TOZ ÜRETİM TEKNİKLER KLERİ DERS NOTLARI YRD. DOÇ.. DR. ATİLLA EVCİN Atomizasyon Bu işlemde ergimiş metal küçük damlacıklara parçalanır ve damlacıklar birbirleri ile veya katı yüzeyle temasa geçmeden hızlıca soğutulur. Ana fikir, ergimiş metali yüksek enerjili gaz veya sıvı çarpmasına maruz bırakarak sıvı metali daha küçük parçalara ayırmaktır. Hava, azot ve argon en çok kullanılan gazlardır. Su ise sıvılar içinde en çok kullanılandır. Nozulun tasarım ve geometrisi, atomize eden akışkanın basıncı ve hacmi, sıvı metalin akış çapı gibi bir çok parametreyi değiştirerek toz boyutu dağılımını kontrol etmek mümkündür. Tanecik şekli ise katılaşma hızı ile belirlenir, düşük soğutma kapasiteli gazlar icin küresel şekilden yüksek soğutma kapasiteli su için karmaşık şekle dönüşür. Genelde bu toz üretim metodu ergitilebilen tüm malzemeler için uygulanabilir ve ticari olarak demir, takım çelikleri, alaşımlı çelikler, bakır, pirinç, bronz, aluminyum, kalay, kurşun, çinko ve kadmiyum tozlarının üretilmesinde kullanılır. Krom içeren alaşımlar gibi kolayca oksitlenen metallerde atomizasyon argon gibi asal gazlar yardımıyla gerçekleştirilir. 1
Atomizasyon, alaşımı oluşturan tüm metallerin ergimiş durumda tamamen alaşımlandığı için, özellikle alaşımların toz halinde üretilmesinde faydalı bir yöntemdir. Böylece her toz taneciği aynı kimyasal bileşime sahip olur. Atomizasyon yönteminin avantajlarından biri de alaşım tozlarının ergitilmesinde rahatlıkla kullanılabilmesidir, bu yöntemle üretilen tozların bileşimleri her bir toz tanesinde aynı kalmaktadır. 1 Döner disk atomizasyonu Atomizasyon için değişik yöntemler kullanılabilmektedir, bunların içinde önemli bir yer tutan yöntem olarak merkezkaç kuvvetinin etkisiyle toz metal üretimini sağlayan döner disk yöntemini görmekteyiz. Bu yöntem içinde de iki ayrı üretim tekniği vardır, bunlardan biri belli bir miktarda sıvı metal toz oluşturacak kadar merkezkaç kuvvete tabi tutulur, diğer yöntemde ise ergimiş metal sürekli olarak dönen bir disk veya koni üzerine akıtılır, buradan saçılan metalin toz haline gelmesi sağlanır. Atomizasyon çeşitleri ; Döner Disk Yöntemi Döner Elektrod (REP) Yöntemi Vakum Atomizasyon Yöntemi Su AtomizasyonYöntemi Gaz AtomizasyonYöntemi Şekil Döner disk atomizasyon yöntemi 2
Bir potadan tandişe aktarılan sıvı metal, tandiş altındaki memeden dönen bir disk üzerine akıtılır. Disk üzerindeki set ve yarıklara çarpan sıvı metal parçalanarak şekildeki gibi saçılır. Saçılan metal parçacıklar nozülden çıkışta bazen su ile soğutularak birbirine yapışmadan katılaşmaları sağlanır. Sıvı metali mekanik olarak parçalamakta uygulanan basit bir yol da katılaşma sırasında karıştırmaktır. Örneğin aluminyum katılaşırken karıştırılırsa toz haline gelir. Aluminyum, çinko, kalay gibi metallerin bu yolla çok şekilli tozları elde edilebilir. Şekil Döner elektrot (Rotating Electrote Process REP) yöntemi 2 Döner Elektrot REP Yöntemi Bu yöntemde tozu elde edilecek metalden yapılmış bir elektrot ile ergimeyen tungsten elektrot arasında ark oluşturulur (Şekil ). Ergiyen elektrodun döndürülmesiyle, elektrik arkı altında bunun ucunda oluşan metal damlaları savrularak parçalanır ve tankta toplanır. Oksidasyonu önlemek için toz toplama tankı genellikle helyum, argon gibi bir asal gazla doldurulur. Bu yöntemle küresel ve oldukça eşit tane iriliğinde metal tozu üretmek mümkün olmaktadır. 3 Vakum Atomizasyonu Bu yöntemde Şekil te görüldüğü gibi silindirik bir tankın alt kısmında sıvı metal potası, üst kısmında da vakum atomizasyon odası bulunmaktadır. Her iki bölüm sıvının geçeceği memeyi taşıyan bir plaka tarafından bölünmüştür. Memenin alt kısmında ona bağlı bir seramik boru bulunmaktadır. Vakum altındaki sıvı metal önce belirli bir sıcaklığa kadar indüksiyon akımı ile ısıtılır, bundan sonra bu bölüme hidrojen gazı doldurulur. 3
Potadaki sıvı metalde bu hidrojen gazı çözündükten sonra potayı yukarı taşıyan mil potayı yukarı iterek seramik boruyu potaya daldırır. Üst kısımda vakum olduğu için ergimiş sıvı metal memeden geçerek parçalanarak pulverize olur ve soğur. Böylece metal ve alaşımlarından ince küresel tozlar üretilebilmektedir. 4 Su Atomizasyon Yöntemi Sıvı metali pulverize etmek için bu yöntemde basınçlı su kullanılır. Şekil da yöntemin temel prensibi şematik olarak gösterilmektedir. Ergitme ocağından tandişe, buradan da bir nozülden geçerek akan sıvı metal demetine belirli açıda basınçlı su püskürtülerek pülverize olması sağlanır. Kimyasal ve fiziksel özellikleri değiştirebilmek için suya bazı katkılar yapılabilir. Özel memelerden püskürtülen suyun basıncı 5,5-20 MPa, hızı 70-230m/s, debisi ise 110-380 litre/dakika değerleri arasında değişir. Kullanılan su filtre edilip soğutulduktan sonra tekrar kullanılabilir. Atomize edilen sıvı metal paslanmaz çelikten yapılan bir tankta toplanır. Metal tozunu oksidasyondan korumak için tanka azot gazı doldurulabilir. Şekil Vakum atomizasyonu yöntemi Sıvı metalin aktığı memenin şekli ve suyu püskürten üfleçlerin tipi elde edilecek metal tozunun boyutlarını, boyut dağılımını ve şeklini etkilemektedir. 4
Her iki oda da vakum pompasına bağlantılı olup oksidasyonu engellemek için işlem vakum altında yapılmaktadır. Sıvı metal potası ve atomizasyon memesi yüksek frekanslı indüksiyon bobinleri ile sıcak tutulmaktadır. Atomizasyon odasında oluşan fazla buharı ve yüksek basıncı atmak için emniyet ventilinden yararlanılmaktadır. Şekil Su atomizasyon yöntemi Bu ventilin bulunduğu borunun diğer ucu siklon ve filtre üzerinden atmosfere veya bir emişe bağlıdır. 5 Gaz Atomizasyon Yöntemi Basınçlı gaz ile atomizasyon da prensip olarak su atomizasyon yöntemine benzer, ancak burada akışkan olarak su yerine gaz kullanılır. Gaz yerine, su buharı veya hava da kullanılabilmektedir. Basınçlı gaz ile atomizasyonu Şekil deki gibi şematik olarak gösterebilir. Sistemin birbirine püskürtme memesi ile irtibatlı düşey olarak üst üste bulunan iki odası vardır. Üstteki odada sıvı metal potası bulunmakta, alttaki odada ise atomizasyon işlemi yapılmaktadır. Basınçlı gaz tüpünden boru ile memeye ulaşan gaz potadaki sıvı metali beraberinde sürükleyerek atomizasyon odasına pulverize ederek dağıtılır. Soğuyan metal tozu bu odanın tabanındaki bir hazne içinde toplanır. Pulverize edilen metal tozlarının birbirine yapışmaması şekillerinin bozulmaması için atomizasyon odasının boyutları dikkatli seçilmelidir. Süper alaşımlar için kapalı kullanılır. devre argon gazı 5
Fiziksel Karakterizasyon Metodları Şekil Gaz atomizasyon yöntemi Helyum piknometresiyle bulk yoğunluğun ölçümü Sinterlenmiş bir örneğin bulk yoğunluğunun hesaplanması Açık gözeneklilik ve gözenek boyut dağılımının ölçümü Hidrostatik ağırlık yardımıyla toplam gözenekliliğin hesaplanması Lazer difraksiyon metoduyla tane boyut ölçümü Gaz adsorpsiyonu yardımıyla spesifik alanın ölçümü Zeta potansiyel ve mobilite ölçümü Toz akışının ölçümü Tozların n Karakterizasyon Metodları Tozların Karakterizasyon Metodları aşağıdaki gibi sınıflandırılır ; Fiziksel Karakterizasyon Metodları Termal Karakterizasyon Metodları Mekanik Karakterizasyon Metodları Kimyasal Karakterizasyon Metodları Mikroyapısal Karakterizasyon Metodları Yapısal Karakterizasyon Metodları Reolojik Karakterizasyon Metodları Helyum Piknometresi Arşimet'in akışkan taşması prensibini ve Boyle Kanunu'nu kullanarak hacim ve gerçek yoğunluğu bulmayı amaçlar. Ölçümlerin doğruluğunun maksimum olması için taşan akışkan, en küçükleri dışındaki tüm gözeneklere girebilen bir tesirsiz gaz olmalıdır. Bu nedenle, ölçümler için küçük atomik boyutları 0.25 nm çapındaki girinti ve gözeneklere yaklaşan Helyum gazı uygun görülmektedir. 6
Helyum'un ideal gaz olarak davranışları da tercih nedenidir. Başka gazlar kullanıldığında da (azot gibi), genellikle ölçülebilir bir fark meydana gelmemektedir Helyum'un ideal gaz olarak davranışları da tercih nedenidir. Başka gazlar kullanıldığında da (azot gibi), genellikle ölçülebilir bir fark meydana gelmemektedir. Helyum geçirgenliğine sahip yapılar için (düşük yoğunluklu polimerler ve bitki kökenli malzemeler gibi) azot veya SF6 gazı kullanılması gereklidir. Porozimetre, düşük basınç (50psi'a kadar) ve yüksek basınç (60,000 psi'a kadar) olmak üzere iki örnek haznesine sahiptir. Ölçümler için çeşitli boy ve çapta penetrometreler (örnek hücreleri) kullanmak mümkündür. Cihazda 950 mikron ile 0.0036 mikron arasındaki gözenek çapları ölçülebilmektedir. Porozimetre bilgisayar kontrollüdür. Ölçümlerde intrüzyon ve ekstrüzyon verileri elde edilebilmektedir. Civalı Porozimetre Cıvalı porozimetreler, tepkimeye girmeyen, ıslatımsız bir sıvının yeterli basınç uygulanmadıkça küçük gözeneklere giremeyeceği fiziksel prensibine göre çalışmaktadırlar. Uygulanan basınç ile gözenek çapı arasındaki ilişki Washburn denklemi ile elde edilmektedir: Burada P uygulanan basınç, D gözenek çapı, γ cıvanın yüzey gerilimi (480 dyne/cm) θ cıva ile gözenek duvarı arasındaki temas açıdır (genellikle 140 ). Ölçümler granül, pelet ve katı madde parçaları üzerinde yapılabilmektedir. (Toz numuneler, ölçüm için pelet haline getirilerek teslim edilmelidir) En büyük partikülün çapı 8 mm'den fazla olmamalıdır). Uygulamalar Gözenekliliğin belirlenmesi, Gözenek hacmi dağılımı, Gözenek boyutu dağılımı, Yüzey alanı dağılımı, Parçacık boyutu dağılımı, Yığın (bulk) yoğunluğu ve görünür yoğunluk 7
Lazer Difraksiyon Metodu (Mastersizer) Tane boyu bilgisi gerekir, çünkü sağlamlık, kimyasal reaktiflik, opaklık, akışkanlık ve malzeme mukavemeti içindeki tane boyu karakteristiklerine bağlıdır. Küçük tanelerin boyutlarını ölçmek için Mie Teorisi kullanılır. Mie Teorisi ışığın ortam içerisinde tane boyu etrafındaki hem kırılmasını hem de geçirgenliğini dikkate alır. Mie modelini kullanabilmek için hem örneğin hem de ortamın kırılma endekslerinin bilinmesi gerekmektedir. Sıvı içerisinde dağıtılmış katılar ve kolloidler, emülsiyonlar, kuru toz ve toz kütleleri. Kuru metot için yaklaşık 10 g örnek gereklidir. Yaş metot için 200 mg gereklidir. Uygulamalar Seramikler Toz Metalürji Mineral prosesleri Toz yiyecek ürünleri Mürekkepler Tane boyu aralığı: 0.02 ile 2000 mikron arası (malzeme özelliklerine göre değişir) Ölçme prensibi : Mie saçılması Detektör sistemi: Kırmızı ışık: Ön saçılma, kenar saçılması, arka saçılma. Mavi ışık: Geniş açılı ön ve geri saçılma. Işık kaynağı: Kırmızı ışık: Helyum neon lazer. Kırmızı ışık: Katı hal ışık kaynağı Spesifik Yüzey Alanı Katılardaki atomlar, komşu atomların elektriksel çekim kuvvetleri ile sabit konumda yerleşmişlerdir. Ancak katı maddenin yüzeyindeki atomlarda, kendilerinden daha altta olanlara göre az sayıda komşu atom vardır. Yüzey atomları bu elektriksel kuvvet dengesizliğini telafi edebilmek için, çevredeki gaz atomlarını çekmeye çalışırlar. Bu da katıların karakterizasyonu için yararlı bilgiler sağlayan adsorpsiyon (tutunum) adlı bir sürece yol açar. 8
Fiziksel adsorpsiyon çalışmaları, asıl olarak bir örneğin yüzey alanının, gözenek boyutu dağılımının ve gözenek şeklinin elde edilmesi amacıyla yapılmaktadır. Kimyasal adsorpsiyon deneylerinde ise bir örnekteki kimyasal olarak aktif bölgelerin belirlenmesi hedeflenmektedir. Böylelikle, kimyasal ve katalizör tepkimeleri sağlayacak olan yüzey aktif alanlarının sayısı bulunabilmektedir. Zeta Potansiyel Ölçümü Zeta potansiyel, taneler arasındaki itme veya çekme değeri ölçümüdür. Zeta potansiyel ölçümü dağılma mekanizmaları ile ilgili ayrıntılı bilgi verir ve elektrostatik dağılma kontrolünün anahtarıdır. Belli bir yükteki tane, süspansiyon içerisindeki karşı yükteki iyonları çeker, sonuç olarak, yüklü tanenin yüzeyinde güçlü bir bağ yüzeyi oluşur ve daha sonra da yüklü tanenin yüzeyinden dışa doğru yayılmış bir yüzey oluşur. Cihaz, herhangi bir katı örnekte yapılacak kimyasal ve fiziksel adsorpsiyon deneylerinde kullanılabilir. Kimyasal tutunum deneyleri için farklı çalışma makroları kullanmak mümkündür. Ölçümler, pelet, toz ve parça halindeki katı maddeler üzerinde yapılabilmektedir. Örneklerin önceden ısıtılarak su ve nemden arıtılmış olması gereklidir. Ölçüm için en az 5 g örnek sağlanmalıdır. Uygulamalar Yüzey alanı, Gözenek boyutu dağılımı, Gözenek şekli, Kimyasal olarak aktif yerlerin belirlenmesi. Yayılmış bu yüzey içersinse "kayma yüzeyi" diye adlandırılan bir sınır bulunur. Yüklü tane ve onun etrafında bulunan iyonların kayma yüzey sınırına kadar olan kısım tek bir parça olarak hareket eder. Bu kayma yüzeyindeki potansiyel zeta potansiyeli olarak isimlendirilir ve hem tanenin yüzey yapısından hem de içinde bulunduğu sıvının içeriğinden etkilenir. Tanelerin polar sıvılar içerisindeki davranışlarını yüzeylerindeki elektrik yükü değil, zeta potansiyel değerleri belirler. 9
Katı-sıvı karışımları ve kolloidler Tane boyu aralığı 2 nm-3 µm 3 nm-10 µm Minimum örnek hacmi 12 µl 0.75 ml Uygulamalar Polimer ve proteinler (Topluluk ölçümleri) Nanotaneler Emülsiyon kararlılığı (Tane boyu ve Zeta potansiyel) Pigmentler (Pigment rengi ve tonu tane boyuna bağlıdır) Atık su arıtımı (Atık suyun içindeki tanelerin topaklandırılma koşulları) Seramik prosesleri ( Seramik süspansiyonlarının dağılma kalitesi) Sıvı mürekkep ve tonerler Termal Karakterizasyon Metodları Termal şok direncinin ölçümü Termogravimetrik analiz (TGA) Diferansiyel termal analiz (DTA) Dilatometrik analiz 10