçüldüğü görülmektedir. KAYNAKLAR 1. Erkalfa H., Mısırlı Z., Baykara T. Cr 2 O 3 ve MnO 2 Katkısının Aluminanın Özelliklerine Etkisi Rapor, Tübitak MAM Malzeme Araştırma Bölümü Gebze Kocaeli, Kasım 1994. 2. Dorre E., Hubner H., Alumina Processing, Properties and Applications Springer Velag, 1984 3. Keski J.R., Cutler I.B. Initial Sintering of Mn x O, Al 2 O 3 J. Am. Ceram. Soc., 51(8)440-44, 1968 4. Keski J.R., Cutler I.B., Effect of Manganese Oxide on Sintering of Alumina J. Am. Ceram. Soc., 48(12)653, 1965. 5. Hirata T., Akiyama K., Yamamoto H., Sintering Behavior of Cr 2 O 3 -Al 2 O 3 Ceramics Journal of the European Ceramic Society 20 (2000) 195-199 6. Bradt R.C., Cr 2 O 3 Solid Solution Hardening of Al 2 O 3 J. Am. Ceram. Soc., 50(1) 54-55, 1967 7. Riu D.H., Kong Y.M., Kim H.E., Effect of Cr 2 O 3 Addition on Microstructural Evolution and Mechanical Properties of Al 2 O 3 Journal of the European Ceramic Society 20 (2000) 1475-1481