1 TOZ MALZEME TEKNOLOJİSİ-2 Yrd. Doç. Dr. Nuray Canikoğlu
Toz Özellikleri 2 Metal tozun üretimi birçok teknikle gerçekleştirilir. Burada amaç toz üretimini belirli şekil ve boyut dağılım aralığında, herhangi bir kirlenme içermeksizin üretmektir. Bu aşamada toz karakterizasyonu bir sonraki üretim kademeleri açısından önemlilik arz eder. Kontrollü bir başlangıcın, istenen kalitede parça üretimini sağlaması kaçınılmazdır. Tozun şekil ve boyut özellikleri ön-hazırlama aşamasında iyi bir harmanlama veya karışım oluşumu açısından önemli rol oynarken özellikle presleme esnasında homojenlik, iyi sıkıştırabilirlik ve yüksek ham yoğunluk kazandırılması açısından kontrol edilmesi gereken kavramlar olarak düşünülmelidir. Tüm bunların ötesinde sinterleme aşamasında ilk kademelerin optimizasyonun sağlanması ile arzulanan seviyede mekanik, fiziksel ve kimyasal özelliğe sahip parça üretimi gerçekleştirilmiş olacaktır.
Toz Metalurjisi ürünlerinin ana hammaddesi tozlardır. Üretilmesi planlanan şekilli ve bir işlevi (fonksiyonu) yerine getirecek olan parçaların istenilen özelliklerde ve mukavemet değerlerinde üretilebilmesi için arzu edilen niteliklerde tozlara ihtiyaç duyulmaktadır. Bir tozun hangi yöntemle üretildiğinin bilinmesi ilk olarak o tozun tane boyutu, boyut dağılımı ve şekli gibi fiziksel özellikleri ile kimyasal safiyeti ve safsızlık nitelikleri hakkında kullanıcıya ön fikirler verebilir. 3
4 Toz özellikleri şu şekilde sıralanabilir: Toz şekli Toz boyutu ve dağılımı Spesifik yüzey alanı Yoğunluk Sıkıştırılabilirlik Safsızlık (oksijen, karbon, Na, Ca, Fe miktarı) Akış özellikleri
5 Toz şekli Tozların yüzey şekli akıcılık davranışlarını etkilemektedir. Genel olarak tozların yüzey şekli düzensizdir. Ayrıca küresel veya küresele yakın yüzey yapısındaki toz malzemelerin kalıp içerisine akış davranışları ile kalıp içerisinde paketlenme özellikleri daha iyi olmaktadır. Ayrıca aynı malzeme türü için küresel şekilli tozların yaprak levha şekilli tozlara oranla basma gerilmesini daha etkili ilettikleri söylenebilir. Burada belirtilenlerin dışında tozların fiziksel ve mekaniksel özelliklerinin de basma yolu ile sıkıştırılabilirliliğine (yoğunlaştırılması) etkileri vardır.
Çeşitli üretim teknikleri ile üretilmiş toz şekilleri 6
7
8 Toz şeklinin karmaşıklaşması ve gözenekliliğin artması görünür yoğunluğu düşürür. Görünür yoğunluğun düşmesi ise presleme aşamasında hacim azalmasını artırır ve böylece soğuk kaynak miktarını artırır. Neticede daha yüksek ham mukavemetli parça elde edilmiş olur. Parçanın sinterlenme verimi de soğuk kaynak miktarının artmasından dolayı artacaktır.
9 İndirgenmiş Sünger demir tozu Atomize demir tozu
10 Sıkıştırılabilirlik Belirli bir basınçta elde edilen yoğunluk, basılabilirlik de önemli bir toz özelliğidir. Düşük basılabilirliğe sahip tozlar çok yüksek basınca, yüksek kapasiteli preslere ve daha dayanıklı kalıplara ihtiyaç duyarlar. Kalıp içerisindeki tozların paketlenme verimliliği toz boyut dağılımına geniş ölçüde bağlıdır. Büyük tozlar arasında oluşan boşluklar küçük boyuttaki tozlar ile doldurulabilir.
11 Dentrit şeklindeki toz parçacıkları yüksek sıkıştırılabilirlik özelliği göstermektedir. Bu nedenle özellikle bronz burç yataklar, bakır içeren karbon motor parçaları ve sürtünen malzemeler ile kesme takımlarının (elmas kesici uçların) imalinde bu tip tozlar tercih edilmektedir. Elektrolitik bakır tozları yüksek saflıkları ve iyi preslenebilirlilikleri nedeniyle 1970`li yıllardan bu tarafa tercih edilmişlerdir. Ancak ilerleyen yıllarda sıkıştırılabilirliği yüksek karbonil süreci ile imal edilen süngerimsi demir tozunun üretilmesi ile bakır tozu cazibesini yitirmiştir.
Kalıp içerisindeki tozun başlangıç yüksekliği (ki bu tozun ham yoğunluğu ile ilgilidir) sıkıştırılabilirliğinde belirleyici rol oynar. 12 Tozun kalıp içerisine sorunsuz ve hızlı akması da önemlidir. Toz boyutu ve şekli tozun kalıba akış hızına etki eder. Örneğin toz tanelerinin çok ince oluşu toz akış hızının ve presleme yoğunluğun düşük olmasına neden olur. Toz dağılımı ise kalıpta preslenen tozun yoğunluk dağılımının homojen olup olmamasına etki eder. Bununla birlikte ortalama tane boyutu küçük olan toz malzemelerin sıkıştırılabilirliği yüksek olmaktadır.
Presleme öncesi kalıba serbest düşen tozların yoğunluğu (ham yoğunluk) kalıbın titreştirilmesiyle büyük oranda arttırılmış olur. 13 Titreşimle kazanılan yoğunluk artışı tozun şekli ve toz dağılımı ile ilişkilidir. Örneğin düzensiz şekilli tozlarda küresel ve düzgün yüzeyli tozlara göre bu artış çok daha fazladır. Bunun nedeni küresel şekilli tozların bağıl yoğunluklarının yüksek, düzensiz şekilli ve dar toz boyut dağılımına sahip tozların ise bağıl yoğunluklarının düşük olmasından kaynaklanmaktadır. Bağıl yoğunluk, ham yoğunluk değerinin teorik yoğunluk değerine oranı olarak tanımlanabilir.
14 Tozların saflığı Tozların saflığı da çok önemlidir. Müsaade edilebilecek yabancı madde seviyesi büyük oranda maddelerin tamamının yapı ve durumuna bağlıdır. Mesela, demir içinde birleşmiş karbon varlığı sertleşmeye yol açar, böylece sıkıştırma esnasında daha yüksek basınca ihtiyaç duyulur. Fakat serbest karbon, presleme operasyonu esnasında yağlayıcı olarak davrandığı için bir avantajdır. Pek çok metal tozunun ince bir oksit tabakası ile kaplı olması presleme işlemine fazla etkili olmaz. Çünkü tozlar arası sürtünme ile bu tabaka kolayca yırtılır ve açığa çıkan metal yüzeyler hemen soğuk kaynak olurlar. Ancak bu oksitlerin sinterleme aşamasında indirgenmeleri yüksek mukavemet için şarttır.
15
TOZ KARAKTERİZASYONU 16 Numune alma Tozların kapsamlı bir şekilde değerlendirilmesi için çeşitli testler yapılır. Bu amaçla ilk yapılacak iş, analiz için temsil edici toz numunesi almaktır. Numune, partinin tamamını temsil etmelidir. Bu durum sanılandan daha zor bir iştir. Bu nedenle çeşitli numune alma teknikleri kullanılır. Taşıma veya titreşimden sonra numune almak için toz partisi tamburlanarak karıştırılmalıdır. Ayrıca bir çok noktadan küçük numuneler alınmalı ve karıştırılmalıdır. Endüstriyel testler, en düşük numune alma hatalarının döner bir numune bölücü kullanıldığında olduğunu göstermektedir.
17 Mümkün olduğunca toz numuneler haraketli parçacık demetinden alınmalıdır. Çok sayıda küçük numune almak ve bunları karıştırmak en iyisidir. Titreşim parçacıkları boyutlarına göre büyükler üstte, küçükler altta olacak şekilde ayırabilir.
Parçacık Boyut Ölçümü 18 Bir tozun boyutunu veya diğer özelliklerini doğru olarak belirlemek için, tozun uygun bir biçimde dağıtılması gereklidir. Dağıtma işlemi parçacık boyutu ne kadar küçük olursa o kadar güçleşir. Parçacıkların çoğu kohesiv ve doğal olarak birbirine yapışır. Parçacıkların topaklanmasına sebep olan yüzey nemidir. Topak, malzemenin mukavemetinden çok küçük kayma gerilmeleriyle yenilebilecek zayıf kuvvetlerin bir arada tuttuğu parçacıklar kümesidir. Bunun aksine agregalar çok serttir ve dağıtılması zordur. Agregalar genellikle güçlü kimyasal kuvvetlerle bağlıdır. Toz özelliklerinin ölçülmesinden önce topaklar parçalanarak dağıtılabilir, agregalar ise dağıtılamaz.
agrega 19
Nem topaklanmaya neden olduğu için toz kurutma işlemi genellikle iyi bir ilk adımdır. Mekanik karıştırma veya ultrasonik çalkalama, topaklanmayı dağıtmada çok tercih edilen yöntemlerdir. Parçacık boyut analizi çeşitli tekniklerle gerçekleştirilebilir. Ancak, ölçülen parametrelerdeki farklılıklar nedeniyle, çeşitli parçacık boyut analiz tekniklerinin genellikle aynı sonucu vermediği bilinmelidir. Küresel bir parçacık için boyut tek bir parametre olup, çap olarak verilir. Ancak, parçacık şekli daha karmaşık olduğunda, boyutu tek bir parametre ile belirlemek zordur. Yassı veya pul şeklinde bir parçacık göz önüne alındığında boyutu tanımlamak için çap ve genişliğin her ikisi de gereklidir. Şekil daha düzensiz olduğunda, olası boyut parametrelerinin sayısı artar. 20
21
22 Parçacık boyutu ölçümünde kullanılan teknikler şunlardır: Eleme (Elek analizi) Mikroskop ile inceleme Sedimentasyon Işık saçılımı ve kırınımı Elektriksel alan algılanması Işık engelleme X-Işını teknikleri
23 1. Elek Analizi Elek analizi hızlı partikül boyutlandırılması üzerine uygulanan teknikler arasında en yaygın olanıdır. Elek tellerinin arası boşlukların yer aldığı kare ızgaralar (enine ve boyuna eşit aralıklarla gerilmiş tellerin oluşturduğu açıklık) mesh olarak tanımlanır. Mesh boyutu birim uzunlukta yer alan tel sayısı ile belirlenir. Teller arası açıklık boyutu mesh boyutu ile ters olarak değişir. Büyük mesh boyutlarında küçük açıklık boyutları bulunur. Mesh boyutu üzerine yaygın bir kabullenme inç başına düşen tel sayısı şeklindedir. Örneğin, 200 mesh boyut inç başına 200 telin bulunduğunu ifade eder. Elek analizi genelde 38 mm dan büyük partiküller için uygulanır.
24
25 Partikül Boyut Dağılımı Şekil (Histogram). En çok tekrarlanan boyut mod olarak ifade edilir ve bu histogram için bu değer 75-90 mm arasındadır.
26 2. Mikroskop ile inceleme Parçacık boyutu ölçmenin en evrensel yolu görüntü analizidir. Basit bir yaklaşım, parçacık görüntülerinin üzerini çeşitli boyutlarda dairelerle örterek her bir boyuttaki parçacık adedini saymaktır. Günümüzde bu otomatik görüntü analizi ile yapılabilmektedir. Analiz için görüntü; optik mikroskop, SEM veya TEM ile elde edilir. Cihaz seçimi parçacık boyutuna bağlı olup, mikroskobik inceleme birkaç nm boyuttan birkaç mm boyuta kadar olabilir.
Si 3 N 4 tozuna ait SEM görüntüsü 27
3. Sedimentasyon Bu teknik küçük parçacıklara uygulanabilir. Bir sıvı veya gaz içinde çöken tozlar parçacık boyutu ve akışkan viskozitesine bağlı olarak bir hıza ulaşırlar. Bu esasa göre parçacık boyutu çökme hızından hesaplanabilir. Bu teknik 0,02-100 mm parçacık aralığını kapsar. Su içinde yerçekimi etkisinde sedimentasyon 1-20 mm boyut aralığına uygulanabilir. 1 mm dan küçük parçacıklara uygulanabilmesi için merkezkaç kuvveti, 20 mm dan büyük parçacıklara uygulanabilmesi için ise viskozitesi sudan daha yüksek bir akışkan gereklidir. Çökme zamanına karşı tüpün dibine çöken tozun hacim veya ağırlık ölçümleri parçacığın boyut dağılımını hesaplamaya imkan verir. 28
29
4. X-Işını teknikleri ile boyut ölçümü Çok küçük parçacıkların ortalama boyutunu ölçmek için çizgi genişlemesi yaklaşımı kullanılır. Buna göre tepenin genişlemesinin nedenlerinden biri küçük kristal boyutudur. Tepe genişliği en büyük şiddetin yarısında ölçülür. Bu şiddetteki tepenin genişliği, kısmen kristal içindeki kırınan düzlemlerin sayısına bağlıdır. Scherrer formülü, parçacık boyutu D yi, genişlik B, kırınım açısı θ ve x-ışını dalga boyu cinsinden verir: 30
31 Parçacık boyut analizi yaklaşımlarının karşılaştırılması
32 Parçacıklar Arası Sürtünme ve Akış Karakteristikleri Parçacıklar arasındaki sürtünme, bir tozun akış kolaylığını ve paket sıkılığını etkiler. Parçacıklar arası sürtünmenin yaygın bir testi, bir toz kümesinin dar bir huniden dökülürken oluşturduğu yığılma açısı dır.
33 Daha küçük parçacık boyutları genel olarak daha büyük sürtünme ve daha dik açılar gösterir. Küresel şekiller en düşük parçacıklar arası sürtünmeye sahiptir. Şekil küreselden saptıkça, parçacıklar arası sürtünme de artma eğilimine girer.
34 Parçacık Yoğunluğunun Ölçümleri Gerçek yoğunluk: Malzemenin gerçek hacminin yoğunluğudur. Tozların katı bir kütle haline getirilmesi durumundaki malzeme yoğunluğudur. Kütle yoğunluğu (görünür yoğunluk): Tozların döküldükten sonra gevşek durumdaki yoğunluğudur. Parçacıklar arasındaki gözenekler nedeniyle kütle yoğunluğu gerçek yoğunluktan daha düşüktür.
35 Paketleme Faktörü = Görünür Yoğ. / Gerçek Yoğ. Gevşek tozların tipik değerleri 0,5 ve 0,7 arasındadır. Eğer farklı toz boyutları varsa, daha küçük olan tozlar daha büyük olanların ara boşluklarına yerleşerek havanın uzaklaşmasını sağlar ve daha yüksek paketleme faktörüne neden olur. Paketleme, tozları titreştirerek, daha sıkı yerleşmelerinin sağlanmasıyla arttırılabilir. Sıkıştırma sırasında uygulanan basınç, tozları yeniden düzenleyerek ve parçacıkları deforme ederek tozların paketlenmesini arttırır.
Görünür yoğunluk çeşitli cihazlar kullanılarak ölçülebilir: (a) Hall, (b) Scott ve (c) Arnold akış ölçerleri Hall akış ölçeri, akış hızı ve görünür yoğunluk hakkında bilgi verdiğinden büyük parçacıklar için kullanılır. Bu cihaz 2,5 mm çaplı deliği olan 60 açılı bir hunidir. Akış hızı, 50 g ağırlığındaki bir tozun Hall akış ölçerden aktığı saniye cinsinden süre olarak ifade edilir. Kısa akış süreleri tozların serbest akışını, uzun akış süreleri tozlar arasındaki yüksek sürtünmeyi gösterir. Test genellikle %5 gibi bir hataya karşılık ±2-3 sn arasında tekrarlanabilirliğe sahiptir. 36 Görünür yoğunluk= toz ağırlığı/kabın hacmi
(b) Scott düzeneği akmayan küçük tozlara uygulanır. (c) Arnold metre ise görünür yoğunluğun ölçümü için toz akışını en aza indiren ve 20 cm 3 lük silindirik bir hacime doldurulan tozun fazlasının bir bilezikle sıyrılmasını sağlar. Bu teknik toz sıkıştırma işlemlerinde kalıp boşluklarının doldurulması ile en iyi bağlantılandırmayı sağlar. Bu testler genellikle ±0,1 g/cm 3 sapma ile tekrarlanabilir. 37
Piknometre yoğunluğu tozun gözeneksiz yoğunluğunu tahmin eder. Piknometre yoğunluğu aynı zamanda kapalı gözenek ölçüsünü de verir. Basınçlı helyum kullanılarak hacmi bilinen bir hazne içersine, kütlesi bilinen ancak hacmi bilinmeyen bir tozun içerisindeki gözenek hacmi ölçülür. Tozun kütlesi, tozun hacmine bölündüğünde piknometre yoğunluğunu verir. Parçacıkların içindeki kapalı gözeneklere test gazı ulaşamadığı için piknometre yoğunluğu teorik yoğunluktan genellikle daha düşüktür. Tipik doğruluk ±%0,2 dir. 38
39 Yüzey Alanı Yüzey alanı çok sayıdaki parçacığın dış yüzeyinin ortalama bir ölçüsüdür. Böyle bir ortalama parametre kimyasal tepkimeye girebilirlik, paketleme, katalitik davranış, adsorbsiyon, kirlenme ve hatta sinterleme ile bağlantılıdır. Ancak bir tozun yüzey alanı, özelliklerdeki dağılım veya toz yapısı hakkında fazla bir şey söylemez. Bu yüzden tozun yüzey alanı tozun ayrıntılı bir şekilde tanımlanması için diğer parametrelerle birleştirilir. Özgül yüzey alanı, birim kütle başına alan (m 2 /g) olarak açıklanır.
40 Birim ağırlık başına yüzey alanı: S=A/w ile verilir, buradan da S: özgül yüzey alanı D: ortalama parçacık boyutu ρ M : teorik malzeme yoğunluğu w: parçacığın ağırlığı Yüzey alanı ölçümü gaz geçirgenliği ve gaz adsorbsiyonu teknikleriyle belirlenir.
1. Gaz adsorbsiyonu ile yüzey alanı analizi Temiz bir toz yüzeyi elde etmek için tozun vakumda ısıtılması sağlanır. Bu temiz toz, değişen kısmi basınçlardaki adsorbsiyon buharlarına maruz bırakılır. Toz yüzeyinde adsorbe edilen gaz miktarına karşı kısmi basınç ölçümü yapılır. Kavramın Brunauer, Emmett ve Teller tarafından 1938 de geliştirilmesinden sonra ölçüm genellikle BET özgül yüzey alanı olarak tanımlanmıştır. Denge durumunda adsorbsiyon hızı buharlaşma hızına eşittir. Şekilde BET tekniğinin toz yüzeyi doyana kadar gaz miktarını değiştirerek yüzeyi titizlikle incelediğini göstermektedir. Her bir gaz molekülünün belirli bir alanı kapsadığı kabul edilerek tozun yüzey alanı, adsorbsiyon hesaplanabilir. davranışından 41
42 Numune içeren cam bir kap, sıvı azot gibi soğutucu bir akışkan içine daldırılır. Adsorbsiyonu başlatmak için numune sıcaklığı ayarlanır. Adsorbsiyon için, azot, kripton, CO, CO 2, su ve benzen gibi gazlar kullanılır. Ölçümler ısıl iletkenlik köprüsü veya basınç ölçer gibi bir dedektör ile yapılır.
43 2. Gaz geçirgenliği ile yüzey alanı analizi Gözenekli bir yapıdan geçen bir gazın geçirgenliği de yüzey alanına bağlıdır. Gözenekli bir malzemede akış için verilen Darcy denklemi akış hızının basınç düşüşüne (ΔP) ve gaz viskozitesine bağlı olduğunu ifade eder.
Geçirgenliğe dayalı yüzey alanı ölçümleri Fisher Elek altı Boyutu veya FSSS olarak tanımlanır. Ağırlığı bilinen bir miktar toz bilinen bir akış hızına maruz bırakılır ve geçirgenliği belirlemek için basınç düşüşü ölçülür. Gözeneklilik ve teorik yoğunluk biliniyorsa özgül yüzey alanı Kozeny ve Carman a ait şu denklemle hesaplanabilir: 44 α: geçirgenlik katsayısı ρ M : teorik malzeme yoğunluğu ε: gözeneklilik oranı
45 Bu teknik 0,5-50 mm aralığındaki parçacıklara uygulanır. Ölçülen yüzey alanı eşdeğer küresel çapa çevrilir ve bu elek altı boyut olarak rapor edilir. Genellikle yüzde birkaç yakınlıkla doğrudur. Bu ölçüm yüzey alanına katkısı olan kapalı gözenekleri dikkate almadığı ve sadece gaz akışında yer alan gözenekleri hesaba kattığı için yaklaşık değer verir. Bununla birlikte ölçüm basittir ve bu cihazlar yaygın olarak kullanılır.
46 Sıkıştırılabilirlik Sıkıştırma tozları şekillendirmenin yaygın bir yoludur. Dolayısıyla basınca verilen tepki önemli bir toz özelliğidir. Sıkıştırılabilirlik uygulanan bir yük altında tozun yoğunlaşmasını ölçer. Tipik test geometrisi basit bir silindir veya dikdörtgendir. Kalıp toz ile görünür yoğunlukta doldurulur ve yoğunluk sıkıştırmadan sonra ölçülür. Ham yoğunluk preslemeden sonraki yoğunluktur ve sıkıştırılabilirliğin ifade edilmesinde temel oluşturur. İki farklı ölçüm kullanılır: 1. hedeflenen ham yoğunluğa ulaşmak için gereken basınç 2. bir basınçta preslemeden sonraki ham yoğunluk
47 Sıkıştırma oranı C R, 400MPa standart sıkıştırma basıncı altındaki hacim veya yoğunluk değişimini ifade eder: V L : gevşek toz hacmi, V C : sıkıştırılmış toz hacmi, ρ G : ham yoğunluk, ρ A : görünür yoğunluk Tozlar arası yüksek sürtünme, düşük görünür yoğunluk verecek ancak parçacık boyutu, sertlik ve yağlama gibi diğer faktörler sıkıştırılmış yoğunluğu (ham yoğunluk) etkileyecektir.
Örnek: 48