Bir önceki yazımda malzeme biliminde çok önemli yeri olan kompozit malzemelerden bahsettim ve bu yazımda sanayinin temelini oluşturan metalürjiye değinmek istiyorum. Metalürji ile malzeme bilimine göre biraz daha ağır sanayinin içinde olan daha sıcak ve sert ortamlarda üretim yapılır.
Bu yazımda ise metalürji sektöründe önemli bir yeri olan toz metalürjiden bahsedeceğim.
Toz metalürji partikül yapıdaki metal içerikli tozların sinterlenerek belli bir basınç altında presleme işlemidir. Toz metalürjiyle üretilen ürünlerin olmazsa olmazı sinterleme işlemi ve presleme işlemidir. Peki, sinterleme ve presleme işlemleri nedir? Toz metalürjinin tam olarak anlaşılması için bu kelimeleri de açıklama ihtiyacı duyuyorum.
Sinterleme dediğimiz olay yüksek sıcaklıkta partiküllerin birbirine bağlanmasını sağlayan bir ısıl işlemdir presleme dediğimiz olay ise çok basit bir ifadeyle sıkıştırma işlemidir. Bu tür işlemlerin yapılmasının sebebi toz partiküllerinin arasında kuvvetli bir bağ oluşturmaktır.
Üretilen ürünün yüzey kalitesini talaşlı imalat tezgâhlarında belirlenmiş bu iş için elverişli ekipmanlar kullanılarak üretici kendi isteğine göre dizayn edebilir.
Toz metalürjiyi genel olarak yukarıda belirtiğim gibi ifade edebiliriz. Şimdi ise toz metalürjinin üretim yöntemlerine değinmek istiyorum. Bu arada bu üretim yöntemleri metal tozlarının tanecik boyutuna, kimyasal özelliğine, mikro yapısal özelliklerine ve hatta üretim ekonomisine bakılarak üretim yöntemleri seçilir.
Toz metalürjide üretim yöntemleri
- Mekanik yöntemler
- Kimyasal yöntemler
- Atomizasyon
- Elektro-Kimyasal yöntemler
Mekanik yöntemler
Mekanik yöntemler aslında isminde de belirtildiği gibi darbeye dayalı yöntemlerdir. Burada yapılan işlem belli boyuttaki metal tozlarını minimum seviyeye indirgemektir. Mekanik yöntemlerle toz üretilirken dört temel mekanizma vardır.
- Vurma ( darbe )
- Öğütme ( küçük bilyelerin bulunduğu dönen bir sistem içerisinde öğütme yapmak suretiyle toz üretimi )
- Kırpma ( kesme yada kırılma )
- Basma ( ezmek ya da ufalamak )
Darbeyle malzemeye ani bir kuvvet uygulanır ve öncelikli olarak bir çatlak oluşur ve ardından kuvvetin etkisiyle kırılma meydana gelir. Bunun sonunda da toz boyutsal bir küçülme oluşur.
Kırpma ya da kesme sonucu malzemelerde oluşan kırılma belli bir kristallografik düzlemler boyunca meydana gelirse malzemede klivaj kırılması oluşur eğer atom bağlarının kopması sonucu bir kırılma oluşursa buna ise kayma kırılması adı verilir.
Basma mekanizmasıyla daha düşük boyutlarda toz üretimi ise ana malzemenin yeterli kırılganlığa sahip olmasıyla birlikte gerçekleşir.
Öğütme istemi ise özellikle gevrek yapıdaki malzemelerin toz üretiminde kullanılan bir sistemdir darbe kuvvetlerinin ağırlıklı olduğu içerisinde kırma amaçlı sert bilyelerin olduğu sistemdir.
Atomizasyon Yöntemi
Bu işlemde ergimiş metal küçük damlacıklara parçalanır ve damlacıklar birbirleri ile veya katı yüzeyle temasa geçmeden hızlıca soğutulur. Ana fikir, ergimiş metali yüksek enerjili gaz veya sıvı çarpmasına maruz bırakarak sıvı metali daha küçük parçalara ayırmaktır. Hava, azot ve argon en çok kullanılan gazlardır. Su ise sıvılar içinde en çok kullanılandır. Tozulun tasarım ve geometrisi, atomize eden akışkanın basıncı ve 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. Atomizasyon, alaşımı oluşturan tüm metallerin ergimiş durumda tamamen alaşımlandığı için, özellikle alaşımların toz halinde üretilmesinde faydalı bir yöntemdir.
Kimyasal Yöntemler
Demir tozlarının üretiminde bu metod çok kullanılmaktadır. Bu yöntemde seçilen cevher öğütülür, kokla karıştırılır, karışım indirgemenin oluştuğu sürekli fırından geçirilir ve kek şeklinde sünger demir elde edilir. Sünger demir daha sonra öğütülür, metalik olmayan malzemelerden ayrılır ve elenir. Tozların saflığı ham malzemelere bağlıdır. Düzensiz süngerimsi tanecikler yumuşaktır ve kolayca preslenebilir ve böylece ham mukavemeti iyi olan ürünler oluşur. Benzeri şekilde refrakter metaller de oksitlerinin hidrojenle indirgenmesiyle üretilirler. Kimyasal yöntemler kendi içinde birçok üretim yöntemi vardır aşağıda bir kaçını yazmış bulunmaktayım.
- İndirgeme
- Hidrojen indirgemesi
- Hidro – Kimyasal indirgeme
- Karbon indirgemesi
Elektro – Kimyasal Yöntemler
Bu yöntemlerde metal tozu üretimi sulu çözeltiden veya sıvı tuz banyosundan metallerin elektroliz yöntemi ile ayrışmasıyla yapılmaktadır. Sulu çözeltilerin elektrolizi özellikle Cu , Fe , Ni , Co , Zn ,S ve Pb tozlarının üretilmesi için kullanılır.
Toz metalürjinin avantajları
- Düşük malzeme kaybı
- Yüksek üretim hızları
- Karmaşık şekilli parçaların imalatı
- Üstün mikro yapısal özelliklere sahip parçaların üretimi
- Yüksek yoğunluğa sahip parça üretimi
- Metal matriks kompozit ve metal alaşımları üretimi
Mertcan Bahar
Fırat Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü
Not: Toz metalürjinin avantajlarını bunlarla sınırlı olmadığını bilmenizi istiyorum ben sadece bir kaçını örnek olarak gösterdim toz metalürji mükemmel bir üretim esnekliğine sahip bir alandır.
Kaynaklar :
- http://www.turkishpm.etu.edu.tr/makale.htm
- http://web.sakarya.edu.tr/~aokurt/dersler/toz/dersnotu.pdf
- http://www.belgeler.com/blg/9gs/toz-metalurjisi
- http://enm.blogcu.com/toz-metalurjisi-nedir-2/2551975
- http://metalurji.kocaeli.edu.tr/files/DersNotlari/mmt423-03.pdf
- http://tr.wikipedia.org/wiki/Toz_metal
- http://web.itu.edu.tr/~dikicioglu/Toz%20metalurjisi.pdf
- http://rahmiunal.net/toz/powdermet.html
