1. GİRİŞ

İnsanoğlu akıl ve ilim sayesinde evrendeki mevcut imkânları kendi yararına

kullanmasını bilmiştir. Bilim ve teknoloji; insanın ihtiyaçlarını sağlama, kendisine daha iyi

yasam şartları oluşturma ve merak duygusunu giderme çabalarının bir sonucu olarak,

sürekli ve ivmesi artan bir şekilde gelişmektedir.

Doğada bulunan çeşitli malzemeler, uygulanan bir dizi işlemden sonra kullanılabilir

hale gelmektedir. Böylece, seçilen özelliklerdeki malzemelerden, göreceği isleme uygun

çeşitli makine parçaları, alet, eşya ve donanımlar elde edilmektedir (Yurci, 1997).

Malzemelerin ürün haline gelmesinde çok çeşitli imalat yöntemleri geliştirilmiş ve

kullanılmıştır. Makine endüstrisinde, özellikle metalik malzemelerin önemli bir kısmı

birincil işlem olarak ergitme ve döküm işlemleri ile üretilir. Talaslı imalat, plastik

şekillendirme yöntemleri ve birleştirme yöntemleri ise, mevcut bir ham malzemenin nihai

ürüne şekillendirmesinde ikincil işlem olarak uygulanır. Bu imalat yöntemleri ayrı ayrı

kullanılabildikleri gibi, genellikle birbirini tamamlamak üzere ardışık kullanılır. Bunlardan

farklı bir imalat yöntemi ise Toz Metalürjisidir (T/M). Bu yöntem; mikron ölçeğinde küçük

toz halindeki ham malzemeyi ergitmeden, direkt ürünün nihai şekillendirilmesine imkân

verdiği için döküm yöntemi ile birlikte diğer birincil imalat yöntemi olarak

değerlendirilebilir.

Toz Metalürjisi Üretim Tekniği; farklı boyut, sekil ve paketlenme özelliğine sahip

mikron altı metal tozlarını, mukavemetli, hassas ve yüksek performanslı ve istenilen sekle

yakın makine parçalarına dönüştüren, farklı bir üretim seklidir. Bu üretim yöntemi temel

olarak; tozların sıkıştırılması (preslenmesi) ve daha sonra sinterleme yoluyla ısıl

bağlanması basamaklarını içerir. T/M yöntemi ile üretim; malzeme kaybını en aza

indirmesi, iyi boyut toleransı sağlaması, geniş alaşım sistemlerine izin vermesi, kendinden

yağlama amacıyla kontrollü gözenek imkânı ve diğer imalat yöntemleriyle üretilmesi zor ya

da yüksek maliyet gerektiren karışık şekilli parçaları kolay ve daha az maliyetle

üretebilmesi gibi birçok avantaja sahiptir. Bu avantajları ile verimlilik, ekonomiklik, enerji,

hammadde ve çevreye en az zarar bakımından üstünlüklere sahiptir. Bunların sonucu olarak

T/M teknolojisi sürekli gelişmekte ve birçok alanda geleneksel metal şekillendirme

yöntemlerinin yerini almaktadır. T/M teknolojisinin gelişimini teşvik eden unsurlar,

kullanımının yaygınlaşmasının yanı sıra, mekanik özelliklerini iyileştirmek, yüksek

yoğunluk ve daha homojen bir yapı elde etmektir. Bu gelişmeler; konvansiyonel T/M 1

teknolojilerinin iyileştirilmesinin (CNC presler, ileri kontrollü fırınlar v.b.) yanı sıra toz

dövme, metal enjeksiyon kalıplama ve izostatik presleme gibi nispeten yeni yöntemler ile

ılık presleme, yüksek hızda sıkıştırma ve seçici lazer sinterleme (SLS) gibi yeni

yaklaşımları kapsamaktadır (Orban, 2004). Bugün T/M malzemeleri, % 70 gibi bir oranla

en yaygın otomobil endüstrisinde kullanım alanı bulmaktadır. Çeşitli motor, süspansiyon,

transmisyon ve fren parçalarının üretiminde T/M tekniği kullanılmaktadır. Ayrıca uçak

parçaları, endüstriyel kesici ve şekillendirme takımları, kompozit malzemeler, filtre ve

gözenekli medyalar, yataklar, çeşitli refrakter ve manyetik malzemeler ve süper alaşımlar

bu tekniğin geniş kullanım alanını göstermektedir. T/M yöntemiyle üretilen demir esaslı ve

demir dışı yapısal parçalar toplam T/M parça üretiminin % 80’ini oluşturur.

T/M yöntemiyle üretilen yapısal hassas parçaların, mekanik, fonksiyonel ve

geometrik özelliklerinin geliştirerek daha çok uygulama alanı bulabilmesi ve diğer

yöntemlerle rekabet edebilmesi için temel T/M işlemlerinden sonra bazı ikincil işlemler de

uygulanmaktadır. Bu ikincil işlemler, yeniden presleme, yağ veya reçine emdirme, ısıl

işlemler, çapak alma, parlatma, kaplama, mekanik yüzey işlemleri gibi bitirme işlemleriyle

talaşlı imalat işlemlerini kapsar. Bunların her biri T/M ürününe getirdiği ek maliyetle

birlikte kazandırdığı fonksiyonel iyileşme bakımından ayrı ayrı incelenip optimize

edilmelidir. Bu ikincil işlemler içinde talaşlı isleme, karmaşık yapısı ve halen genel kabul

gören tahmini modellerin geliştirilememesi nedeniyle bazı belirsizlikleri içermektedir

(Shaw, 2004). T/M parçaların Talaslı islenmesi söz konusu olunca, zaten karmaşık talaşlı

isleme problemlerine T/M malzemenin yapısından kaynaklanan problemlerde eklenmekte

ve araştırmacıların dikkatini çekmektedir. Bu yüzden son yıllarda T/M malzemelerin talaşlı

islenmesi konusunda çalımsalar artmıştır.

Toz metalürjisi ile üretilen parçalar net sekle yakın olmasına rağmen son

zamanlarda bu tekniğin yaygınlaşmasıyla daha karışık şekilli parçaların imal edilmesi

sonucu, parça üzerindeki bazı geometrik şekiller toz metal prosesi esnasında

oluşturulamamaktadır. Bunlar; presleme yönüne dik delikler, vida dişleri, çeşitli çentik,

kanal ve çevresel yivlerdir. Ayrıca sıkı boyut toleransı gerektiren yatak v.b sürtünme

parçalarının, hassas yüzeylerinin boyut ve yüzey kalitesini sağlamak için ikincil talaşlı

isleme operasyonları gerekmektedir. Bu tür geometrik unsur ve şekillerin, T/M prosesinde

yapılacak (presleme konfigürasyonu v.b.) geliştirme çalışmalarından ziyade ikincil talaşlı

işlemlerle gerçekleştirilmesi, hem teknolojik hem de ekonomik olarak daha uygun

olmaktadır. İşleme maliyeti açısından da T/M parçaların talaşlı islenebilirliği önemli bir 2

problem teşkil etmektedir. Bu tür parçalarının islenmesi esnasında T/M parçaların talaşlı

islenebilirliği önem kazanmaktadır. Son yıllarda T/M parçalarının işlenebilirliğinin

incelenmesi ve işlenebilirliğin iyileştirilmesi konularında daha fazla araştırma

yapılmaktadır.

T/M parçaların talaşlı islenmesi; kendine has yapısından dolayı, problemlerin

sebepleri henüz çok açık olmamasına ve farklı açıklamalar bulunmasına rağmen, klasik

yöntemlerle üretilen dövme ve döküm parçaların islenmesinden farklı problemler ve

zorluklar içerir. Bu T/M ürünü parçalar, malzeme özellikleri ve mikro yapısına bağlı olarak

talaşlı üretimde farklı bir karakteristik gösterir. T/M parçaların işlenebilirliği üzerine

çalışmalar az ve dağınık olduğundan, bu tür malzemelerin işlenebilirliğini belirlemek için

henüz standart bir test metodu da yoktur. Bu dağınıklığın sebebi, incelenen malzeme,

isleme prosesi ve seçilen şartların çok çeşitli olmasıdır. Dahası T/M parça üreticileri

tarafından toplanan tecrübeler, rekabet edebilmek için, genellikle gizli tutulmaktadır. Bu

nedenle basılmış literatürün büyük bir kısmı ve islenebilirlik hakkındaki veriler, toz

üreticilerinden ziyade, gerçekten islemeyi yapan firmalardan gelmektedir. Kesici takım

üreticileri konvansiyonel tam yoğun malzemeler için kataloglarda geniş bilgi verirken, T/M

malzemelerle ilgili katalog bilgileri henüz yoktur. T/M parçaların talaşlı işlenebilirliği;

konvansiyonel malzemelerde olduğu gibi temel olarak, is parçası ve takım malzemesinin

özelliği, kesme parametreleri, tezgah ve kesici takım parametreleri gibi faktörlerden

etkilendiği gibi, toz boyutu ve geometrisi, porozite, sıkıştırma ve sinterleme yöntemi gibi

T/M malzeme ve proses parametreleri de işlenebilirliği etkiler.

1.1. TOZ METAL TEKNOLOJİSİNE GİRİŞ

Bir son sekle yakın parça üretim teknolojisi olan Toz Metalürjisi,

oldukça farklı bir üretim yaklaşımıyla sürekli ve hızlı gelişen bir teknik olarak

kullanılmaktadır. Yöntemin başlangıç malzemesi, çeşitli tekniklerle 1

mm’den daha küçük boyutlara ayrılmış bir katı olarak tanımlanan toz

parçacıklarıdır. Çoğu durumda, tozlar metalik olabileceği gibi, seramik ve

polimer gibi diğer fazların birleştiği örneklerde vardır. Tozun en önemli

karakteristiği; hacimle orantılı relativ yüksek yüzey alanıdır (German, 1989).

Toz Metalürjisi, metal ve seramik tozların üretimi, karakterizasyonu ile

bu tozların çeşitli etkilerle (mekanik, ısıl gibi) birleştirilerek, kullanışlı

3

mühendislik parçalarına dönüştürülmesi (German, 1989) sürecini

amaçlayan bir disiplindir. Toz Metalürjisi, metal veya metal dışı

malzemelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri ile ilgili tüm bilgileri kullanır.

Ayrıca fiziksel kimya, metal fiziği, malzeme bilimi, şekillendirme teknolojisi

bilgilerini ile geometrik olarak tamamlanmış parçalarla fiziksel olarak tanımlı

ve ön şekillendirilmiş malzemelerin ve toz malzemelerin şekillendirilmesine

ısının etkisi üzerine verilerin tümünü başarılı bir şekilde sentezler ve kullanır

(Šalak, 1995). İşlem düzeni, temel ısı, is ve deformasyon prensiplerinin

tozlara uygulanmasını içerir. Böylece, tozların, bir son ürün çerçevesinde

yapı, özellik ve seklinin değiştirilmesi işlemidir (German, 1989). Toz

metalürjisinin kavramsal olarak 3 fazı şekil 1.1’de gösterilmiştir.

Şekil 1.1: T/M Prosesinin Kavramsal Gösterimi

Şekil 1.1. T/M prosesinin kavramsal gösterimi (German, 1989) Demir

esaslı T/M malzemeler bu yöntemle üretilen toplam ürünlerin % 80’i gibi

büyük bir çoğunluğunu teşkil eder. Demir esaslı toz metalürjisinde

uygulanan ve geliştirilen prosedür ve bilgiler, bazı istisnalar hariç, toz

metalürjisinin genelini temsil eder ve diğer malzemelerde de kullanılabilir.

Demir esaslı T/M’nin gelişimi baslıca otomotiv endüstrisindeki gelişmelerle

birlikte tüm T/M endüstrisinin gelişiminin ölçütü olarak kabul edilir. Bu

durum, T/M teknolojisinin çoğu zaman büyük seri üretimi gerektirdiğini ve

T/M prosedürünün en çok istenen yükleme şartları için ve direkt olarak

kullanılan ve bu yüzden boyutsal olarak hassasiyet gerektiren malzemelerin

hazırlanmasında kullanılabileceğini gerçeğiyle ifade edilir (Šalak, 1995). 4

Şekil 1.1’deki şemada ilk olarak genel alan, etiketli toz teknolojisidir. Toz

teknolojisinin faaliyet alanı tozların doğasıyla ilgilidir. Bu nedenle vurgu toz

üretimi, sınıflandırılması, karakterizasyonu ve tozların islenmesi üzerinedir.

İkinci ilgi konusu, örnekleme, emniyet, ambalajlama ve taşınmasıdır. Boyut

ve sekil için toz istatistiklerinin sıkı incelenmesi de toz teknolojisi alanında

yaygın ve önemli faaliyetlerdir. Daha sonra kompaktlama ve sinterleme gibi

geleneksel toz metalürjisi adımları gelir. Bu aşamada ilgi, şekillendirme,

kalıplama ve tozların yoğunlaştırılmasıdır. Son olarak kavramsal akış,

mikroyapıyla beraber özellikler üzerine vurguya dönüşür. Toz tipi ve onun

üretimiyle ilgili karar kompaktlama ve sinterlemenin kolaylığını etkiler. Aynı

şekilde, toza uygulanacak konsolidasyon (sağlamlaştırma) sırası da, final

kompakt özelliklerini etkileyecektir.(German, 1984). Buradan görüldüğü gibi

T/M prosesinin her aşamasının birbiriyle yakından iliksisi vardır. Her bir

asama kendinden önceki ve/veya sonraki adımı etkilediği gibi, her bir

asama nihai ürünün özelliklerini de etkilemektedir.

Sinterleme tekniği olarak ta adlandırılan T/M’ni diğer yöntemlerden

farklı kılan ve

onlara alternatif yapan ana uygulamalar (Schatt, 1997);

Erime sıcaklıkları arasında büyük fark bulunan bileşenler,

Sıvı fazda karşılıklı çözünebilirliği sınırlı olan bileşimler,

Oldukça farklı yoğunluğa sahip bileşenlerin bulunduğu durumlar,

Katı formdaki bir refrakter unsurun, sıvı metal tarafından tutulması

şeklinde sıralanabilir. Bu gibi alaşımların üretiminin konvansiyonel ingot

teknolojisi ile zor ya da imkânsız olduğu durumlarda, T/M bir çözüm olarak

durmaktadır. Toz metalurjsinin teknik ve ekonomik olarak gelişiminin kalıcı

olmasının sebebi, neredeyse sınırsız kimyasal bileşimlerin üretilebilme

ihtimalidir.

T/M farklı boyut, şekil ve sıkıştırılma özelliğine sahip metal tozlarını

sağlam, hassas ve yüksek performanslı parçalara dönüştürür. Bu dönüşüm

baslıca, tozların üretimi, karakterizasyonu, harmanlanması, preslenmesi ve

daha sonra sinterleme ile ısıl bağlanması basamaklarını içerir. Bunların

dışında ihtiyaca göre; nihai ürünün boyut, şekil ve yüzey kalitesini artırmak

ve özelliklerinde değişiklik yapmak amacıyla, çeşitli ikincil işlemlerde 5

uygulanabilmektedir. Metal toz üretim teknikleri, çok geniş uygulamaların

ihtiyacını karşılamak için; metal toz tasarımının geniş yelpazede imalatını

gerçekleştirir. Hemen hemen tüm metallerin tozları üretilebilir. Farklı toz

üretim prosesleri, kimyasal kompozisyonunun ve tozların fiziksel

karakterizasyonunun hassas olarak kontrolüne izin verir. Ayrıca amaçlanan

uygulamaların belirli niteliklerinin uyarlanmasına izin verir. Metal toz üretim

işlemlerindeki teknik ilerleme ve gelişmeler, kalite, maliyet ve performans

gerekliliklerini karşılamak ve gelişen yeni uygulamalara cevap verebilmek

için sürekli gelişmektedir. Metal tozları baslıca mekanik, kimyasal, elektroliz

ve atomizasyon olmak üzere dört yöntemle üretilir. Bu yöntemler de kendi

içinde birçok alt bölüme ayrılır. Bu yöntemlerden en yaygın kullanılanı su ve

gaz atomizasyonu, mekanik yöntemlerden, öğütme, mekanik alaşımlama,

kimyasal yöntemlerden ise indirgemedir (ASM, 1998).

T/M teknolojisinin ikinci ana adımı, tozların homojen bir şekilde

karıştırılıp, şekilendirmenin yapıldığı presleme işlemleridir. İlk olarak farklı

şekil, boyut ve yoğunluktaki tozların homojen olarak karışmaları, nihai

parçanın performansını arttıracaktır. Karıştırma işleminde başlıca, çift konili

karıştırıcılar, V tipi karıştırıcılar ve akışkan yataklı karıştırıcılar

kullanılmaktadır. Toz karışımları hazırlanırken içerisine belli oranda (% 0,5-

1,5) yağlayıcı ilavesi yapılır. Yağlayıcı ilavesinin temel amacı, rijit kalıp

içerisinde gerçekleştirilen presleme işleminde toz karışımı ile kalıp yüzeyi ve

toz tanecikleri arasındaki sürtünmeyi azaltmaktır. Karıştırma işleminin

tamamlanmasından sonra toz karışımı sıkıştırılarak katı parça şeklini alması

sağlanır.

Presleme, eksensel, izostatik ve Hacim Deformasyon işlemleri olarak 3 ana

grupta incelenir. Eksenel presleme tek etkili veya çift etkili olabildiği gibi,

soğuk, ılık ve sıcak presleme seklinde olabilmektedir. İzostatik Presleme ise

soğuk ve sıcak olmak üzere 2 farklı şekilde uygulanabilir. 3. grup presleme

yöntemi olan Hacim Deformasyon işlemleri ise; Toz Dövme, Toz Ekstrüzyon

ve Toz haddeleme (veya hadde sıkıştırma) olmak üzere 3 grupta

uygulanabilmektedir. Bunların dışında direk tozların şekillendirildiği,

ektrüzyon, enjeksiyon kalıplama, slip döküm, bant döküm ve hızlı

prototipleme yöntemleri de vardır (ASM, 1998)

6

Şekillendirme ve presleme yöntemine karar verilirken aşağıdaki

parametreler dikkate alınır;

Kullanılacak tozun tipi (küresel, sünger, pul)

Tozun kimyası (ön alaşımlı, elementel harmanlama, kısmi alaşımlı)

Rijit veya esnek takımların kullanımı

Bağlayıcı veya yağlayıcı kullanım

T/M teknolojisinin diğer önemli bir adımı da sinterlemedir. Sinterleme,

preslenmiş parçaların mukavemet kazandığı bir işlemdir. Sinterleme işlemi,

tozların erime sıcaklıklarının altında bir sıcaklıkta, çok-fazlı sistemlerde baz

fazın veya alaşımın erime noktasının altındaki sıcaklıklarda gerçekleştirilir

(Schatt, 1997). Demir esaslı alaşımlar için bu sıcaklık 1100-1150 °C’dir.

Uygulamaya bağlı olarak bekleme süresi 10 ila 60 dakika arasında değişir.

Demir esaslı T/M parçaların sinterlenmesinde aşağıda belirtilen farklı

sinterleme mekanizmaları söz konusudur (Yılmaz, 1999);

I. Kompaktlanmıs metal partiküllerinin kendi aralarında kilitlenmesi ile

metalürjik bağların oluşumu

II. Kompaktlanmıs tozların birbirleri içerisine değişik difüzyon yollarıyla

difüze olması

III. Kompaktların sinterleme esnasında yoğunluk kazanması. Yoğunlaşma

sinterleme sıcaklığına ve diğer alaşım parametrelerine bağlıdır.

Yoğunlaşma genellikle yüksek sinter sıcaklıklarında ve uzun

sinterleme sürelerinde sağlanır.

T/M tekniğinin buraya kadar anlatılan her bir aşaması, bir önceki

asamadan etkilenir ve bir sonraki aşamayı da etkiler. Böylece T/M’de son

ürünün özellikleri birçok değişkene bağlı olduğundan, istenen parça

özelliklerine uygun parametrelerin seçimi oldukça zordur. Her bir aşamadaki

değişkenlerin, nihai ürünün özellik ve kalitesine etkileri, çok sayıda

gerçekleştirilen deneylerle kısmen belirlenmiş olsa da, T/M parçaların

kullanımının artmasıyla, yeni sorunlar ortaya çıkmakta ve buna bağlı olarak

bu alana olan ilgi artarak devam etmektedir. T/M parçaların özellikle boyut

ve sekil kalitesini artırmak ve bazı özelliklerini geliştirmek için, ihtiyaca göre

sin terleme işleminden sonra da bazı ek işlemler uygulanabilmektedir. 7

İkincil işlemler de denilen bu işlemler parça maliyetini ve imalat süresini

arttırsa da, parça kalitesine büyük katkı sağlayabilir. İkincil işlemler en

önemlileri; İnfiltrasyon, Yağ ve Reçine Emdirme, Boyutlandırma, Isıl işlemler,

Çapak Alma, Birleştirme, Yüzey Kaplama ve Talaşlı İmalat gibi işlemlerdir.

T/M parçaların kullanım alanı genişledikçe, onlardan beklenen performans

düzeyi de artmakta, bu ise birçok durumda ikincil işlemleri kaçınılmaz

kılmaktadır.

Şekil 1.2. Metal Tozu Tüketimin Sektörlere Göre Dağılımı

2. METAL TOZLARININ ÜRETİMİ

8

Toz metalurjisinde başlangıç malzemesi metal tozlardır. Bunlar doğada direk

kullanılacak halde bulunmayan ve üretim metodu nihai ürün özelliklerini büyük oranda

etkileyen bir başlangıç üründür. Böylece T/M yöntemiyle üretilen malzeme ve parçalar için

başlangıçta gerekli olan, ürünün muhtemel özelliklerini mümkün olduğu kadar yüksek

oranda sağlayacak, proses şartlarına uygun özellik aralığında tozların üretilmesidir (Šalak,

1995).

Toz metal teknolojisinin kullanımının yaygınlaşması ve buna paralel olarak yeni toz

tiplerine olan ihtiyaç sonucu, metal toz üretim teknikleri de kalite, maliyet, mevcut

performans gereksinimleri ve yeni uygulamalara cevap verebilmek için sürekli gelişmekte

ve teknik olarak iyileşmektedir. Toz üretim teknikleri başlıca dört kategoride incelenebilir.

Bunlar; mekanik, kimyasal, elektrolitik ve atomizasyon teknikleridir (German,1984).

Uygun metal toz üretim tekniğinin seçimi; üretim miktarı, toz özellikleri, malzemenin

fiziksel ve kimyasal özelliklerine bağlıdır (ASM,1998).

2.1. MEKANİK YÖNTEMLE TOZ ÜRETİMİ

Mekanik yöntemle toz üretimi; öğütme, talaşlı işleme, mekanik alaşımlama ve

coldstream gibi yöntemleri kapsar, ancak en yaygın kullanılan yöntem mekanik öğütmedir.

Metaller arası bileşikler, demir alaşımları, demir-krom, demir-silisyum v.b. gibi kırılgan

malzemeler mekanik olarak bilyalı değirmenlerde öğütülürler (Şekil 1.1). Fakat öğütme

işlemi birçok sünek metal için uygun değildir; çünkü bu metaller

Şekil 2.1. Mekanik ufalama yöntemi

kolayca kırılmazlar. Sünek tanecikler kırılma yerine birbirleri ile soğuk olarak kaynaklanır

ve daha büyük tanecik oluştururlar. Günümüzde öğütme işlemi alüminyum gibi sünek

9

metallerden pul toz üretiminde de kullanılır. Bu durumda, soğuk kaynaklanmayı ve

yapışmayı engellemek için yağlayıcılar kullanılır. Mekanik yöntemler, metal tozlarının

üretiminde birincil bir yöntem olarak fazla kullanılmaz. Mekanik öğütme, çarpma,

aşındırma, kayma ve sıkıştırma gibi tekniklerle mümkün olmaktadır. Çarpma, çatlak ve

boyut azalmasıyla sonuçlanan hız ve darbenin bir malzemeye anlık dağılımını içerir.

Aşındırma, ovalama hareketiyle partikül boyutunda azalma şeklinde gerçekleşir. Kayma,

ezme gibi işlemlerle birlikte kırılmanın bir çatlak tipidir. Kaymayla şekillenen tozlar,

kabadır ve malzeme aşırı sert olmadıkça toz metalürjisinde sık bulunmaz. Son olarak

öğütme, eğer malzeme deforme olmayacak yeterli kırılganlıkta ise, sıkıştırma kuvvetleriyle

olabilir, fakat kaba tozlar haline gelir. Mekanik öğütme metal tozlarının oluşumu bu dört

temel mekanizmanın çeşitli kombinasyonlarına bağlıdır. Bu metod aşağıdaki durumlarda

birincil proses olarak kullanılır;

Saf antimon ve bizmut, nispeten sert ve kırılgan alaşımlar ile seramik malzemeler

gibi kırılması kolay malzemeler,

Berilyum ve metal hidritler gibi reaktif malzemeler,

Alüminyum ve demir gibi yaygın metallerin, pul toz formunda üretilmesi

gerektiğinde.(Anık,1997)

Mekanik yöntemle üretimde en yaygın metot, sert ve aşınma dirençli bilyalarla

dönen silindirlerden oluşan bilyalı öğütücülerin kullanılmasıdır. Bu yöntemde kritik faktör;

sürme silindirlerinin dönme hızıdır (Şekil 2.1). Çok yüksek hız, malzeme ve bilyalar

arasındaki santrifüj kuvvet ve relativ hareketten dolayı, malzeme ve bilyaların, silindir

duvarlarına sıkışmasına neden olacaktır. Düşük hız ise silindirin daha düşük parçalarda

önemsiz hareket miktarıyla sonuçlanacaktır. Optimum hız, bilya ve malzemenin belli

miktarının silindirin üzerine yükselmesine ve ufalanan malzemenin aşağıya düşmesine izin

veren duruma karşılık gelen hızdır. Diğer bir mekanik yöntemde mekanik alaşımlamadır.

Mekanik alaşımlama (MA), elementsel tozlardan başlayarak ticari olarak faydalı

malzemelerin dengeli ve dengesiz fazlarından sentezlemek için kullanışlı ve basit bir

yöntemdir. Önemli teknik avantajlarıyla birlikte aynı zamanda ekonomik bir prosestir.

MA’nın en büyük avantajlarından birisi, normalde birbiriyle karışmayan elementlerin

alaşımlanması gibi diğer tekniklerle mümkün olmayan yeni alaşımları sentezlemesidir. Bu,

MA’nın tamamen katı-durum prosesi olması nedeniyledir ve bu yüzden sınırlılığı bu alana

uygulanamayan faz diyagramlarıdır. MA alaşım tozlarını oluşturmak için elementsel tozlar

ve bilyaların karışımını kullanır. Şekil 2.2 bilyalarla doldurulmuş döner çarklı karıştırma 10

çarkında mekanik alaşımlama aşındırıcı değirmeni şematik olarak gösterilmektedir. Giriş

malzemesi sırasıyla, soğuk kaynak ve kırılma adımlarını izler. Alttaki şekilde de, aşındırıcı

bilyalarla tozların sürtüşmesi sonucu mikro yapının mikroskobik olarak homojenleşmesi

gösterilmiştir.(MAYSAN)

Şekil 2.2. Mekanik alaşımlamanın gösterilişi

MA normalde kuru, yüksek enerji bilya öğütme tekniğidir ve ticari olarak kullanışlı ve

bilimsel olarak ilgi çekici malzemelerin çeşitlerinin üretilmesinde kullanılmaktadır. Bu

basit ama etkili işleme yöntemi, metaller, seramikler, polimerler ve kompozit malzemeler

uygulanmaktadır. MA’nın önemli özellikleri şunlardır:

İkinci faz partiküllerin ince dispersiyonunun üretimi

Katı çözülebilirlik sınırının genişlemesi

Nanometre aralığına kadar tan boyutunun incelmesi

Alışılmamış kristallerin ve quasi-kristal fazların sentezi

Amorf (camsı) fazların gelişimi

Düzenli iki veya daha çok metal içeren bağların yeniden düzenlenmesi

Alaşımı zor elementlerin alaşımlama ihtimali

Düşük sıcaklıktaki kimyasal reaksiyonların sebebi

2.2. KİMYASAL YÖNTEMLE TOZ ÜRETİMİ

Hemen hemen tüm metaller kimyasal yöntemle üretilebilir. Kimyasal ve

fizikokimyasal yöntemlerle metal tozlarının üretimi, toz özelliklerinde önemli farklılıklara

izin verir. Proses değişkenlerinin ve üretim parametrelerinin çok çeşitliliği partikül boyutu

ve şeklinin sıkı kontrolüne müsaade eder. Bu yöntemde tozlar, oksitlerin indirgenmesi,

çözelti veya bir gazdan çökelme, termal ayrışma, kimyasal gevrekleştirme, hidrit çökelme

11

gibi farklı kimyasal işlemlerle üretilir. Bu kategoride en yaygın kullanılan proses, oksit

indirgeme, ayrıştırma ve ısıl çöktürmedir.

Oksit indirgeme, demir, bakır, tungsten ve molibden tozlarının kendi oksitlerinden

üretimi, ticari olarak oldukça iyi yapılmaktadır. İndirgeme ortamı katı, gaz ve sulu çözelti

olabilmektedir. Daha küçük ölçekte, oksit indirgeme kobalt ve nikel tozlarının üretiminde

de kullanılır. Bu yöntemle üretilen tozlar, karakteristik olarak, sünger toz olarak

isimlendirilir. Höganas yöntemi katı indirgeme ortamlarıyla demir oksitlerinin

indirgenmesiyle demir tozu üretiminde en önemli yöntemdir. Bu yöntemde, başlangıç

malzemesi yüksek saflıkta magnetit filizlerdir (Fe3O4). Bu cevherin uygun indirgeyici

ortamlarla indirgenmesiyle sünger yapılı demir tozları elde edilir. Bu süngerimsi yapı,

gözeneklerin boyut ve miktarıyla kontrol edilir ve iyi sıkıştırılabilirlik (yüksek ham

mukavemet) için kullanılır. İndirgeme ortamı olarak, hidrojen, karbon monoksit ve karbon

indirgeme reaksiyonu için dengeleyici olarak kullanılır. Karbon monoksitin karbondioksite,

hidrojenin suya oranı ve oksijenin kısmi basıncı, verilen sıcaklıkta indirgeme şartlarını

muhafaza etmek için gerekli minimum oranı belirlemeye izin verir. Fakat pratikte

indirgeme sıcaklığı termodinamik verilerin gösterdiğinden genellikle daha yüksektir.

Görünür yoğunluk, toz akışı, sıkıştırma ve sinterleme özellikleri gibi performans

özelliklerini önemli derecede etkileyen, partikül boyutu, porozitesi ve hidrojen kaybı gibi

final toz özellikleri, öncelikle saflığa, başlangıç malzemenin boyutuna ve indirgeme

prosesinin kinetiğine bağlıdır. Prosesin kinetiği ise; eğer indirgeme durağan bir sistemde

gerçekleştirilirse, kompozisyona, indirgeme gazının akış oranına, indirgeme sıcaklığına,

fırındaki sıcaklık profiline ve oksidin yatak derinliğine bağlıdır.

Proses parametrelerinin çeşitli kombinasyonları, birçok tescilli toz sınıfının üretimi

için toz üreticileri tarafından kullanılır. En önemli proses değişkeni indirgeme sıcaklığıdır.

Tipik olarak, düşük indirgeme sıcaklığı; yüksek spesifik yüzey alanı ve yüksek ham

mukavemete sahip tozlarla sonuçlanır. Yüksek indirgeme sıcaklığı (> 0.6 Tm) yüksek

sıkıştırılabilirlik gösteren, büyük partiküller arası gözenek ve küçük spesifik yüzey alanına

sahip tozlar üretir. Aşırı düşük indirgeme sıcaklığı (< 0.3 Tm) kolayca kendiliğinden

tutuşan tozlar üretebilir.

Yüksek sıcaklıklar, sinter keklerin kırılması gibi zorluklara yol açan, aşırı

sinterleme ve topaklanmaya sebep olur. Tungsten ve molibdenle oksit indirgeme ekonomik

nedenlerden kısmen kullanılır, çünkü bu metallerin ergime sıcaklığı çok yüksektir. 12

indirgeme ortamı olarak hidrojen kullanılan indirgeme prosesi, hem tungsten hem de

molibden oksitleri için benzerdir. Oksitlerin sıklıkla bir partikülün yüzeyinde yoğunlaştığı

atomize demir tozlarının aksine, kirlenmeye karşı indirgenmiş ve dengelendiğinde en

azından, oksit indirgenmiş tozlar partikül içerisinde kalıntı oksitlerinin çoğunu içerir.

Oldukça yaygın kullanılan diğer bir kimyasal yöntem olan ayrıştırma prosesi ile iki

kategoride toz üretimi yapılır; bunlar metal hidritler ve metal karbonillerin ayrıştırılmasıdır.

Metal hidritleme; Ti, Zr,Hf,V,Th, veya U gibi refrakter metallerin sünger formda

ısıtılmasıyla hidritlenmesini içerir. Metaller talaş formunda hidrojenle ısıtılır. Kırılgan

hidritler toz haline öğütülür, daha sonra artırılmış sıcaklıkta vakum altında dehidritlenir.

Örneğin, TiH2 300-500 °C arasındaki sıcaklık aralığında titanyumdan şekillenir. Bu

hidritler, oldukça kırılgandır ve istenen incelikteki toza bilyalı öğütülmeye hazırdır. Bir

diğer kimyasal yöntem olan ısıl çöktürme ile hem demir hem de nikel kendi karbonillerinin

çöktürülmesiyle üretilir. Karbonil işlemi ilk olarak nikeli rafine etmek için geliştirilmiştir.

Bu yöntemde ham metal basınç altında karbonil oluşturmak için karbon monoksit ile

reaksiyona girer. Karbonil reaksiyon sıcaklığında gazdır ve sıcaklığın yükselmesi ve

basıncın azalması ile ayrışır. Aynı işlem demir için kullanılır ve karbonil demir tozları

yüksek saflık istenen durumlarda kullanılır. Yakın zamanda enjeksiyon kalıplama için ince

tozlara olan talep, karbonil işlemine hız vermiştir. Tipik karbonil demir tozunun boyutu 1-5

mm’dir. Isıl ayrışma için diğer bir örnek, platin amonyum klorür tuzunun ısıtılması sonucu

üretilen süngerimsi platin tozlardır. Sherritt Gordon işleminde nikel tozlar basınç altındaki

nikel tuzlarının çözeltisinin hidrojen ile indirgenmesi ile üretilirler.

Karboniller, özel sıcaklık ve basınçta süngersi metal üzerinden karbon monoksitin

geçirilmesiyle elde edilir. Demir penta karbonil Fe(CO)5, oda sıcaklığında sıvıdır, 103°C’da

kaynar. Nikel tetra karbonil Ni(CO)4, 43°C’da kaynar. Basınç 1 atmosfere indiğinde ve

sıcaklıkta paralel olarak arttığında, bu karbonillerin her ikiside metal ve karbon monoksit

yeni formuna çökelir. Bunlardan ikincisi daha fazla karbonil oluşması ve prosese devam

etmek için yeniden kullanılır. Bu reaksiyonlar aşağıdaki gibi ifade edilir:

Fe + 5CO → Fe(CO)5

Ni + 4CO → Ni(CO)4

Tozlar, buharın ısıtılmış ortamda çökelmesine ve kabın kenarlarına etkilemeyen

şartlar altında atmosferik basınçta ısıtılmış kaplarda karbonillerin kaynatılmasıyla üretilir. 13

Tozlar toplanır ve elenir, öğütülüp takiben hidrojende tavlanabilir. Tozların kimyasal

saflığı, karbon, nitrojen ve oksijenin gibi ana impüritelerle beraber oldukça yüksektir (%

99.5). Partikül boyutu oldukça sıkı kontrol edilebilir. Nikel tozları düzensiz şekli, gözenekli

ve ince olurken, demir karbonil tozlar, genellikle küresel şekilli ve oldukça (10 μm’dan

daha az) incedir.

Kimyasal yöntemle toz üretiminin avantajları;

Katı redüktif olarak kullanılan karbon ucuzdur,

Metal oksitler kolaylıkla bulunabilir,

Gözenekli yapılar elde edilebilir,

Metal ve oksitlerin boyut kontrolü yapılabilir.

Kimyasal yöntemlerin dezavantajları;

Redüktif olarak gaz kullanıldığında saf haldeki gazlar pahalıdır,

Metal oksit saflığı, tozun saflığına etkiler (impüritelerin varlığı)

Alaşım tozların üretimi bu yöntemle mümkün değildir.( Šalak,2005)

2.3. ELEKTROLİTİK YÖNTEMLE TOZ ÜRETİMİ

Elektrolitin kimyasal bileşimi ve mukavemeti, sıcaklık, akım yoğunluğu gibi şartları

uygunca seçerek, birçok metal sünger veya toz durumunda katot üzerinde biriktirilebilir.

Metallerin yaygın örnekleri, titanyum, paladyum, bakır, demir ve berilyum elektrolitik

yöntemle yüksek saflıkta tozlara şekillendirilebilir. Elektrolitik yaklaşımın ana cazibesi

yüksek saflıkta toz üretmesidir. Çevrim şekil 2,3’de gösterildiği gibi elektrolitik hücreye

uygulanan gerilim altında anodun çözünmesiyle başlar. Bakır ve demirle ilgili anot ve katot

reaksiyonları şekildeki gibidir. Elektrolit (sülfat bazlı) içerisine taşıma katotta şekillenen

tozları saflaştırmada kullanılır. Daha sonraki işlemlerde, katot tortusu kaldırılır ve yıkama,

kurutma, indirgeme, tavlama ve öğütme aşamalarından geçirilir.

14

Şekil 2.3. Elektrolitik hücreden metal tozlarının oluşumu

Elektrolitik yöntemle üretilen tozlar sıklıkla dentritik veya sünger şeklindedir. Daha

fazla tozun katotta tortulanması şu şartlara bağlıdır: yüksek akım yoğunluğu, zayıf 20 metal

konsantrasyonu, koloit ve asitlerin ilavesi, düşük sıcaklık, yüksek viskozite, çalkalanmadan

kaçınma, konveksiyonun önlenmesi. Elektrolitik teknikler saf toz üretim yaklaşımı olarak

bilinirken, teknikte bazı zorluklar vardır. İlk olarak, banyo kimyası oldukça duyarlıdır.

Kontaminantlar (kirleticiler) katotta tozların tortulanmasında ve oluşumunda bağlayıcı

olabilir. İlave olarak yalnızca elementsel tozlar bu yaklaşımla pratiktir.

2.4. ATOMİZASYON YÖNTEMİYLE TOZ ÜRETİMİ

Bu işlemde ergimiş metal küçük damlacıklara parçalanır ve damlacıklar birbirleri ile

veya katı yüzeyle temasa geçmeden hızlıca soğutulur. Bu yöntemde, ergimiş metal yüksek

enerjili gaz veya sıvı çarpmasına, ultrason, merkezkaç veya bazı diğer mekanik etkilere

maruz bırakarak sıvı metali daha küçük parçalara ayrılmaktadır. En yaygın kullanılan

atomizasyon yöntemleri su ve gaz atomizasyondur. Sonuç olarak bir atomize ortamda veya

ilave soğuma etkisi altında hızlıca soğuyan ergimiş metal damlacıklar halinde dağılır.

Oluşan toz partiküllerinin yapısı, şekli ve dispersiyon derecesi; sıcaklık, viskozite ve

eriyiğin yüzey gerilimi, soğutma şartları ve ergiyiğin üzerine etkileyen enerjinin

değişimiyle geniş aralıkta değişebilir. Hava, azot, helyum ve argon en çok kullanılan

gazlardır (Şekil 2.4). Su ise sıvılar içinde en çok kullanılandır. Nozulun tasarım ve

geometrisi, atomize eden akışkanın basıncı ve

15

Şekil 2.4. Atomizasyon Yöntemi a) Su Atomizasyon b) Gaz Atomizasyon

hacmi, sıvı metalin akış çapı gibi birçok parametreyi değiştirerek toz boyutu dağılımını

kontrol etmek mümkündür. Tanecik şekli ise katılaşma hızı ile belirlenir, düşük soğutma

kapasiteli gazlar için 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, alüminyum, kalay,

kurşun, çinko ve kadmiyum tozlarının üretilmesinde kullanılır. Krom içeren alaşımlar gibi

kolayca oksitlenen metallerde atomizasyon argon gibi asal gazlar yardımıyla

gerçekleştirilir. Hem elementsel hem de ön alaşımlı tozlar bu yöntemle üretilebilir.

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. Ayrıca, artan oranlarda uygulama alanı bulan

diğer birçok atomizasyon yöntemleri vardır. Bunlardan en önemlisi santrifüj

atomizasyonudur, ergimiş metalin damlacıkları yüksek hızda dönen bir diskten fırlatılırlar.

Başlıca iki çeşit santrifüj atomizasyonu vardır. Bunlardan birincisinde, bir kap içindeki

ergiyik metal, ergiyik metalin damlacıklara ayrılması için uygun bir hızda düşey eksen

etrafında döndürülür veya bir metal demeti dönen bir disk, kupa veya elek üzerine akıtılır

veya son olarak da dönen bir çark ergimiş metal içine daldırılarak damlacıklar halinde

savurur (Şekil 2.5).

16

S

Şekil 2.5 Santrifüj atomizasyon yöntemleri a) döner disk, b) döner kupa, c) döner

çark, d) döner elek

Diğerinde ise, bir metal çubuk yüksek hızda döndürülür ve serbest uçta elektron

ısını veya plazma arkı vb. ile ergitilir. Bu ikinci tip işlem, Döner Elektrot Atomizasyonu

olarak bilinir ve çubuk düşey veya yatay eksende döndürülebilir. Bu uygulamanın önemli

bir üstünlüğü, atmosfer kontrollü bir ortamda, hatta vakumda bile çalışılabilmesi, böylece

çok reaktif olan metallere ait temiz tozlar üretmesidir.( Šalak,2006)

2.5. DİĞER ATOMİZASYON YÖNTEMLERİ

Yukarıda anlatılan ana atomizasyon yaklaşımlarına ilaveten, metal tozu elde etmek

için enerjinin eriyiğe verilebildiği birçok başka mekanizmalarda vardır. Bunlar, titreşimli

tel, silindir, dönen pota ve eriyik püskürtme atomizasyon yöntemleridir. Silindir atomizer,

eriyik akımını hızlıca dağıtmak için yüksek hızda silindir öğütücü kullanır. Yüksek

soğutma hızı üretmenin birincil avantajına sahiptir ve amorf metallerin şekillenmesinde

kullanılır. Silindirle atomize edilen tozların başlıca dezavantajı pul şeklinde olmasıdır.

Düşük ergime noktasına sahip malzemelerden kaba tozlar, bir döner kesik (yarık) pota

kullanılarak üretilebilir. Açık boyut kontrolü, damlacık boyutunun bir miktar kontrolünü

sağlar. Damlacığın küçük parçalanması sıvı üzerine ana kayma kuvvetleri etkilemediğinden

potadan çıktıktan sonra oluşur.

Şekil 2.6’de gösterilen eriyik püskürtme tekniği, hidrojene doymuş sıvı metal ve

ince toz sprey oluşturmak için vakumda hızlı kusma yöntemini kullanır.

17

Şekil 2.6. Eriyik püskürtme tekniği

Eriyiğe 1-3 MPa hidrojenle basınç uygulanır. Bir sifon borusundan sonra doymuş

eriyik büyük vakum odasına boşaltılır. Hem yüksek hız hem de hidrojen kusma, eriyiği

vakum odasına tam olarak püskürtülmesine neden olur. Teknik çoğunlukla süper alaşım toz

üretimi için kullanılır. Eriyik püskürtme yaklaşımının zorluklarından birisi, vakum

odasındaki düşük kalıntı basınç nedeniyle, tozların düşük soğuma hızıdır. Soğutma

konvektivden ziyade ağırlıklı olarak radyanttır. Konvektif proses, gaz atomizasyonda

tecrübe edildiği gibi, ısının atılmasında oldukça etkilidir. Diğer bir atomizasyon yöntemi de

plazma atomizasyondur. Tel veya toz malzeme ergime ve hızlı ivmelenmenin oluştuğu bir

plazma tork içine itilir. Sonuçta, ince toz torkun dışına püskürtülür. Eğer toz uzun uçma

mesafesi sağlarsa, küresel partikül şekliyle sonuçlanır. Küresel tozları şekillenmesi için bu

gibi yaklaşımlar, girdi toz boyutları 30-80 μm arasında olduğunda optimumdur.

Çizelge 2.1. mevcut atomizasyon tekniklerinin boyut dağılımı, tipik ortalama boyut,

partikül şekli ve nispi üretim maliyeti bakımından karşılaştırmasını göstermektedir.

Gerçekçi olarak bu tablo bir sadeleştirmedir. Üretim yaklaşımlarının tümü, ortalama

aralıkta boyut değişimi ve şekil için yeterli parametre kontrolüne sahiptir.

Çizelge 1.1: Atomizasyon tekniklerinin karşılaştırılması

18

2.6. TOZLARIN MİKRO YAPI KONTROLÜ

Hızlıca katılaşmış tozlar, korozyon direnci, mukavemet, manyetik davranışlar,

yorulma ömrü ve spesifik modül (yoğunluğa bölünmüş elastik modül) bakımından

potansiyel iyileşmeler sağlar. Sonuç olarak dikkat, yüksek alaşımlı eriyiklerden amorf veya

mikro kristalli yapılara, hızlı ısının atılmasına yönlenmiştir. Amorf metaller rastgele

görünümdedir. Mikro kristalli malzemelere hızlıca su verilir, fakat onlar ince kristal

boyutuna sahiptir. Birçok alaşımda (>106 K/s) amorf yapı elde etmek için gerekli soğutma

hızını başarmak için, küçük boyutlar hızlı ısı atmak için gereklidir. Tozlar, küçük

boyutların hızlı su verme için mevcut olduğu durumda, bir form sağlar. Partikül soğutma

hızı, homojenlik, kristal boyutu ve kristalleşme derecesini belirler. Soğutma süresince,

çekirdeklenme ve gelişim mikro yapısal dönüşümde hâkimdir. Bu yüzden dikkat, ısı

atılmasına ve iç toz yapısının kontrol edildiği toz atomizasyon parametrelerine yönelmiştir.

Gaz atomizasyon yöntemi, hızlı konvektiv soğuma nedeniyle kontrollü mikro yapının

oluşmasına cazip bir yaklaşımdır. Ayrıca gaz atomizasyon, belirli alaşım sistemlerinde daha

ince partikül boyutunda amorf tozların üretiminde başarılıdır. Ancak su atomizasyon daha

yüksek soğutma hızı nedeniyle gaz atomizasyondan daha iyi mikro yapı sağlar.

Mühendislikte kullanılan hemen tüm malzemeler hususi biçimlerde işlenir. Yaygın

malzemelerin üretim yaklaşımlarıyla birlikte çizelge 2.1‘de listelenmiştir

(Upadhyaya,1996).

Çizelge 2.1 Çeşitli metal Tozlarının tipik üretim yaklaşımları

Metaller Yaygın Toz Üretimi YaklaşımıAlüminyum Gaz atomizasyon, hava atamizasyon

Berilyum Ufalama, elektrolitik, kimyasal çökelmeKobalt Oksit indirgeme, elektrolik

19

BakırElektrolitik, su atomizasyon, oksit indirgeme,tuz

indirgeme,sulfat çöktürme

DemirOksit indirgeme, işleme, su atomizasyon, karbonil, santrifüj atomizasyon,Elektrolitik, gaz atomizasyon

NikelKarbonil, elektrolitik, oksit indirgeme, su atomizasyonu,gaz atomizasyon

Kıymetli Metaller Hava atomizasyon. elektrolit, bileşen indirgemeReaktif metaller(Ti,Zi) Klorid indirgeme, santrifüj atomizayon, kimyasal çöktürme

Reaktif metaller(W,Mo,Re.Ta,Hf)

Oksit indirgeme, kimyasal çöktürme, santrifüj atomizasyon

Özellikli alaşımlar Gaz atomizasyon, buhar atomizasyon, gaz atomizasyonÇelikler Su atomizasyon, buhar atomizasyon, gaz atomizasyon

Uranyum Oksit indirgemesi, hidrit-dehidrit

2.7. DEMİR TOZU ÜRETİMİ

Demir tozu T/M endüstrisinde kullanılan ham malzemelerin en büyük tonajını

temsil eder. Demir tozları ticari T/M uygulamalarında önde gelmektedir. Bunu nedeni;

Demir dışı metallerle karşılaştırıldığında üretimi ucuzdur,

Diğer metal ve metal olmayan malzemelerle karsılaştırıldığında üstün özellik,

(özellikle mukavemete) sahip olması,

Uygun mukavemet-ağırlık-maliyet oranına sahip olması,

Özellikle karbonla kolayca alaşımlanır ve sonuçta demir-karbon sisteminin tüm

özelliklerine (ısıl işlem yapılabilme dahil) sahiptir,

Doğada yeterince mevcuttur.

Demir tozunun kullanımı TM parçaların üretimiyle sınırlı değildir. Tüm üretilen

demir tozunu yaklaşık üçte 1/3’ü, kaynak çubukları, alevle kesme, gıda, zenginleştirme,

elektronik, manyetik ve kimyasal uygulamalarda kullanılır. Oksidinden indirgeyerek

üretme en eski demir tozu üretme yöntemidir. İsveç sünger demir yöntemi Höganäs firması

tarafından İsveç’te 1900’lu yıllarda geliştirilmiştir. Yöntem katı halde ve 1260 °C’de

gerçekleşir. Magnetitçe zengin cevher öğütülerek kok ve kireçtaşı ile karıştırılır ve seramik

tüplere doldurulur. Seramik tüpler fırın arabalarına yüklenir ve uzun fırın içinden 68 saatte

geçerler. Öğütmeden sonraki tavlama işlemi hidrojen gazı altında 870 °C’de gerçekleşir.

Sonuç toz, sünger görünümlüdür. Atomizasyon yöntemi de demir ve özellikle çelik tozu

üretmek için kullanılır. Demirin atomizasyonu için su kullanılır, ancak çelik için su veya

alaşımın içeriğine göre asal gazlar kullanılır. Su ile atomize edilmiş demir ve çelik tozları

20

yüzeylerindeki oksidi indirgemek ve basılabilirliklerini geliştirmek için 900 °C’de

indirgeyici gaz altında tavlanırlar. Bugün bu metodun geliştirilmiş sürümleri demir tozu

üretiminde basta Amerika ve İsveç olmak üzere dünyada önemli endüstriyel yöntemlerden

biridir. Benzer adaptasyon Rusya’da da kullanılır.

T/M paslanmaz çelikler, düşük alaşımlı çelikler ve takım çelikleri için kullanılan

çoğu tozlar, bu alaşımların erime sıcaklığı saf demirden daha düşük olduğunda, erimiş

alaşımın atomizasyonuyla üretilir. Su-atomize çelik tozları keşfedilmesinin direk sonucu

olarak 1960’lı yılların basından beri mevcuttur. Atomize demir ve çelik tozları erime,

atomizasyon imkânları ve yöntemlerinin aynı tipine ihtiyaç duyar. Toz metalürjisi için

düşük-alaşımlı demirin önemli bir kısmı su atomizasyonla üretilir. Bununla beraber,

indirgeme ve demirin erime sıcaklığının altındaki diğer kimyasal yöntemlerde

kullanılmaktadır. Genel olarak dünyada demir tozu üretiminde aşağıdaki yöntemler yaygın

olarak kullanılmaktadır:

Höganäs prosesi

Pyron Prosesi

Karbonil buhar metalürjisi

Elektrolitik demir

Akışkan yataklı indirgeme

Su-atomizasyon

- Quebec Metal Tozları Prosesi

- Domfer Prosesi

- Kobe/Kobelco Prosesi

- Kawasaki Prosesi

Bazı prosesler ilk geliştiren ticari firma ismiyle bilinmekte, bazıları da aynı yöntemi

kullanmasına rağmen (su atomizasyonu gibi) bazı küçük farklılıklarla uygulayan farklı

firmanın ismini almaktadır.

2.8. ÇELİK TOZU ÜRETİMİ

Çelik tozları alaşımlama prosesine bağlı olarak üç genel tipte sınıflandırılır. Bunlar:

ön alaşımlı, kısmi alaşımlı ve ilavelidir. Ön alaşımlı tozlar ergitme ve sonra atomizasyonla

üretilir. Bu toz partiküllerinin benzer alaşım kompozisyonunda olması için gereklidir. 21

Aksine ilaveli tozlar homojen alaşımlama için sinterleme süresince kütle transferi ve yeterli

difüzyon gerektiğinden, sinterleme süresince alaşımlanır.

Bağlanmış veya difüzyon alaşımlanmış tozlar üçüncü tiptir. Bu tip tozlar,

alaşımlama için ince tozların demir partikül yüzeyine bağlanması hariç ilaveli sınıfa

benzerler. Bu adım segragasyonu azaltır ve böylece sinterleme sonrası alaşımlı parçasının

kimyasal homojenliği iyileşir. Çeliklerin alaşımlanması için toz metalürjisinde yaygın

kullanılan elementler, karbon, nikel, bakır ve molibdendir. Nikel ve/veya molibdenle ön

alaşımlı çelik tozları yaygındır, çünkü bu elementler oksijenle düşük kimyasal ilgiye

(afinite) sahiptir ve sıkıştırılabilirlik üzerine az etkiye sahiptir. Tersine manganez oksijen

için daha güçlü afiniteye sahiptir ki, daha iyi atmosfer kontrolü veya sinterleme süresince

daha yüksek fırın sıcaklığı gerektirir.

Ön alaşımlı veya difüzyon alaşımlı tozlardan yapılan T/M çelik parçalarda, karbon

genellikle sinterleme süresince çeliği biçimlendirmek için grafit olarak ilave edilir. Karbon,

sıkıştırılabilirliği önemli oranda düşüren güçlü sertleşme etkisine sahiptir ki çoğu ön

alaşımlı çelik tozu düşük kalıntı karbon içeriğine sahiptir. Sülfür, azot, oksijen ve fosfor

gibi impüriteler de, ham mukavemet üzerinde zararlı etkiye sahiptir. Birçok bakımdan

demir esaslı karışımlar baz demir tozunun, boyut dağılımı, partikül şekli ve kompozisyonu

gibi karakteristiklerinden etkilenir. Demir esaslı tozlar MPIF 35 standardında gösterildiği

gibi sembolize edilir ve baslıca 5 kategoride belirtilir. Bunlar:

Elementsel tozlardan üretilmiş Demir-esaslı malzemeler,

Ön alaşımlı tozlardan üretilmiş Demir-esaslı malzemeler

Sinter sertleştirilmiş Demir-esaslı malzemeler,

Difüzyon alaşımlı malzemeler,

Bakır infiltreli demir ve çelikler(Yılmaz,2006).

Çizelge 2.2 Atomizasyon tekniklerinin karşılaştırılması

22

3. METAL TOZLARIN ÖZELLİKLERİ

23

Toz metalürjisi ile imal edilen parçaların özelliklerini büyük oranda bu parçaların

imalinde kullanılan tozların sahip olduğu özellikler belirlemektedir. Bu nedenle

tozların özelliklerinin önemi ve aldıkları rolün iyi anlaşılması ve bazı uygun niceleyici

karakterizasyon metotlarının uygulanması önemlidir (Kurt, 2001).

Toz metalürjisi üretim sürecinde elde edilecek ürünlerin mekanik özellikleri,

yüzey kalitesi, boyut hassasiyeti yüzey pürüzlülüğü presleme basınçları vb. özellikler,

kullanılacak metal tozunun özellikleri ile değişiklik gösterdiğinden metal tozlarının

özelliklerinin belirlenmesi önemlidir. Toz özellikleri f i z i k se l ve kimyasal olarak iki

ana alt bölümde ele alınabilir(Kurt, 2001).

3.1. TOZLARIN KİMYASAL ÖZELLİKLERİ

Metalsel tozların en önemli kimyasal özellikleri saflıklarıdır. Saflık adi

kimyasal analizle tayin edilebilir ve sinterlenmiş cisimlerin imalatına ve bilhassa

özelliklerine birinci derecede tesir eder. Metal tozların saflığı büyük ölçüde temel

maddelerin özeliklerine bağlıdır. Mesela kendi oksitlerinin hidrojenle

redüklenmesiyle elde dilen volfram, kobalt ve demir tozlarının saflığı, pratik olarak,

kullanılan oksidin saflığındadır.

Oksijen ve karbon miktarının malzeme içinde ne şekilde bulundukları da

önemlidir. Mesela oksijen levhaları, erimiş oksit veya absorbe edilmiş gazlar halinde

bulunabilir. Oksitlerin redüklenmesi ile hazırlanan metalsel tozlar genellikle muntazam

oksit kalıntıları ihtiva ederler. Elektroliz, granülasyon veya pülverizasyonla elde edilen

tozlardan oksijen genellikle oksit kalıntıları halinde bulunur. Karbon ise serbest karbon

(grafit), karbür veya katı solüsyon hallerinde bulunur.

Mekanik olarak hazırlanmış metalsel tozlar öğütücülerden elde edilen saf

malzemeler ihtiva ederler (demir, manganez, karbon vs.). Mesela sert alaşımların

imalinde kullanılan sert mamullerin veya bir karbürle bir yardımcı metal karışımının

ince tozları, %0,5-1,5 demir ihtiva ederler. Elektrolize hazırlanan metalsel tozlar çok

saftır; toplam saf malzeme %2’yi geçmez. Karbonil toz lar ın ihtiva ettikleri oksijen

ve karbon miktarı %1,5’e kadar yükselebilir. Karbon monoksitin dekompozisyonundan

ileri gelen bu saf maddeler tozun bir ön ısıtma işleminden sonra sinterlenmesiyle elimine

edilebilirler. Demirde bulunan kükürt, fosfor, manganez silisyum gibi gayrı safiyetler

tozlarda bulunmazlar. Metalsel tozların renkleri kimyasal bileşimlerine, bilhassa ihtiva 24

ettikleri oksijen miktarına bağlıdır. Elektrolize hazırlanmış bakır tozu, genellikle

başlangıçta bakırın tipik kırmızı rengindedir. Fakat elektrolitin elimine edilmesi ve

yüzeysel kurutmadan sonra, bakır tozu oksidasyona uğrayarak parlaklığını kaybeder ve

kırmızı-kahverengi bir renk alır. Redükleme ile hazırlanarak billurlaşmış ve oksijen

ihtiva etmeyen volfram tozu açık gri renkte, alçak sıcaklıkta redüklenen ve çok az

oksijen ihtiva eden tozun rengi koyu gri ile siyah arasındadır. Tozun rengi tanelerin

büyüklüğüne de çok bağlıdır. Eşit miktarda oksijen ihtiva eden tozlardan ince öğütülmüş

olanları kaba öğütülenlerden daha koyudur.

Çok miktarda 1 mikrondan küçük partiküller ihtiva eden ince metalsel tozlar

piroforik özellikler gösterirler. Bu özellikler bir taraftan tozun geniş yüzeyine dolayısıyla

büyük kimyasal katkısına, diğer taraftan metalsel oksitlere bağlıdır.

Oksalatın redüklenmesiyle elde edilen tozların ani tutuşma özellikleri bilhassa

kobalt, nikel ve demir tozlarında görülür. Bu piroforik özellikler, yeni redüklenen tozun

karbon dioksitle soğutulması veya redüklemenin grafit sepetlerde yapılmasıyla önlenir.

Tozun kendi kendine tutuşması ise redüklemenin tekrar edilmesiyle önlenir.

Yukarda bahsi geçen bütün kimyasal özelliklerin, metalsel tozların sinterlemede

kullanılabilmelerine büyük tesirleri vardır. Oksijen, karbon, kükürt, fosfor, demir vs. gibi

gayrı safiyetlere ve karbondioksit, su buharı vs. gibi absorbe edilmiş gazlara büyük

ehemmiyet verilmelidir (Çalışkan, 2000).

25

3.2. FİZİKSEL ÖZELLİKLER

• Tane boyutu dağılımı

• Tane şekli

• Görünür ve ham yoğunluk

• Akış hızı (Akıcılık)

• Sıkıştırılabilirlik

• Ham mukavemet

III.2.1.Tane boyutu dağılımı

Metal tozların tanelerinin boyut ve şekilleri birbirinden farklıdır. Toz

metalürjisinde kullanılan tozların tanelerinin boyutları 1-4 mikron arasındadır.

Granülometrik dağılımı tayin etmek için toz tanelerinin ortalama büyüklüğüne göre

elek analizi, mikroskobik muayene sedimantasyon vs. gibi farklı usuller tatbik edilir.

III.2.2.Tane Büyüklüğü Testi

Metal tozlarının tane büyüklüğü genellikle elek analizi ile

yapılmaktadır.1970’de ASTM tarafından kabul edilen Standard elek takımı tablo

4,1’de verilmiştir. Deney döküm kum tane büyüklüğü tespiti gibi yapılmaktadır. 45

mikronun altında tane büyüklükleri için elek metodu iyi netice vermez. Çok ince

tozlar için sedimantasyon, ışık dağılması, yöntemleri kullanılır. Şekil 3.1’de metal

tozlarda boyut oluşumu sırasındaki mikroyapılar görülmektedir (Sarıtaş, 1994).

(a) (b)

Şekil 3.1. Nikel tozların sinterlemede boyut oluşumunun safhaları a) 33 µ m b)2-4 µ

m

26

Çizelge 3.1. Standart Elek Takımı

Elek No.(mesh) Delik,µm

30………………………………….…….……...….....600

40……………………………………..............……....425

50……………………………….…..……….…….…....300

60………………………...………………….…….…....250

80……………………………………………….….…...180

100………………………………………....……..…….150

140…………………………………..…….……………106

200…………………………………………...…...……75

230.………………………………………………....….63

325……………………………………………..…...….45

III.2.3.Toz Tane Şekli

Toz tane şekli tozun, akıcılığı, görünür ve ham yoğunluk değerleri, ham mukavemet,

sıkıştırılabilirlik gibi özelliklerini etkileyen önemli bir faktördür. Partiküllerin şekli

tozun hazırlanışına bağlıdır. Aşağıda belli başlı toz tane şekilleri gösterilmiştir. Toz şekli

tayini ışık ve elektron mikroskoplarıyla yapılmaktadır. Tozların şekilleri,

biçimlendirmede çok etkilidir (German, 1984).

Mekanik usullerle hazırlanan metalsel tozların şekilleri küresel olmaktan çok

uzaktır. Lamel şeklinde olan partiküllerin kenarları gayrı muntazam ve dantelli olup

genişlik ve uzunlukları genellikle kalınlıklarından daha büyüktür (Şekil 4,2).

27

Şekil 3.2. Toz tane şekilleri (German, 1984).

III.2.4.Görünür ve Ham Yoğunluk

Görünür yoğunluk, belli bir hacimdeki gerçek toz kütlesinin yoğunluğudur ve g/cm3

olarak ifade edilir. Pres kalıplarının tasarımında en önemli toz özelliğidir. Görünür

yoğunluk; toz şekline, tane büyüklüğüne ve metalin yoğunluğuna bağlıdır. Taneler

küçüldükçe ve şekilleri küreselden uzaklaştıkça görünür yoğunluk azalır. Görünür

yoğunluğu ölçmek için genellikle ASTM standartlarında Hail ve Scott olmak üzere iki

akış hunisi kullanılır (Şekil.3.3).

28

Şekil 3.3. Hail ve Scott akış hunileri (German, 1984)

III.2.5. Akış Hızı (Akıcılık)

Toz akış hızı, (g/s) ölçümü, tozların akma yeteneklerinin belirlenmesinde kullanılan

bir yöntemdir. Prensip olarak sabit ağırlıkta (50g) alınan tozların yer çekimi etkisinde

bir huni içerisinden ne kadar sürede geçtiği tespit edilerek hesaplanır. Akış süresi, toz

partikülleri arasındaki sürtünme, tozlarla huni yüzeyi arasındaki sürtünme, huni ağzı ve

partikül boyutu arasındaki ilişki, partiküllerin şekli ve yoğunluğu, huninin geometrisi

gibi faktörlere bağlıdır. Burada da Hail hunisi kullanılabilir. Bu nedenle bu test sadece

mukayeseli karşılaştırma amacıyla serbest akabilir (yapışkan olmayan) tozlar için

uygulanabilir (Kurt, 2001).

29

III.2.6.Sıkıştırılabilirlik

Yukarda incelenen fiziksel özellikler, tozların preslenmesinde büyük rol oynayan

faktörlerdir. Belirli bir metal tozu kütlesinin basınç altında yoğunlaşma kabiliyetinin

ölçüsüdür. Tozun preslenme esnasındaki hareketi, şekil verilebilme özelliğine (yani

presleme ile elde edilen parçanın şekil ve kenarlarının kararlılığına) ve sıkıştırma indisine

tabidir. Şekil verebilme özelliği herhangi şekilli parçalar üzerinde tayin edilebilir. Bir tozun

sıkıştırılabilirliği aşağıdaki kriterlere bağlıdır;

1. Tozun sertliğine,

2. Toz şekline,

3. Toz tane büyüklüğü dağılımına,

4. Kullanılan yağlayıcılara.

III.2.7.Ham Mukavemet

Sıkıştırılmış toz kütlesinin pişirmeden önceki mukavemetidir. Ham mukavemet tozların

birbirlerini kitlemelerinden ve kısmen de soğuk-kaynaklaşmadan oluşur. Presten çıkartılan

parçaların boyutlarını koruyabilmeleri ve taşınabilmeleri için ham mukavemetleri çok

önemlidir. Ham mukavemete etki eden faktörleri aşağıdaki gibi sıralanabilir.

1. Toz şekli,

2. Toz tane büyüklüğü,

3. Sıkıştırılabilirlik,

4. Eklentiler.

Toz üretim teknikleri, toz şeklini ve tane büyüklüğünü belirler. Bu özellikler de

tozdan üretilecek parçaların mekanik özelliklerini belirler (Kurt, 2001).

30

4. TOZ METAL PARÇA ÜRETİMİ

Metal tozlarından parça üretebilmek için tozları parçanın şekline biçimlendirebilmek

ve tozlar arasında bağ oluşturmak gereklidir. Biçimlendirme yöntemleri parçaya şekillerini

verir, ancak gerekli mukavemet ancak sinterlemeden sonra oluşur. Biçimlendirilmiş

mukavemetin (ham mukavemet), parçanın taşınabilmesi için gerekli mukavemetin üzerinde

olması yeterlidir. Biçimlendirme soğuk veya sıcak olarak gerçekleştirilebilir. Otomasyona çok

uygun olduklarından, en çok soğuk basınçlı biçimlendirme yöntemleri kullanılmaktadır.

Toz metalurjisi parça üretimi nihai ölçülerde ve hassas boyutlarda parça üretimine

imkân verdiğinden çok önemli ve üretim miktarı ve karmaşıklığı göz önüne alındığında

oldukça ekonomik sayılabilecek bir üretim tekniğidir. Parçayı oluşturan tozlar ve yağlayıcılar

homojen bir karışım elde edilinceye kadar karıştırılırlar. Karışım daha sonra kalıbın içerisine

doldurulur ve basınç altında sıkıştırılır, son olarak parçalar sinterlenir. Küresel ve iri bronz

tozlarından filtre elemanlarının basınç kullanılmadan üretimi istisnai bir durumdur. Bu

işlemde tozlar uygun şekili kalıp içerisine doldurulur ve kalıpla birlikte sinterlenir. Tozları

sıkıştırmanın tek eksenli presleme, haddeleme, ekstrüzyon, enjeksiyon kalıplama,izostatik

presleme gibi bir çok metotları vardır. Bu metotların seçimi parça geometrisine ve üretim

miktarına bağlıdır (TTMD, 2005).

T/M parça üretimi de çeşitli aşamalardan oluşmaktadır. Bunlar;

1. Toz hazırlama (Karıştırma),

2. Presleme (Sıkıştırma),

3. Sinterleme (Pişirme),

4. Sinterleme sonrası işlemlerdir.

Bir parçanın bu yöntemle imal edilmesini gerekli kılan baslıca kriterler şu şekilde

özetlenebilir. Bunlar;

Metalik bünye içindeki elementlerin karışım olarak bulunmasının gerekli olması

(sürtünme diskleri) veya alaşım yapılmasının zor veya imkansız olusudur (örneğin çok

farklı ergime sıcaklıkları nedeniyle).

Saf metal haline eritilerek getirilmemesidir.

Hacminin bir kısmının bos bırakılması zorunluluğudur (Kendinden yağlamalı burçlar).

31

Üretim miktarı kalıp ve presleme amortismanlarını ekonomik kılacak düzeyde ise,

alışılagelmiş yöntemlere göre hızlı ve ucuz olması, malzeme fire ve talaşını azaltması

veya sıfırlamasıdır.

Başka sebeplerle zorunlu olmasıdır.

4.1. Karıştırma

Metalik tozlar, yağlayıcılar ve isteğe bağlı alaşım elementleri ile homojen bir karışım

elde etmek için karıştırılır. Tozlarla birlikte uygun bir yağlayıcı da belirli oranlarda (max %

0.5-1.5) olmak üzere ilave edilir. Yağlayıcı olarak metal parafinler ve mum kullanılır.

Yağlayıcı kullanılmasının temel nedeni, sıkıştırma esnasında tozun kalıp cidarlarına

yapışmasını engellemek ve tozların birbiri üzerinde daha rahat kaymasını ve şekil almasını ve

preslenmiş parçanın kalıptan çıkısını kolaylaştırmaktır. Bunun faydası yoğunluğun her tarafta

mümkün olduğunca aynı olmasını sağlamaktır. Karıştırma yönteminde önceden alaşımı

yapılmış tozlar kullanmaksızın karıştırma sırasında alaşım yapma imkânı vardır. Demir

tozlarının bu şekilde çok sıkışmaları ve alaşım elementlerinden dolayı sertleşmeleri önlenmiş

olur. Ana alaşım elementi olan karbon toz grafit halinde karıştırılır. Şekil 4.1’de metal tozlar

ve bunlara katılan katık maddeler gösterilmiştir (TTMD, 2005).

Şekil 4.1(a). Metalik toz ve ilaveleri. (b) Karıştırıcı (Mikser)

32

4.2. Presleme (Sıkıştırma)

T/M imalat sürecinde parça imal süresi ve oranı önemli bir faktördür. Bu nedenle tek

eksenli kalıpta presleme (sıkıştırma) önemli bir parça şekil verme aşamasıdır. Metal

tozlarının, üretilecek parçanın istenen yüzey kalitesine ve boyutlara göre hazırlanan kalıp

içerisinde, basınç etkisi ile yeterli yoğunluğa getirme işlemine presleme adı verilmektedir.

Toz tanecikleri, oldukça kompleks yüzeylere sahip olmasının yanında, havada çok moleküllü

oksit ve gaz tabakalarıyla da kaplıdırlar. Presleme işleminin başlangıcında kalıp içerisindeki

toz, yaklaşık olarak görünür yoğunluğa sahip, boşlukların çok fazla olduğu bir toz yığını

halindedir. Presleme basıncı artarak, gözenekli tanecik yapısı bozularak gözeneklilik

azalmaya baslar. Artan basınç ile birçok tanecik birbirine sürtünerek toz taneciklerinin

yüzeyinde bulunan oksit ve gaz tabakalarının yırtılmasını sağlarlar. Böylelikle toz tane

yüzeylerinin birbirine teması sağlanmış olur (Şekil 4.2). Tozların preslenmesindeki ana amaç

ham yoğunluk ve dayanımın elde edilmesidir. Sıkıştırma bir yük altında serbest yapıdaki toz

partiküllerinin istenilen şekle ve forma dönüştürülmesi için yoğunluk kazandırma işlemi

olarak tanımlanabilir. Değişik sıkıştırma teknikleri olmakla beraber en yaygın kullanılanı tek

etkili presleme işlemidir. Tek etkili presleme tekniği kesintisiz üretim, otomasyon sistemleri,

yüksek miktarlarda metal ve seramik parçalar ile ilaç ve patlayıcı endüstrisinde yaygın

kullanım alanına sahiptir. Bu nedenlerden dolayı çoğu T/M parçaları bu teknik kullanılarak

üretilirler (Büyükdavraz, 2000).

Şekil 4.2. Presleme işlemi

33

Sıkıştırma üç aşamada ele alınabilir;

1. Sıkıştırma basıncının ilk uygulanmasına müteakip partiküllerin yer değiştirmesi ve

yeniden pozisyon belirlemesi gerçekleşir. Plastik sekil değiştirme yoktur. Kısmi olarak

bazı partiküllerde mekaniksel kırılmalar olabilir. Bu aşamada partikül boyutu, toz

boyut dağılımı, partikül şekli ve yüzey özellikleri ile partiküller arası sürtünme önemli

rol oynar.

2. Toz sıkıştırmanın ikinci aşamasında elastik ve plastik deformasyon faktörleri

baskındır. Bu aşamada partiküller arası soğuk şekilendirmeye bağlı bağlar oluşabilir.

Ayrıca partiküllerin mekaniksel kilitlenmeleri ile partikül-partikül etkileşimleri bu

aşamada önem kazanan durumlardır.

3. Presleme basıncının arttığı sıkıştırmanın son aşamasında toz partiküllerinin kırılması

ve plastik deformasyon ile boşlukların doldurulması sağlanmış olur. Bu aşamada toz

partikülleri arasında soğuk kaynak olabilir. Tozun sıkıştırılmasında kalıp duvarı ile toz

taneleri arasında meydana gelen sürtünme, presleme basıncının tozun kalıp içindeki

derinlik mesafesi ile azalmasına sebep olmaktadır. Tozun sıkıştırılmasında basınç,

mukavemet, yoğunluk ilişkilerini etkileyen çok sayıda önemli iç ve dış etkiler vardır.

İç etkenler sertlik, sekil değiştirme sertleşmesi, yüzey sürtünmesi ve malzeme

özellikleridir. Dış etkenler arasında ise toz tane boyutu, şekli, yağlama çeşidi,

sıkıştırma yöntemi gibi özelliklerdir (Büyükdavraz, 2000).

4.2.1. Toz Sıkıştırma / Presleme Yöntemleri

Presleme aşağıdaki gibi birçok çeşitli şekilde uygulanmaktadır. Bunlar;

1. Sabit kalıp içinde sıkıştırma,

2. İzostatik sıkıştırma,

3. Enjeksiyon ile kalıplama,

4. Ekstrüzyon ile sıkıştırma,

5. Yüksek enerjili sıkıştırma,

6. Haddeleme ile sıkıştırmadır.

34

4.2.1.1. Sabit Kalıp İçinde Eksensel Sıkıştırma

Soğuk olarak sabit bir kalıp içerisine dökülen metal tozları, eksensel bir kuvvet

uygulanarak toz tanelerinin birbirine mekanik olarak bağlanması sağlanır. Kuvvetin

uygulandığı yerin sayısına göre bu yöntem iki türe ayrılır. Bu yöntemler tek etkili presleme ve

çift etkili preslemedir. Şekil 4.3’de görülen tek etkili preslemede presleme işi üst zımba

tarafından yapılır. Üst zımba ile sabit alt zımba arasında kalan tozun sekilendirilmesi

işlemidir. Ancak parçanın ham yoğunluğunda, üst zımbadan uzaklaştıkça azalmalar söz

konusudur. Bunun sebebi ise üst zımba tarafından iletilen kuvvetin zımbaya daha yakın

tozlara nazaran daha alt tarafta kalan tozlara bu kuvvetin az iletilmesidir.

Şekil 4.3. Tek etkili presleme

Çift yönlü preslemede ise toz alt ve üst zımba tarafından aynı anda sıkıştırılmaktadır. Alt ve

üst zımba farklı basınlar uygulanabilir (Şekil 4.4).

Şekil 4.4. Çift yönlü çalışan bir pres tertibatı parçaları

35

4.2.1.2. İzostatik Presleme

Tozların kalıp içerisinde tek yönlü preslenmesinde hareketli piston ile kalıp yüzeyi ve

tozlarla kalıp yüzeyi arasında meydana gelen sürtünme nedeni ile uygulanan basınç tüm

tozlara eşit olarak iletilemez. Bu durum özellikle H/D,(H:Basılacak tozun kalıp içi yüksekliği,

D: sıkıştırılacak alanın çapı) oranı büyük olan parçalarda homojen olmayan yoğunluk

dağılımına neden olur. Parça iç yapısındaki homojen olmayan bu yoğunluk dağılımı nedeniyle

preslenmiş parçalar sinterleme sırasında farklı boyutsal daralma miktarları nedeniyle şekilsel

deformasyonlara maruz kalabilirler. Bunun giderilmesi için düşük basınçlarda preslenen

numuneler soğuk veya sıcak izostatik presleme denen ve daha yüksek basınç altında bir

akışkan yardımı ile sıkıştırma sağlayan sistemlerde homojen dağılımlı ve yüksek yoğunluklu

parçalara dönüştürülürler. Şekil 4.5’de bu durum şematik olarak gösterilmiştir (Öveçoglu,

1997).

Şekil 4.5. soğuk _izostatik presleme ilsem adımları

4.2.1.3. Enjeksiyon ile Kalıplama

Konvansiyonel metoda alternatif olarak basınçlı dökümde kullanılan metoda benzeyen

bir enjeksiyon kalıplama yöntemi geliştirilmiştir. İlk olarak 1977 yılında uygulanan bu

yöntemde tozlara plastiklik ve akıcılık kazandırmak amacıyla %8-20 arasında termoplastik

polimer bağlayıcılar eklenerek, 140-150°C’ye kadar ısıtılarak bir bulamaç haline getirmiştir.

Sonra bu bulamaç kalıp boşluğuna enjekte edilir. Enjeksiyondan sonra malzemeler 300-400 oC sıcaklıklarda uzun süreler tutularak polimer bağlayıcıların parçayı terk etmesi ile sağlanır

(şekil 4.6).

36

Şekil 4.6. Enjeksiyonla kalıplama

Enjeksiyon kalıplama veya presleme yukarıda ifade edildiği üzere diğer proseslerle

eldeki güç küçük, kompleks ve ince et kalınlığına sahip parçaların üretimine oldukça caziptir.

Ancak kalıp dizaynı ve kalıp imalatı oldukça pahalı olduğu için seri ve kütlesel üretimde

kullanılır.

4.2.1.4. Ekstrüzyon ile Sıkıştırma

Ekstrüzyon kelime olarak “kalıptan basma”, “dar çıkım” anlamını taşır. Burada

enjeksiyonla kalıplamada olduğu gibi bulamaç haline getirilen polimer-toz karışımı

ekstrüzyon matrisinden geçirilerek yüksek ham yoğunluğa sahip çubuk veya profillerin

imalatı gerçekleştirilir. Daha sonra parçalara bağlayıcı giderme ve sin terleme işlemleri

uygulanır.

4.2.1.5. Haddeleme ile Sıkıştırma

Şekil 6.7’de gösterildiği gibi tozlar bir besleyiciden haddelerin arasına akıtılarak

sıkıştırılabilirler ve böylece sürekli biçimlendirme gerçekleştirilebilir, istendiği takdirde ikili,

üçlü sandviç haddeleme mümkündür. Hadde silindirlerinden sonra yerleştirilecek bir fırınla

sürekli pişirme ve onu takiben sıcak haddeleme işlemleri kullanılarak saç malzeme

üretilebilir.

37

Şekil 4.7. Toz haddeleme: (a) Tek metal, (b) İki metal

4.3. Sinterleme (Pişirme)

Sinterleme, toz halindeki malzemenin düfizyon (atomik tasınım olayları) ile erime

sıcaklığı altındaki (2/3 ile 4/5’i) bir sıcaklığa belli bir süre maruz bırakılarak tozların

birbirlerine değdikleri noktalardan başlayarak kaynaşmasıdır. Birden fazla alaşım elemanı

içeren metal tozları genellikle ana metalin ergime sıcaklığının altında, bağlayıcı metallerin

ergime sıcaklığının üzerindeki bir sıcaklıkta sinterleme işlemi yapılır. Böylelikle ergime

sıcaklığı düşük olan alaşım elemanı, ana metalin tozlarını bağlamada kullanılmış olur

(Büyükdavraz, 2000). Soğuk olarak biçimlendirilmiş toz metal malzemeler çok kırılgandır.

Toz taneleri, basınç altında mekanik olarak birbirlerini kilitlemişlerdir ve kısmen de soğuk

kaynak oluşmuştur. Ancak, her iki mekanizma ile de oluşacak mukavemet parçaya yük tasıma

özelliği vermez. "Ham mukavemet" olarak adlandırılan bu mukavemetin parçanın taşınması

ve stoklanması için gerekli mukavemet kadar olması yeterlidir. Soğuk biçimlendirilmiş metal

tozları ergime sıcaklıklarının altında, kaynak oluşması sıcaklığında pişirildikleri zaman toz

taneleri arasında metalürjik bağ oluşur parçanın mukavemeti ham mukavemetinin 100

katından daha yüksek değerlere ulaşır. Şekil 4.8’de sinterleme sırasındaki mikroyapı

gösterilmiştir. Pişirmenin başarılı olması için toz tane yüzeylerinin oksitlerden temiz olması

gereklidir. Pişirilme sırasında ortamdaki hava yok edilmeli ve koruyucu atmosferler

kullanılmalıdır. Pişirme atmosferi olarak genellikle indirgeyici gazlar kullanılmakta ve

böylece toz yüzeylerinde önceden oluşmuş oksit tabakaları pişirme sırasında

indirgenmektedir. Hidrojen en iyi indirgeyici gazdır, ancak pahalıdır. Bugün hidrojen üretici

ortam olarak kırılmış amonyak kullanılmaktadır. Amonyak gazından ayrılan azot, çeliğin

demir ve alaşım elementleriyle reaksiyona girerek oluşturduğu nitrürler ince tanelidir. Bu

amonyağın özelliği de sertleştirme işlemini yapar. Kırılmış amonyakta %25 inert azot ve %75

indirgeyici hidrojen vardır (Sarıtaş, 1994). Ayrıca indirgeyici gaz olarak metan gazı da

38

kullanılmaya başlanmıştır. Sinterleme işlemi, sıkıştırılmış gaz atmosferinde gerçekleşir. Bu

işlem sonunda tozlar arasında metalik bağ oluşur ve oksitler indirgenir.

Pişirme sırasında;

1. Tozlar arasında metalürjik bağ oluşur,

2. Toz yüzeylerindeki oksitler indirgenir,

3. Kısmi yoğunlaşma oluşur,

4. Yağlayıcı olarak eklenen grafit demire yayılarak malzemenin son karbon seviyesini

oluşturur.

Şekil 4.8. Sinterlemenin mikroyapıya etkisi (German, 1990)

Sinterleme işlemi özel olarak çok çeşitli şekilerde yapılan ve üretilen parçaya ve

özelliklerine göre değişen sin terleme fırınları kullanılır (şekil 4.9). Sin terleme sıcaklığının

1050 ºC civarında olması halinde nikel-krom veya demir-krom-alüminyum rezistanslı fırınlar

kafi gelir. Daha yüksek sıcaklıklar için (1000ºC - 1600ºC) molibden rezistanslı fırınlar, 1800º

ve daha yüksek sıcaklıklar için ise yüksek frekanslı veya kısa devreli karbon tüplü fırınlar

kullanılır. Toz metal yataklar genellikle 800 oC civarında sin terlenirken, demir yataklar 1100

ºC ve Alüminyum yataklar ise 600-610 ºC derecede sinterlenirler.

Aşağıda sinterlenen malzemeler için tatminkâr sonuçlar veren fırınlar gösterilmiştir;

Demir veya bronz gözenekli yataklar için: Nikel-Krom, Demir-Alüminyum,

Molibden ve Silisyum Karbürlü fırınlar.

Sert alaşımlar için: Kısa devreli karbon tüplü fırınlar, vakumlu yüksek frekans

fırınlar veya A.B.D. de molibden rezistanslı özel fırınlar.

Sinter mıknatıslar ve elmas alaşımları için: Molibden rezistanslı fırınlar veya

kısa devreli karbon tüplü fırınlar.

39

Şekil 4.9. Sinterleme işlemi

4.4. Sinterleme Sonrası İşlemler

4.4.1. Gözeneklerin Doldurulması ( İnfiltrasyon )

Parçanın yapıldığı malzemenin sin terleme sıcaklığından daha düşük ergime

sıcaklığına sahip metal ile gözeneklerin doldurulması esasına dayanır, örneğin demir esaslı

alaşımlarda sinterleme esnasında bakır kullanılarak gözeneklerin doldurulur. Gözeneklerin

doldurulması, geçirgenliği azaltır ve mekanik özelliklerin iyileşmesini sağlar, fakat göz önüne

alınması gereken bir konu da bu sırada parça boyutlarında değişim görülmesidir. Bu işlemin

diğer bir faydası da ısıl işlem sırasında istenen tabaka kalınlığının hesaplanmasında porozite

olmadığı için kolaylık sağlamasıdır (Baksan, 2005).

4.4.2. Yağ Emdirme

Sinterlenmiş parçaların korozyona karsı direncini artırabilmek için yağ veya metal

olmayan maddeler emdirilmesi yoluna gidilebilir. Kaymalı yataklar sadece T/M metodu ile

yapılabilir, bu yataklarda porozitelerin içine yağ emdirilmek suretiyle yağlamasız yatak

yapımı gerçekleştirilir (Baksan, 2005). Kaymalı yataklar genellikle, sinterleme sonunda 800-

100 oC sıcaklıkta yağ banyolarında vakum altında 6 - 8 saat süre ile yağ emdirilir. Emdirilecek

yağın cinsi, tane büyüklüğü ve şekline, sıkıştırma basıncına ve ortama bağlı değişir. Fakat

genellikle SAE 60 ile SAE 20 viskozite değerindeki yağlar kullanılmaktadır.

40

4.4.3. Son Ölçüye Getirme ve Baskı (ikinci presleme)

Boyutlandırmak ve baskı sinterleme sonrası uygulanan ilave presleme işlemleridir.

Son ölçüye getirebilmek ve yüzey kalitesini artırabilmek için orta kuvvette presleme işlemi

yapılarak çok hafif plastik deformasyon sağlanır. Baskı işleminin iki amacı vardır; hem boyut

hassasiyetini artırmak, hem de parça yoğunluğunu artırmaktır. Bu iş için alışılagelmiş presler

kullanılır (Şekil 4.10).

Şekil 4.10. Boyutlandırma ve yağ emdirme işlemi (TTMD)

4.4.4. Buharla İşlem

Sadece demir esaslı alaşımlar uygulanır, bunun için parçalar 550 °C sıcaklığa kadar

ısıtılır ve sonra parça üzerine su buharı gönderilir, böylece parça üzerinde ve boşluklarında

Fe3O4 oluşması sağlanır. Bu işlemle parçanın korozyon direnci, sertliği ve basma yüklerine

karsı direnci artırılmış olur (TTMD).

4.4.5. İkinci Presleme

Mekanik ve manyetik özellikler gibi özellikler açısından bir önem arz ediyorsa

parçaya tekrar presleme işlemi uygulanır ve böylece istenen özelliklerin elde edilmesi

sağlanır. Preslenmiş parçaların 700-800 °C de ön sin terlenmesinde ilave edilen yağlayıcılar

yanarak uzaklaşır ve parçada yeniden kristalleşme gerçekleşir. İşlem sırasında oluşan

sertleşme ve iç gerilimler sonrası parçaya tekrar eski sünekliğini ve yoğunluğunu daha fazla

artırabilmek gerekir, bu nedenle presleme yapılır ve parça bundan sonra sinterlenir (TTMD).

41

4.4.6. Talaş Kaldırma işlemleri

T/M ile üretilmiş parçalar her ne kadar karmaşık şekilli ve hassas toleranslarda

yapılabilseler de yine de bazı kısıtlamalar olabilir. Bu nedenle delme, talaş kaldırma, delme,

diş açma gibi bazı talaşlı imalat metotlarının şekillendirme kalıpları üzerinde bulunması

mümkün değildir. Sinterlenmis parçalar için uygulanan işlem hızları aynı bileşimde dövme

olarak imal edilmiş parçalara göre daha düşüktür, bu nedenle ilsem hızları seçilirken buna

dikkat edilmesi gerekir. Kesici takım ömrünün artırılması için tozların içine talaşlı imalatı

kolaylaştırıcı MnS ilave edilir. Sinterleme sonrasında da yapıda bu katkılar kaldığı için talaşlı

imalatı olumlu yönde etkiler (Baksan, 2005).

4.4.7. Çapak Alma

Bu işlem, presleme ve talaşlı imalattan kaynaklanan çapakları almak için kullanılır.

Çapak alma işlemi presleme sonrası parça üzerinde oluşan çapakları giderilmesi işlemidir. En

genel uygulama tambur içinde aşındırıcı toz kullanarak yapılan çapak alma işlemidir.

4.4.8. Birleştirme ve Montaj

Kompleks ve büyük yapılı parçalar birleştirmek suretiyle elde edilebilmektedir.

Birleştirme yöntemleri; Difüzyonla, sinter birleştirme ve lazer ile kaynaktır.

4.4.9. Isıl İşlem

T/M ile üretilmiş parçada faz dönüşümleri parça içindeki porozite ile değil fakat

parçayı oluşturan tozların bileşimi ve homojen olması ile ilgilidir. Bu nedenle her türlü T/M

ile üretilmiş parçaya ısıl işlem uygulanabilir. Su verme ile sertleştirme ve temperleme

işlemleri sonucu T/M parça mukavemetinde, aşınma direncinde artış olurken sünekliginde ise

azalma görülür. T/M ile üretilmiş parçalara genellikle karbürleme, karbonitrürasyon gibi

yüzey sertleştirme işlemleri uygulanır (Baksan, 2005).

42

4.4.10. Yüzey Kaplama İşlemi

Eğer malzemenin korozyona karsı daha dirençli olması isteniyorsa elektroliz ile yüzey

kaplaması yapılabilir. Burada dikkat edilmesi gereken nokta elektrolitin T/M parçanın

boşluklarına girerek olumsuz etkilere neden olmasını engellemek için porozitenin daha önce

bahsedildiği gibi gözeneklerin doldurulması gerekir. Bahsedilen bütün işlemler preslenen

parçanın istenilen ölçüye getirilmesi ve yoğunluk kazandırmak için uygulanmaktadır. Şekil

4.11’de sinterleme sonrası uygulanan işlemler gösterilmiştir (Baksan, 2005).

Şekil: 4.11. Sinterleme sonrası uygulanan işlemler (TTMD)

T/M parçaların üretiminde önemli olan bir konu da yukarıdaki yöntemlerin

uygulanması sırasıyla yapılmalı ve en uygun yöntem seçilmelidir. Şekil 4.12’de metal

tozlardan üretilen bir parçanın ilsem akış seması görülmektedir.

43

Şekil 4.12. Bakır-Demir alaşımlı T/M parça üretim basamakları (Karataş 1996)

4.5. Toz Metalurjisi ile Üretimde işlem Adımları

T/M parça üretiminde ana işlem adımları karıştırma, presleme, sinterleme, bitirme

işlemleri olsa da; bu ana işlem adımlarının arasında toz metal parçadan istenen özelliklere

göre birçok ilave işlem uygulanır. Aşağıdaki şekilde toz metal yöntemi ile parça üretiminde,

işlem basamakları gösterilmiştir (Şekil 4.13). Bugün dünyada geçerli olan bütün toz metal

teknikleri Türkiye'de de yapılabilmektedir .(Büyükdavraz, 2000).

44

Şekil 4.13. Toz metal prosesinde işlem adımları

45

5. TOZ METALÜRJİ AVANTAJLARI VE DEZAVANTAJLARI

5.1. Toz Metalürjisinin Avantajları

1. Talaşlı işlem gereksiniminin azaltılması veya tamamen azalması

2. Yüksek üretim hızı ve seri üretime yatkınlık

3. Karmaşık ve Grift parçaların üretimi

4. Çok geniş bir kompozisyon aralığında parça üretimi söz konusudur.

5. Wolfram (3400oC), Molibden (2600oC), Platin (1770oC), Titanyum gibi yüksek

ergime noktalı metallerin üretimi.

6. İyi yüzey kalitesi ve dar boyutsal tolerans.

7. Malzeme yapısı özeldir(yani malzeme yapısı ve gözeneklilik kontrol edilebilir).

8. Hurda malzemenin asgariye indirilmesi (pratik olarak malzeme savurganlığı yoktur).

9. Presleme ve sinterleme uygulanarak yüksek dayanımlı ve aşınmaya dayanıklı

parçaların üretimi mümkündür.

10. Alışılmış yöntemlerle elde edilemeyen bazı özellikler çeşitli elemanların oranlarda

birleştirilmesiyle gerçekleşebilir. Olağanüstü mekanik sertlik ve aşınma dayanımı,

sıvılara karşı yüksek geçirgenlik, mükemmel yağlama ve elektriksel temas özellikleri

gibi.(Alev,2011)

5.2. Toz Metalürjisinin Dezavantajları

1. Toleranslar, talaşlı işlemlere göre daha kabadır.

2. Mekanik fiziksel özellikler, bazı işlemler yapılmadıkça sınırlıdır.

3. İlk yatırım; yani takımlar, presler, sinter teçhizatı oldukça pahalıdır. Seri üretim

yapılmazsa, amortisman değerleri yüksektir.

4. Metal tozlarının maliyeti, ingot halinde üretilen malzemelerden daha yüksektir.

5. Parça boyutları, pres kapasitesine bağlıdır. Parça boyutlarının sınırlı olması göreceli

olarak yüksek maliyeti bir dezavantaj oluşturur.(Çalışkan,2000)

46

6. KAM MİLİ

6.1. GİRİŞ

Dairesel hareket yaparak kam iticisinin alternatif hareket yapmasını sağlayan özel

biçimli makine elemanlarına kam denir. Kam diğer makine elemanlarıyla elde edilemeyen

düzgün olmayan veya özel hareketlerin elde edilmesinde kullanılır. Kamın

sürekli temas halinde bulunduğu ve alternatif hareket yaptırdığı elemana itici denir. İtici

genelde alternatif hareket yapsa da bazı durumlarda alternatif dairesel hareket yaptığı da olur.

Burada alternatif hareketten kasıt aşağı yukarı, sağa sola gibi gidip gelme hareketidir.

Bilindiği gibi genelde makine elemanları dairesel hareket yaparak çalışırlar. Kamlarla makine

elemanlarına değişik hızlarda ve boylarda alternatif hareket ettirmek mümkündür.

6.2. KAMLARIN ÇALIŞMA ŞEKLİ

Kam, itici ve iticiyi üzerinde tutan gövdeden oluşur. Kam kendi ekseni etrafında

dairesel hareket yaptığında simetrik olmayan çevre profili sayesinde iticiyi aşağı yukarı

hareket ettirir. Burada iticinin yukarı çıktıktan sonra geri geliş hareketi sisteme eklenen

bir yay ile sağlanabilir. İticisine her iki yönde hareket sağlayan kamlar çift etkili kamlardır.

6.3. KAMIN KULLANILDIĞI YERLER

Kamlar makinelerdeki otomatik düzeneklerin çalıştırılmasında önemli rol oynarlar.

Özellikle patlamalı ve yanmalı motorlarda gaz giriş ve çıkısını sağlayan supapların

hareketinin sağlanmasında, saatlerde, kilitlerde, otomat torna tezgâhlarında kalem ve revolver

baslığın hareketlerinin elde edilmesinde, dikiş makinelerinde, vida tezgâhlarında kalem

hareketinin sağlanmasında ve diğer otomatik çalışan makinelerde kullanılır.

47

6.4. KAMLARIN SINIFLANDIRILMASI

Kamları çalımsa şekilleri bakımından aşağıdaki gibi sınıflandırabiliriz.

Çevresiyle Çalışan Kamlar

i. Motor Kamları

ii. Disk Kamları

iii. Çerçeveli Kamlar

iv. Kanallı Tambur Kamları

Alın Kısmıyla Çalışan Kamlar

i. Kanallı Disk Kamlar

ii. Alnı Şekilli Kamlar

6.4.1 Çevresiyle Çalışan Kamlar

Bu kamlar iticiye çevreleriyle değerek hareket verdikleri için bu ismi almışlardır.

Bunlar motor kamları, disk kamlar, çerçeveli kamlar ve kanallı tambur kamlardır.

i. Motor Kamları

Motor kamları, motorların supaplarını açıp kapamakta kullanılırlar. Bu kam sahip

olduğu özel profil sayesinde dönme hareketi yaparken iticisini hareket ettirerek supaba

ileri geri hareketi yaptırır. Bu açılıp kapanma hareketi sayesinde motorun içine yakıt girer

veya yanan yakıttan arta kalan gaz dışarı çıkar. Her bir supap için yapılan bu kamların bir

milin üzerinde toplanmasıyla kam mili pratikte anıldığı sekliyle eksantrik mili ortaya çıkmıştır

ii. Disk Kamlar

Disk kamlar adından da anlaşılacağı üzere disk seklindedirler. Bu tür kamlar

kendilerinden beklenen hareketi sağlamak için genellikle simetrik değildirler. Bu yüzden

biçimsiz görünüşleri vardır.

48

iii. Çerçeveli Kamlar

Çerçeveli kamların iticisi çerçeve seklindedir. Kam dönme hareketi yaparken her iki

taraftan yaltaklanmış olan itici sağa sola alternatif hareket yapar. Bu kam düzeneğinin

kullanıldığı yere örnek olarak mekanik elekler gösterilebilir.

iv. Kanallı Tambur Kamlar

Bu kamlar bir tamburun üzerine çeşitli profilde sonsuz kanalların açılmasıyla elde

edilir. Kam döndüğünde bu kanalların içerisinde bulunan her iki taraftan yaltaklanmış itici

sağa sola alternatif hareket yapar.

6.4.2. Alın Kısmıyla Çalışan Kamlar

Bu tür kamların iticiye hareket veren kısımları alın kısımlarındaki girinti veya

çıkıntılar olabileceği gibi alın kısımlarına açılan sonsuz kanallar da olabilir.

i. Alnı Şekilli Kamlar

Bu kamların alın kısımlarında iticiye alternatif hareket yaptıracak şekilde özel biçimli

girinti ve çıkıntılar bulunur.

ii. Kanallı Disk Kamlar

Bu kamlar bir disk üzerine açılmış sonsuz kanallardan oluşur. Kamın dönmesiyle bu

kanalın içinde bulunan iticinin makarası alternatif hareket yapar. Bu kamlar da

çerçeveli kamlar ve kanallı tambur kamlar gibi çift etkilidirler. Yani iticinin ileri ve

geri kurslarını kamın dönme hareketi sağlamaktadır(Uygunuçarlar,2010)

49

Şekil 6.1 Kam çeşitleri.

En basit yapı olarak bir serbestlik dereceli kam mekanizmaları üç uzuvlu bir kinematik

zincirden oluşur. Mekanizma serbestlik derecesi bir olması için zincirde kam çiftinin dışında

bulunan diğer kinematik çiftlerin serbestlik derecesi bir olması gerekir. Bu durumda, diğer

kinematik çiftler kayar veya döner mafsal olabilirler. Yukarıda gösterildiği gibi, 3 değişik

zincir ve bu zincirlerden elde edilebilen yedi değişik mekanizma mümkündür. Genel olarak

kam çiftini oluşturan her iki yüzeyde farklı bir eğri olabilir ise de, imalat kolaylığından dolayı

yüzeylerden biri bir doğru veya dairedir. Daire olarak kendi ekseni etrafında dönebilen bir

toparlak yerleştirilerek kayma sürtünmesi dönme sürtünmesine dönüştürülür. Kam

mekanizmalarının yukarıda gösterildiği şekilde sınıflandırılması yeterli olmamıştır. Bu

nedenle uygulamada kam mekanizmalarının sınıflandırılmasında üç değişik kriter kullanılır.

50

Şekil 6.2. Kam yüzey çeşitleri.

6.5. KAMLARIN TOZ METALÜRJİSİYLE ÜRETİMİ

Toz metalürjisi ile kam imal edebilmek için üretilecek kam için kalıp tasarımı yapılır

ve buna göre de kalıbın üretimi tamamlanır, ardından kam üretiminde kullanılacak tozlar ve

bağlayıcılar hazırlanır. Tozları aynı boyuta getirmek ve homojen karışımı sağlamak için bir

değirmen, hazırlanan tozların şekillendirilmesi için bir pres ve sinterlemek için de bir fırın

kullanılır. Üretilen kamların mikro yapısını incelemek için SEM görüntüsü ve kimyasal

bileşimini belirlemek için EDX analizi alınır. Bu işlem aşamaları aşağıda anlatılmıştır.

6.5.1. Kam İmalatı

Toz metalürjisi ile kam imalatı yapabilmek için önce kam profiline uygun kalıp

tasarımı yapılmalıdır, teknik resmi hazırlanmalı ve belirlenen ölçüler doğrultusunda kalıp imal

edilmelidir.

51

Şekil 6.3 Üretilecek kam için imalatı yapılmış kam kalıbı ve parçaları

Şekil 6.3. de görülen kam kalıbı, ısıl işlem özellikleri ve kimyasal analizi Çizelge 6.1’

de verilen Ç 2080 (AISI D3) sıcak is çeliğinden tel erozyon ile imal edilir. (Şekil 6.1 ve Şekil

6.2) Kalıplama sırasında kalıbın aşınmaması için vakumda su verme işlemi uygulanarak 60-

62 HRC’ye sertleştirilmelidir.

Çizelge 6.1 AISI D3 (Ç 2080) çeliğinin kimyasal bileşimi ve bazı mekanik özellikleri

6.5.2. Tozların Hazırlanması

Kam üretiminde kullanılacak olan bor karbür (B4C), silisyum karbür (SiC), demir ve

kobalt tozları temin edilir. Fenolik reçine temin edilmelidir. Demir tozu, kobalt tozu temin

edilir. Kam üretiminde kullanılacak tozların sıkıştırılması sırasında birbirleri ile

tutunabilmeleri için çeşitli bağlayıcılar kullanılır. Bu bağlayıcılar, potasyum silikat (K2OSiO2)

ile alüminyum fosfat (Al2O3P2O5nH2O) ve fenolik reçineden oluşmaktadır. Bu kimyasallar (%

50 Su + % 50 K2OSiO2) ve (% 50 Su + % 50 Al(H2PO4)3) olmak üzere karıştırılır. Fenolik

reçine, metil alkol-izopropial alkol karışımı içinde çözülür ve içine hegzametiltetramin

[(CH2)6N4] ile kalsiyum stearat [(C17H35CO)2Ca] ilave edilerek bakalit yapısı hazırlanır.

52

6.5.3. Kullanılacak Tozların Karıştırılması ve Hazırlanması

Kam üretiminde kullanılacak tozlar beş değişik oranda (Çizelge 6.2) hazırlanır.

Çizelge 6.2.Metal tozların karışım oranları.

6.5.4. Kam Üretiminde Kullanılacak Aletler

6.5.4.1. Pres

Şekillendirme presi baslıca su elemanlardan oluşmaktadır; 490 mm ×490 mm × 25

mm ebatlı üç adet plaka, 42 mm çapında 700 mm yüksekliğinde 4 adet pres sütunu,130 mm

çapında 300 mm yüksekliğinde 1 adet hidrolik eleman, 3kW’lık elektrik motoru ve buna bağlı

pompadan oluşmaktadır . Kuru presleme yöntemi kullanılırken pompa basıncı 100 kg/cm²

basıncında 13,5 ton 150 gr/cm² basınçta ise 19,5 ton sıkıştırma gücüne sahiptir. Kuru

preslemede, presin hareketli orta plaka ile sabit plaka arasına konulan kalıbın hareket

kabiliyeti 190 mm dir.

6.5.4.2. Şekillendirme Fırını

Lenton Thermal Design Ltd. tarafından üretilen UAF17–27 Furnace, 200–700°C

sıcaklıklar arasındaki işlemler için uygun genel amaçlı bir laboratuar fırınıdır. Bu fırın,

“ısıtma odası” ve bir “kontrol sistem”inden ibarettir.

53

Isıtma odası:

İzole edilmiş oda, U seklinde şekillendirilmiş “Super Kanthal 1800 ” elemanlarının

kenarı boyunca duvardan boşluğa doğru asılmış olarak durmakta ve, bunlarla ısıtılmaktadır.

Bu elemanlar MoSi2 ’den yapılmıştır. Oda, çok özellikli ve çok yüksek sıcaklığa dayanıklı

fiber plakalarla izole edilmiştir. Bu materyal, yüksek sıcaklık sürecinden doğan bazı yüzey

çatlaklarına duyarlıdır. Bu çatlama fırın performansını etkilemez.

Kontrol sistemi:

Kontrol sistemi bir ısı programlayıcısı, bir aşırıdan koruma kontrolcüsü, üç

transformatör, üç faz açılı tristörü ve bir kapı motoru kontrol ünitesi içerir. Kontrol paneli

“enerji açık” göstergesi, bir ” ısıtma açık” anahtarı, güç kontrol ve kapı kontrol sisteminden

ibarettir. Bu sistem, kapıya güç verip kesme, gösterge, kapı-güç açık, yukarı-aşağı ve stop

butonudur. Isıtma odasına Pt-PtRh termokulp sıcaklık algılayıcısı yerleştirilmiştir. aşırı

sıcaklık kontrolcüsüne ise aynı tip ikinci termokulp bağlanmıştır. Transformatörlerde elde

edilen düşük voltaj, seri bağlı elemanları devreye geçirmeye uygun olarak donatılmıştır. Faz

açısı tristör kontrol ünitesi seviyesine karşılık gelen sinyali ısı programcısından alarak kontrol

eder.”ısıtıcı açık” neon göstergesi, elemanların ısındığını görüntüler. Güç devresindeki

manyetik kondaktör aşırı ısı hatası görüldüğünde ve kapı açıldığında devreyi keser fırının her

bölgesine kuvvetli soğutma havası sağlanması için soğutma fanları yerleştirilmiştir. Üniteye

güç verince fanlar çalışmaya baslar. Isıl işlem sonrası kalan ısı giderilinceye kadar fanlar

çalışmaya devam eder. Fırın sıcaklığı 300°C’nin altına düşünceye kadar enerji

kapatılmamalıdır.

Lenton marka bu şekillendirme fırının teknik özellikleri aşağıdaki Çizelge 3.3’de

verilmiştir.

54

Çizelge 6.3. Sinterleme fırının teknik özellikleri.

6.5.4.3. Öğütme ve Karıştırma Değirmeni

Bu değirmen içersinde seramik bilyeler bulunduran 3,5 lt hacimli iki porselen kavanoz

(dönen silindirler üzerinde yatay konumda bulunmaktadırlar) ve bunları döndüren iki

silindirden ibarettir. çalışma esnasında bu silindirler dönerken porselen kavanoz içersindeki

bilyeler birbiri üzerinde darbe ile yuvarlanarak hammadde veya mamul maddeyi sıvı ortamda

öğütür. Deneysel çalışmalarda kullanılacak tüm tozlar aynı tane boyutuna getirilmesi için

değirmende öğütülür (Uygunuçarlar ,2010).

Şekil 6.4 Öğütme ve karıştırma değirmeni.

55

6.5.5.4. Kamın Üretimi (Tozların şekillendirilmesi) ve Sinterleme işlemi

Kam üretimi için gerekli karışımlar Çizelge 6.2 de verildiği şekli ile hazırlandı ve

aşağıdaki açıklama doğrultusunda birleştirilen tozlar kuru malzeme kalmayacak şekilde

karıştırılırlar. Silisyum karbür (SiC) tozları, potasyum silikat (K2OSiO2) bağlayıcı ile ıslatılır

ve Fe tozlarının üzerine ilave edilir. Silisyum karbür (SiC) tozları, alüminyum fosfat

(Al2O3P2O5nH2O) bağlayıcı ile ıslatılır ve Fe tozlarının üzerine ilave edilir.Bor karbür (B4C)

tozları, alüminyum fosfat (Al2O3P2O5nH2O) bağlayıcı ile ıslatılır ve Fe tozlarının üzerine ilave

edilmiştir. Bağlayıcı fenolik reçine, B4C tanelerini ıslatarak Fe tozu ile karışımın üzerine

eklenir.

Bu şekilde hazırlanan karışımlar Şekil 6.3 ‘de görülen değirmende tekrar homojen

karışım haline getirilir. Çizelge 6.2 de verilen 1.ci karışım önce Şekil 6.4’de görülen kam

kalıbı ile üretilirler. Bu karışım prese bağlanmış kalıba yerleştirilerek 150 bar basınçla kam

biçiminde şekillendirilir. Bu kamlar, fırında 960°C sıcaklığına 16 saat süre ile ısıtılarak

sinterleme işlemi ile pişirilir. Bu sıcaklıkta 30-60 dakika beklendikten sonra fırın oda

sıcaklığına soğutulur. Daha sonra fırından dışarı alınan numune kamların bozulmuş olduğu

görülür (Şekil 6.5). Kamlardaki bu bozukluk, sinterleme sırasında bağlayıcı özelliğinin

kaybolmasına ve aynı zamanda kalıbın da hatalı olabileceğine bağlanabilir. Bağlayıcı

özelliğinin kaybolması da ya bağlayıcının uygun olmadığı ya da sinterleme sıcaklığının bu

bağlayıcı için doğru seçilmediği kanaatini doğurmaktadır. Dolayısıyla kamların Şekil

bozukluğu bir taraftan bağlayıcı maddeye diğer taraftan da kalıba bağlanabilir. Bu gurupta

bağlayıcı olarak kullanılan potasyum silikatın (K2OSiO2) iyi bir ıslatıcı olmasına rağmen 960

°C sıcaklıkta bağlayıcılık özelliğini kaybettiğini söylemek mümkün olmuştur. Çizelge 6.2 de

verilen oranlarda hazırlanan toz karışımlarından 1. gurup dışında kalan guruplar (2., 3. ve

4.gruplar), Şekil 6.3 de görülen öğütme ve karıştırma değirmeninde takriben aynı tane

boyutuna getirildikten sonra içerisine fenolik reçine ilave edilir ve karışım 30-60 dakika süre

ile homojen hale getirilmeye çalışılır. Buradan alınan karışım tozları gibi prese bağlandıktan

sonra içerisine konarak preslenmek sureti ile kamlar üretilir. karışım tozları, prese bağlanmış

kalıba yerleştirilerek 150 bar basınçla şekillendirildiler. Presleme esnasında kalıbın dış yüzeyi

harici bir ısıtıcı ile çepeçevre sarılır. Bu ısıtıcı sadece iç tarafa ısı vermektedir. Yani yalnız

kalıbı ısıtmaktadır. Tozlar kalıba doldurulduktan sonra preslemeye başlandı ve aynı anda

tozlar sıkıştırılırken de ön ısıtma (yaklaşık 150°C’de) yapılır. Ön ısıtmanın amacı hem toz

karışımındaki nemi almak hem de bağlayıcı tozların iyi bağlanmasını sağlamaktır.

Şekillendirme tamamlandıktan sonra elde edilen yarı mamul kamların gruplar halinde fırında

56

22 saat süre ile 1060°C sıcaklığa ısıtıldılar ve 30-60 dakika beklendikten sonra fırın oda

sıcaklığına soğutulur. sinterleşenin amacı; ergime noktası düşük malzemelerin sinterleme

esnasında ergiyerek, yüksek ergime noktasına sahip tozların arasındaki boşlukların

doldurulmasıdır. Ayrıca sinterleme esnasında ön ısıtmada tam olarak ortamı terk etmemiş

olan bağlayıcının hava ile yakılarak ortamdan uzaklaştırılmasını sağlamaktır. Şekillendirilme

sırasında kamlara yaklaşık 150°C civarında ön ısıtma uygulanır. Çizelge 6.2 de verilen

karışımlarda yer alan ıslatıcı maddeler ön ısıtma sırasında tozların hidrojen (Van Der Waals)

bağlarıyla bağlanarak kamların rijitik kazanması sağlanmaktadır. Özellikle ön ısıtma B4C ile

demir veya kobalt tozlarını bir arada tutabilmesi için gerekli sıcaklıktır. Demir veya kobalt

tozları B4C’ü tamamen sarması gerekmektedir. Bunun için ıslatıcı kullanılmaktadır. Islatıcı

150°C civarında hidrojen bağlarıyla bağlanarak malzemeyi rijit durumda tutar. Sinterleme,

B4C ana madde olmak üzere Fe ve Co tozlarının ergime derecelerinin 2/3’ü sıcaklıkta

(moleküller arası kohezyon kuvvetleri) sinter bağları tesekkül ettirme işlemidir. B4C’ün

ergime sıcaklığı yüksek (2800°C) olduğundan dolayı sinter bağı demir veya kobalt tozlarınca

oluşur. B4C’ü demir veya kobalt tozları sarar. B4C ile sinter bağı yapmış demir veya kobalt

tozları arasında Van Der Waals bağları oluşur. Ergime sıcaklığı düşük bir bağlayıcı toz ile

ergime sıcaklığı (bağlayıcı tozdan veya granülden) çok yüksek malzeme tozları arasında

birleşmeyi sağlayarak kompozit elde etme işlemine sinterleme işlemi denir. Bu işlem

sırasında ortaya çıkan bağa sinter bağı denir. Sinter bağı metalik bağdan daha sert (aşınmaya

dayanıklı) ve mukavemet yönünden sağlamdır. Sinter bağı fırınlama işlemi sırasında bağlayıcı

tozları sıcaklık arttıkça, tozlar arasındaki çekim kuvveti (kohezyon) artar. Kompozit

malzemede verilen ısının etkisiyle iç enerji artar ve iç enerjinin artması sinter bağını oluşturur.

Sinter bağı yüksek enerjili bağ olduğundan kovalent bağ gücünde bir bağdır. Kovalent bağlar

yüksek enerjili bağ olup B4C, SiC, TiC, AlN vs gibi ileri teknoloji seramiklerinde görülür.

Sinter bağ, bağlayıcı tozun ergime sıcaklığına yakın (yaklaşık 4/5) sıcaklığa kadar bağ enerjisi

artar. Optimum sıcaklık 2/3’ün biraz üstüdür.

57

Şekil 6.5. Hatalı kalıp.

Şekil 6.6. İmalatı bitmiş kamlar.

Kalıplama işlem tamamlandıktan sonra kam numuneler kalıptan çıkarılır. Bu kamlar,

300°C sıcaklığa ön ısıtılmış fırına konarak sinterlenirler. Sinterleme tamamlandıktan sonra

fırın içinde bırakılmak sureti ile oda sıcaklığına soğutulurlar. Sinterleme olarak tanımlanan bu

pişirme işlemi sırasında ise fenol reçineden artık kalan nem ve oksijenin kamlardan

uzaklaşması sağlanır. Daha sonra fırından alınan bu numunelerin, SEM görüntüleri ile EDX

grafikleri (Şekil 6.6-6.21) ve EDX analizleri (Çizelge 6.4-6.11) alınır.(Uygunuçarlar,2010)

6.6. İmal Edilen Malzemelerin SEM-EDX Görüntüleri ve Kimyasal Analizleri

6.6.1. Silisyum Karbur ve Fe Tozları Karışımı

% 50 SiC + % 50 Fe tozları ile potasyum silikat (K2OSiO2) bağlayıcısının

karışımından (1. karışım) üretilen ve 960°C sin terlendikten sonra oda sıcaklığına soğutulan

kamın SEM görüntüsü (Şekil 3.7) ve EDX analizi (Şekil 3.8) alındı. SEM görüntüsü üzerinde

58

görülen dikdörtgen alan içinden alınan EDX sonuçları Çizelge 6.4’ de görülmektedir.

Çizelgede karıştırılan tozlarda yer alan elementler görülmektedir. Bunların dışında gerek

grafikte gerekse çizelgede oksijende görülmektedir. Bu ise, son sinterleme esnasında

bağlayıcıdan gelen oksijenin tam olarak giderilemediği sonucuna götürmektedir. Ayrıca Si

pikinin yüksek olması, analiz alınan noktada Si’un yoğun bulunduğunu göstermektedir. Bu da

toz karışımının istenen homojen yapıda olmadığı sonucunu göstermektedir.

Şekil 6.7. SiC-Fe tozları karışımının Şekil 6.8. (Şekil 6.7) nin EDX grafiği.

SEM görüntüsü.

Çizelge 6.4 Şekil 3.7’da dikdörtgen içerisinden alınan elementlerin yoğunluğu.

6.6.2. Silisyum Karbur ve Fe Tozları karışımı

% 50 SiC + % 50 Fe tozları ile alüminyum fosfat (Al2O3P2O5nH2O) bağlayıcısı

karışımından (2. karışım) üretilen kam, 1060°C sıcaklıkta sin terlendikten sonra kamın aynı

noktasından alınan SEM görüntüsünün farklı bölgelerinden EDX analizleri alındı. Bunlardan

ilk alınan SEM görüntüsü Şekil 3.9’da ve EDX analizi Şekil 3.10’da görülmektedir. SEM

59

görüntüsü üzerinde görülen dikdörtgen seklinde geniş bir alan içinden alınan EDX analiz

sonuçları Çizelge 3.5’ de görülmektedir. Çizelgede karıştırılan tozlarda ve bağlayıcıda yer

alan elementler görülmektedir. Bu elementlerden Al ve oksijen bağlayıcıda bulundukları için

yapıda yer almışlardır. Bu nedenle Al bulunması normaldir. Ancak oksijen son sinterleme

sırasında yapıdan uzaklaşması gerekirdi. Sinterleme sırasında oksijenin uzaklaşması için

yeterli bir zamanın verilmediğinden yapıda kaldığını söylenebilir.

Şekil 6.9. SiC-Fe tozları karışımının Şekil 6.10. (şekil 6.9)’un EDX grafiği.

SEM görüntüsü.

Çizelge 6.5. Şekil 6.9’de dikdörtgen içerisinden alınan elementlerin yoğunluğu.

60

Şekil 6.11’da görülen SEM görüntüsü Şekil 6.9’da görülen ile aynı olup aynı kamdan

alınmıştır. Ancak EDX analizinin alındığı alan, şekilden de görüldüğü gibi Şekil 6.11’deki

EDX analiz alanının küçük bir bölgesini içermektedir (Şekil 6.12’deki küçük dikdörtgen

alan). Bu alandan alınan EDX analizi (Şekil 6.12) ve Çizelge 3.6’da görülmektedir. Çizelgede

karıştırılan tozlarda ve bağlayıcıda yer alan elementler görülmektedir. Bu elementlerden Al ve

oksijen bağlayıcıda bulundukları için yapıda yer almışlardır. Bu nedenle Al bulunması

normaldir. Ancak oksijen son sinterleme sırasında yapıdan uzaklaşması gerekirdi. Sinterleme

sırasında oksijenin uzaklaşması için yeterli bir zamanın verilmediğinden yapıda kaldığını

söylemek mümkündür. Dikkat çeken bir husus ise C’un ve Fe’in bulunmamasıdır. Bu da, toz

karışımının homojen olmadığını göstermektedir. Ayrıca bu bölgede C’un oksijen ile

birleşerek gaz halinde yapıdan uzaklaştığı söylenebilir.

Şekil 6.11 SiC+Fe tozları karışımının Şekil 6.12 (şekil 6.11)’in EDX grafiği.

SEM görüntüsü.

Çizelge 6.6 Şekil 6.11’de dikdörtgen içerisinden alınan elementlerin yoğunluğu.

61

Şekil 6.13’de görülen SEM görüntüsü Şekil 6.9’da görülen ile aynı olup aynı kamdan

alınmıştır. Ancak EDX analizinin alındığı alan, şekilden de görüldüğü gibi Şekil 3.12’daki

EDX analiz alanının küçük bir bölgesini içermektedir (Şekil 6.11’deki küçük dikdörtgen

alan). Bu alandan alınan EDX analizi (Şekil 6.13) ve Çizelge 6.7’de görülmektedir. Çizelgede

karıştırılan tozlarda ve bağlayıcıda yer alan elementler görülmektedir. Bu elementlerden Al ve

oksijen bağlayıcıda bulundukları için yapıda yer almışlardır. Bu nedenle Al bulunması

normaldir. Ancak oksijen son sinterleme sırasında yapıdan uzaklaşması gerekirdi. Sinterleme

sırasında oksijenin uzaklaşması için yeterli bir zamanın verilmediğinden yapıda kaldığını

söylemek mümkündür. Dikkat çeken bir husus ise C’un bulunmamasıdır. Bu da, toz

karışımının homojen olmadığı ve bu bölgede C’un oksijen ile birleşerek gaz halinde yapıdan

uzaklaştığı anlamına gelmektedir.

Şekil 6.13. SiC-Fe tozları karışımının Şekil 6.14. (şekil 6.13)’ün EDX grafiği.

SEM görüntüsü.

Çizelge 6.7 Şekil 6.13’deki dikdörtgen içerisinden alınan elementlerin yoğunluğu.

62

Şekil 6.13’de görülen SEM görüntüsü Şekil 6.9’de görülen ile aynı olup aynı kamdan

alınmıştır. Ancak EDX analizinin alındığı alan, şekilden de görüldüğü gibi Şekil 6.10’deki

EDX analiz alanının küçük bir bölgesini içermektedir (Şekil 6.15’deki küçük dikdörtgen

alan). Bu alandan alınan EDX analizi (Şekil 6.16) ve Çizelge 6.8’de görülmektedir. Çizelgede

karıştırılan tozlarda ve bağlayıcıda yer alan elementler görülmektedir. Bu elementlerden Al ve

oksijen bağlayıcıda bulundukları için yapıda yer almışlardır. Bu nedenle Al bulunması

normaldir. Ancak oksijen son sinterleme sırasında yapıdan uzaklaşması gerekirdi. Sinterleme

sırasında oksijenin uzaklaşması için yeterli bir zamanın verilmediğinden yapıda kaldığını

söylemek mümkündür. Dikkat çeken bir husus ise C’un bulunmamasıdır. Bu da, karışımın

homojen olmadığı ve bu bölgede C’un oksijen ile birleşerek gaz halinde yapıdan uzaklaştığı

anlamına gelmektedir. Ayrıca 2. karışımın değişik noktalarından alınan analizlerde Si’un, bazı

noktalarda da Si ile Fe yoğun bulunduğu görülmektedir. Bu da toz karışımının istenen

homojen yapıda olmadığı sonucunu göstermektedir.

Şekil 6.15. SiC-Fe tozları karışımının Şekil 6.16. (şekil 3.15)’in EDX grafiği.

SEM görüntüsü.

63

Çizelge 6.8 Şekil 6.15’de dikdörtgen içerisinden alınan elementlerin yoğunluğu.

6.6.3. Bor Karbür ve Fe Tozları karışımı

% 50 B4C + % 50 Fe tozları ile alüminyum fosfat (Al2O3P2O5nH2O) bağlayıcısı

karışımından (3cü karışım) üretilen kam, 1060°C sin terlendikten sonra kamdan alınan SEM

görüntüsü (Şekil 6.17) ve EDX analizi (Şekil 6.18) görülmektedir. SEM görüntüsü üzerinde

görülen dikdörtgen alan içinden alınan EDX sonuçları Çizelge 6.9 de görülmektedir. EDX

grafiğinde ve Çizelgede karıştırılan tozlarda yer alan elementler ve karışımda olmayan Si

görülmektedir. Normalde karışımda olmayan Si elementinin, bir önceki Si ve Fe tozlarının

karıştırılmasından sonra değirmenin iyi temizlenmemesi sonucu değirmen içinde kalan artık

tozlardan karışıma girdiği, ayrıca Çizelge 6.9 ve Şekil 6.18’de görülen Al elementi ise

bağlayıcıdan arta kaldığı ve yapıda yer aldığı, bağlayıcıda yer alan O (oksijen)’in sinterleme

sırasında yapıdan uzaklaştığı kabul edilmektedir. Ayrıca Al ve C’un yoğun bulunduğu (Şekil

6.18) toz karışımının homojen olmadığını işaret etmektedir.

64

Şekil 6.17 B4C-Fe tozları karışımının Şekil 6.18 (şekil 6.17)’un EDX grafiği.

SEM görüntüsü.

Çizelge 6.9 Şekil 6.17’da dikdörtgen içerisinden alınan elementlerin yoğunluğu.

% 50 B4C + % 50 Fe tozları ile fenolik reçine bağlayıcısı karışımından (4. karışım)

üretilen kam, 1060°C sin terlendikten sonra kamdan alınan SEM görüntüsü (Şekil 3.18) ve

EDX analizi (Şekil 6.19) görülmektedir. SEM görüntüsü üzerinde görülen dikdörtgen alan

içinden alınan EDX sonuçları Çizelge 6.10 da görülmektedir. EDX grafiğinde ve Çizelgede

karıştırılan tozlarda yer alan elementler ve karışımda olmayan Si, O ve Au görülmektedir.

65

Normalde karışımda olmayan bu elementlerden Si, daha önceki Si ve Fe tozlarının

karıştırılmasından sonra değirmenin iyi temizlenmemesi sonucu değirmen içinde kalan artık

tozlardan karışıma girdiği düşünülmektedir. Şekil 6.18 ve Çizelge 6.10 da görülen oksijenin

bağlayıcıdan geldiği ve sinterleme esnasında giderilemediği ve altın (Au) elementinin ise,

EDX analizi için yapılan altın kaplamadan yapıya karıştığı sanılmaktadır.

Şekil 3.19 B4C-Fe tozları karışımının Şekil 6.20 (şekil 3.19)’in EDX grafiği.

SEM görüntüsü.

Çizelge 6.10 Şekil 6.19’de dikdörtgen içerisinden alınan elementlerin yoğunluğu.

66

6.6.4. Bor Karbur ve Kobalt Tozları karışımı

% 50 B4C + % 50 Co tozları ile fenolik reçine bağlayıcısı karışımından (5. karışım)

üretilen kam, 1060°C sin terlendikten sonra kamın SEM görüntüsü (şekil 6.21) ve EDX

analizi (Şekil 6.22) alındı. SEM görüntüsü üzerinde görülen dikdörtgen alan (şekil 6.21)

içinden alınan EDX sonuçları (Şekil 6.22) Çizelge 6.11’ de görülmektedir. EDX grafiğinde ve

çizelgede karıştırılan tozlarda yer alan elementler ve karışımda olmayan altın (Au) ve oksijen

(O) elementi görülmektedir. Normalde karışımda olmayan altın, EDX analizi için yapılan

altın kaplamadan yapıya karıştığı, oksijenin ise bağlayıcıdan geldiği ve son sinterleme

esnasında giderilemediği düşünülmektedir. Ayrıca analiz bölgesinde yoğun olarak Co’ın

bulunması toz karışımın istenilen homojen yapıda olmadığını göstermektedir.

(Uygunuçarlar,2010)

Şekil 6.21. B4C-Co tozları karışımının Şekil 6.22. (şekil 6.21)’nin EDX grafiği.

SEM görüntüsü.

67

Çizelge 6.11 Şekil 6.22’de dikdörtgen içerisinden alınan elementlerin yoğunluğu.

68

7. TOZ METALÜRJİSİ ÜRÜNLERİNİN MEKANİK

PERFORMANSLARININ ARTIRILMASI

7.1 YORULMA

Malzemenin yorulması çok karmaşık bir işlem olup pek çok faktörden

etkilenmektedir. Toz metal (T/M) çeliklerin için önemli faktörler şekil 7.1’de gösterilmiştir.

Gözenekler gerilme biriktirici olarak hareket edebilir, ancak gözeneklerin şekil ve

büyüklükleri değiştirilerek yorulma mukavemetleri geliştirilebilir. Mikro yapının homojen

veya heterojen olması da yorulma performansına etki eder. Kimyasal bileşim, yüzey kalitesi,

kalıcı gerilmeler ve dış çentikler yorulma mukavemetine etki eden diğer faktörlerdir.

Şekil 7.1. Yorulma Ömrüne Etki Eden Faktörler

7.1.1. Gözenekler

T/M malzemelerin doğal fiziksel özellikleri içlerinde gözeneklerin bulunmasıdır.

Gözenekler gerilme birikmesine yol açtıklarından çatlar için öncü olabilirler. Süneklilik

gözenek yapısına bağlıdır, ancak darbe ve yorulma gibi dinamik özellikler gözeneğe daha

hassastırlar. Hatta tam yoğunluk T/M çeliklerin bile, çok az miktardaki kalıcı gözeneklerden

dolayı, özellikleri düşüktür.

69

Çatlak başlaması için kapalı gözenekler, birbirine bağlı ve dışa açık gözeneklerden

daha az tehlikelidir. Yüzeydeki gözenekler gerilme birikmesinden ve yüzeydeki aşırı

yüklerden dolayı yorulma çatlağı başlaması için tercih edilen yerlerdir. Gözeneklerin

büyüklüğü, şekil ve duruşları farklı olduğundan her bir gözeneğin gerilme biriktirme

faktörleri belli değildir. Küresel gözenekler için gerilme biriktirme faktörü 2 iken eliptik ve

uygulanan yüke dik duruştaki gözeneklerin için bu değer 10’a kadar çıkabilir. T/M

malzemelerde gerilme dağılımı hacim içinde her yerde değiştiğinden çatlak başlangıcını da

tanımlamak oldukça zordur.

T/M malzemelerde yorulma çatlağı başlamasının çok erken olabileceği ve hatta birkaç

devirden sonra bile meydana gelebileceği belirtilmektedir. Gözenek miktarı arttıkça çatlak

başlaması için gerekli devir sayısı düşer. Yorulma çatlağının genellikle yüzeyden başlıyor

olması, yüzeyin yoğunluğunu arttıran işlemlerin (bilyalı dövme, haddeleme gibi) yorulma

çatlağı başlamasını geciktireceklerinden parçaların yorulma ömürlerini arttıracaklardır.

Gözeneklerin şekilleri ve dağılımları seçilen tozların özelliğine ve işleme yöntemine göre (toz

boyut dağılımı, alaşım elementleri ve yağlayıcılar, presleme basıncı pişirme sıcaklığı gibi)

değiştirebilir. Böylece gözeneklerin çatlak öncüsü olarak görev yapmaları engellenebilir.

Küçük boyutlu tozlar hızlı pişerler ve küçük gözeneğe sebep olurlar. Fosfor, kükürt ve bor

gibi sıvı faz oluşturan elementlerin alaşım elementi olarak katılması gözeneklerin

kapanmasını ve kalanların da küreselleşmesine yol açar. Yüksek sıcaklıkta pişirme de

gözenek miktarını azaltır ve küreselleştirmeye yol açar.

Çatlak ilerlemesi; gözeneklerin morfolojilerine bağlı olarak çatlak ilerlemesini

hızlandırabilir veya yavaşlatabilir. Küresel gözeneklerin çatlağı yavaşlatırken, keskin köşeli

gözenekler çatlağı hızlandırır. Mevcut teoriler çatlak ilerlemesine gözeneklerin etkilerini

kısmen açıklayabilirken bütün mikroyapısal etkileri kapsayan bir model henüz

geliştirilmemiştir. Toplam gözenek miktarını dışında gözenek eğrilik yarıçapı ve gözenekler

arası mesafe de yorulma davranışa etki eder.

Paris-Erdoğan denklemi ile yorulma çatlağı ilerlemesi başarılı bir şekilde analiz

edilebilir:

dadN

=A( DKet )ⁿ

70

Bu denklemde dadN

yorulma çatlağı ilerleme hızı, A ve n deneysel olarak belirlenen

malzeme sabitleri, DK et etkili gerilme şiddeti aralığıdır. Şekil 7.2’de gösterildiği gibi T/M

çeliklerin yorulma dadN

– DK eğrileri döküm-hadde çeliklerinkiler gibidir. Bununla beraber

eğriler bir mertebe yukarıdadırlar. Şekil 7.3’de çeşitli yoğunluklardaki çeliklerin dadN

– DK

eğrileri verilmiştir. Görüldüğü gibi eğriler hemen hemen paraleldir.

Şekil 7.2. T/M ve Hadde Çelikler için dadN

Grafikleri

71

Şekil 7.3. Çeşitli Yoğunluklardaki T/M çelikler için dadN

Eğrileri

Paris –Erdoğan denklemindeki malzeme sabitleri gözenek miktarına hassastırlar. A

katsayısı gözenek miktarı ile artar ve böylece benzer DK değerlerinde T/M çeliklerde çatlak

hadde çeliklere göre daha hızlı ilerler. Eşik gerilme şiddeti aralığı DK et değeri düşer. Bu

değişikliğin sebebi % 92 yoğunluk (7,2 gr

cm ³ ) civarında gözenek morfolojisinin bağlı-

gözenek tipinden izole-gözenek tipine göre değişimidir.

T/M çelikler için yorulma mukavemetinin yoğunlukla doğru orantılı olarak arttığı

bütün araştırmacıların ortak görüşüdür. Şekil 7.4’de bir örnek verilmiştir. Gözenek

büyüklüğünün de yorulma mukavemetine etki ettiği ve boyutun arttıkça aynı gözenek

miktarında mukavemeti düştüğü deneysel tespitlerle gösterilmiştir. Şekil 7.5’te görüldüğü gibi

gözeneklerin küreselleştirilmesi yorulma mukavemetini arttırmaktadır. Çatlak ilerlemesinde

belirtildiği gibi T/M malzemenin yoğunluğunu arttırıcı her yöntem yorulma mukavemetini

arttırır. Böylece; yüksek presleme basınçları, küçük toz boyutu ve alaşım ilaveleri sıvı-fazlı

pişirme ile gözenekleri doldurma yüksek sıcaklıkta pişirme ile küçük gözeneklerin difüzyonla

kaybolması ve büyük gözeneklerin küreselleşmesi ve yüzey tabakalarının plastik

deformasyonla yoğunlaştırılması ve faydalı kalıcı gerilme oluşturma yöntemlerinin hepsi de

yorulma mukavemetini arttırırlar.

Şekil 7.4. T/M Demir (ASC100.29) için Yorulma Mukavemetine Toplam Gözeneğin Etkisi

72

Şekil7.5. Gözenek Eğrilik Çapının Yorulma Mukavemetine Etkisi

Şekil 7.6'da çeşitli T/M çelikler için, yorulma mukavemeti çekme mukavemeti ile

karsılaştırılmıştır. Değerler oldukça geniş dağılım göstermektedirler. Yorulma oranı, yorulma

mukavemeti / çekme mukavemeti, 0.16 ile 0.47 arasında değişmektedir. Döküm-hadde

yüksek mukavemetli çelikler için (> 1000 MPa) yorulma oranı 0.50 olarak kullanılmaktadır.

Geniş dağılımın ana sebebi çekme mukavemeti gözenek morfolojisinden fazla etkilenmez

iken yorulma özelliğinin oldukça etkilenmesidir. T/M çelikler için yorulma oranının 0.38

olarak alınabileceği belirtilmesine rağmen fikir fazla destekçi bulmamaktadır.

73

Şekil 7.6. Yorulma Mukavemetinin Çekme Mukavemetine Bağlılığı

7.1.2. Mikroyapı

T/M çeliklerin mikro yapıları alaşımlama tekniğine ve üretim yöntemine bağlıdır. Elde

edilen mikro yapı, kimyasal bileşime ve mevcut fazlara göre homojen veya heterojen olabilir.

Mikro yapının homojen/heterojen olmasının yorulmaya nasıl etki edeceği konusunda görüş

birliği yoktur. Klasik metalürji bilgisine göre homojen yapı istendiğinden önceden-alaşımlı

çelikler tercih edilir. Ancak pek çok araştırmacıya göre heterojen yapıların her elemanı

birbirini destekleyeceğinden (kompozitler gibi) performansı da arttıracaktır.

74

Alaşımlama Tekniği: T/M çeliklerin mikro yapılarına ve gözenek morfolojisine

alaşımlama tekniğinin ciddi etkisi vardır. Dört farklı şekilde çelik alaşımlama tekniği vardır.

Bunlar; karıştırma, kısmen alaşımlama, önceden-alaşımlama ve melez alaşımlama karıştırma -

Alaşım elementleri baz olarak kullanılan demir tozuna element tozu veya ferro-alaşım tozu

olarak katılır. Bu yöntem hem ucuzdur hem de çok kullanılmaktadır. Kısmi alaşımlama

(Difüzyon Alaşımlaması) - Alaşım elementleri baz demir tozuna difüzyon ile kısmen

yayılırlar. Bu tip çelik tozlarının preslenirliği iyidir. önceden-alaşımlama - alaşımlı sıvı

çelikten atomizasyon ile alaşımlı çelik tozu elde edilir. Kimyasal bileşim ve mikro yapı

homojendir. Molibdenli çeliklerden preslenirliği çok iyi olan alaşımlı çelik tozları

üretilmektedir. Hibrid (Melez) alaşımlama- önceden-alaşımlı veya kısmi alaşımlı çelik

tozlarına element veya ferro-alaşım tozları ilave edilir. Böylece üretilen T/M çeliğin

mukavemeti ve sertleşebilirliği artırılmış olur.

Kimyasal Bileşim: T/M çeliklerin yorulma özelliklerine öncelikle gözenek

morfolojisinin etki ettiği ve kimyasal bileşimin (aynı karbon seviyesinde) fazla etkili olmadığı

belirtilmektedir. En yüksek yorulma mukavemeti sertleştirilmiş-menevişlenmiş ve içinde

serbest nikel bulunan çeliklerde elde edilmiştir. Böylece, karışım, difüzyon alaşımlama ve

melez alaşım teknikleri tercih edilir. Çelik tozlarının preslenebilirlikleri çok önemlidir.

önceden-alaşımlı çelik tozlarının preslenebilirliği saf demire ve difüzyon alaşımlı çelik

tozlarına göre düşüktür. Tozla da bulunan oksijen miktarı da çok önemlidir. Bu oksijen

pişirme işlemi sırasında yapıdan atılabilmelidir.

Homojen/Heterojen: T/M çeliklerin mikro yapıları pişirme şartlarını değiştirerek

geliştirilebilir. Lindqvist Distaloy AE çelik tozundan %0.5 grafit ekleyerek yorulma

numuneleri üretti. 600 MPa basınçta presledikten sonra 1090 oC, 1120 oC ve 1250 oC

sıcaklıklarda 30 dakikada pişirdi. Pişirilmiş mikro yapılar martenzit, beynit ve kalıcı

östenitten olutsu. 1250 oC’de yüksek sıcaklık pişirmesi en fazla martenzit oluşurdu. Şekil

7.7'de farklı sıcaklıklarda pişirilmiş alaşımın yorulma mukavemetini göstermektedir. Şekilden

görüldüğü gibi 1250 oC’de pişirilmiş numunelerin yorulma mukavemeti 1120 oC’de

pişirilmişlerden daha düşüktür. Yüksek sıcaklıkta pişirme homojenliği arttırmasına, küçük

gözenekleri yok edip büyük gözenekleri küreselleştirmesine rağmen yorulma mukavemeti

daha düşüktür.

75

Baba ve arkadaşları, toz enjeksiyon kalıplama ile 4600 çeliği tozundan farklı

alaşımlama teknikleri ile (karıştırma, önceden-alaşımlama) malzeme ürettiler. 1150 PC’de

pişirmeden sonra sertleştirilip-menevişlenen çeliklerin S-N grafikleri şekil 7.8'de verilmiştir.

Karışım tozlardan üretilen çeliğin yorulma mukavemeti önceden-alaşımlı tozdan üretilenden

%22 daha yüksektir. önceden-alaşımlı çeliğin yapısı martenzit iken karışım tozlardan üretilen

çeliğin yapısında martenzit, kalıcı-ostenit ve nikel zengin alanlar vardır.(Sarıtaş ,2008)

Şekil: 7.7. Pişirme Sıcaklığının Yorulma Mukavemetine Etkisi

Şekil 7.8. Homojenliğin Yorulma Mukavemetine Etkisi

MnS İlavesi: MnS ilavesi T/M çeliklerin talaşlı imalata uygunluğunu oldukça

geliştirir. Bununla beraber MnS ilavesi sünekliği ve kırılma tokluğunu oldukça düşürür.

Çekme mukavemeti etkilenmezken yorulma mukavemetinin nasıl etkilendiği konusunda fazla

bilgi yoktur. 7,3 g/cm3 yoğunlukta katılan %0,5 MnS'un yorulma mukavemetini düşürmediği

belirtilmişti.

76

İkincil İşlemler: Sertleştirme, yüzey sertleştirme, yüzeyde deformasyon oluşturma,

yüzey bitirme ve kaplama yöntemleri gibi her turlu ikincil işlemler yorulma davranışına

oldukça etki ederler. Makine parçası eksensel yüke maruz kalacak ise (biyel kolu gibi) bütün

kesitte sertleştirme yapılır. Parça yüzeysel yüklere maruz kalacak ise (dişli çarklar gibi) yüzey

sertleştirme uygulanır. Şekil 7.9'da görüldüğü gibi bütün kesitte sertleştirme yorulma

mukavemetini arttırır (FN-0208 (1120 oC pişirme), FN-0208 (1330 oC pişirme) ve FN-0208-

HT). En yüksek yorulma mukavemeti daima sertleştirilmiş-menevişlenmiş yapıda elde edilir.

T/M çelikler çeşitli şekillerde yüzey sertleştirme işlemlerine tabi tutulabilirler. Ancak,

T/M çelikler gözenekli olduklarından 7,2 g/cm3 yoğunluk altında sertleşme derinliğini kontrol

etmek zordur. Bas Distaloy SE çeliğini 6,8 g/cm yoğunlukta çeşitli yüzey sertleştirme

işlemlerine tabi tuttu ve şekil 8.9'da sunulan değerleri elde etti. Çekme mukavemeti önemli

ölçüde değişmemesine rağmen yorulma mukavemetini sementasyon %60 ve karbonitrurleme

%100 arttırdı. Buharla oksitleme T/M 'ye ait bir yüzey bitirme ve sertleştirme yöntemidir.

İşlem 500-550 oC sıcaklıklarda su buharı verilerek yapılmaktadır. Sertleşme derinliği birkaç

mm değerine kavuşabilir. Buharla oksitleme aşınma direncini arttırır fakat çekme

mukavemetini düşürür. Yorulma mukavemetine etkisi ise bilinmemektedir.

Bilyalama ve yüzey haddeleme gibi yüzey deformasyon teknikleri T/M çeliklerin

özelliklerini geliştirmek için sıkça kullanılmaktadır. Bu yöntemler yüzey tabakaların

yoğunluğunu arttırdığı gibi kalıcı basma gerilmesi de oluştururlar. Saritas ve arkadaşları,

çeşitli T/M çeliklerin 6,9 g/cm3 yoğunlukta bilyeli dövme ile yorulma mukavemetlerini

arttırmayı araştırdılar ve %50'ye varan miktarlarda artış sağladılar. Bu sonuçlar şekil 7.10’ da

gösterilmiştir.

77

Şekil 7.9. Isıl İşlemlerin T/M Çeliklerin Çekme ve Yorulma Mukavemetlerine Etkileri

Şekil 7.10. Bilyalı Dövülmüş T/M Çeliklerin Yorulma Mukavemeti

7.1.3. Diğer Faktörler

Çentikler ve Yüzey Kalitesi: Çentiklerin bütün malzemelerin yorulma özelliklerine

kötü etki ettikleri bilinen bir gerçektir. Gözenekli malzemeler için iç ve dış çentiklerin etkileri

ayrı ayrı belirlenmelidir. İç çentiklerin (gözenek) etkileri önceki bölümlerde açıklanmıştır.

Şekil 7.11'de dış çentiklerin T/M ve dokum hadde çeliklerin yorulma özelliklerine (R = -1)

etkileri gösterilmiştir. Yorulma mukavemeti çentik faktörü arttıkça düşmektedir. Ancak,

düşüş dokum-hadde çeliklerde T/M çeliklere Gore daha şiddetlidir. Düşük çentik

faktörlerinde (<2) döküm-hadde çelikler T/M çeliklerden daha yüksek yorulma mukavemetine

sahip iken, yüksek çentik faktörlerinde (>2) T/M çelikler eşit veya daha yüksek yorulma

mukavemetine sahiptirler. Beiss'e göre yoğunluk 6,5 g/cm3 altına düştüğü zaman yorulma

mukavemeti çentik faktöründen etkilenmez.

78

T/M çelik parçaların talaşlı imalat yapılmayan yüzeyleri döküm-hadde çeliklerin

işlenmeyen yüzeylerinden çok daha düzgündür. T/M çeliklerin dış çentiklere düşük duyarlılığı

dikkate alınarak, aynı imalat şartlarında üretilmiş T/M parçaların T/M test numunelerinden

daha yüksek performans gösterecekleri açıktır(Sarıtaş 2008).

Şekil 7.11. T/M Çeliklerin ve Döküm-Hadde Çelikler için Çentik Duyarlılığı

Şekil 7.12. T/M Çelikler için Çeşitli Gözenekler Miktarlarında

Çentik Duyarlılığı

79

7.2. AŞINMAYA KARŞI UYGULANAN YÜZEY İŞLEMLERİ

Genellikle mühendislikte kullanılan malzemelerin istenilen mukavemete sahip olması

ve uygulanan yükleri taşıması gerekmektedir. Bu tür özelikler malzemenin kendisi ile

doğrudan ilgilidir. Ayrıca, malzemelerin verimli olarak kullanılabilmesi için bazı yüzey

özeliklerini de taşıması gerekir. Bu özelikler elektrik, optik ve ısıl özelikler olabileceği gibi

malzemenin kullanım süresi ile yakından ilgili olan korozyon ve aşınma direnci gibi özelikler

de olabilir. Genellikle bütün bu özelikleri (mekanik+yüzey) tek bir malzemede bulmak

olanaksız veya çok pahalı olmaktadır. Bu nedenle mühendislik malzemelerinin gerekli yapısal

özelikleri sağlayan ucuz bir malzemeden seçilmesi ve diğer yüzey özeliklerinin ise yüzey

işlemleri ile sağlanması en uygun çözümdür.

7.2.1. Termo Kimyasal İşlemler

Metallerin yüzey niteliklerini ve aşınma mukavemetlerini kimyasal reaksiyonlar

kullanarak iyileştirme yöntemidir. Kimyasal olarak aktif bileşimlerle metal yüzeylerinin

difüzyon ile yüzey bileşiminin değişimi esasına dayanır.

Termo-kimyasal işlemler katı, sıvı yada gaz ortamlarda yapılabilir. İşlemin süresi

kullanılan ortamın bileşimi ve sıcaklığına göre değişir. En yaygın kullanılan termo-kimyasal

işlemler karbürleme, nitrürleme, siyanürleme ve borlamadır. Aşağıda günümüzde en yaygın

kullanılan karbürleme ve nitrürlemenin esasları ana hatlarıyla anlatılacaktır.

7.2.1.1. Karbürleme

Çeliklerin yüzey sertleştirmeleri için kullanılan en yaygın termokimyasal işlem

karbürlemedir. Karbürleme yüzeyden çeliğe atomik karbon difüzyonu, bir yüzey bölgesi

üretimini ya da yüzey karbon konsantrasyonunun artırımı işlemidir ve genel olarak birkaç

milimetre derinliğe kadar nüfuziyet sağlanabilir.

İşlem az karbonlu ve az alaşımlı çeliklere uygulanır, tipik olarak bunlar su verilmiş

durumda bile tokluğunu koruyabilecek olan %0.15 - 0.2 C ‘lu çeliklerdir.

Karbürleme genellikle 900 °C ya da üzerindeki sıcaklıklarda, ostenit faz bölgesinde dışarı

taşınır. Bu sıcaklıklarda östenitte karbon difüzyonu hızlıdır.

Yüzey tabakasındaki karbon konsantrasyonu karbürleme ile % 0.7-0.9 artırılarak

yaklaşık olarak 900 HV’nin üstünde bir sertlik sağlanabilir.

80

Karbürleme, kafes hacminde toplam değişme nedeniyle parçanın çarpılmasına da

sebep olur. Her ne kadar bu çarpılma dikkatli uygulamayla azaltılabilirse de asla tamamıyla

yok edilemez. Karbürleme işlemi yaygın olarak dönen miller, kamlar, dişliler ve kam milleri

için kullanılır. Buna ilaveten, yüksek yüzey sertleşmesi ve martenzitik dönüşüm yüzeyde

kafes yapısını sıkıştırarak aşınma ömrünü arttırır.

Sertleşmenin derinliği ve sertlik kazanımı zamana, karbonun aktifliğine bağlıdır. Gaz

Karbürleme yaygın olarak kullanılan metottur. Geleneksel olarak bileşenler karbon monoksit,

hidrojen ve nitrojenli bir atmosferde ~900°C ’ye ısıtılır; yeni gelişmeler metanol ve nitrojenin

bir karışımını kullanır. Paket karbürlemede bazen çok kalın yüzeyler elde edilebilir. Bileşenler

orta tanecikli mangal kömürü ve bir “enerji verici” (tipik baryum karbonat) içeriği ile kapalı

kutulara paketlenir ve ısıtılır. Karbürleme geleneksel gaz işleminde olduğu gibi aynı miktarda

yer tutar. Kutu içerisindeki karbon ve artık oksijenden karbon monoksit etkisi ile şekillenir.

Karbürleme için sıcaklık 1000 °C ‘ye çıkartılırsa işlem zamanında önemli bir kısalma olur.

Daha yeni uygulamalar ise yüksek sıcaklıklarda (1050 °C civarında) vakum

karbürleme ve plazma karbürlemedir. Vakum karbürlemede, bileşenler orta derece vakumda

ısıtılır ve sonra metan ya da propanın düşük bir basınçta ocak içine verilir. Sıcak çeliğin

yüzeyinde gaz reaksiyonu ile karbon oluşur. Karbonlu yüzeyin doyumunu izleyen, yüksek

sıcaklıktaki vakum altında iç kısımlara difüzyonu için müsaade edilir. Plazma karbürlemede,

düşük basınçlı metan ortamında plazma ile ısıtılmış sıcak alt yapının yüzeyi üzerinde karbonu

çöktürmek için kullanılır. Vakum işleminde, kısa karbürleme periyodu, daha uzun bir

difüzyon periyoduyla takip edilir. Vakum ve plazma karbürlemelerinin her ikisi de, enerji-

tesirli işlemlerdir ve yüksek işlem sıcaklığı nedeniyle, aynı süreli daha düşük sıcaklık

metotlarından çok daha derinde setleşmeye olanak sağlarlar.

Şekil 7.13 ‘de takriben aynı sürelerde, geleneksel gaz metodu, iki farklı basınç altında

vakum metodu ve plazma metoduyla karbürize edilmiş bir düşük karbon çeliğindeki sertleşme

profilleri görülmektedir. Diğer metotlarla sağlanabilen sertleşme derinliğinin, daha düşük

sıcaklıklardaki gaz metoduyla sağlanabilmesi için, çok daha uzun bir karbürleme zamanı

gerektiği görülebilir.

81

Şekil 7.13. Çeşitli metotlarla karbürize edilmiş AISI 1018 çeliğinin sertlik profili

7.2.1.2. Nitrürleme

Çelik yüzeylerinin sertleştirilebilirliği; ucuz olan az ve orta karbonlu çeliklerin kalın

kesitleri de dahil olmak üzere, herhangi bir çarpılma ve çatlama olmadan gerçekleştirilmesi

nedeniyle bir avantaj oluşturmaktadır.

Difüzyon ile yüzey sertleştirme yöntemlerinde, malzeme yüzeyinde kimyasal

değişimler oluşmaktadır. Parçanın yüzey ve yüzey altı bölgesine sertleştirme elementlerinin

yayınımını (difüzyon) sağlamak için bir miktar ısıya gerek duyulduğundan yüzey

sertleştirmede kullanılan temel işlem termokimyasaldır. Difüzyon yolu ile sertleştirme

yöntemleri karbon, azot veya bor gibi sertleştirme elementlerinin ve parça yüzeyine bu

elementleri göndermek ve nüfuz ettirmek için kullanılan yöntemlerin değişik türlerini

içermektedir. Bu yöntemler ile doğal olarak farklı sertlik ve sertlik derinliği üretilir. Çeliğin

82

cinsi, istenilen sertlik ve sertlik derinliği belirli bir difüzyon yönteminin uygunluğunu

etkileyen yöntemlerdir.

Günümüz mühendisleri çok sayıdaki difüzyon ile yüzey sertleştirme yönteminin

sağladığı üstünlükten yararlanırlar. Difüzyon ile yüzey sertleştirme işlemleri özellikle

çeliklerin kullanım alanlarının artmasında çok etkili yöntemlerdir. Birçok tasarım mühendisi

karbürize edilmiş ve sertleştirilmiş çeliğin aşınma ömrünün sertleştirilmemiş çelikten daha iyi

olduğunu bilmektedir. Ancak uygulamada daha az kullanılan difüzyon ile yüzey sertleştirme

işlemlerinde de aynı durumun elde edildiğini pek fazla bilmemektedirler. Örneğin,

nitrürlenmiş çeliğin aşınma direnci karbürize edilmiş çelikten daha yüksektir. Ancak, tasarım

mühendisleri karbürize işlemini ve onun aşınma davranışını daha iyi bildiğinden karbürleme

işlemi daha sık kullanılmaktadır. Oysa nitrürleme ile yüzeyi serleştirilmiş çelik kullanılması

durumunda karbürlemeye veya bilinen yüzey sertleştirme işlemlerine kıyasla belirgin aşınma

ömrü iyileşmesi ortaya çıkar.(Akman,2007)

7.3. ISIL PÜSKÜRTME

Günümüz endüstrisinin en büyük probleminin periyodik aşınmalar beklenmedik

arızalar veya büyük hasarlar oluşturan kırılma ve çatlama gibi olayları kapsadığını kabul

edersek; işletmelerin amacının da bu faktörleri olabildiğince en aza indirmek veya ortaya

çıktığında anında müdahale etmek olduğunu söylemek, sanırız doğru olacaktır.

Bazı ortamlarda, arıza nedeni ve derecesi ne olursa olsun çok kısa bir duruşun bile

işletmeye ve ülke ekonomisine ne kadar büyük zararlar verdiği hepimizce bilinmektedir. Bu

arıza olayı eğer sürekli oluyor ise arızayı geciktirmek, arızaları ve duruşları ortadan kaldırmak

gerekmektedir. Bu ise ancak dengeli ve bilinçli periyodik bir bakımla sağlanır.

Sanayi inin çeşitli kesimlerinde kullanılan iş parçalarının kullanım sonrası aşınmış parçaların,

yenisinin yapılması çok zor veya imkânsızdır. Bu parçalar maliyetleri çok yüksek bile olsa

hurdaya atılmaktadır. Bu parçalara zamanında müdahale edilerek mikro kaynak veya ısıl

püskürtme yöntemleri ile kaplama yapılmak suretiyle çalışma ömürleri uzatılabilmektedir.

Bundan dolayı koruyucu veya tamir için ısıl püskürtme kaplamaların uygulanmasında

genel amaçlar şunlardır:

83

Özellikle zorlanan makine parçalarının ömürlerini uzatmak,

Makina arızalarını ve buna bağlı olarak üretim kayıplarını en alt düzeye indirmek,

Fabrika bakım ve revizyon periyotlarını uzatmak,

Yedek parça ambarlarında stok seviyesini azaltmaktır.

Bunun yanında kullanılan dökme demir, karbonlu çelikler ve az alaşımlı çelikler

gelecekteki uygulamalara bağlı olarak ihtiyaçları karşılayamayacaktır. Termik makinelerde,

türbin motorlarında ve diğer kritik uygulamalarda yüksek sıcaklıkların kullanımı ve bazı

malzemelerin sınırlı bulunuşları veya bu malzemelerin aşırı pahalı olması günümüzde ısıl

püskürtme endüstrisinin hızlı gelişmesine yol açmıştır ve halen büyük bir hızla gelişmektedir.

Yüzey sertleştirme; çeşitli aşınma işlemleri sonucunda meydana gelen malzeme kaybını

veya aşınmayı azaltmak için kaynak veya ısıl püskürtme yöntemleri ile bir parçanın yüzeyine

sert ve aşınma dirençli bir malzemenin uygulanmasıdır. Mühendislerin bir makina parçasının

kullanım ömrünü uzatmak amacı ile yüzey sertleştirme malzemesini seçmelerinden önce

parçanın aşınma nedenlerini anlamaları gerekmektedir. Aşınmanın bütün farklı türlerine

dirençli olabilecek bir yüzey sertleştirme malzemesi uygun olacaktır. Ancak, ekonomik şartlar

ve çevrenin karmaşık etkisi oldukça fazla sayıda yüzey sertleştirme malzemesinin gelişimine

yol açmıştır. Malzeme yüzeyini aşınmaya karşı korumak için 4 temel yüzey sertleştirme

alaşımı vardır. Bunlar; demir esaslı, nikel esaslı, kobalt esaslı ve tungsten karbür

kompozitlerdir. Nikel esaslı alaşımların tarım ve yol uygulamalarında kullanılabilirliği

sınırlıdır. Başlıca aşınma mekanizmasının abrazyon ile birlikte korozif ortamların da söz

konusu olduğu uygulamalarda demir olmayan nikel esaslı alaşımlar kullanılmaktadır. Bu

alaşımlarda krom karbür ve krom borür aşınma direncini iyileştirirken nikel-silisyum tokluğu

iyileştirmektedir. Nikel 116 esaslı alaşımlara, yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılmak

üzere aynı zamanda katı çözelti serleştirme de uygulanabilir. Yüksek sıcaklıklarda metaller

arası bileşiklerin çökelmesi ile sertlik artışı sağlanmaktadır.

Borür içeren nikel esaslı alaşımlar, ilk olarak püskürtme ve ergitme tozları şeklinde ticari

olarak üretilmişlerdir. Bu grup alaşımlar Ni-Cr-Bi-Si-C kompozisyonundadır. Bor içeriği,

%0-15 aralığında değişen krom içeriğine bağlı olarak %1.5-3.5 aralığındadır. Oldukça yüksek

krom bileşenleri genellikle fazla miktarda bor elementi içermekte ve böylece yaklaşık 1800

DPH (kg/mm2) sertliğinde sert krom borür meydana gelmektedir.

84

Krom içeren nikel alaşımlarının kullanımı son derece sınırlı olup ucuzluğundan dolayı

kobalt esaslı yüzey sertleştirme alaşımlarına bir alternatif olarak oldukça fazla rağbet görürler.

Bu tür alaşımlar, Ni-Cr-Mo-C sistemindedirler.

Kobalt esaslı alaşımlar; yüksek sıcaklıklarda sertliklerini muhafaza edebilmeleri, katı

eriyik sertleşmesine uygun olmaları ve düzenli dağılan bir karbür yapısına sahip olmalarından

dolayı metal-metal aşınması, abrazif aşınma, yorulma aşınması, erezyon ve tribokimyasal

aşınmaya karşı direnç için yaygın olarak kullanılmaktadır. Kobalt esaslı alaşımlar, yüksek

sıcaklık uygulamaları için yaygın olarak kullanılan Co-Cr-C-W alaşımları grubunda veya

yüksek darbe aşınması da dahil olmak üzere yüksek sıcaklık uygulamaları için Co, Cr ve W

bakımından zengin matrisin, Mo ve Ni veya Fe, C, Si ve B ilavesi ile düzenlendiği bir diğer

grupta sınıflandırılırlar.

Kobalt esaslı alaşımların yaklaşık %1 C içeren orta karbonlu türleri, östenitik matriste

%15-20Cr ve %4 W‟ den meydana gelmektedir. Bu alaşımlar, metal-metal aşınmasına ve

korozif ortamlara karşı olağanüstü direnç gösterirler ve yüksek sıcaklık mukavemeti de katı

çözelti sertleştirilmesinden dolayı oldukça iyidir.

Tungsten karbür ve krom karbür, mohs skalası 9 olan son derece sert bir malzemedir ve

sadece 10. sıradaki elmas ile yarışır. Ni-Co matris veya Ni alaşımı, düzensiz şekilli tungsten

karbür taneciklerini bir arada tutar. Karbür kaplamalar; vites değiştirme çatalları, pompa

sızdırmazlık contası, boşaltma valfleri, torna merkezleme puntaları, emme vantilatörleri gibi

abrazif taneler ve tanecik erozyonu sonucu aşınma etkisindeki parçalar üzerine çok iyi

uygulanmaktadır.

Tungsten karbür kompozit kaynak dolgularının mikro yapıları, alaşımlı çelik bir matriste

dağılmış bulunan tungsten karbür tanecikleri içerir. Güçlü bir matris karbürlerin kısmi

çözünürlülüğünü sonuçlandırır. Kullanılan yönteme bağlı olarak matriste çözünen tungsten

miktarı değişmektedir. Yüksek miktarda tungsten veya molibden içeren bir matris, soğuma

sırasında martenzite dönüşür. Martenzitik matris, perlitik çelik matrise göre karbür tanelerini

daha güçlü olarak birbirlerine bağlar ve sonuçta abrazif aşınma direnci iyileşmektedir.(Akman

2007)

85

8. SONUÇLAR VE ÖNERİLER

Sonuçlar

Toz metalürjisinde kalıp imalatının çok önemli olduğu tespit edildi.

Potasyum silikat 960°C’deki sinterleme sıcaklığına uygun bir bağlayıcı ve ıslatıcı

olmadığı görülmüştür. Potasyum silikat bu sıcaklıkta değil, daha düşük sıcaklıklarda

(800°C sıcaklığın altında) uygun olabilir.

Toz metalürjisinde bağlayıcının seçiminin de önemli bir kıstas olduğu belirlenmiştir.

Alüminyum fosfat’ ın iyi bir bağlayıcı ve iyi bir ıslatıcı olduğu ortaya çıkmıştır.

Tozların mikro yapı farklılığı olduğu zaman sinterleşmede problemle karsılasılacağı,

her metal tozunun elek testinden geçirilerek karıştırılmasının uygun olacağı tespit

edilmiştir.

Tozların karıştırılmasında homojen bir yapı elde edilmediği zaman kaliteli bir ürün

elde edilmeyeceği sonucuna ulaşıldı.

B4C, SiC metal tozları ile kompozit çalışmalarında demir tozlarının yan reaksiyonlara

açık olduğu için Fe tozunun kompozit çalışmalarda uygun olmadığı görüldü.

Ayrıca SiC’ün kam ve sızdırmazlık elemanı için uygun bir madde olmadığı görüldü.

Bu çalışmada B4C ve kobalt tozu alüminyum fosfat veya fenolik reçine gibi

bağlayıcılarla uyumlu ve çok iyi kompozit malzeme olacağı görüldü.

Yanlış ya da uygun olmayan bağlayıcı kullanıldığında iyi bir ürün elde edilemeyeceği

sonucuna varıldı.

Öneriler

Tozların daha homojen yapıda karıştırılması sağlanmalıdır.

Değirmenlerin çok iyi temizlenerek veya farklı öğütme değirmenleri kullanılarak

tozların içersine yabancı tozların girmesi engellenebilir.

Sinterleme sıcaklığının bağlayıcı özelliğine bağlı olarak seçilmesi gerekir.

Vakumlu fırında sinterleme yapılarak karışımdaki oksijenin uzaklaştırılması

sağlanabilir ve demir tozu gibi ucuz malzeme kullanılabilir.

Demir tozu ile pasif bir ıslatıcı (Fe ile reaksiyon vermeyen ıslatıcı) kullanılabilir.

Aynı tozlar ile değişik bağlayıcılar kullanılarak araştırmaya devam edilmelidir.

SEM görüntüleri daha kaliteli alınmalıdır.

Elde edilen ürünün birden çok noktasında EDX analizi alınmalıdır.

Gözeneklilik testleri yapılmalıdır. Aşınma testleri de yapılmalıdır.

86

9.REFERANSLAR

1. Akman H. , ‘’ Aşınmaya Karşı Uygulanan Yüzey İşlemleri ’’ , İstanbul Üniversitesi Metalurji Konferansı, 2007, İstanbul

2. Alev E., ‘’Otomobil Endüstrisinde Toz Metalurji Yöntemi ile Üretilen Parça Kullanımı ve Performans Araştırılması’’ Yüksek Lisans Tezi,Isparta,2011.

3. Anık S., Dikicioğlu A., Vural M., ‘’ İmal Usulleri ‘’ ,Birsen Yayınevi,19974. ASM Metals Handbook, 1998. Powder Metal Technologies and Applications Volume

75. ASM International,1146, USA6. Baksan B. , Gürler R. ‘’Toz Metalurjisinin Savunma Sanayiinde Uygulanması’’ ,

Osmangazi Üniversitesi Metalurji Enstitüsü, Eskişehir,2005.7. Büyükdavraz M. Sinter Toz Yataklarının Tribolojisi ‘’ Yüksek Lisans Tezi, S.D.Ü

Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta,2000. 8. Çalışkan, Toz Metalurjisi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Bitirme Ödevi 2000.9. German R. M. Powder Metallurgy Science.MPIF ,278 USA,1984.10. Karataş S. , Zeren M., ‘’ Elmaslı Kesici Takımlarının Mikroyapısal Dizaynı Üzerine

Araştırmalar ‘’ 1. Ulusal Toz Metalurjisi Konferansı,459 – 463, Ankara,1996,11. Kurt A., ‘’Kendi Kendini Yağlayan Toz Metal Yataklar’’ , Türk Toz Metalurjisi

Derneği Haber Bülteni, Sayı 17,Sayfa 4,Ankara,2001. 12. MAYSAN13. Öveçoğlu M. L., Toz Metalurjisi, 9. Uluslararası Makine ve Malzeme

Sempozyumu,449 – 475,İstanbul,1997.14. Sarıtaş S., Toz Metalurjisi, Makine Mühendisleri El Kitabı,Makine Mühendisleri Ana

Bilim Dalı,Ankara,1994.15. Schatt W., Wieters K. P., ’’Powder Metallurgy: Processing and Materials.’’ European

Powder Metallurgy Association(EPMA) Germany,1997.16. Shaw M. C., Oxford C.J., 1957. Transaction of ASME, Vol. 79,139 – 148.17. Šalak A., 1995. Ferrous Powder Metallurgy. Cambridge International Science

Publishing 450, England.18. Šalak A., Selecká M., Danninger H., 2005. Machinability of Powder Metallurgy

Steels. Cambridge International Science Publishing, 536., Cambridge UK.19. Šalak, A., Vasilko, K., Selecká, M., Danninger, H., 2006. New Short Time Face

Turning Method for Testing the Machinability of PM Steels,20. TTMD 2005 Türk Toz Metalurji Derneği.21. Upadhyaya, G.S., 1996. Powder Metallurgy Technology. Cambridge International

Science Publishing,22. Uygunuçarlar H., ‘’Toz Metalurji Yöntemi ile Üretilen Kamların EXD Analizleri’’ 43

– 68. Sivas.23. ÜNAL, R., AKSOY, A. 2005. Gaz Atomizasyon Yöntemiyle Metal TozU

Üretiminde Degisken Toz Boyutuna Etkisi, T.T.M.D. Haber Bülteni, Sayı.30, Sayfa.4, Dumlupınar Üniversitesi Müh. Fakültesi, Kütahya

24. YILMAZ Nihat, ‘’ Demir Esaslı Toz Malzemelerin Talaşlı İşlenebilirliği ‘’ Doktora Tezi, Makina Mühendisliği Ana Bilim Dalı,2006,Isparta

25. Yılmaz, S.B., 1999. Toz Metalürjisi ile Üretilen, Bağlı Grafitli Demir Parçalarda Kullanılan, Farklı Demir Tozu Cinslerinin Parçalardaki mekanik Özelliklere Etkisi. Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Y. Lisans Tezi, 112,İstanbul.

26. Yurci, M.E., 1997. Talaşsız Şekil Verme. YTÜ, Yayın No: MK.DK-97.0248, İstanbul

87

88