Alümina ( Al2O3 ) alüminyum metalinin oksitlenmiş halidir.
Doğal alümina feldispat, kil ve silikalarda bulunur. Boksit, diaspor, kriyolit, suliminat, kyait, nefelit, v.b. minerallerde de az miktarda bulunmaktadır.
Bilimsel keşfi 20. yüzyıldadır. 1907 yılında ticari kullanımına bir patent ile başlanmıştır. Geniş çapta yayılması ise 1920-1930 yıllarını bulmuştur.
İlk olarak buji ve laboratuvar malzemelerinde kullanılmıştır. Günümüzde ise bu alanlar oldukça yaygındır. Özellikle yüksek sıcaklık fırınlarında, kesici takımlarda, yatak malzemelerinde, tekstil endüstrisinde, elektronik endüstrisinde, zırh yapımında, implant ve protezlerde kullanılmaktadır.
Ergime sıcaklığı 1200 °C civarı olan alüminyum oksit, düşük sıcaklıklarda mekanik ve kimyasal bozunmaya karşı en dayanıklı refrakterlerden birisidir.
İyi kalsine edilmiş bir alümina malzeme hem mineral asitlerde hem de bazlarda çözünmez. 1700-1800 °C gibi yüksek sıcaklıklarda Flor dışında tüm gazlara karşı dirençlidir. Oksitleyici ve redükleyici atmosferlerde 1900 °C ‘ye kadar kullanılabilir.
Alümina, düşük sıcaklıklarda birden fazla kristal yapıda bulunabilir. Bu formlar 750-1200 °C aralığında atmosfere bağlı olarak α-Alümina’ya dönüşür. Bu dönüşüm tersinir değildir.
Alümina’dan porozite ve yoğun ürünler yapılır. Poroz ürünler genellikle ergimiş Alümina’dan yapılır ve 1900 °C’ye kadar fırın astarlarında kullanılır.
Yoğun alümina, ergimiş alüminadan daha saftır. Ergimiş alümina %99,8 Al2O3 bulundurur. Bu oran arttıkça sıcak mukavemet, elektrik direnci ve aşınma direnci artar.
Alümina malzemeler slip dökümle, ekstrüzyonla, enjeksiyon kalıbı ile, soğuk ve sıcak presle şekillendirirler. Şekillendirmede polivinil, alkol, reçine, mum, lateks gibi bağlayıcılar kullanılır.
Alümina, asit ve baz ilavesi ile defloküle su süspansiyonda slip dökümle üretilebilir.
Çok ince toz ve saf alümina ise ancak sol-gel ile üretilebilir.
Alümina’nın Sinterlenmesi ve Tane Büyümesi
Alümina sinterlenmesi konusunda yoğun araştırmalar 1960’lı yıllarda başlamıştır. Sinterleme mekanizmaları, bağlayıcı çeşitleri, sinterleme kinetiği ve temodinamiği, katkı maddeleri araştırılan başlıca konulardır. Araştırmaların sonucu alüminanın sinterleme mekanizmasının üç aşamada gerçekleştiğini göstermiştir. İlk aşamada sadece boyut değişimi olmakta ve sıcaklık ve basıncın etkisiyle malzemede %10 kadar bir hacim artışı sağlanmaktadır. Burada taşınım mekanizmasının latis difüzyonu ve itici gücün yüzey tansiyonu olduğu görülmüştür.
Sinterlemenin ara kademesinde tane büyümesi başlamaktadır. Üç tanenin kenarları boyunca oluşan silindirik halkalar birbiri ile bağlanmakta ve boşluk %5’lere gerilemektedir. Son aşamada silindirik porlar küresel boşluklara dönüşerek dört tanenin birleştiği köşelerde birbiri ile bağlantısız porları oluşturmaktadır.
Sinterlemenin ikinci ve üçüncü aşamasında boşluk miktarı, zamanın algoritması ile lineer olarak azalmaktadır.
Alümina’nın sinterleme kinetiği üzerine yapılan araştırmalar, porozite ve tane boyutunun, sıcaklığa olan bağımlılığının Arhenius denklemi ile ifade edilebileceğini göstermiştir. Burada, hem densifikasyon hem de tane büyümesi için eşit aktivasyon enerjisi gereklidir. Bunun sonucunda, tane boyutu ile porozite arasında sıcaklık ve zamana bağlı olmayan ampirik bir ilişki ortaya çıkmaktadır.
Araştırmalar sonucunda şu yargılara ulaşılmıştır:
- Süreksiz tane büyümesi elemine edildiğinde alüminayı teorik yoğunluğa çok yakın yoğunluklarda üretmek mümkündür.
- Alümina’nın sinterlemsi sırasında sinterleme kinetiğini latis difüzyonu kontrol etmektedir.
- Alüminyum iyonunun yavaş Oksijen iyonunun ise tane sınırlarında hızlı hareket ettiği gözlemlenmiştir.
Çok sayıda katkı maddesi araştırılmış olup bunlardan MgO ve NiO ‘in faysa sağladığı diğer oksitlerin beklenen etkiyi yapmadığı kanaatine ulaşılmıştır.
Yapılan araştırmalar ile Alümina’nın sinterleme sıcaklığı 1100 °C ‘ye kadar düşürülmüştür.
Hamdi Ekici İstanbul Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü
Kaynakça:
- M. K. Dongare, A. P. B. Sinha, J. Mater. Sci., ( 1984 )
- P. Kundu, D. Pal, S. Sen, J. Of Materials Sci, ( 1988 )
- G. C. Kuczynski, A. E. Miller, G. A. Sargent ‘’Sintering and Heterogeneous Catalysis ‘’ Plenum Press ( 1984 )
- E. Dörre, H. Hübner, B. Ilschner, N.J. Grant, ‘’Alumina Processing, Properties, and Applications ‘’ Springer-verlag ( 1984 )
- J. E. Hove, W. C. Riley, ‘’Ceramics for Advanced Technologies ‘’ John Wiley & Sons, Inc., ( 1965 )
- J. B. Holt, H. D. Kingman, G. M. Bianchini, Materials Sci. and Eng., ( 1985 )
