Metalurji

Mühendisliğine

Giriş

Doç. Dr. Rıdvan YAMANOĞLU

Ders İçeriği Giriş ve Ders İçerik Tanıtımı

Metalurji – Malzeme Nedir, Nasıl Sınıflandırılır

Birim Sistemleri

Temel Malzeme Grupları, Sınıflandırma

Temel Malzeme Grupları ve Günümüz Kullanım Alanları

Geçmişten Günümüze Demir-Çelik

Demir Dışı Metaller

Demir Dışı Metaller

Cam ve Seramik Malzemeler

Malzeme Üretim Yöntemleri

Döküm ve Plastik Şekil Verme Teknolojileri

Toz Metalurjisi ve Metalik Malzeme Uygulamaları

Toz Metalurjisi ve Seramik Malzeme Uygulamaları

Toz Metalurjisi ve Kompozit Malzeme Uygulamaları

Yeni Nesil Malzemeler

Yeni Nesil Üretim Yöntemleri

Malzeme Bilimi

Taş devri, Tunç devri, Demir devri... İnsanlık tarihi boyunca devirler bile

isimlerini malzemelerden almıştır.

İnsan her türlü aleti yani malzemeleri kullanabilme yeteneğine sahip olduğu

için diğer yaratıklara üstünlük sağlamış ve kendi malzemelerini geliştirdiği

için bugünkü teknolojik seviyeye erişmiştir.

Bir mühendise göre malzeme, ‘Bir teknik fikri gerçekleştirmede kullandığı

katı cisim’ dir. Fakat somut olarak malzeme, hem metal, hem plastik, hem

ağaç, hem taş, hem ipek ve hem de yündür. Herhangi bir şeye

ulaşabileceğimiz, üretebileceğimiz maddedir. Tüm bu örnekler çoğaltılabilir.

Wikipedia: Kullanılabilir cisimler yapmak amacı ile doğal ya da yapay olarak

üretilmiş maddelere malzeme denir.

Malzeme Bilimi

Herhangi bir sınır olmadığından branşlaşmaların olması mümkündür.

Tekstil mühendisi, makine mühendisi, seramik mühendisi, biyomedikal

mühendislik......

Tüm bu farklı branşların, dalların kendi alanlarında yeni teknolojik ürün

geliştirebilmeleri için malzeme kavramının iyi anlaşılması gerekir. Malzeme

biliminin önemi ise bu aşamada devreye girmektedir.

Malzeme Bilimi

Malzeme mühendisliği, tüm metallerin ve metal olmayan malzemelerin,

sentetik ve doğal malzemelerin, ham maddelerden üretilmesinden,

kullanımları sırasındaki davranışlarından, hasara uğramalarından ve geri

dönüşüm ürünü olarak tekrar kazanımlarından sorumlu olan bir daldır.

Demirden çelik olur, çeliğe su verilir top olur, tüfek olur, süngü olur, dişli çark

olur, pim olur, bıçak olur, neşter olur. Aluminyumdan piston olur, motor olur,

uçak olur...

Metaller nasıl dökülür, nasıl dövülür, nasıl bükülür, nasıl kesilir... Nasıl

kaynak edilir, nasıl sertleştirilir... Taşı, kayayı ve en sert çeliği işleyen

takımların kendileri nasıl yapılır...

İŞTE MALZEME BİLİMİ BUNLARLA İLGİLENİR....

Kaynak: Mehmet Yüksel, ‘Malzeme Bilgisi’, TMMOB Makina Mühendisleri Odası, MMO2003/271/2, 2003.

Metalurji ve Malzeme

Metalurji

METALURJİ....

Metal Bilimi, metal ve alaşımların, cevher veya metal içeren

hammaddelerden, kullanım sürecine uygun kalitede üretilmesini,

saflaştırılmasını, alaşımlandırılmasını, şekillendirilmesini, korunmasını, ve

«üretim – kullanım» ömrü içindeki çevresel kaygı ve sorumlulukları da

dikkate alarak, insanların ihtiyaçlarına cevap verecek özellikte ve biçimde

hazırlanmasını hedef alan bilim ve teknoloji dalıdır.

Üretim Metalurjisi (Ekstraktif Metalurji) ve Fiziksel Metalurji (Malzeme Bilimi)

Metalurji

Metalurji, konusu itibarıyla, üretim metalurjisi (Ekstraktif

metalürji ya da Kimyasal metalurji) ve fiziksel metalurji (Malzeme

bilimi) olmak üzere iki ana dala ayrılmaktadır. Üretim metalurjisi,

gerek doğada mevcut cevherlerden, gerekse metal içeren

hammaddelerden veya ikincil kaynaklardan (hurda, artıklar, baca

tozları, vs.) fiziksel ve kimyasal yöntemlerle saf metallerin veya

alaşımların üretimi konularını kapsar.

Öte yandan Malzeme Bilimi, metallerle birlikte seramikleri

(porselen, fayans, tuğla, kiremit, cam, ateş tuğlası, refrakter

malzemeler, özel sermetler, vb. malzemeleri), organik yapı

malzemelerini (bilhassa polimerler gibi plastikleri, kauçuk

maddesini), çimento, ahşap, fiber ve kompozit malzemeleri,

elektrik-elektronik ve manyetik malzemelerini, dişçilik ve tıpta

kullanılan malzemeleri, yakıt malzemelerini ve bunların

özelliklerinin geliştirilmesini ve üretimini inceleyen bilim dalıdır.

Üretim Metalurjisi (Ekstraktif Metalurji)

Cevher hazırlama

Pirometalurji

Hidrometalurji

Elektrometalurji

Üretim metalurjisi, cevher hazırlama aşamasından başlayarak, pirometalurjik, hidrometalurjik ve

elektrometalurjik yöntemler uygulamak suretiyle metalin cins ve özelliğine uygun işlemler seçmekte ve

diğer endüstrilerde kullanılmaya elverişli saf metaller veya alaşımlar üretmektedir.

Ekstraktif metalurji, cevherden metalin özünü çıkararak, arındırır ve geri dönüşümünü sağlar. Yer

kabuğunda bulunan birçok metal doğada oksit ve sülfür bileşikleri halinde bulunmaktadır.

Bu mineral bileşikleri istenen metali elde etmek için azaltılmalıdır.

Üretim metalurjisi, gerek doğada mevcut cevherlerden, gerekse metal içeren hammaddelerden veya

ikincil kaynaklardan (hurda, artıklar, baca tozları, vs.) fiziksel ve kimyasal yöntemlerle saf metallerin veya

alaşımların üretimi konularını kapsar.

Metalurji

Halil Arık, Gazi Üniversitesi, Ekstraktif Metalurji Ders Notları, 2009

Üretim Metalurjisi (Ekstraktif Metalurji)

Cevher hazırlama

Pirometalurji

Hidrometalurji

Elektrometalurji

Metallerin Reaktiflik Serisi

Metallerin büyük çoğunluğu elektropozitiftir ve doğada

elektron kaybederek diğer elementlerle bileşik oluşturma

eğilimindedirler. Metallerin bileşik oluşturma hızı farklılık

gösterir. Yandaki çizelgede en aktif metal potasyum, en

az aktif ise platindir.

Metalurji

Halil Arık, Gazi Üniversitesi, Ekstraktif Metalurji Ders Notları, 2009

Üretim Metalurjisi (Ekstraktif Metalurji)

Cevher hazırlama

Pirometalurji

Hidrometalurji

Elektrometalurji

Metallerin Reaktiflik Serisi

Altın, platin gibi birkaç metal dışında bütün metaller

doğada bileşik halde bulunur.

Metalurji

Halil Arık, Gazi Üniversitesi, Ekstraktif Metalurji Ders Notları, 2009

Üretim Metalurjisi (Ekstraktif Metalurji)

Cevher hazırlama

Pirometalurji

Hidrometalurji

Elektrometalurji

Bir cevherdeki çeşitli mineralleri, kimyasal yapılarını

bozmadan, endüstrinin ihtiyaçlarını en iyi

karşılayabilecek hammadde haline getirmek ve

ekonomik değeri olanlarla olmayanları birbirinden

ayırmak için yapılan işlemlerin tümüdür.

Metalurji

Halil Arık, Gazi Üniversitesi, Ekstraktif Metalurji Ders Notları, 2009

Mineral (doğal olarak oluşur, herhangi bir parçası bütününün özelliklerini taşır, belirli bir kimyasal

formulü vardır, katı haldedirler. Hematit Fe2O3

Dünya kabuğunu teşkil eden ve doğal olarak belirli bir kimyasal yapıdaki homojen maddelere mineral

denir.

Doğal şekilde oluşan, homojen, belirli bir kimyasal bileşime sahip ve belirli kristal yapısı olan homojen

maddelerdirler.

Beyaz, kalsit

Metalik gri: galenit

Açık mor: florid

Minerals, Issue #4, The Collector’s Newspaper 2012

Kuvars, Myanmar da

Metalurji

Endüstride ekonomik şekilde üretime yarayan minerallere cevher adı verilir.

Cevher ve mineral terimlerini birbirinden iyice ayırmakta fayda vardır. Her cevher bir veya birden fazla

mineral ihtiva eder. Fakat her mineralizasyon cevher vasfında olmak durumunda değildir.

Bu arada mineralojik açıdan cevher deyimi ile metalurjik açıdan cevherden anlaşılan husus arasında

da farklılık vardır. Mineralojik anlamda cevher tarifi teknolojik faydalanma imkanını kapsamaz.

Metalurjik açıdan tarifinde ise teknolojik faydalanma temel kriterlerden biridir.

Herhangi bir metalin minerallerini içeren ve ekonomik değeri olan kayaçtır. Bir kayacın cevher

olabilmesi için ekonomik değeri olması kritiktir. Örneğin bir altın rezervi için, üzerinde yapılan fizibilite

çalışmalarının ardından eğer o rezerv kar edilebilecek şekilde işletilebilecekse, yani ekonomik değeri

varsa, rezervdeki altından "altın cevheri" olarak bahsedilebilir. Değerli olarak bilindiği halde ekonomik

olarak işletilemediği, yani cevher sıfatını alamadığı için ayaklarımızın altında yatan yüz binlerce ton

rezerv vardır. Örnek (Fe2O3,SiO2,Al2O3, )

Metalurji

Maden yatağı yer kabuğunu meydana getiren kayaçlar içinde normal bir dağılım gösteren çok sayıda

mineralden bazılarının miktar, zaman ve yerel koşullarına göre teknik ve ekonomik açıdan

kendilerinden faydalanılabilecek durumda yüksek yoğunlaşma gösterdikleri yerlerdir.

http://www.sro.wa.gov.au/collection/mining-records

Metalurji

Üretim Metalurjisi (Ekstraktif Metalurji)

Cevher hazırlama

Pirometalurji

Hidrometalurji

Elektrometalurji

Pirometalurji, yüksek sıcaklıklar gerektiren bir ekstraktif

metalurji metodu diye tarif edilebilir.

Pirometalurji işlemlerinde gerekli olan ısı yakıt yakmak

suretiyle karşılanmaktadır.

Yakıt yanması sonucu elde edilen ısı ile birlikte çıkan

indirgeyici (indirgeyici) gazların mineralleri indirgemesi ile

metaller elde edilmektedir.

Cevherler, konsantreler, ara ürünler, yakıtlar, katkı maddeleri

ve havanın oksijeni piro–metalurji işlemlerinin hammaddesini

teşkil etmektedir.

Metalurji

Halil Arık, Gazi Üniversitesi, Ekstraktif Metalurji Ders Notları, 2009

Üretim Metalurjisi

Cevher hazırlama

Pirometalurji

Hidrometalurji

Elektrometalurji

MetalurjiSulu ortamlarda yapılan işlemlerle, cevher, konsantre,

kalsine v.s. maddelerin çözülüp metallerin sonradan

ayrılması diye tarif edilebilir. Hidrometalurji işlem

kademeleri çoğu zaman cevher zenginleştirme işlem

kademelerini (öğütme, sınıflandırma, filtrasyon) içine

almaktadır.

Hidrometalurji bir bakıma laboratuarlarda kullanılan sulu

üretim metotlarının endüstriyel ölçüde tatbikidir. Uygun sulu

solüsyonlar kullanılmak suretiyle mineral içindeki metal

çözünmekte ve metal içermeyen gang minerali ise

çözünmeksizin artık malzemede kalmaktadır. Metallerin bu

şekilde uygun solüsyonlarla çözünmesine liç denmektedir.

İnce taneli ham maddeler, mekanik karıştırıcılardan veya

basınçlı havadan faydalanmak suretiyle solüsyon ile

devamlı surette karıştırılarak liç yapılır. Liç işlemi

tamamlandıktan sonra çözelti artıklardan ayrılmak (filtre

etmek vs.) suretiyle zengin liç solüsyonu elde edilir.

Halil Arık, Gazi Üniversitesi, Ekstraktif Metalurji Ders Notları, 2009

Üretim Metalurjisi (Ekstraktif Metalurji)

Cevher hazırlama

Pirometalurji

Hidrometalurji

Elektrometalurji

Metalurji

Elektrometalurji : Cevher veya metal ihtiva eden

her çeşit ham madde içindeki metalleri elektrik

enerjisinden faydalanarak üretmeye elektrometalurji

denir. Gerçekte Elektro–metalurji elektro–kimyanın

bir kısmını teşkil etmektedir. Elektro–metalurjide

elektro–kimya metotlarının metallere tatbiki söz

konusudur.

Elektro-kimyanın iki temel bölümü vardır.

1. Elektroliz (Elektrik enerjisi, elektroliz yapmak için

kullanılmaktadır.)

2. Elektrotermik (Elektrik enerjisi, tamamen ısı temin

etmek amacıyla kullanılmaktadır)

Halil Arık, Gazi Üniversitesi, Ekstraktif Metalurji Ders Notları, 2009

Üretim Metalurjisi (Ekstraktif Metalurji)

Cevher hazırlama

Pirometalurji

Hidrometalurji

Elektrometalurji

Metalurji

Elektroliz : Elektrik akımı yardımı ile, bir sıvı içinde

çözünmüş kimyasal bileşiklerin ayrıştırılması işlemidir. Bu

değişiklik maddenin elektron vermesinden (yükseltgenme)

ya da almasından (indirgenme) kaynaklanır. Elektroliz

işlemi, elektroliz kabı ya da tankı denen bir aygıt içinde

uygulanır. Bu aygıt, çözünerek artı ve eksi yüklü iyonlara

ayrılmış bir bileşiğin (→Elektrolit) içine birbirine

değmeyecek biçimde daldırılmış iki elektrottan oluşur.

Elektrotlar bir akım kaynağına bağlandığında meydana

gelen gerilim (elektriki alan), iyonları karşıt

yüklü elektroda (kutup) doğru hareket ettirir. Karşıt kutupta

yükünü dengeleyen atom veya moleküller elektrotta çökelir

veya elektrolit içindeki moleküllerle yeni reaksiyonlara girer.

Halil Arık, Gazi Üniversitesi, Ekstraktif Metalurji Ders Notları, 2009

Elektroliz

Elektroliz kapalı devre çalışan ve çevre kirliliğine duyarlı bir yöntemdir. Kurulum maliyeti ve

uygulama maliyeti düşük ve aynı zamanda yüksek saflıkta metal üretimi gerçekleştirilebilen

bir yöntemdir. Diğer yöntemlerle kıyaslandığında yüksek mukavemetle ve daha az oksijen

içeren malzeme üretimi için daha avantajlıdır.

Metalurji

Elektroliz

Bu tür bir sistemin çalışma prensibi Şekilde şematik

olarak gösterilmiştir. Olay, elektrolitik bir hücre

içerisinde uygulanan belirli bir gerilim altında

anodun çözünmesi ile başlar.

İlgili şekilde anot ve katot reaksiyonları bakır ve demir reaksiyonları olarak verilmiştir. Sülfat

esaslı elektrolit üzerinden gerçekleşen madde taşınımı ile katot üzerinde saf halde bir

çökelme gerçekleşir.

Katot üzerinde oluşan bu poröz çökeltiler daha sonrasında hazneden alınarak sırası ile

yıkama, kurutma, tavlama ve öğütme işlemlerinin uygulanması ile istenilen boyutta toz

haline getirilir .

Metalurji

Elektroliz

Elektrolitik teknikleri ile üretilen tozlar genel olarak

dendritik veya süngerimsi bir yapıdadır.

Tozun spesifik özellikleri, çöktürme süresince

sağlanan banyo koşullarına ve sonra gelen proses

kademelerine bağlıdır.

Yüksek akım yoğunluğu, asidik hücre kimyasalları

katotta gözenekli ve tozumsu birikinti oluşumunu

kolaylaştırır

Yapılacak hafif karıştırma katotta gevşek birikme

sağlar

Metalurji

Elektroliz

elektrolitik olarak üretilmiş nikel-kobalt tozlarının dentritik morfolojisi. (a) 300 X , (b) 1000 X.

Metalurji

Elektroliz

(a) Kobalt, 520 X, (b) Nikel 400 X.

Metalurji

Elektroliz

E. Uzun, M. Boz, 6th International Advanced Technologies Symposium, 83-87, 2011, Turkey

Örnek Uygulama: Bakır tozu üretimi,

Tozlar kurutulduktan sonra öğütme işlemine tabi tutulmuşlardır.

Metalurji

Fiziksel Metalurji (Malzeme Bilimi)

http://asiancorrespondent.com/44963/china-shrinks-rare-earths-export-quota

Malzeme Bilimi, metallerle birlikte seramikleri (porselen, fayans, tuğla, kiremit,

cam, ateş tuğlası, refrakter malzemeler, özel sermetler, vb. malzemeleri),

organik yapı malzemelerini (bilhassa polimerler gibi plastikleri, kauçuk

maddesini), çimento, ahşap, fiber ve kompozit malzemeleri, elektrik-elektronik

ve manyetik malzemelerini, dişçilik ve tıpta kullanılan malzemeleri, yakıt

malzemelerini ve bunların özelliklerinin geliştirilmesini ve üretimini inceleyen

bilim dalıdır.

Metalurji

Birimler

Ölçü Sistemleri

1. Metrik ölçü sistemi (Ülkemiz dahil birçok Avrupa

ülkesinde kullanılan sistem)

Uzunluk birimi metre. 1 metre, ışığın boşlukta

1/299.792.458 saniyede aldığı yol olarak

tanımlanmıştır.

UBS (SI:Système international d'unités)

2. İngiliz ölçü sistemi (Parmak ve Pus’da denir)

(İngiltere, ABD, Kanada, Japonya ve diğer bazı ülkelerde

kullanılan sistem) Uzunluk birimi yarda (yd) dır.

1 yarda = 3 fit (ft)

1 fit = 12 inç (inch)

Not: İngiltere 1995 yılında metrik sisteme

geçmesine rağmen hala kullanmaktadır.

1 metre = 39,37 inç = 3,28 ft

1 inç = 2,54 cm

Metalurji

T tera = 1012 1 000 000 000 000

G giga = 109 1 000 000 000

M mega = 106 1 000 000

k kilo = 103 1 000

h hekto = 102 100

D (da) deka = 101 10

birim = 1

d desi = 10-1 0,1

c senti = 10-2 0,01

m mili = 10-3 0,001

µ mikro = 10-6 0,000 001

n nano = 10-9

p piko = 10-12

f femto = 10-15

a atto = 10-18

Metalurji

Uzunluk:Metrik sistemde uzunluk birimi metredir. İngiliz ölçü biriminde parmak (inç) birimidir.

Kütle :Metrik sistemde kütle birimi gramdır. İngiliz ölçü biriminde ons dur.

Hacim :Metrik sistemde hacim birimi litredir. İngiliz ölçü biriminde galondur.

Kuvvet :Metrik sistemde kuvvet birimi Newton'dur. İngiliz ölçü biriminde paund'tur.

Sıcaklık :Metrik sitemde sıcaklık birimi santigrat (°C)dır. İngiliz ölçü biriminde Fahrenheit (°F )dır

Saniye : sn değil s

Kilogram : kg

Gram: gr değil g

Litre: lt değil l

Mililitre: mlt, mLt değil ml

Bun simgelerden sonra nokta konmaz

Metalurji

Birimler

1 Metrik ton (t) = 103 kg = 106 g

1 Long ton (t, İngiltere ve sömürgeleri) = 2240 Pound (lbs) = 1016,047 kg

1 pound = 453,59237 gram

1 Short ton (sh.t) USA = 2000 Pound (lbs) = 907,185 kg

1. Pound (lb) = 16 Ounce (oz) = 453,592 g

1 Ounce (oz) = 28,3495 g

Değerli taş ve mücevherler için

Troy adı verilen ikinci bir birimler sisteminde pound ve ounce değişiktir.

1 Pound (lb ing.tr) = 12 oz tr = 373,242 g

1 Ounce (oz tr) = 31,1035 g

Mücevherler için, ölçü birimi karat ile ifade edilir.

1 Karat = 0,2 g = 200 mg

Soy metallerde karat terimi kullanılır. 24 karat % 100 (veya 1000/1000) saf metal için verilmiştir. Buna göre:

24 Karat 1000/1000

22 Karat 917/1000

18 Karat 750/1000

14 Karat 583/1000

8 Karat 333/1000

konsantrasyonlarındaki metale karşıt gelmektedir.

Milyem, Fransıca kökenli olup, gramın binde biri. Altın yada gümüş alaşımında bulunan saf, değerli maden miktarını

ölçmekte kullanılır. % 99.5 saf altın 995 milyem.

Metalurji

Konsantrasyonlar

Kütle yüzdesi cinsinden (%) belirtilir.

Küçük olduklarında tonda gram (g/t) veya milyonda miktar (ppm) kullanılır.

1 g/t = 1 ppm = % 0,0001, 1 kg/t = % 0,1

Ticari hayatta ünite kullanılır. 1 ünite = % 1 = 10 kg/t

pph-(Parts per hundred)-Yüzde bir

ppt-(Parts per thousand)-Binde bir (mili)

ppm-(Parts per million)-Milyonda bir (Mikro)

ppb-(Parts per billion)-Milyarda bir (Nano)

ppt-(Parts per trillion)-Trilyonda bir (Piko)

ppq-(Parts per quadrillion)-Katrilyonda bir (Femto)

Metalurji

Temel Malzeme Grupları

Birimler

Uzunluk birimleri

1 mikron (μ)

1 nm (nm)

= 1 μm

= 0,001 nm

= 1/1 000 000 m

= 1/ 1 000 000 000 m = 1 x 10-9 m

1 Angström (Å) = 0.1 nm= 1/ 10 000 000 000 m = 1× 10-10 m

kısaltma Sembol

109 Giga G

106 Mega M

103 Kilo k

10-2 Centi c

10-3 Mili m

10-6 Micro μ

10-9 Nano n

10-12 Pico p