Toz Metalurjisi

Bölüm 1. GİRİŞ

          Toz metalürjisi çok küçük partikülleri birbirine bağlayarak parça haline getirme işlemidir. Daha geniş bir ifade ile toz metalürjisi, toz şeklindeki malzemelerin preslenesi ve takiben yüksek sıcaklıkta sinterlenmesi ile parça imalatını kapsamaktadır. İnce partikül şeklindeki saf metaller, alaşımlar, karbon, seramik ve plastik malzemeler birbirleriyle karıştırılarak basınç altında şekillendirilirler. Daha sonra bu parçalar ana bileşenin ergime sıcaklığının altında bir sıcaklıkta sinterlenerek partiküllerinin temas yüzeyleri arasında kuvvetli bir bağ oluşturulur ve böylece istenilen özellikler elde edilir. Toz metalürjisi küçük, karmaşık ve boyutsal hassasiyeti yüksek parçaların seri imalatına son derece uygundur. Malzeme kaybı çok azdır, belirli derece porozite (gözenek) ve geçirgenlik elde edilir.

          Metal tozlarının boyutları mikron mertebesindedir. Presleme işlemi oda sıcaklığında ve bazen de yüksek sıcaklıklarda yapılır. Toz metalürjisi ile üretilen parçaların büyük bir kısmında elde edilen boyutsal hassasiyet ve yüzey kalitesi talaşlı işlem gibi ekstra operasyonlara olan gereksinimi ortadan kaldırmaktadır.

         

Bölüm 2. METALSEL TOZLAR

          Toz metalürjisinde kullanılan malzeme madenler, alaşımlar, madensel metalloid tozların karışımlarıdır. Bu tozların hazırlanmasında sanayide bir çok usuller vardır. Bu usuller mekanik ve fiziko-kimyasal olarak iki kısma ayrılır. Bu tozlar arasında tane büyüklüğü, tane şekli ve granülometrik intizam bakımından önemli farklar vardır.

2.1 TOZLARIN HAZIRLANMASI

2.1.1 Mekanik Usuller:

a-)Kaba ve ince öğütme:Metalsel tozlar elde etmek gayesiyle kullanılan bu çok basit usul, metali tornalama, planyalama, frezeleme ve eğeleme gibi işlemelerde mekanik olarak küçük zerreler haline getirilmesinden ibarettir. Fakat bu şekilde elde edilen demir ve magnezyum tozlarının toz metalürjisinde önemli bir tatbikatı yoktur.

          Hammadde kafi derecede kırılgan ise, kaba bir öğütmeden sonra ince bir öğütme yapılır. Çimento endüstrisindeki gibi sert maddelerin öğütülmesinde kullanılan tesisat, toz metalürjisinde malzeme miktarı az olduğundan fazla kullanılmaz. Malzemenin cinsine göre sert porselenden bilyeli öğütücüler veya sert alaşımla kaplı çelik öğütücüler kullanılır.

          Ancak az sayıda metaller (manganez, krom, antimon, bizmut gibi) bilyeli öğütücülerde öğütülebilirler. Bu mahzur muhtelif usullerle giderilebilir. Mesela mümkün olduğu kadar yüksek safiyette bir demir cevherinden, direkt redükleme ile elde edilecek gözenekli demir, bilyeli öğütücülerde istenildiği kadar ince bir toz haline getirilebilir. Redükleme esnasın da elimine edilmeyen ve toza karışan gayri safiyetlerin mevcudiyetlerini unutmamak gerekir.

          Diğer taraftan, elektroliz yolu ile, kırılgan ve küçük taneli elektrolitik demir de elde edilebilir. Bu da bilyeli bir öğütücüde istenen incelikte bir toz haline getirilebilir. Böylece elde edilen demir tozu özellikle yüksek frekans bobinlerinin nüvelerinde kullanılır.

          Demir-Nikel alaşımlarının magnetik özelliklerinin iyiliği ve nüve imalinde yumuşak demir imalinde kullanabilecekleri anlaşılınca, bu alaşımları toz metalürjisi yolu ile hazırlamak icabetti. Kolaylıkla haddelenebilmeleri ve sıcakta dövülebilmeleri için demir – nikel alaşımları manganez ve magnezyum vasıtasıyla deokside ve desülfüre etmek düşünüldü. Manganez ve magnezyum ilavesi ihmal edilse bile malzeme belirli bir minimum sıcaklığın altında yapılırsa malzeme parçacıklar (kırıntılar) haline gelir.Küçük taneler elde etmek için blok yüksek sıcaklığa kadar ısıtılır ve müteaddid haddeleme tabi tutulur. Son haddeleme sıcaklığını yukarda sözü edilen minimum sıcaklığın biraz üstünde olacak şekilde seçmelidir. Böylece son haddeleme ile metal toz haline gelir.                                     

Sünek metallerinin bilyeli öğütücülerde öğütülmeleri imkan bulunamamıştır, zira öğütme esnasında iri taneler sadece yuvarlaklaşmakta, küçük taneler ise öğütücü cidarlarına ve bilyelere yapışmaktadır. Tok bileşenli metallerin pervaneli öğütücülerde arzu edilen granülometrik terkipte bir toz haline getirilebilmeleri önemli bir ilerlemedir. Bu usule “Hametag” usulü denir. Bu usul tok metallerin (demir, bakır, alüminyum gibi) tozların hazırlanmasında, kaba toz haline getirilmiş kırılgan alaşım ve metallerin ince olarak öğütülmelerinde kullanılır.

Şekil 2.1 Pervaneli (Hametag) öğütücünün şeması

          Pervaneli öğütücü, içinde karşılıklı iki mil üzerinde sert manganezli çelikten veya sinterlenmiş sert alaşımdan birer pervane bulunan bir kaptan ibarettir. Bu pervaneler ters yönde çok yüksek ve eşit hızlarda dönerler. Toz haline getirilecek malzeme böylece öğütülürken meydana gelen iki ters ve çok hızlı gaz cereyanı da toz haline gelmiş partikülleri sürükler. Öğütücüler otomatik olarak yüklenebilirler. Toz partiküllerinin oksitlenmesine mani olmak için genellikle azot gibi redükleyici veya inert bir atmosfer altında çalışabilir. Pervanelerin şekillerine, boyutlarına ve dönüş hızlarına bağlı olarak muhtelif şekilli taneler ve farklı granülometride tozlar elde edilir. Bu tozların müstesna sıkıştırılabilme özellikleri vardır. Kullanılma sahalarına misal olarak: makine parçaları ve gözenekli yatak imalinde kullanılan bakır tozları gösterilebilir.

          Yukarıda sözü geçen toz hazırlama usullerinin avantajları, basitlikleri ve ucuz olmaları; dezavantajları ise elde edilen tozlarda, öğütülen maddeden ileri gelen gayri safiyetlerin bulunmalarıdır.

b-)Granülasyon ve pülverizasyon:Ergimiş bir metalin granülasyonu metalsel tozların hazırlanmasında kolay tatbik edilen ve çok ucuz bir usuldür. Granülasyon, suda granülasyon veya ergimiş metalin katılaşması esnasında karıştırılarak elde edilen granülasyon diye ikiye ayrılır. Su içine ergimiş metalin dökülmesiyle elde edilen granülasyon eskiden beri bilinmektedir. Mesela ergimiş kurşun su ile dolu bir kaba bir elekten geçirilerek dökülür. Kurşun damlaları daha havada düşerken önemli bir soğumaya uğrarlar. Kurşuna arsenik ilave ederek damlaların uzaması önlenir.

          Birçok metaller katılaşırken karıştırıldıklarında toz haline gelirler. Bu usul, kaba alüminyum tozlarının elde edilmesinde kullanılır. Ergimiş alüminyum soğuması esnasında mekanik olarak karıştırılır. Kadmiyum, çinko, kalay tozları da bazen böyle elde edilir. Bu usulle kurşun – kalay alaşımı tozlarının hazırlanması teklif edilmiştir. Tozun hazırlanması denge diyagramının likidüs ve solidüs  eğrileri arasındaki sıcaklık aralığında olur.

          Pülverizasyon usullerinden biri, sıvı dar bir püskürtücüden fışkırtmak ve fışkıran metal hüzmesi üzerine su buharı, basınçlı hava veya başka bir gaz cereyanı yollamaktan ibarettir. Böylece sıvı metal toz haline getirilirken aynı zamanda da partiküllerin çabuk soğumaları sağlanır. Tozun oksidasyonu azdır. Tanelerin boyut ve şekilleri su buharının, basınçlı hava veya gazın hızı ayarlanarak değiştirilebilir. Bu usul bilhassa alüminyum, bakır ve demir tozlarının elde edilmesinde kullanılır.

Diğer bir usul de şöyledir:Suyla çevrelenmiş ince bir metal malzemesi, yüksek hızla dönen ve kanatları haiz bir disk vasıtasıyla santrifüj kuvvetten faydalanarak ince partiküllere ayrılır(şekil 2.2).Bu usulle bileşenleri karışabilen bütün alaşımlar toz haline getirilebileceği gibi aynı usul bileşenleri sadece sıvı halde karışabilen alaşımlara da tatbik edilebilir(Fe-Cu ve Cu-Pb alaşımları).

Şekil 2.2  Santrifüj (D.P.G.) usulü    

2.1.2 Fiziko –Kimyasal Usuller:

a-)Gaz fazından itibaren hazırlanması:Genellikle kaynama sıcaklıkları düşük olan metal tozlarının hazırlanmasında kullanılan bu usul, önce metali buharlaştırmak ve bu buharı yoğunlaştırmaktan ibarettir. Çinko tozu bu usulle hazırlanır. Çinko oksidinin karbon ve karbon monoksit vasıtasıyla redüklenmesiyle elde edilen çinko bir karni içinde buharlaştırılır. Elde edilen buhar yoğuşturulur. Karbon monoksit atmosferinin içinde az miktarda karbon dioksit ve oksijen bulunmalıdır. Böylece yoğuşan çinko partikülleri ince bir oksit tabakasıyla kaplanır. Bu ise partiküllerin aglomerasyonunu önler.

          Çinko partikülleri küresel olup dış görünüşleri karbonil metallerinkine benzer. Karbonil usul, özellikle sanayide saf demir ve nikel tozlarının hazırlanmasında kullanılır. Yüksek basınç altında demir ve nikel mineralleri karbon oksidi ile muamele edilir; bunlardan en önemlileri demir pentakarbonil [Fe(CO)5] ve nikel tetrakarbonil [Ni(CO)5] ‘dir.

b-)Yüksek sıcaklıkta metalsel terkiplerin redüklenmesi:Bu usulle hazırlanan volfram ve molibden tozları, elektrik ampulleri ve vakumlu tüplerin imalinde, kobalt tozu ise sert alaşımların elde edilmesinde kullanılır. Bu tozlar tercihen oksitlerin hidrojenle redüklenmesiyle elde edilirler. Aynı usul ile büyük miktarlarda demir, nikel ve bakır tozları hazırlanabilir. Redükleme sıcaklığı metalin veya metalsel terkibin ergime sıcaklığının altında olmalıdır. Oksit partiküllerinin boyutlarının, hidrojenin saflığının ve rutubet derecesinin, redükleme müddet ve sıcaklığının uygun olarak seçilmesiyle toz tanelerinin şekli, büyüklük ve dağılışını belirli sınırlar içinde değiştirmek mümkündür. Genel olarak en ince tozlar alçak sıcaklıkta redükleme ile elde edilir. Toz tanelerinin iriliği redükleme sıcaklığı ve müddetiyle ve redükleyici gazın içindeki su miktarıyla artar. Redükleyici olarak hidrojen, karbon monoksit, amonyak, metal buharları (alkali metal buharları gibi) kullanılabilir. Endüstride bu işlem devamlı çalışan fırınlarda yapılır. Kullanılan oksit, nikel veya demirden mamul yassı sepetler içinde fırına sokulurken aksi yönde de hidrojen sevk edilir.

c-)Ergimiş veya erimiş tozların redüklenmesi: Metalin tuzlu bir solüsyonunun, redüksyonla kimyasal olarak çökeltilmesi, metalsel tozların hazırlanmasında kullanılan en eski usullerden biridir. Platin, altın ve gümüş tozları bu usulle elde edilir. Diğer bir misal de, çok ince kalay tozlarının çinko talaşları ile, kalay klorürlü bir klorüdrik solüsyonda çökeltilmesidir. Çökeltme gereci olarak alüminyum da kullanılabilir. Redükleme veya alüminyum tozunun oksit tabakalarını elimine etmek ve böylece reaksiyonu mümkün kılmak için bir aktivasyon vasıtası kullanılmalıdır(sulandırılmış bir kloridrik asit, sodyum klorür veya cıva klorürü solüsyonu gibi).

          Çökelen metalin sünger gibi bir görünüşü olup öğütme ile kolayca toz haline getirilebilir.          Tantal, niobyum, titan ve diğer nadir metallerin (uranyum, toryum, berilyum, zirkonyum) tozlarını hazırlamak için metalin klorür, florür gibi alkali veya alkali toprak bir metalle ergimiş bir tuzunu bir bomba içinde dekompoze edebiliriz. Elde edilen reaksiyon ürünü suda yıkanıp saf metalsel bir toz elde edilir.  

d-)Metalsel tozların elektrolitik olarak hazırlanması:Ergimiş veya erimiş bir tuzun elektrolizi ile metalsel tozların hazırlanması teknikte önemli bir yer işgal eder. Sulu solüsyonların elektrolizi, demir, bakır, kurşun ve kalay tozlarının hazırlanması için bilhassa uygundur. Direkt olarak metalsel tozun elde edilmesi için akım şiddetinin büyük, elektrolit solüsyonunun hızlı banyo sıcaklığının yüksek olması gerekir. Uygun tuz karışımının elektrolizi başlıca vanadyum, niobyum, tantal, titan, zirkonyum, toryum ve uranyum tozlarının hazırlanmasında kullanılır.

e-)Diğer fiziko – kimyasal usuller:Oksitlerin veya diğer metalsel tertiplerin yüksek sıcaklıkta dekompozisyonu ile de metalsel tozlar hazırlanabilir.

          Metalsel bir hidrürü (kalsiyum hidrür gibi) metalsel bir oksit (titan veya zirkonyum oksit ) üzerine tesir ettirerek ve meydana gelen hidrürü ayrıştırarak kullanılan oksidi meydana getiren metalin tozunu elde etmek mümkündür.

f-)Sert mamullerin tozlarının hazırlanması:Sert alaşımların  imalinde kullanılan volfram, molibden, titan ve tantal karbürlerin sert tozları, tozların ise (kurum) müvacehedesinde  1300° ile 1900°  arasında ısıtılmalarıyla elde edilir. Karbürler genellikle levhalar halinde çökelirler. Bu levhalar bilyeli veya pervaneli öğütücülerde ince toz haline getirilir.

          Ergime dereceleri yüksek nitrürler metal tozunun veya karbon ve metalsel oksit karışımının azot veya amonyak cereyanı içinde yüksek sıcaklıkta (1100° ile 1300° derece) ısıtılmasıyla elde edilir. Toz haline saf borür, saf metal tozunun bor ile vakumda 1800° ila 2200° derece arasında ısıtılmasıyla elde edilir.

          Metalsel silisyürler de metal tozunun silisyum veya silisyürler üzerinde etkimesiyle elde edilirler.

2.2 METALSEL TOZLARIN FİZİKO-KİMYASAL ÖZELLİKLERİ

          Sinterlenen cisimlerin özellikleri kullanılan metalsel tozun kimyasal fiziksel özelliklerine sıkı sıkıya bağlıdır.

2.2.1 Fiziksel özellikleri:Bu özelliklerden en önemlileri yığmadan evvel ve sonraki hacim, tanelerin şekli ve büyüklüğüdür.

a-)Yığmadan evvel ve sonra hacim ve yoğunluk:Yığmadan evvel ve sonraki hacim, imalatın endüstriyel kontrolünde çok kullanılan kaba bir kriterdir. Yığmadan evvelki yoğunluğu bulmak için toz, hacmi bilinen bir kaba doldurulur. Kap hacmi genellikle 100 cm³ alınır. Kap tartılır(boyut: gr/100 cm³). Tozun ağırlığı bulunduktan sonra, yığmadan evvelki yoğunluğu (boyut: gr/1 cm³) bulmak için 1 cm³ tozun ağırlığı hesap edilir. Yığmadan evvelki yoğunluğun tersi yığmadan evvelki özgül hacmi verir (boyut:cm³/1 gr). Bu değer daha ziyade belirli bir miktarda tozu (mesela 100 gr) bir silindire doldurarak ve silindir üzerinden tozun işgal ettiği hacmi okuyarak tayin edilir (boyut: cm³/100 gr).

          Yığmadan sonraki hacmi tayin etmek için belirli ağırlıkta toz (tercihen 100 gr) bir silindire doldurulur ve elle veya mekanik bir tertibatla sıkıştırılır. Böylece mümkün olduğu kadar yoğun bir aglomerasyon elde edilir. Tozun işgal ettiği hacim silindirin üzerinden okunur. 1 gr tozun işgal edeceği hacim hesaplanarak yığmadan sonraki özgül hacim bulunur (boyut: cm³/1 gr). Bu değerin tersi yığmadan sonraki özgül kütle veya yığmadan sonraki yoğunluğu verir (boyut:gr/1 cm³).

b-)Tanelerin büyüklüğü ve granülometrik analizi:Metalsel bir tozun tanelerinin boyut ve şekilleri birbirinden farklıdır. Toz metalürjisinde kullanılan tozların tanelerinin boyutları 1ila 4 mikron arasındadır. Granülometrik dağılımı tayin etmek için toz tanelerinin ortalama büyüklüğüne göre elek analizi, mikroskobik muayene vs. gibi farklı usuller tatbik edilir.

Elek analizi:Bu usulle, tanelerin 50 mikrondan büyük olmaları halinde, granülometri hakkında bir fikir edinilebilir. Analizin laboratuarda yapılması için muhtelif boyda elekleri bulunan birçok ticari aletler vardır. Elekler metalsel veya ipek tellerden yapılmıştır. Birim alanda mevcut delik sayısı eleği karakterize eder.

          Elek analizinde standart bir ölçü tavsiye edilir. Bunun için 100gr. toz belirli bir zaman sarsılır. Muhtelif eleklerde toplanan tozlar tartılarak granülometrik dağılım elde edilir. Sarsma müddetini değiştirerek yapılan muhtelif analizlerin neticeleri arasındaki farklar, sarsma müddeti uzadıkça azalır. Sarsma müddetini 20 dakika alırsak hata ihmal edilebilir. 3 ila 5 dakikalık bir sarsma neticesinde yapılacak hata da kabul edilebilir.

       n tane elek kullanılırsa n+1 sınıfa ayrılır. Genellikle tozu 4 veya5 sınıfa ayırmakla iktifa edilir.

Tablo 2.1 Çeşitli metalsel tozların imal usulleri ve tatbikat sahaları

Usuller	İmalat	Tozlar	Tane şekilleri	Tane ölçüleri	Kullanma yerleri
1 – Mekanik usuller a-Kaba ve ince öğütme I-Bilyalı öğütücülerde öğütme	a-Gevrek madenler	Mn,Cr,Sb,Bi,Co	Gari muntazam şekiller		Sinterlenmiş çelikten makine parçaları
	b-Sun’i olarak gevrekleştirilen sünek madenler I-Filizdeki süngerler II-Gevrek elektrolitik malzeme III-Sıcakta haddelenince gevrekleşen	–    Fe –    Fe    –     Fe, Ni	Gözenekli kristaller Dantelalı, iğneli şekiller Gayri muntazam şekiller	10 - 100m	Masif nüveler, gözenekli yataklar, makine parçaları vs.
	c- Gevrek alaşımlar	Fe-Al, Fe-Al-Ti,   Ni-Al,  Ni-Ti, Fe-Cr,  Fe-Si	Gayri muntazam şekiller		Sinterlenmiş mıknatıslar, demir esaslı sinterlenmiş makine parçaları
II-Helisel öğütücülerde öğütme	(a),(b),(c) gibi ayrıca sünek madenler	Fe, Ni-Fe, Cu, Ag, Al,  Ag-Sn	Çanak şeklinde taneler	20 - 400m	Gözenekli yataklar, metallografitik kömür
b-Granülasyon ve pülverizasyon I-Suda granülasyon II-Sıvı metali karıştırarak granülasyon III-Hava veya su buharıyla pülvrizasyon IV-Hava veya su ile santrifüj(D.F.G. usulü)	Sıvı halde sünek olan madenler veya alaşımlar	I-Pb, Fe, Cu, Ag	Glöbüler	100-500m	Metalografitik kömür, gözenekli yataklar, filtreler, sinterli mıknatıslar, makine parçaları, psödo-alaşımları, masif nüveler vs.
		II-Al, Cd, Sn, Zn	Glöbüler	250m
		III-Al, Cu, Fe	Kısmen Globüler, muntazam şekiller	20-400m
		IV-Fe, Cu,Ni, Al, Ag, bronz, pirinç, kompleks tozlar, Pb-Cu, Pb-Ag vs.	Kısmen globüler, gayrı muntazam şekiller
2-Fiziko-kimyasal usuller a-Gaz fazından itibaren I-yoğunlaştırma usulü II-buharlaştırma usulü III-karbonil usul	Ergimiş metal	Zn	Globüler	0,1-10	Gözenekli yataklar, metallografitik kömür, masif nüveler, sinterlenmiş mıknatıslar, saf alaşımlar, sert alaşımlar, filtreler vs.
	Ergimiş metal	Pb	Globüler	0,1-5
	Karbonil metal	Ni, Fe	Globüler
b-Metalik kombinezonlarla  yüksek sıcaklıkta redükleme	Oksitler, mineraller ve organik tuzlar	W, Mo, Fe, Ni, Co, Cu	Dantelalı	0,1-10	Elektrik ampulleri, vakumtüpleri, yüksek sıcaklık için fırnlar, psödo-alaşımlar, sert alaşımlar, sinterlenmiş mıknatıslar, gözenekli yataklar
c-Redükleme I-tuzlu solüsyonlar II-erimiş tuzlar	Ag, Au, Pt, Sn vs. tuzları	Ag, Au, Pt, Sn	Dantelalı, iğneli	0,1-10	Gözenekli yataklar, elektrik kontakları malzemeleri(W-Ag)
	Ta, Nb, Ti, Th, Zr, V flüorürleri ve çifte tuzları	Ta, Ti, Nb, Th, Zr, V	Dantelalı, iğneli	0,1-10	Paftalar, vakum vidaları ve kimya endüstrisi malzemeleri
d-Elektroliz I-Sulu solüsyonlar II-Erimiş tuzlar	Fe, Cu, Pb, Sn, vs. tuzları	Fe, Cu, Pb, Sn	İğne şeklinde                 dendritik	0,1-30	Gözenekli yataklar, metalografik kömür, psödo alaşımları, sinterlenmiş yataklar, masif nüveler, paftalar, vakum malzemesi vs.
	Ta, Nb, Ti, Th, Zr, V vs. tuzları	Ta, Nb, Ti, Th, Zr, V		0,-10
e-Metalloidlerle kimyasal  reaksiyon	Madenler ve madensel oksitler	W, Mo, Nb, Ti vs. karbürleri, nitrürleri, silisürleri,	Kısmi aglomera	1-50	Sert mamuller, sert-alaşımlar

Mikroskobik analiz:50 mikrondan küçük tanelerin büyüklük ve dağılımını veren yegane

direkt  metot olan mikroskobik analiz sayesinde tanelerin hakiki boyutları, belirli bir miktar

            toz içindeki tane sayısı tespit edilir. Bu metot aynı zamanda tanelerin şekli hakkında kati bilgiler de verir.

          Tanelerin boyutlarını ölçmek için toz ince bir tabaka halinde bir levha üzerine yayılır veya özel bir malzeme içine gömülür. Mesela volfram tozu bakır veya bronz tozu ile karıştırılıp sinterlenir veya bakırın veya bronzun ergime noktasına kadar ısıtılır. Gömme işleminin saydam (Plexiglass gibi) plastik malzeme içinde yapılması çok pratiktir. Plastik malzemenin tozu ile incelenen metalsel toz karıştırılarak elde edilen karışım takriben 150° sıcaklıkta preslenir. Bu şekilde hazırlanan malzeme adi bir metalografik preparat gibi muamele edilir. Partiküllerin boyutları direkt olarak ölçüldüğü gibi, görüş alanı içindeki bir bölgede mevcut partiküllerin sayısı da tespit edilir. Bu son halde, yardımcı maddenin belirli bir hacmi içindeki toz miktarından hareketle tanelerin büyüklüğü hesap edilebilir. Hakiki D çapı ile, ölçülen ortalama d çapı arasındaki bağıntı aşağıdaki gibi olur:   

c-)Tanelerin şekli:Tanelerin şekli ve yüzeysel yapıları tozun sıkıştırılabilme özellikleri üzerine çok tesir eder. Partiküllerin şekli tozun hazırlanışına bağlıdır.

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.

Granülasyon ve pülverizasyonla elde edilen veya bir gaz fazından itibaren hazırlanan tozların şekilleri genellikle küreseldir. Bunların yüzeyleri düz ve muntazam (karbonil metaller, çinko, kurşun) olabileceği gibi, pürtüklü ve çatlak (Alüminyum, demir) da olabilir.

Metalsel bir terkibin yüksek sıcaklıkta redüklenmesi ile veya erimiş veya ergitilmiş bir tuzun redüklenmesi ile hazırlanan tozların taneleri iğne şeklinde olup sünger gibi yapıları vardır. Elektronik mikroskopla bakılınca, bu tozlar bir “Kaktüs” görünüşünü andırırlar. Bunun sebebi iğne şeklinde kristallerin mevcudiyetidir. Bu iğneler en büyük kristallere saplanmışlardır.

Elektrolize hazırlanan metalsel tozların “Fujer” şeklinde dendritik yapıları vardır. Redükeme ve elektrolize hazırlanan tozların dış görünüşleri arasında bir benzerlik vardır.

Alçak sıcaklıkta hazırlanan sert mamul tozlarının tane şekilleri temel metallerin tozlarının tane şekillerine benzer. Yüksek sıcaklıkta hazırlanan sert maddelerin tozları genellikle mekanik olarak öğütülmesi gerekir. Bunların mikroskobik görünüşleri sert taş parçacıklarına benzer.

d-)Akma faktörü: Bu faktör, gözenekli yatak imalatçıları tarafından tayin edilen ve sıvıların viskozitesine benzeyen bir büyüklüktür. Bu büyüklük tepe açısı belirli, konik bir kabın alt kısmında açılan bir delikten birim zamanda geçen toz miktarıyla ölçülür. Akma faktörü, yatak malzemelerinin imalinde sık sık kullanılan mekanik preslerin çalışma intizamının tayininde mühim rol oynar. Bu faktör, ölçüldüğü yerin sıcaklığına ve rutubet durumuna göre değişir.

e-)Tozların sıkıştırılabilmesi: Yukarda incelenen fiziksel özellikler, tozların preslenmesinde büyük rol oynayan faktörlerdir. Tozun preslenme esnasındaki hareketi, şekil verilebilme özelliğine (yani presleme ile elde edilen parçanın şekil ve kenarlarının kararlılığına) ve  sıkıştırma endisi’ne (yani bir basınç tatbikiyle elde edilen numunenin yoğunluğuna) tabidir. Şekil verebilme özelliği herhangi şekilli parçalar üzerinde tayin edilebilir. Granüle tozdan mamul (mesela karbonil demir tozu) preslenmiş malzemenin sıkıştırma endisi nispeten büyük; şekil ve açıların muhafaza edilme özelliği ise kötüdür. Dolayısıyla bu malzemeler, sıkıştırmadan sonra dikkatle kullanılmalıdır.

2.2.2 Kimyasal özellikler:Metalsel tozların en önemli kimyasal özellikleri saflıklarıdır. Saflık adi kimyasal analizle tayin edilebilir ve sinterlenmiş cisimlerin imalatına ve bilhassa özelliklerine birinci  derecede tesir eder. Metalsel tozların saflığı büyük ölçüde temel maddelerin sağlığına bağlıdır . Mesela kendi oksitlerinin hidrojenle redüklenmesiyle elde dilen volfram, kobalt ve demir tozlarının saflığı, pratik olarak, kullanılan oksidin saflığındadır.

Oksijen ve karbon gibi gayri safiyetlerin 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 enlüzyonları (kalıntı) ihtiva ederler. Elektroliz, granülasyon veya pülverizasyonla elde edilen tozlardan oksijen genellikle oksit enlüzyonları halinde bulunur. Karbon ise serbest karbon (grafit), karbür veya katı solüsyon hallerinde bulunur.

Mekanik olarak hazırlanmış metalsel tozlar öğütücü organlarından ileri gelen gayrı safiyetler ihtiva ederler (demir, manganez, karbon vs.). Mesela sert alaşımların imalinde kullanılan sert mamullerin veya bir karbürle bir yardımcı metal karışımının ince tozları, %0,5 ila 1,5  demir ihtiva ederler. Elektrolize hazırlanan metalsel tozlar çok saftır; toplam gayrı safiyet %2 yi geçmez. Karbonil tozların ihtiva ettikleri oksijen ve karbon miktarı %1,5’e kadar yükselebilir. Karbon monoksitin dekompozisyonundan ileri gelen bu gayrı safiyetler tozun bir ön ısıtma ameliyesinden sonra sinterlenmesiyle elimine edilebilirler. Demirde bulunan kükürt, fosfor, manganez silisyum gibi gayrı safiyetler tozlarda bulunmazlar. Granülasyonla elde edilen tozların kimyasal bileşimi ergiyen metalin bileşimine tekabül eder. Bunların ihtiva ettikleri oksit filmleri hidrojen içinde yapılan bir tretmanla elimine edilirler.

Metalsel bir tozun kimyasal kararlılığı yüzeyi çok büyük olduğundan topak metalin kararlılığından çok daha azdır. Mesela tel veya yaprak halinde bulunan tantal, asitlere iyi dayanan metallerden sayıldığı halde toz halinde, kloridrik asit, sülfürik asit ve nitrik asit tarafından nispeten daha kolaylıkla etkilenir. Metalsel tozların, havada bir oksit tabakasıyla kaplanmaya, örtülmeye temayülleri de yüzeylerinin büyük olmasıyla izah edilebilir. Su buharı da ince metalsel tozlar tarafından kolaylıkla absorbe edilir (yüzeye yapışır). Metalsel karbürlerin imali gibi bazı hallerde, ince tozların kimyasal afiniteleri bir avantaj teşkil eder. Volfram, hidrojen içinde, 1400°ila 1600° arasında kömür veya grafitle karbür vermediği halde, volfram tozu-is karışımı, 1250° nin üzerinde ısıtılarak kolayca volfram karbür elde edilebilir.

Birçok hallerde tozlarda bazı gayrı safiyetlerin bulunmasına müsaade edildiği gibi, sinterlenen malzemenin tozlarına bilhassa yabancı maddeler katılır. Mesela elektrik ampullerinde kullanılan volfram tellerinde yeniden billurlaşmayı önlemek için saf volfram tozuna toryum veya alüminyum oksit ilave edilir.  

Metalsel tozların renkleri kimyasal bileşimlerine, bilhassa ihtiva 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 afinitesine, 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 karbon dioksit, su buharı vs. gibi absorbe edilmiş gazlara büyük ehemmiyet verilmelidir.

Bölüm 3. PRESLEMEDEN EVVEL TOZUN ISIL İŞLEMİ

Birçok hallerde, metalsel tozun preslemeden evvel, 400° ila 800° arasında bir ön redükleme işlemi gerekir. Böylece oksitler, rutubet, absorbe edilmiş gazlar, karbon, kükürt ve fosfor mümkün mertebede elimine edilmiş olur. Gayrı safiyetlerin kısmen veya tamamen elimine edilmesinden gayrı olarak, ısıl işlem, mekanik usullerle hazırlanmış metalsel tozların sertliklerinin azalmasını da sağlar. Böylece tozun sıkıştırılabilme imkanı da artar. Havadaki oksijen, su buharı vs. gibi yeni gayrı safiyetlerden sakınmak için tozun bu ısıl işleminden hemen sonra işlenmesi gerekir. Bu redükleyici ısıl işlem, saf metal veya alaşımların hazırlanmalarında, karbonil toz kullanılması halinde tavsiye edilir. Karbon ve oksijen ihtiva eden demir veya nikel karbonil tozu 600°ila 800° arasında hidrojen içinde ısıtılırsa gayrı safiyet oranı 0,0001 mertebesine indirilebilir. Toz nadiren 1000° nin üzerinde  ısıtıldığında nikel-krom veya molibden rezistanslı fırınlar tavsiye edilir.

Demir tozu 30 dakika müddetle hidrojen içinde 900° de tavlanırsa sıkıştırılabilme özelliği iyileşir. Ayrıca içindeki karbon, kükürt ve oksijen oranı da azalır. Aşağıda bu işleme tabi tutulan ve tutulmayan demir tozlarının bileşimleri görülmektedir.

Tablo 3.1 Tavlı ve tavsız demir tozlarının analizi

Demir Tozları	C %	Si %	Mn %	P %	S %
Tavsız demir tozu Tavlı demir tozu (H’de 30 dakika, 900°)	0,010 0,001	0,015 0,015	0,025 0,025	0,010 0,010	0,020 0,005

Demir tozlarının sıkıştırılabilmesi özellikleriyle sinterlemeye uygunluklarının sıcaklıkla değişimi aşağıda verilmiştir. Sıcaklık arttıkça ve oksijen azaldıkça tozun sıkıştırılabilme özelliği artar.

Tablo 3.2 Tav sıcaklığına bağlı olarak (D.P.G.) demiri tozunun sinterleme ve sıkıştırılabilme özelliklerinin değişimi

Tav Sıcaklığı	700°	800°	900°	1000°
Silindirik epruvetin yüksekliği(mm)                (basınç:4 t/cm²) Sinterlenmiş epruvetin yoğunluğu (gr/cm²)                 (H’de 1 saat, 1200º) Sinterleme basıncıyla ağırlık kaybı (%)	17,5 5,9 1,3	16,6 6,3 0,8	16,2 6,5 0,4	16,0 6,6 0,1

Dövme işlemine tabi tutulmuş bakır tozunun da 700º ila 940º arasında ısıtılmasıyla sıkıştırılabilme özelliği iyileşir. Neticeler aşağıdaki tabloda verilmiştir.

Tablo 3.3 Şekil değiştirme derecesinin ve tav sıcaklığının bakır tozunun sıkıştırılabilme özelliğine ve yığmadan sonraki yoğunluğa tesir

Şekil Değiştirme Derecesi	Tav süresi      (dak)	Tav sıcaklığı         (ºC)	Yığma sonu yoğunluğu (gr/cm³)	Sıkıştırılabilme Özelliği
İşlenmemiş toz Hafif deformasyon Orta deformasyon Şiddetli deformasyon Şiddetli deformasyon Şiddetli deformasyon	- 45 45 10 30 60 10 30 60 10 30 60	0 880 880 700 700 700 820 820 820 940 940 940	2,45 2,67 2,78 2,60 2,68 2,75 2,65 2,75 2,82 2,65 2,75 2,95	1,10 1,10 1,05 1,08 1,06 1,05 1,07 1,05 1,03 1,06 1,02 0,95

Sıkıştırılabilme özelliğini veren değerler hassasiyetle tarif edilmemiştir. Fakat numunelerin belirli bir basınç altında preslenmesiyle elde edilen yoğunluklarla mukayese edilebilirler.

Saf sinterlenmiş kobalt veya kobalt ihtiva eden sinter alaşım tozları hidrojen içinde ısıtılmadan evvel bol miktarda su içinde yıkanmaları gerekir. Böylece kobalt oksidinin çökelmesinden ileri gelen alkaliler yok edilmiş olur. Tungstik asidin karbonla redüklenmesiyle elde edilen volfram tozu (teknik volfram tozu) asitler içinde eriyebilen gayrı safiyetlerinden (alkaliler, demir, yabancı metallerin karbürleri) arınarak kloridrik asitle yıkanıp sinterlemeye müsait duruma gelir. Süngerleşmiş demir tozu gang tabir edilen kısmından magnetik elemeyle ayrılır.

Metalsel tozların buraya kadar sözü edilen ön-ısıl işlemlerinin hedefi tozun saflaştırılması ve sıkıştırılabilme özelliğinin iyileştirilmesidir. Kurşun tozunun elektrolitik olarak bir bakır tabakasıyla kaplanması (veya bakırın kurşunla kaplanması) bakır-kurşun yatak alaşımları imalinde kullanılır. Sert alaşımların imalinde, sert maddelerin elektrolitik olarak yardımcı bir metalle korunması teklif edilmiştir. Alkol veya su içinde erimiş toryum nitratın tungstenik aside ilavesi, lambaların enkandesan volfram filamanlarında çok önemli olan tanelerin büyümesini önler. Aynı şekilde, az miktarda alümin ilavesiyle de demir grubundaki saf metal esaslı sinterlenmiş cisimlerin tanelerinin büyümesini önler.

Tozun sıkıştırılabilme özelliği yetersiz ise sentetik reçineler, kolofan, aseton, eter-parafin (veya kafuru) solüsyonları gibi organik terkipler ilave edilir. Bu ilaveler daha sonra sinterlemede buharlaşırlar. Karbonun elde edilecek parçaya fena tesir edeceği hallerde bu işlemlerden kaçınılır. Bu organik terkipler en iyi şekilde metalsel tozla birlikte öğütülerek katılırlar. Toz, organik maddeler ihtiva eden eriyiklerle nemlendirilince, organik terkiplerden ekonomi sağlanabilir. Volfram tellerinin imalinde organik kolloidler ve amalgamlar kullanılır.

İnce öğütme, basit tozların veya toz karışımlarının sinterlemde en önemli ön işlemleridir. Tek bileşenli tozların kuru veya rutubetli olarak ince öğütülmesiyle kristaller parçalanır, billursal malzeme parçalara ayrılır. Bunun sonucu olarak da yığmadan önceki ve sonraki hacimler azalır ve bunlara tekabül eden yoğunluklarda artar. Mesela demir karbonil tozu 12  yerine 96 saat öğütülürse, yığmadan evvelki yoğunluk  % 20, sinterlemeden sonraki yoğunluk ise  % 25 artar. Birden fazla bileşenli sistemlerde ise (metalloid, metal-metal, metalsel terkipler), ince öğütme, karışımının daha homojen olmasını ve plastik bileşenlerin sert bileşenler üzerine ince bir tabaka halinde dağılmasını temin eder. Bir tozun rutubetli olarak çamurun kolloidal yapısını elde edene kadar iletilebilir.

Aşağıdaki tabloda bir volfram-karbür (%92 WC , %8 CO) karışımının hidrojen içinde rutubetli öğütülmesinin yığmadan önceki ve sonraki hacimler üzerindeki tesiri görülmektedir. Tane boyutları, küçüldükçe sözü geçen hacimlerin arttığına dikkat edilmelidir.

Tablo 3.4 Muhtelif sürelerde öğütme neticesi, WC-Co (%92 WC, %8 Co) karışımının yığmadan evvel ve sonraki hacimleri

Öğütme süresi (saat)	Mikroskopta granülometri	Yığmadan evvel hacim (cm³/100 gr)	Yığmadan sonra hacim (cm³/100 gr)
6	30 %  5,0 m 50 %  3,0 m 20 %  1,0 m	8,4	7,1
12	30 %  4,0 m 40 %  2,0 m 30 %  1,6 m	9,3	7,3
24	15 %  2,5 m 50 %  1,1 m 35 %  0,8 m	10,6	7,5
48	20 %  0,8 m 70 %  0,8 m 10 %  0,6 m	17,2	12,0
96	10 %  2,0 m 50 %  1,0 m 40 %  0,6 m	20,5	15,6

Bölüm 4. TOZLARIN PRESLENMESİ

Toz metalürjisindeki en öneli adım preslemedir. Metal tozlar, özel olarak hazırlanmış çelik kalıp içersinde basınç etkisiyle kompakt bir hale getirilir. Bu işlem için genellikle hidrolik, mekanik ve pnömatik presler kullanılmaktadır. Preslerin uyguladıkları basınç değerleri 70 ila 700 MPa arasındadır ve pratikte kullanılan basınç değerleri ise genellikle 145-450 MPa arasındadır. Presleri büyük bir kısmının kapasitesi 100 ton civarındadır. Son zamanlarda 200-300 ton kapasiteli presler yapılmıştır ve hatta 3000 tonluk bir pres imal edilmiştir.Toz metalürjisi ürünlerinin kesit alanı maksimum 2000 mm²dir. Ancak yüksek kapasiteli özel preslerin kullanılması halinde bu değer 6500 mm²ye kadar çıkabilmektedir.

Uygulamaların çoğunluğunda, toz karışım yerçekimi etkisiyle kalıbı doldurur, fazla kısımlar alınır ve tozu sıkıştırmak için pres kapatılır. Toz miktarı için hacim veya ağırlık esasına göre bir başlangıç ölçüsü oluşturulur.

Sıkıştırma işlemi esnasında toz partikülleri önce uygulanan kuvvet yönünde hareket ederler.Tozlar sıvı gibi akmaz; kalıp yüzeyi ile partiküller arasında sürtünme neticesi bir reaksiyon kuvveti gelişir. Bu kuvvet uygulanan kuvvete eşit bir değere ulaşana kadar sıkışma eksenel yönde devam eder. Daha sonra partiküller yatay yönde hareket ederler. Basınç bir darbe şeklinde uygulanırsa, maksimum yoğunluk ıstampanın hemen altında meydana gelir ve ıstampa ile temas eden yüzeyden itibaren artan mesafe ile birlikte azalır. Bu yüzden ürün boyunca homojen yoğunluğun sağlanması amacıyla basıncın homojen bir şekilde transferi nadiren mümkündür. Çift aksiyonlu presler daha homojen yoğunluk elde edilmesini ve daha kalın ürünlerin kalıplanabilmesini sağlarlar. Yoğunlaştırma veya sıkıştırma işleminde kenar duvarların sürtünmesi anahtar bir faktör olduğundan, presleme ile elde edilen yoğunluk kalıplanan parçanın kalınlığı ve genişliğinin bir fonksiyonudur.Homojen yoğunluk dağılımını sağlayabilmek için kalınlık : genişlik (t/w) oranı 2 den küçük olmalıdır. Kalınlık : genişlik oranı 2 den büyük olan ürünlerde yoğunluk parça içinde bir noktadan diğer bir noktaya değişiklik gösterebilir.

Yukarıda da belirtildiği üzere ürün yoğunluğu kalınlığın bir fonksiyonu olduğundan, çoklu kalınlığa (kalınlığın parça içinde bir bölgeden diğerine değişimi) sahip parçalarda şekilde gösterildiği gibi tek bir ıstampa hareketi ile homojen yoğunluk eldesi olanaksızdır.

a-)Preslemeden önce                                        b-)Preslemeden sonra

Farklı kalınlıklara sahip parçaların üretiminde bu nedenle daha kompleks pres ve metotlar kullanmak zorundadır. Aşağıdaki şekilde iki farklı et kalınlığına sahip bir parçanın preslenmesinde kullanılan iki metot  gösterilmiştir.

 

Istampalar değişik miktarlarda hareket ettirilerek üniform olarak sıkıştırılmış parça üretilebilir. Son derece girifit ürünlerin preslenmesi için partiküller bir plastik kalıba veya kaba yerleştirilerek ve basınçlı bir gaz veya sıvıya daldırılır. Bu yöntem izostatik presleme (üniform basınç) olarak adlandırılır. Presleme hızı son derece düşüktür., ancak ağırlığı yüzlerce kg a varan parçalar etkin bir şekilde preslenebilirler. Homojen yoğunluk eldesinin diğer bir yolu toz karışımdaki yağ oranının arttırılmasıdır. Yağlayıcı, tozlar ile kalıp duvarı arasındaki sürtünmeyi azaltır ve karşıt sürtünmenin meydana gelebilmesi için daha fazla toz hareketini gerektirir. Ancak yağlayıcı oranının artışı preslenmiş ürünlerin yaş mukavemetini azaltarak ürünlerin kalıptan çıkarılması ve taşınmaları esnasında kırılma ve dağılmalara sebep olur.

Presleme hızı dakikada 6 ile 100 parça arasında değişebilir. Presleme sonrası, parçalar mekanik olarak kalıptan çıkarılırlar. Partiküllerin hareketi, bireysel deformasyonu ve kırılma ile toz ürünlerinin yoğunluğu dövme ve dökümle üretilen parçaların yoğunluğunun %80 ine ulaşmaktadır.

Presleme sırasında partiküllerin yüzeyindeki çıkıntılar ve düzgünsüzlükler kaybolur. Kayma, dönme ve yuvarlanma hareketleriyle partiküller kalıp içinde daha düzenli bir şekilde dizilirler. Büyük partiküller arasındaki boşluklar küçük partiküllerle doldurularak parçaların yoğunluğu arttırılır ve buna paralel olarak sertlik ve mukavemet değerleri de yükselir.

Preslemede kullanılan yüksek basınç altında toz partikülleri kalıp duvarlarının zamanla aşınmasına neden olur. Bu sebeple kalıplar takım çeliklerinden imal edilirler. Özellikle aşındırıcı tozların şekillendirilmesinde ve üretilecek parça sayısının fazla olduğu hallerde kalıp malzemesi olarak karbürlü malzemeler (sinter karbür) kullanılır. Kalıp yüzeyleri oldukça parlak ve kalıp yüksek basınca dayanabilecek kesit kalınlıklarına sahip olmalıdır. Bazı hallerde toz karışıma yağlayıcı ilavesi yerine kalıp yüzeylerine sprey uygulanır. Pres basıncındaki artışa paralel olarak kalıplanmış ürünlerin yaş mukavemetleri artar.

Enjeksiyon kalıplama:Konvansiyonel metoda alternatif olarak basınçlı dökümde kullanılan metoda benzeyen bir enjeksiyon kalıplama yöntemi geliştirilmiştir. Daha önceleri sadece hassas dökümle veya talaşlı işlemle üretilen küçük ve karmaşık şekilli parçalar artık günümüzde metal tozların termoplastik bir malzeme ile harmanlanarak takiben plastik bir forma gelene kadar ısıtılıp, basınç altında kalıp boşluğuna enjeksiyonu ile üretilebilmektedir. Kalıptan çıkarılan parçalardaki bağlayıcı malzeme solvent ekstraksiyonu veya kontrollü ısıtma ile buharlaştırılarak uzaklaştırılmaktadır. Daha sonra uygulanan normal sinterleme süresince parçalarda % 20-25 oranında hacimsel büzülme meydana gelir, yoğunluk ideal koşulların % 95 ine kadar yükselir ve özellikler artar.

Bağlayıcının uzaklaştırılması bu prosesin en pahalı ve zaman alıcı yanıdır. Isıtma hızı, sıcaklık ve yeniden bağlanma (bağlayıcıların uzaklaştırılmasından sonra partiküller arasında yeni bir bağın teşekkülü) süresi dikkatlice kontrol edilmeli ve parça kalınlığı ile uyumlu olmalıdır. İşlem süresi et kalınlığı büyük parçalarda üç güne kadar uzayabilir. Yeni keşfedilen ve suda çözünebilen metil-selüloz bağlayıcı bu dezavantajları kısmen ortadan kaldırmaktadır. Bağlayıcıdaki su ısıtma esnasında buharlaşır ve metil-selüloz sinterleme sırasında yanar.

Enjeksiyon kalıplama veya presleme yukarıda ifade edildiği üzere diğer proseslerle eldesi 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. Bununla birlikte nihai yoğunluğun ideal yoğunluğun % 94-98 ine ulaşması ve % 0,3-0,5 mertebesindeki boyutsal toleransların elde edilmesi bazı uygulamalar için bu yöntemi daha da cazip hale getirmektedir. Spor, diş, tıp malzemeleri, büro makineleri ve ev aletleri parçaları, uzay ve uçak, dizel ve türbin motorları parçaları günümüzde bu yöntemle üretilmektedir.

Soğukta preslemede genellikle basıncın bir veya daha çok doğrultuda tatbik edilmesini sağlayan hidrolik presler veya mekanik presler yer alır. Günümüzde ekseriyetle üstte sıkıştırıcı altta ise dışarı itici pistonlar bulunan hidrolik presler kullanılır. Otomatik mekanik presler bilhassa gözenekli bronz yatakların ve basit makine parçalarının seri imalatında elverişlidir.

Sıcakta presleme veya basınç altında sinterleme soğuk presleme ve sonra sinterlemeye nazaran daha az pratiktir. Sadece sert alaşımdan tel çekme haddelerinin, elmas alaşımlarının imali gibi istisnai hallerde kullanılmış olan bu usul, tozların veya özel bir şekilde ısıtılmış kömür, çelik veya grafit bir matris içine yerleştirilerek sıkıştırılmış parçaların sinterlenmesi esnasında basınç tatbik edilmesinden ibarettir.

4.1 PRESLEMEDE GÖRÜLEN OLAYLAR

Teorik olarak düzlemsel ve temiz iki yüzeyin başlangıçta temasları sağlandığı taktirde, bu iki yüzeyin adi sıcaklıkta birleşmeleri prensip olarak mümkündür. Metallerin yüzeyinde, oksit tabakaları gibi fena tesirleri olan maddeler olmadığını farz edelim. Bu durumda dahi kendini çekme kuvvetleri tesirinin görülebilmesi için yüzeyler arasındaki mesafenin çok küçük olması lazımdır. Adi sıcaklıkta ve yüksek basınçlar altında, iki masif metal cismin nazari olarak düzlemsel yüzeylerini atom mertebesinden temasa getirmek için, halledilmeyecek derecede zorluklarda karşılaşıldığı düşünülürse, metalsel bir tozun preslenmesinde yukarıdaki ideal durumdan ne kadar uzak bulunulduğu anlaşılır. Bunun başlıca üç sebebi vardır:

1-Toz partiküllerinin yüzeyleri genellikle gayrı muntazam ve çok komplekstir. Dolayısıyla karşılıklı temas yüzeyi çok küçüktür.

2-Tozların saflığı imalat şekline göre çok değişir; ayrıca partiküller havada çok moleküllü oksit ve gaz tabakalarıyla kaplıdır. Bu ise çekme kuvvetlerinin tesirini engeller.

3-Ergime ile elde edilen bir metal yüzeyini çevreleyen atom tabakasının yapısı, içinde bulunan bir kristalin dış tabakasındakinden genellikle tamamen farklıdır. Ayrıca taneler arasındaki birim hakiki temas alanına tekabül eden kohezyon kuvveti ve ergime ile elde edilmiş bir metal kristalitlerin arasındakinden farklı ve genellikle daha küçüktür.

Metalsel bir tozdan, basınç tesiri altında katı cisim elde edebilmek, basınç yardımıyla yüzeysel kuvvetlerin hiç olmazsa bir kısmından faydalanmak demektir. Fakat bu gibi hallerde mekanik kuvvet çok ufaktır. Buna sebep yukarda izah edilen üç faktörün tamamen yok edilmemesidir. Preslemenin tesirleri şöyle sıralanabilir:

1-Toz partiküllerinin toplam temas yüzeyi, karşılıklı yaklaşma sonucu artar.

2-Basınç tesiri altında, birçok taneler birbirleriyle sürtünür. Bu ise birçok noktada oksit ve gaz tabakalarının yüzeylerinin temasını sağlar.

3-Toz tanelerinin karşılıklı sıkıştırılmaları çok kısa süreli lokal sıcaklık yükselmelerine sebep olarak atomların temas yüzeyinde yeni ve kısmi bir organizasyon sağlanır (atom hareketleri, sıcakta birleşme).

Soğukta presleme ile elde edilmiş parçaların mekanik kuvvetleri basınçtan başka tozun plastik özelliklerine de bağlıdır. 30 lt/cm² lik basınçla, kompakt bakır yoğunluğunun %95 ila 97 sine erişerek, yüksek mukavemetli çubuklar elde edilebilir. Buna karşılık, redükleme ile elde edilmiş volfram tozuna çok yüksek basınçlar tatbik edilse dahi teorik yoğunluğun sadece %65 ila 75 kadarı elde edilebilir. Aynı zamanda bir volfram çubuğun mukavemeti çok az olduğundan, parçalanmaması için çok dikkatli davranmak gerekir. Sünek sinterlenmiş kaba volfram tozu kullanılırsa, bu volfram partiküllerinin plastisiteleri daha büyük olduğundan, daha mukavemetli cisimler elde edilir.

Presleme esnasında iki ideal durum düşünülebilir : elastik deformasyon ve plastik deformasyon. Birinci halde, yozun ideal elastikliğine ilave olarak şu hipotezleri yapacağız : toz mümkün olduğu kadar ince ve çok muntazam, basit şekilli, parlak yüzeyli partiküllerden ibarettir; presleme tek taraftan, çelik bir matris içinde, ortalama bir basınçta yapılmaktadır ; basınç yavaş yavaş artmaktadır. Bu ideal şartların gerçekleşmesiyle, basınç kalıp içinde, sıvı içindeki hidrostatik bir basınç gibi, muntazam olarak dağılır. Böylece maksimum kesafet elde edilir. Çekme kuvvetleri, toz partiküllerinin atomsal temasta oldukları noktalara tesir ederler. Presin hareketli pistonu civarında yoğunluk daha büyüktür. Kalıbın titreşmesi de bir avantaj teşkil eder. Partiküllerin tuğla gibi üst üste yığılmalarının iyi olmadığı yerlerde, bilhassa bazı partiküller basıncı bir kubbenin taşları gibi taşınıyorsa, bu kubbe altında birçok boşluklar vardır. Yoğunluğun bu gayrı muntazamlığını göz önüne almazsak, yukarda izah edilen ideal presleme usulünde toz partikülleri hiçbir plastik deformasyona maruz kalmazlar. Bu çok basit limit bir hal olduğundan, hiçbir sıvı faz görülmediği kabul edilirse, sonradan yapılacak ısıtma esnasında ortaya çıkacak sinterleme olayları (billurlaşma gibi) da çok basit olacaktır.

İkinci limit hal yukarıdakilere zıt şartlarda görülür. Toz partikülleri kaba, yüzeyleri gayrı muntazam, kompleks ve dantelli, toz çok plastik ve basınç çok yüksekte, partiküllerin tuğla gibi muntazam olarak dizilmesiyle kesafette muntazam bir artış sağlanamaz.Elemanter partiküllerin plastik deformasyonu daha önem kazanır, zira yoğunluğun artması partiküllerin birbirlerine yaklaşabilmelerine bağlıdır. Temas yüzeyleri halinde gelir. Partiküllerin kohezyonu, çekme kuvvetlerinin bazı noktalarda değil, fakat bölgelerde tesir etmesiyle ve hacimli parçaların kaba olarak tuğla gibi dizilmeleriyle elde edilir. Bütün bunlardan, bu gibi cisimlerin yüksek mekanik mukavemetlerinin sebebi anlaşılmaktadır. Sinterleme esnasında görülen olaylar, bilhassa billurlaşma olayları (yeniden billurlaşma) tabii ki daha karışıktır. Toz partiküllerinin iç kararsızlıklarına sebep olan faktörler de rol oynar.

4.2 SICAKTA PRESLEME

Ergime sıcaklıkları düşük olan metal tozlarının iyi sıkıştırılabilme özellikleri ve yüksek sıcaklıkta sinterleme üzerinde elde edilen deneysel neticeler, ergime sıcaklıkları yüksek metallerin sinterleme ve preslemesinin yüksek sıcaklıkta bir tek işlemle yapılmasını düşündürmüştür. Bu işlene sıcakta presleme ve basınç altında sinterleme denilir.

Sıcakta presleme tekniği pratikte sadece sert alaşımdan tel çekme haddelerinin ve sinterlenmiş masif yatakların imalinde önemli bir rol oynar. Fakat elde edilen özelliklerin daha iyi olması sebebiyle, başka sinterlenmiş maddelerin imalatında da bu usulün kullanılması mecburiyeti hasıl olmaktadır.

4.3 SICAKTA PRESLENEN CİSİMLERİN ÖZELLİKLERİ

Sıcakta preslenen parçalar normal olarak sinterlenmiş parçalara nazaran daha serttir. Numunelerin direkt veya endirekt olarak elektrik akımıyla ısıtılmış grafit bir matris içinde, iki grafit pistonla, 80 ila 300 kg/cm² basınç altında iki taraftan sıcak olan preslenmeleri, normal sinterlemeye nazaran çok daha kısa bir zamanda gerçeklendiği görülmüştür. Sıcakta presleme toz tanelerinin çok kompakt bir bütün haline gelmesini ve gözeneksiz bir yapı elde edilmesini sağlar. Matris yüzeyinin sıcaklığı optik bir pirometre ile ölçülerek işlem sıcaklığı tespit edilmiştir; seçilecek sıcaklık kullanılan basıncın fonksiyonudur. Matris yüzeyinde ışıma sebebiyle büyük bir ısı kaybı olduğundan numune parçanın sıcaklığı 150º ila 200º kadar daha yüksektir. Sıcakta presleme sıcaklığı ile basınç arasındaki bağıntı hakkında, uygun şartlarda tespit edilmiş olan şu malumat verilebilir: 1350º ila 1400º arasındaki sıcaklıklar için basınç :105 kg/cm² ; 1400º den yüksek sıcaklıklar için, basınç : 70 kg/cm².

Bu, sıcaklık tesirinin basıncın yerini tutabileceği (veya tersi) manasına gelmez. Fakat, optimum özellikleri haiz sert alaşımların elde edildiği sıcaklık ve basınç değerleri arasında bir bağıntı olduğu aşikardır. Basınç altında sinterlenmiş sert alaşımların sertlik, eğme mukavemeti, tokluk ve kesme kapasitesi değerleri aynı malzemelerin soğukta preslendikten sonra sinterlenmeleri halinde elde edilecek değerlerden genellikle daha yüksektir. Presleme ve sinterleme şartlarının aynen tekrar elde edilebilmesi güç olduğu gibi matris malzemesinde de zorluklarla karşılaşılması kesme aletleri için sert alaşım plaketleri imalinde sıcakta presleme usulünün yaygın olarak kullanılmasını önlemiştir. Normal yollardan imal edilmiş (volfram karbür ve kobalt) sert alaşımlarının Rockwell A 92, sıcakta preslenmiş sert alaşımlarınki ise Rockwell A 95,6 olarak bulunmuştur. Sert alaşımların grafit kalıplar içinde aynı zamanda sinterlenme ve preslenmeleriyle maksimum sertlik elde edilir. Sertliğin artması şu şekilde izah edilir : Sıcakta presleme esnasında daha büyük yoğunluk elde edilir ; diğer taraftan biraz da kobalt numuneden çıkar (böylece diğer metotlarla elde edilenlere nazaran daha az kobalt ihtiva eder). Aşağıdaki tablo bu şartlar altında sinterlenmiş demir ve bakırın mekanik mukavemetinin ne kadar iyileştiğini göstermektedir.

Tablo 4.1 Sıcakta sıkıştırılmış bakır ve demirin çekme mukavemetinin adi sıcaklıkta sıkıştırıldıktan sonra sinterlenmiş olanlarınkiyle mukayesesi

Sıcakta sıkıştırma veya sıkıştırma sıcaklığı (ºC)	Adi sıcaklıkta sıkıştırdıktan sonra sinterlenen malzemenin çekme mukavemeti (kg/mm²)		Sıcakta sıkıştırıldıktan sonra çekme mukavemeti (kg/mm²)
	Cu	Fe	Cu	Fe
610            715            810            920	14,2          13,2          12,3          10,2	4,2        6,6        11,5        14,7	26,3        24,1        23,5        22,3	19,7       27,3       34,6       39,4

                                                  Bölüm 5.SİNTERLEME

Soğukta presleme veya yığma ile elde edilen parçalar itinalı bir ısıl işleme tabi tutulmalıdır. Bu ısıl işlem veya sinterleme, toz partiküllerinin mekanik olarak tuğla gibi dizilmeleri ve yapışmalarıyla metalsel bir parça veya kompakt bir alaşım vermelidir. Tek bileşenli sistemlerde genellikle sinterleme sıcaklığı olarak metalin mutlak ergime sıcaklığının 2/3 ve 4/5 i alınır ; birden fazla bileşenli sistemlerde ise sinterleme genellikle ergime sıcaklığı en düşük olan bileşenlerin ergime sıcaklığının üstünde yapılır. Gözenekli bronzlar ve bronzlara benzeyen alaşımlar 600º ila 800º arasında, demir grubu metallerin alaşımları ise 1000º ila 1300º arasında, sert alaşımlar 1400º ila 1600º arasında, refrakter metaller (molibden, volfram, tantal) 2000º ila 2900º arasında sinterlenirler. Sinterleme sıcaklığı gibi, sinterleme müddeti de kullanılan malzemeye göre değişir. Elmas alaşımları ve refrakter metaller için yarım saatten az bir zaman çoğu halde kafidir. Sert alaşımlar ve mıknatıs alaşımlarında olduğu gibi birçok hallerde de birkaç saat süren bir sinterleme tatbik edilmelidir. Sinterleme zamanı ve sıcaklığı arasında basit bir bağıntı vardır. Sinterleme sıcaklığı yükseldikçe sinterleme zamanı kısalır; aksine olarak alçak bir sinterleme sıcaklığı sinterleme zamanının uzamasına sebep olur.

Sinterleme sıcaklığının 1050º civarında olması halinde nikel-krom veya demir-krom-alüminyum rezistanslı elektrik fırınları kafi gelir. 1350º ye kadar silit çubuklu fırınlar kullanılır. Daha yüksek sıcaklıklar için (1000º ila 1600º) molibden rezistanslı fırınlar, 1800º ve daha yüksek sıcaklıklar için ise yüksek frekanslı veya kısa devreli karbon tüplü fırınlar kullanılır. Karbon tüplü fırınlar, karbon monoksit mevcudiyetinin zararlı tesirleri olmadığı hallerde kullanılır. Molibden, volfram, tantal gibi refrakter metallerin sinterlenmesinde 2000º lik sıcaklık dahi kafi gelmediğinden, bu metaller hidrojen dolu sinter çantaları içinde sinterlenirler. Burada sinterlenecek parçadan akım geçirilir. Harcanan güç sinterlenen parçanın ergimesi için gereken %10 kadar daha azdır. Sinterlenen malzemenin oksitlenmesini önleyecek tedbirler alındığı taktirde gazla ısıtılan fırınlardan da faydalanılabilir.

Aşağıda sinterlenen malzemeler için tatminkar 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.

a) Muflalı fırınlar:600º ila 1050º arasında muflalı fırınlar kullanılır. Bu fırında rezistans spiral şeklinde olup malzemeyi her taraftan aynı zamanda ısıtmaktadır. Kalorifüj o şekilde olmalıdır ki fırın içindeki sıcaklık farkları birkaç dereceden az olsun. Dolayısıyla, ısı başlıca ışınma yoluyla iletildiğinden bilhassa masif parçaların sinterlenmesinde, sıcaklığın yükselmesi yavaş olmalıdır. Isıtma esnasında oksijen ve karbondioksit bulunmamalıdır. Çoğu kere en uygun koruyucu gaz hidrojendir. İstisnai hallerde işlem vakumda da yapılabilir.

b) Potalı fırınlar: Bu tip fırınlar muflalı fırınların özel bir modelidir. Bu fırının ısıtılması halka şeklinde molibden rezistanslarla sağlanmaktadır. Bu tip fırınlar bilhassa 1050º ila 1400º arasında kullanılırlar.

Muflalı ve potalı fırınların mahzurları, devamlı çalışmamaları ve dolayısıyla her yüklemede fırına depo edilmiş ısının kaybolmasıdır. Soğumayı hızlandırmak için fırından çıkan koruyucu gaz bir soğutucudan geçirildikten sonra tekrar fırına yollanır.

c) Çanlı fırın: Yukarıda sözü edilen fırınlara nazaran birçok teknik avantajlara sahiptir. Bilhassa 600º ila 1100º arasında kullanılan bu fırın başlıca bir temelinden bir refrakter ara-çanından ve bir ısıtma çanından meydana gelir. Çanı bir nikel-krom veya demir-krom-alüminyum sargılarını haizdir. Isıl işlemden evvel, içine sinterlenecek parça konmuş, sızdırmazlık tedbirleri alınmış, ara-çana koruyucu gaz sevk edilir. Sinterleme sonunda ısıtma çanı kaldırılıp, önceden yüklenmiş başka bir ara-çan üzerine yerleştirilebilir. Bu şekilde, ısıtma çanı içinde depo edilmiş olan ısı enerjisinin kaybolması önlenir.

d) Sürekli fırınlar: Sürekli fırınların kullanılması daha iyi bir ısıl randıman sağlar. Bu fırınlarda, rezistanslar doğrudan doğruya rezistanslı bu fırınlarla 1000º ye kadar olan sinterleme sıcaklıklarına erişilebilir. Molibdenli rezistanslarda sıcaklık 1500º ye kadar çıkabilir. Isı iletimi direkt ışınma yoluyla olur. Molibden´in yüksek ergime sıcaklığı sebebiyle  (2700º), rezistanslar muhtemel bir fazla ısınmaya çok daha az hassastırlar. İlk zamanlarda, fabrikalarda 220 voltluk normal gerilim kullanıldığından ve molibdenin öz-direnci de küçük olduğundan rezistansların kesitleri küçük olmaktaydı. 20 ila 40 voltluk gerilimlerin kullanılması kısa ve kesiti büyük spiral rezistansların kullanılmasını mümkün kılmıştır. Böylece molibden rezistanslı fırınların kullanılmasında önceleri rastlanan zorluklar yenilmiş oldu. Bu fırınlar çok garantilidir. 1500º gibi sıcaklıklar için dahi rezistanslar birkaç sene dayanır. Bir sürekli fırın şu şekilde çalışır : Sinterlenecek malzeme demir veya grafit sepetlere konur. Bu sepetler fırına bir uçtan girer ve özel bir tertibatla ısıtma bölgesine sevk edilirler. Bu esnada hidrojende diğer uçtan sevk edilir. Bu şekilde ısıtma bölgesinde gelen sinterlenmiş malzemenin soğutulması sağlanırken aynı zamanda da koruyucu gazın ön ısıtılması yapılmış olur.

e) Gaz dolaşımıyla çalışan tesisat: Kullanılması koruyucu gazın iktisadi olarak kullanılmasını sağlar. Koruyucu gaz, bir yıkayıcıdan geçtikten sonra, bir soğutucuda, bir yoğuşma yoluyla su buharından ayrılır. Kondansör yerine özel kurutma tesisatı da kullanılabilir. Gaz dolaşımı bir pompa vasıtasıyla sağlanır. Fırının yüklenmesi esnasında, soğuma bölgesinde sinterlenmiş malzemenin oksidasyonla parlaklığını kaybetmesine sebep olabilecek bir miktar hava devreye girer. Bu sebeple havadaki oksijeni, paladyum ve platin esaslı katalizörler ihtiva eden kontaklı fırınlarda yakmak gerekir. Meydana gelen su buharı da elimine edilmelidir. Kontaklı fırının, kondansör ve kurutucudan evvel olması bu sebeptendir. Sinterleme atmosferinin azotça bir miktar zenginleştirilmesi genellikle fena bir tesir yapmaz. Fırının yüklenmesi ve boşaltılması esnasında kaybolan koruyucu gaz miktarı kadar devreye sokulması kafidir.

Sürekli fırınlarda yapılan sinterleme, malzemeye büyük bir intizam sağlar. Bu ise sert alaşımlar ve daimi mıknatıslar için çok önemlidir.

Laboratuarlarda kullanılan tesisatta silit spiraller veya çubuklarla dıştan ısıtılan, yatay porselen veya alüminden bir tüp vardır. Böylece 1250º ila 1350º arasında sıcaklıklara kolaylıkla erişilebilir.

f) Kısa devreli karbon tüplü fırınlar: Sert alaşımları 1350º ila 1550º arasındaki sıcaklıklarda sinterlemek için kullanılırlar. Bütün sürekli çalışan fırınlarda olduğu gibi, burada da ısı enerjisinin kullanılması ve malzemenin intizamlığı süreksiz çalışan fırınlardan üstündür.

g) Vakumda çalışan karbon tüplü fırınlar: Bu fırınlar vakum altında da çalışabilir; fakat bu taktirde çalışma sürekli olmaz. Tüp şeklindeki iletkenin uçları ısı kaybına karşı ekranlarla muhafaza edilmişlerdir. Bu suretle bütün tüp boyunca üniform bir sıcaklık elde edilir. Bu ekranlar genellikle volfram veya molibdenden yapılmıştır.

h) Yüksek frekanslı endüksiyon fırınları: Yüksek frekanslı endüksiyon fırınları 1500º ila 2000º arasında yapılan sinterlemeler için kullanılır. Vakumda sinterleme yapabilmek için bu fırınlar sızdırmaz bir odada tertiplenebilir.

ı) Özel fırınlar: Refrakter metallerin hazırlanması (molibden 2700º, tantal 3000º, volfram 3400º), tozun presleme ile çubuk haline sokulması ve bu çubukların Jul tesiri ile ergime noktaları civarında ısıtılmalarından ibarettir.

Volfram-bakır, volfram-gümüş ve molibden-gümüş alaşımlarının hazırlanmalarında birçok özel fırınlar düşünülmüştür. Bu metaller genellikle sinterlenmiş, gözenekli bir volfram veya molibden iskeletinin ergimiş bakır veya gümüşe daldırılmasıyla hazırlanır. Daldırma ameliyesi potalı veya fıçılı, baskül hareketi yapan fırınlarda yapılır. Bileşenlerin ayrılmasına veya boşluklar meydana gelmesine mani olmak için potalı fırınlar, elde edilen alaşımın daldırma bölgesinden bir soğutma odasına geçmesini sağlayan bir tertibatı haizdir. Daldırma ameliyesi genellikle bir koruyucu gaz altında (hidrojen), 1300º ila 1700º arasında yapılır.

Tablo 5.1 Bazı sinterleme fırınlarının sıcaklık limitleri ve tatbikat sahaları

Fırın tipi	Sıcaklık ºC	Tatbikat sahaları
Muflalı fırın	600-1050	Gözenekli yatakların ve demir esaslı alaşımların sinterlenmesi
Çanlı fırın	1100 kadar	Gözenekli yatakların, demir esaslı alaşımların ve büyük parçaların sinterlenmesi
Potalı fırın	1050-1400	Metalsel tozlarla imal edilmiş büyük blok veya parçaların sinterlenmesi
Sürekli fırın	a)1100 kadar (Ni-Cr) lu b)1500 kadar (Mo) li c)1000-1500 (gaz) lı	Gözenekli yatakların, makine parçalarının, mıknatıs alaşımlarının, saf metallerin, psödo-alaşımların Sinterlenmesi
Silit çubuklu fırın	1250-1350	Araştırma işlerinde kullanılan parçaların sinterlenmesi
Karbon tüplü fırın	2000 kadar	Sert alaşımların, psödo-alaşımların, metalsel karbürlerin sinterlenmesi
Yüksek frekanslı fırın	3000 kadar	Sert alaşımların, metalsel karbürlerin, sert mamullerin sinterlenmesi
Sıcak kompresyonlu ve basınç altında Sinterleme tesisatlı Fırınlar	a)600 kadar b)800 kadar c)1500 kadar	psödo-alaşımların, yatak alaşımlarının, demir esaslı alaşımların, sert alaşımların ve elmas alaşımların sinterlenmesi

 

5.1 TEK BİLEŞENLİ SİSTEMLERİN SİNTERLENMESİ

5.1.1 Sinterlemeye başlama, Sinterleme sıcaklığının tarifi:

              Sıcaklığın yükselmesiyle çekme kuvvetlerinin aktiviteleri artarken, sinterlemeyi zorlaştıran tesirler de ortadan kalkar. Ayrıca sıcaklığın artması billurlaşma şartlarını da müsait hale getirir. Adi  sıcaklıkta, toz partiküllerinin gerektiği kadar plastik olmamaları, yüzeylerinde gaz ve oksit tabakalarının mevcudiyeti, partiküller arasındaki temasın mükemmel olmaması, presleme esnasında  toz içinde zararlı gazlar bulunması, sinterlemenin yüksek sıcaklıkta yapılmasını mecbur kılar. Yukarda sözü geçen zararlı unsurlar önemli değişiklikler gösterirler ve tozun hazırlanma şartlarına büyük ölçüde bağlıdırlar. Bu sebeple tozun sinterlemeden evvel tabi olduğu işlemler çok önemlidir. Sinterleme başlangıcı sıcaklığı hakkında verilen bilgiler hiçbir şey ifade etmemekle beraber, bu sıcaklığın bilinmesi pratik önemi haizdir. Sinterleme sıcaklığını tayin etmek için birçok eser yazılmıştır. Sinterlenmiş cisimlerin yapı değişiklikleri mikroskopta incelenerek, preslenmemiş demir dozlarının sinterlenmesi etüt edilmiş, preslenmiş silindirik küçük parçaların çekme  mukavemetleri tayin edilmiştir. Gümüş, bakır, kurşun, alüminyum, magnezyum komprimerlerinin mukavemeti 150° ile 300° arasında artarak değiştiği görülmüştür. Bu artış sinterlemenin başladığını gösterir. Aynı malzemeden iki yüzey sadece  basınç tesiriyle, birbiri üzerine tatbik edildiği takdirde, belirli bir sıcaklığın üzerinde bu  iki yüzeyin aderansı yüksek değerler alır. Bu sıcaklığa aderans sıcaklığı denir ve sinterleme başlangıcı  sıcaklığı olarak kabul edilebilir (demir için 550°, nikel için 600°, volfram için 1250°)

5.1.2 Sinterleme şartlarının fiziksel ve mekanik özelliklere tesiri:

a)Yoğunluk, Gözeneklilik, Kendine Çekme:

              Önce sinterleme sıcaklığı, sinterleme müddeti ve toz taneleri büyüklüğünün yoğunluğa tesiri incelenecektir. (Şekil 5.1)da muhtelif basınçlarda, yoğunluğun sinterleme sıcaklığı ile değişimi şematik olarak  gösterilmiştir. (Şekil 5.2)’da ince molibden tozlarıyla (Şekil 5.3)de ise ince bakır tozlarıyla (2 mikrondan küçük taneler) yapılan deneylerin sonuçları görülmektedir. 1000°’ye doğru molibdenin, 400°’ye doğru ise, bakırın yoğunluğunun artması esas sinterleme olayının başlangıcı ile, bakırın yoğunluğunun artması esas sinterleme olayının başlangıcı ile ilgilidir. Çok az veya normal bir basınç altında tozların belirli bir sıcaklıkta sinterlenmeleriyle meydana gelen kendini çekme de normaldir. Aksine, çok yüksek basınçlar altında preslenen cisimler (30t/cm²’ye kadar) kendileri çekmedikleri gibi, bir hacim büyümesi de gösterirler.  Mesela, 600°’de sinterlermiş ve  yüksek basınç altında preslenmiş bir bakır parçasının yoğunluğu alçak basınç altında preslenmiş parçanınkinden çok daha küçüktür.

             

              Şekil 5.1 Metalsel bir tozun yoğunluğunun sinterleme sıcaklığına bağlı olarak değişimi (Şematik).

              a. Sıkıştırılmamış.

              b. Orta basınç altında sıkıştırılmış (takriben 5^t/cm².

              c. Yüksek basınç altında sıkıştırılmış (takriben 30^t/cm²).

              Sinterleme müddetinin yoğunluk ve kendini çekmeye tesirine gelince, yoğunluk artmasının büyük kısmı nispeten kısa bir zamanda meydana geldikten sonra artış azalır. Sinterleme sıcaklığı ne kadar yükselirse, kendini çekmenin büyük kısmı da o kadar kısa zamanda meydana gelir; yani yüksek sıcaklıklarda zamanın tesiri gittikçe azalar. (Şekil 5.4).

              Basınç ve sinterleme sıcaklığı ve müddetinden ayrı olarak kullanılan tozun tane büyüklüğü de yoğunluk ve kendini çekmeye büyük ölçüde tesir eder.

              Şekil 5.2 Sıkıştırılmamış 3^t/cm² ve 6^t/cm² basınç altında sıkıştırılmış bir molibden tozunun 3 saatlik bir sinterlemeden sonra, sinterleme sıcaklığına bağlı olarak yoğunluğunun değişimi.

             

              Şekil 5.3 Orta ve yüksek sinterleme sıcaklıklarda, sinterleme zamanı ve yoğunluğunun artması arasındaki münasebet.

              Aynı bir metalin muhtelif tane büyüklüklerindeki tozlarını aynı basınç altında presledikten sonra elde edilen numunelerin, aşnı şartlar altın-değişim kanunu bulunur. (Şekil 5.5).

              Şekil 5.4 Sinterlenmiş numunelerin yoğunluklarının granülometre’ye bağlı olarak değişimi.

              Şekil 5.5 İnce ve taba demir tozlarının sıcaklık ve kendini çekme arasındaki münasebet.

              Sıkıştırma basıncı                 :0.23^t/cm²

              İnce tozun granülometresi   :5m

              Kaba tozun granülometresi  :50m

b) Yapı:

              Basınç, sinterleme sıcaklığı, müddeti ve atmosferdeki gibi sinterleme şartlarının, sinterlenmiş maddelerin sertlik, mekanik mukavemet, elektrik iletkenliği gibi özelliklerine tesiri incelenmeden evvel, tanelerin süratle büyüme olayının tetkik edilmesi gerekir. Tanelerin büyümesi bazı hallerde mekanik mukavemet, sertlik, kopma uzaması, yoğunluk gibi özelliklere fevkalade tesir eder. Plastik metal tozlarının, mutlak ergime sıcaklıklarının 2/3 ile 3/4’ü arasındaki belirli sıcaklıklarda ısıtılmasıyla tanelerin çok büyüdükleri görülmüştür. Tane büyümesinin başlangıç sıcaklığı presleme basıncından bağımsızdır. Bu olaya tanelerin ani büyümesi denir ve ilk olarak redükleme ile elde edilmiş ince bakır tozlarında müşahade edilmiştir. 1 ile 5^t/cm2 arasında değişen basıncın 720° olduğu tespit edilen tane büyümesi başlangıcına ait sıcaklığa tesir etmemesi tane büyümesinin soğukta bir ön deformasyon neticesinde meydana gelmediğini gösterir.; dolayısıyla, normal metallerin soğukta deformasyonlarından sonra görülen yeniden billurlaşmaları hipotezi burada kabul edilemez.

              Az miktarda gayri safiyelerin bir sıvı faz meydana gelmesine ve dolayısıyla bir billurlaşmaya sebebiyet verip vermediklerini anlamak için, müteakip saflaştırmalara tabi tutulmuş bakır tozu üzerinde deneyler yapılmıştır. Bu tozla, 5^t/cm² basınç altında sinterlenmiş cisimlerde , 720°’de tanelerin büyüdüğü görülmüştür. Buradan, bakırın büyük sarfiyatının tane büyümesi başlangıç sıcaklığına tesir etmediği neticesine varılmıştır.

              Hiçbir soğuk ön-işleme tabi tutulmamış tozlarda, tane büyümesi normal yeniden billurlaşma sıcaklıklarda meydana gelmektedir. Halbuki 520°’de yarım saat sinterlenmiş numuneler soğuk deformasyona tabi tutulduğu takdirde, tane büyümesi sıcaklığı, soğuk deformasyona tabi tutulduğu takdirde, tane büyümesi sıcaklığı, soğuk deformasyonun şiddetine göre, 720°’den 420°’nin altına kadar düşmektedir. Böylece sentetik metalsel malzemelerin tane büyümeleri, ergime ile elde edilmiş metallerin yeniden billurlaşma sahasına getirilmiştir(Tablo5.2)

             

Tablo 5.2 Sıkıştırma basıncına bağlı olarak demir tozunun sinterleme sıcaklığı ve tane büyüklüğü.(Granülometri=1m), (zinterleme süresi=1 saat),

Sinterleme sıcaklığı (°C)	Sıkıştıma basıncı
	0		220	4400	8800
	X ışınları  ile tetkik edilen granülometri
Sintersiz	Başlangıç	Az büyüme		Kuvvetli büyüme	Kuvvetli büyüme
200	Değişmemiş (1m)	Değişmemiş (1m)		Değişmemiş (1m)	Değişmemiş (1m)
400	Değişmemiş (1m)	Toparlanmamış (1m)		Az  toparlanmış (1m)	Az  toparlanmış (1m)
600	Değişmemiş (1m)	Toparlanmamış (1m)		Toparlanmış (1m)	Toparlanmış (1m)
800	Değişmemiş (1m)	Toparlanmamış (1m)		5-15m	2-8 m
1000	5-10m	10 m		15-60m	3-7 m
1200	5-20m	5-40m		15-80m	15-80m
1400	250m kadar	250m kadar		250m kadar	250m kadar

             

Bu tablodan şu sonuçlar çıkarılabilir:

              1-Presleme basıncının yüksek olması  tane büyümesinin başlangıç sıcaklığını çok düşürür; çok yüksek basınçla elde edilen taneler orta basınçlarda elde edilenlerden daha küçüktürler.

              2- Tanelerin büyüme başlangıcına ait sıcaklıklar, ergitilerek elde edilen demirin yeniden billurlaşma diyagramında görülen sıcaklıklara nispeten daha yüksektirler.

              Muhtelif tane büyüklüklerinde ve farklı şekillerde hazırlanmış bakır tozlarının sinterlenmesiyle elde edilmiş cisimlerin özellikleri ve sinter mamullerinin yapılarını tayin eden faktörler incelenerek sinterlemeden sonra elde edilen yapının dört faktöre bağlı olduğu anlaşılmıştır.

              1-Temel tozun bünyesi (tane büyüklüğü, saflık, yüzey durumu);

              2-Sinterleme sıcaklığı;

              3-Sinterleme müddeti;

              4-Sinterleme  atmosferi

              Buna karşılık, basıncın yapıya tesiri ikinci planda kalır. Basınç, sadece toz partiküllerinin aglomerasyonunda rol oynar. Meydana gelen gözenekliliğin yapıya tesiri, sinterleme esnasındaki tane büyümesinin gözenekleri yok etmesine bağlıdır.

              Sinterlenmiş cisimlerin yeniden billurlaşması, elektrolitik olarak elde edilen metalsel tabakalara, sıvı bir fazdan elde edilmiş billursal şekillere, ergime ile elde edilmiş mekanik deformasyona uğramış bazı metallerin durumuna çok benzer. Mesela, adi sıcaklığa kadar soğutulmuş dökme alüminyumun ergime sıcaklığının hemen üzerinde bir sıcaklığa çıkarılmasıyla taneler büyümektedir. Dökümden sonra işlem görmemiş nitelden mamul deney parçalarında , 1300°’de hidrojen içinde ısıtıldıktan sonra tanelerin büyümesi ve tane  sınırlarının yer değiştirmesi müşahade edilmişti.

              Sinterlenmiş metallerin yapı durumları üzerinde elde edilmiş neticeleri bir araya toplanırsa, termodinamik bakımdan kararsız toz partiküllerinden meydana gelmiş ve özel bir ısıl işleme tabi tutulmuş billur şekillerinde daima tane büyümesi ve tane sınırlarının yer değiştirmesi olayları müşahade edilir; bu olaylara “yüzeyin yeniden billurlaşması” veya dolayısıyla “tanelerin yeniden billurlaşması” denir. Kristali meydana getiren toz tanelerinde daima mevcut olan iç gerilmelerinden ayrı olarak,  bilhassa yüksek bir presleme için, ilaveten “lifler-arası distorsyonlar” olabilir. Bu distorsyonlar “mekanik olarak veya deformasyonla yeniden billurlaşma” olayını doğururlar. Sinter mamullerin büyük kısmı için, sinterleme atmosferinin iştirak ettiği kimyasal reaksiyonlar yeniden billurlaşma esnasında tane büyümesine yardım ederler.

c)Sertlik:

              Brinell sertliğinin sinterleme sıcaklığının fonksiyonu olarak değişimi (Şekil 5.6 ve 5.7’de gösterilmiştir. Plastik metal esaslı (mesela bakır) ve yüksek basınç altında elde edilmiş komprimelerin sertliği yüksektir. Basıncın alçak olması halinde, sertlik sinterleme sıcaklığının artması sertliğin düşmesine sebep olur. bu düşüş plastik bir metal olan bakır için nikele nazaran daha fazladır.

Şekil 5.6 Muhtelif basınçlar altında sıkıştırıldıktan sonra sinterlenen bakır numunelerinin Brinell sertliklerinin sinterleme sıcaklıklarına bağlı olarak değişimi.

              Kesir çizgi    : Dökme ve tavlı bakır

              1 = Kieffer  2 = Hotop

              Alçak basınca maruz kalmış sinterlenmiş maddelerin sertliklerinin devamlı artması daha  yoğun bir sinterleme, dolayısıyla yoğunluğun artmasıyla izah edilir. Çok yüksek sıcaklıkta sinterlenmiş maddelerin sertliği , kimyasal olarak saf metalsel tozlar için, tavlanmış normal metalinkinden fazla olmayıp gözeneklilik ve yüksek sıcaklıkta tane büyümesi sebebiyle daha azdır. Yüksek basınca maruz kalmış sinterlenmiş maddelerle sertlik azalması, presleme esnasındaki soğuk deformasyonu müteakip bir rejenerasyon olayı gibi farz edilebilir. Ayrıca, hiç olmazsa bakın içir, sertliğin şiddetli bir şekilde düşmesi, bakır tozunun preslenmesi neticesinde gazların serbest kalması ve yoğunluğunun düşmesine bağlanabilir. (Şekil 10)’de sertliğin alçak, orta ve yüksek basınçlar için, sinterleme sıcaklığı ile volfram gibi az plastik metaller ve refrakter metallerin karbürleri gibi az plastik metalsel terkipleri tatbik edilemez. Bu malzemelerde, basıncın sebep olduğu soğuk şekil değişimi çok az olduğundan alçak sinterleme sıcaklıkları için sertlik düşüşü görülmez.

              Şekil 5.7 Muhtelif basınçlar altında sıkıştırıldıktan sonra hidrojende sinterlenen bir nikele karbonil tozunun Brinell sertliğinin sinterleme sıcaklığına bağlı olarak değişimi.

              Yoğunluğun sinterleme müddeti ile değişimi  göz önüne alınırsa, sertliğin sinterleme müddeti ile artması gerektiği anlaşılır. 16 saat müddetle sinterlenen (basınç: 4t/cm²; sinterleme sıcaklığı:750°) elektrolit bakır tozunun sertliğinin 38 kg/mm²’ye geçmesi de bu neticeyi doğrular.

d)Mekanik Özellikler:

              (Çekme mukavemeti ve kopma uzaması.) Çekme mukavemetinin ve kopma uzamasının ölçülmesi için özel bir çubuk kullanılması tavsiye edilir. (Şekil 5.9).

              Şekil 5.8 Normal tavlı metali ile karşılaştırarak, çeşitli basınçlar altında sıkıştırıldıktan sonra sinterlenen plastik metal tozlarının Brinell sertliklerinin sinterleme sıcaklığına bağlı olarak değişimi.

              a.Alçak basınç          (2-3^t/cm²)

              b.Orta basınç            (6-8^t/cm²)

              c.Yüksek basınç       (20-30^t/cm²)

              Şekil 5.9 Çekme deneyi epruveti ve kalıbı.

              Karbonil nikel tozunun muhtelif basınçlarda (0.8 ile 4a/cm²) preslenmesi ve 2 saat 300° ila 1300° arasında hidrojen atmosferi altında sinterlenmesi sonunda elde edilen neticeler (Şekil 5.10)’da verilmiştir. (Şekil 5.11)’da ise teknik demir tozu üzerinde yapılan çekme mukavemeti ve kopma uzaması deneylerinin sonuçları görülmektedir. Deney parçaları 6t/cm² basınç altında hazırlanmış ve yarım saat hidrojen içinde sinterlenmiştir. teknik demir tozu ise, mekanik öğütme ile hazırlanmış olup, tane büyüklükleri 0.075 ile 0.1 mm arasındadır. Her iki şeklin mukayesesinden şu sonuçlar çıkar: Karbonil nikel tozu halinde, yüksek basınçlar için, çekme mukavemetinin sıcaklıkla büyük artış gösterdiği iki bölge vardır. Bu bölgelerden biri 300° ile 500° arasında, diğeri ise 650° arasında, diğeri ise 650°’nin üzerindedir. Alçak sıcaklıklar bölgesinde, toz partiküllerinin aglomerasyonundan sonra zıt kuvvetlerinin azalması ve sinterleme kuvvetlerinin artmasıyla mukavemet de yüksektir. Yüksek sıcaklıklar bölgesinde, billurlaşmadan dolayı sinterleme olayı şiddetlenir. Yüksek basınçların kullanılmasıyla yüksek mukavemetler elde edilir.

              Şekil 5.10 Muhtelif basınçlar altında sıkıştırıldıktan sonra 2 saat sinterlenen nikel karbonil tozunun çekme mukavemetinin sinterleme sıcaklığına bağlı olarak değişimi.

              a.G.Grube, M.Schecht                   b.R.Kieffer, W. Hotop

              (Şekil 5.11)’daki eğrilerin gidiş tarzı kabaca birbirine benzer.Burada da alçak sıcaklıklarda mekanik mukavemetin yükselmesi kendini çekme kuvvetlerinin artmasına bağlıdır. 600°den yüksek sıcaklıklar için ise mekanik mukavemetin artması bilhassa billurlaşma olayları ile ilgilidir. Demirde, 800° ile 1000° arasında kopma uzaması ve mukavemetin düşmesi enteresandır.

              Şekil 5.11Teknik demir tozunun çekme mukavemeti ve uzamasına, sinterleme sıcaklığının etkisi.

              Bakırın mukavemeti yüksek sıcaklıkta bir maksimumdan geçtikten sonra biraz azalır; bu maksimum, sinterleme sıcaklıklarında tanelerin süratle büyümesine bağlıdır.

              (Şekil 5.12)’de kopma uzaması ve mukavemeti sinterleme sıcaklığı ile değişimi şematik olarak görülmektedir. Bu eğriler 3 ile 4t/cm² arasındaki basınçlar  için çizilmiş olup, daha yüksek basınçlarda aşağı doğru yer değiştirirler.

              Sinterlenmiş demir numuneleri üzerinde yapılan deneylerde elde edilen kopma uzaması ve mukavemetin sinterleme müddeti ile değişim eğrileri (Şekil 5.13)de verilmiştir. Bu eğriler kaba hatlarla diğer metaller için de varittir. Neticeler tane büyüklükleri  0.075 ile 0.1 mm arasında olan 6t/cm² basınç altında preslenerek 800°’de farklı müddetlerde sinterlenmiş demir tozu üzerinde elde edilmiştir. Isıtmanın birinci saati  içinde çekme mukavemeti süratle yükseldikten sonra eriştiği değeri muhafaza eder. Uzama eğrisinin de benzer bir gidişi varsa da 480 dakikalık bir ısıtma müddeti içinde bir maksimuma erişmez.

             

Şekil 5.12 Sinterlenmiş tozların çekme mukavemeti ve uzamasına, sinterleme sıcaklığının etkisi (şematik)

              Şekil 5.13 Sinterlenmiş demirin çekme mukavemeti ve uzamasının; sinterleme zamanına bağlı olarak değişimi.

              Tane büyüklüğünün çekme mukavemeti ve uzamasının; sinterleme yoğunluğa ve sertliğe tesiri gibidir.

e)Elektrik İletkenliği:

              (Şekil 5.14)’de farklı basınçlar altında preslenmiş karbonil nikel tozunun özdirencinin değişimi görülmektedir. Özdirençlerin ölçülmesi deney parçalarının soğumasından sonra oda sıcaklığında yapılmıştır. Sıcaklığın artmasıyla elektrik direnci önce süratle, yüksek sıcaklıklarda ise daha yavaş azalır. Özdirenç ayrıca alçak sıcaklıkta elde edilen numuneler için, deney parçasının  hazırlanmasında kullanılan basıncın küçüklüğü nispetinde artar.

              Şekil 5.14 Muhtelif basınçlar altında 2 saat sıkıştırılan nikel karbonil tozunun elektrik reziztivitesinin, sinterleme sıcaklığına bağlı olarak değişimi.

              Sinterlenmiş bir metalin toplam direnci  kristalitlerin kendi dirençleri ile kristalitler arasındaki temas dirençlerinin toplamıdır. Toz partikülleri, absorbe edilmiş bir gaz tabakasıyla çevrilmiş olduklarından temas dirençleri çok büyüktür. Dolayısıyla preslenmiş  metalsel bir tozun direnci de çok yüksektir. Basıncın yükselmesi partiküllerin yaklaşmaları ve temas yüzeylerinin artmasına ve dolayısıyla toplam direndin azalmasına sebep olur. Sıcaklık yükselirse absorbe edilmiş gazların yayılmaya başlamasıyla elektrik direnci azalır. Daha sonra sinterlemenin ilerlemesi esnasında, billurlaşma sebebiyle kristalitler arasındaki elektrik irtibatları iyileşir.

              Absorbe edilmiş gaz tabakaları ve oksit filmlerinin  elektrik direnci üzerine etkilerini ortaya koymak için, preslenmiş karbonil nikel tozlarının sinterleme esnasındaki sıcaklık-özdirenç eğrileri çıkarılmıştır. (Şekil 5.15).

              Şekil 5.15 Sıkıştırılmış nikel karbonil tozunun , direnç-sıcaklık  eğrileri

             

5.2 ÇOK BİLEŞENLİ SİSTEMLERİN SİNTERLENMESİ

              Toz metalürjisi metotları sayesinde, temel malzemelerin özelikleri ve katı veya sıvı halde karşılıklı eriyebilme şartları ile ilgilenmeden çeşitli cisimlerin herhangi bir terkibi elde e6ilebilir. Metalleri, metalloidlerle veya metalsel terkiplerle birleştirmek mümkündür. Prensip olarak herhangi bir terkip herhangi  bir oranda gerçeklenebilir. Bir bileşenli sistemlerde presleme ve sinterleme esnasında görülen olaylarla sinterlenmiş cisimlerin fiziksel ve mekanik özelliklerini kapsayan kanunların çok bileşenli sistemler için genelleştirilmelerinin mümkün olup olmadıklarını anlamak için sistemler 2 gruba ayrılır:Sinterlenmeleri esnasında bir sıvı faz meydana gelmeyen sistemler ve sinterleme esnasında bir kısmı sıvı halde bulunan sistemler.

5.2.1 Sıvı faz olmadan çok bileşenli sistemlerin sinterlenmesi:

              Bileşenlerin ergime sıcaklıkları çok farklı değilse (demir-nikel, demir-kobalt, demir-kobalt-nikel, vs. gibi) sinterleme sıcaklığı bütün bileşenlerin ergime sıcaklıklarından düşük alınmalıdır. Bir bileşenli sistemler için kurulan teorilerin bu gibi sistemleri de kapsamalarının mümkün olup olmadığı denge diyagramından anlaşılır. İki ayrı durum vardır. Bileşenlerin sıvı veya katı halde (hiç olmazsa katı halde) birbirlerini eritmemeleri ve billurlar veya karışımların teşekkülü. Birinci gruba giren sistemler için, sıvı faz meydana gelmeyecek bir sinterleme sıcaklığında (yani ötektik sıcaklığının altında) bir bileşenli sistemler için geliştirilen bilgiler geçerlidir. Farklı iki  metalin yüzeyleri arasındaki çekme kuvvetleri bir metalin partikülleri arasındaki çekme kuvvetlerinden az farklıdır. Buna sebep aderansın fiziki bir olay olup üzerinde kimyasal afinitelerin hiç bir rol oynanamamasıdır. Bununlar beraber, yüksek sıcaklıkta meydana gelen billurlaşma olayları bileşenlerden her birinin kendi sahasında gelişirler. Bazen bu olaylardan faydalanılarak mesela volfram’ da olduğu gibi bazı oksitlerin (thO₂, CaO₂, vs.) ilavesiyle iri tanelerin teşekkülüne mani olunur. Bu birinci tipe misal olarak pratikte önemli olan şu alaşımları verebiliriz: volfram-bakır, demir-grafit, gümüş-grafit vs. Yukarıdaki misallerden demir-gümüş ve demir-bakır sistemlerini daha yakından inceleyelim. Demir ve gümüşün katı veya savı halde birbirlerini eritmelerine rağmen toz metalürjisi metotları sayesinde mekanik mukavemetleri iye olan demir-gümüş alaşımları elde etmek mümkündür.  Gözenekler, sinterlemeden sonra yapılan bir sıcakta dövme ile yok edildikleri takdirde, bu alaşımların mukavemet ve sertlikleri karışımlar kanunundan bulunur. bir demir ve bakır tozları karışımının bakırın ergime sıcaklığının altında sinterlenmesiyle hazırlanmış parçalar incelenerek elde edilen yoğunluk ve mekanik mukavemetin saf metallerinki mertebesinde olduğu görülmüştür.

              Bileşenler katı halde karışık billurlar veya karışımlar teşkil ettikleri takdirde, bir bileşenli sistemler için meydana getirilen kanunlara ekseriya yeni olaylar ilave olunur. Bu durumda, bileşenlerin birbiri içinde yayınma derecesinin tesiri katidir. Daha evvel izah edildiği gibi D.P.G. usulüyle muhtelif tertiplerde alaşım tozları hazırlamak mümkündür. Toz haline getirilmiş bir alaşımdan hareket edilirse, bileşenler kimyasal dengede olduklarından olaylar bir bileşenli sistemlerdekinin aynı olarak cereyan eder. Karışık billurlardan veya metalsel karışımlardan meydana gelen toz partiküllerinin saf metallere nazaran daha az şekil değiştirebildiklerine ve daha zor billurlaştıklarına dikkat etmek lazımdır. Karışık billurlardan teşekkül eden tozların zor billurlaştıkları bir kısmı karışık oksit kristallerinden, bir kısmı da oksit karışımlarından elde edilerek sinterlenmiş kobalt-nikel alaşımları üzerinde yapılan deneylerle ispat edilmiştir. Toz haline getirilmiş bir alaşım yerine, saf bileşenleri kalıp içinde karıştırıp presledikten sonra sinterliyelim (saf bileşenler yerine henüz denge haline varmamış fazlar da alınabilir); sinterleme  esnasında mukavemet artacak, muhtelif bileşenler arasındaki yayınma sebebiyle muhtemelen fiziksel özellikler de iyileşecektir. Yayınma derecesi bazı gaktörlerde (sinterleme sıcaklığı ve müddeti, tane büyüklüğü gibi) bağlı olduğundan bu gibi çok bileşenli maddelerin fiziksel özellikleri de aynı olduğundan bu gibi çok bileşenli maddelerin fiziksel özelikleri de aynı faktörlere tabi olacaktır. Sinterlenmiş demir-nikel alaşımları halinde olduğu gibi, karışık billurlardan meydana gelmiş ve sadece sinterlenmiş sistemlerin özelliklerinin saf bileşenlerinkinden az bir ark göstermesi  tamamlanmamış bir yayınma ve gözeneklilik sebebiyledir.

              Metalsel tozların yayınmaları hakkında en önemli deney neticeleri şu şekilde özetlenebilir:

              1-İyi karıştırılmış metalsel tozlar kompakt metallere nazaran  daha kolay yayınırlar; kullanılan toz ne kadar ince ise numune de o kadar homojen olur;

              2-Yayınma hızı sıcaklıkla üssel olarak artar;

              3-Kullanılan tozlar ısıl işlem esnasında yapı değişimlerine uğradığı takdirde, bu değişimler yayınmanın gelişmesine tesir edebilir;

              4-Çekmeye mani olan faktörler atom hareketlerini frenler:

              5-Az miktarda sıvı bulunduğu takdirde (mesela oksitler, sülfürler, fosfürler vs.) bilhassa sıvı faz oksit filmlerini ve diğer gayri safiyetleri eritebiliyorsa, yayınma çok daha çabuk olur.

              Bu istisnai durumlar hariç, kompakt metallerin yayınma kanunları, metalsel tozların yayınması için de  muteberdir. Dolayısıyla, yayınma olayı şu şekilde düşünülebilir: Denge diyagramına göre. Kafi derecede yüksek sıcaklıkta görünmeleri beklenen denge durumundaki kristaller önce tanelerin çevresinde teşekkül ederler. Bu şekilde meydana gelen tabakaların kalınları birçok faktörlere bağlıdır. Mesela A ve B gibi iki metal mevzubahis ise bu gaktörler şöyle sıralanabilir: sıcaklık, ısıtma müddeti, A ve B metallerinin her yeni tabaka boyunca yayınma hızları, her iki metalin her yeni tabaka içindeki kütleleri ve bunların oranı, A ve B metallerinin yayınma zamanının her tabakanın kalınlığıyla artma şekli.

5.2.2 Sıvı faz mevcudiyetinde çok bileşenli sistemlerin sinterlenmesi:

              Sıvı faz mevcudiyetinde sinterlenen çok bileşimli sistemler adı altında toplanan grupta endüstride önemli olan birçok sinter mamuller vardır. Misal olarak sinterlenmiş sert alaşımlar, wqolfram-bakır-nikel ağır alaşımı gözenekli yataklar için bronz vs. gösterebiliriz.

              Bu sistemler içinde, sinterlemenin oluşumu başlıca denge diyagramına  tabidir. Sınıflandırmada kriter olarak malzemenin sinterlemeden sonraki homojen veya heterojen durumu alınacaktır.

              Sinterlenmiş bir homojen alaşım halinde, sıvı faz ancak ani olarak teşekkül edebilir. Sıvı faz belirli bir sıcaklıkta teşekkül ettikten sonra yayınma ile kütle tarafından absorbe edilir. Bu esnada katı karışık billurlar teşekkül eder. Bunun endüstride uygulanması, gözenekli yataklar için sentetik bronz ihmali gösterebiliriz.

                   Mesela %10 kalay ihtiva eden sentetik bronz şu şekilde hazırlanır: Bir kalıp içinde bakır ve kalay iyice karıştırılıp preslenir ve karışım 700° ile 800° arasında redükleyici atmosferde sinterlenir. Sinterleme esnasında, kalayın 232° olan ergime sıcaklığına erişildiğinde, kalay kozu komprimenin içinde sıvılaşır. Sıvı kalayın bakır partikülleri boyunca süratle yayınmasıyla, 1 saatten az bir müddet zarfında homojen bir faz meydana gelir. Bu faz X-bronzunun katı karışık billurlarından ibarettir.

              Demir-nikel alüminyum sinter mıknatısların imali için ince demir ve nikel tozlarıyla, istenen alüminyum oranının sağlanması için %50 alüminyum ihtiva eden bir demir-alüminyum alaşımı tozu kullanılır. Toz karışımının sinterlenmesi, koruyucu gaz içinde 1200° ile 1300° arasında yapılır. 1150°’ye doğru bu ön-alaşım ergiyerek sıvı halde demir ve nikel partikülleri boyunca  çok çabuk ve muntazam olarak yayınır. Bu şekillerde, nispeten kısa bir zamanda, karışık billurlardan meydana  gelen homojen katı bir faz teşekkül eder. Sinterleme ile önemli bir kendini çekme olayı da vuku bulduğundan preslenmemiş fakat sinterlenmiş mıknatısların yoğunluğu, teorik yoğunluğun %97 ile 99’una erişir. Sinterleme esnasında bir miktar sıvı teşekkül etmesi yoğunluğunun büyük olmasını ve homojen karışık billurların meydana gelmesini sağlamaktadır. Mesela %13 alüminyum ve %60 demirden ibaret  sinterlenmiş bir mıknatısın imalinde , 1115° civarında %26 sıvı teşekkül eder. Sıvı faz mevcudiyetinde yapılan sinterleme esnasında, meydana gelen sıvı miktarı numunenin iskeletini tahrip etmeyecek kadar olmalıdır.

              Çok bileşenli heterojen bir sistemin sinterlenmesinde şartlar daha başkadır. Sıvı fazın meydana gelmesine ergime sıcaklığı en düşük olan  bileşenin ergime noktasının aşılması veya alçak sıcaklıkta ergiyen bir ötektiğin teşekkülü sebep olabilir. Endüstriyel bakımdan çok mühim olan bu duruma klasik misal olarak sert alaşımların ve volfram-bakır-nikel ağır alaşımının sinterlenmesi gösterilebilir. Burada nisbeten az miktarda olan sıvı faz katı kalmış bileşenler için “birleştirici” veya “çimento” rolü oynar; bu bileşenlerin kendi hallerine bırakılması halinde ise sinterleme için çok yüksek sıcaklıklara çıkmak gerektiği gibi bu sıcaklıkta dahi sinterleme tam olmaz.

              Misal olarak volfram-kobalt-karbon üçlü sistemini alarak sert bir alaşımın sinterlenme ve ergimesinde görülen olayları daha yakından incelemeyim. Mesela %94 volfram karbür ve %6 kobalt ihtiva eden bir alaşımın sinterlenmesinde  ortaya çıkan olaylar, volfram-kobalt-karbon sisteminin denge diyagramının WC-Co ikili sistem kesitinde net olarak görünürler. (Şekil 18). İnce volfram karbür ve kobalt tozları karışımının sinterleme sıcaklığı 1400° olarak seçilir. Alınan bileşime (%6 kobalt) tekabül eden noktadan bir düşey ve sinterleme sıcaklığına (1400°) tekabül eden noktadan bir yatay çizilirse, diyagramdan her sıcaklıkta muhtelif tozların oranlarıyla bileşimi bulunur. numune, oda sıcaklığından sinterleme sıcaklığına kadar ısıtıldığı takdirde, önce volfram karbür ve kobalt kristalleri arasında bir atom değişimi, yani katı halde yayınma olur. Bir miktar volfram karbürün kobalt içinde erimesiyle kobalt bakımından zengin katı karışık billurlar teşekkül eder. Bu durumda kobaltın ergime sıcaklığı da düşer; olay  bu şekilde devam ettikçe bir sıvı faz meydana gelir. Bu sıvı miktarı bütün kobalt sıvı hale gelinceye kadar artar. Sıvı içindeki  kobalt oranı da %62’ye kadar düşer. Özet olarak, volfram karbür ve kobalt karışımının 1400°’de sinterlenmesi esnasında saf kobalt (a noktası) kaybolurken, a ve b noktaları arasında, ok yönünde b bileşimli sıvıya doğru gidildiği görülür. Dolayısıyla 1400°’de sinterlenen malzemenin takriben %90 volfram karbür (c noktası) ve %10 sıvı  (b noktası) ihtiva eder. Numune soğutulursa, volfram karbür sıvıdan ayrılır. Zira sıcaklığın azalmasıyla volfram karbürün kobalt içinde eriyebilme özelliği de gittikçe zayıflar. Bu şekilde ayrılan volfram karbür katı halde kalmış olan volfram karbür partikalleri etrafında billurlaşır. Volfram karbür partikülleri her yerde saf kobalt tarafından sarılmış olup, kobalt kohezyonu sağlamaktadır.

              Şekil 5.16 Volfram-kobalt-karbon sistemi denge diyagramının volfram, kobalt karbür ikili psödo kesiti

              Volfram karbür ancak çok  yüksek sıcaklıkta ayrışır. Fakat bu ayrışma sıcaklığının altında kalındığı müddetçe, yukarda izah edilen ve sert alaşım sinterlenmesinin karakteristikleri olan transformasyonlar önemli bir değişmeye uğramaz. Volfram karbür yalnız başına 2600°’de ayrıştığı  halde, kobalt mevcudiyetinde ayrışma daha düşük sıcaklıkta olur. Şekil 16’da verilen denge diyagramında %6 kobalt ihtiva eden volfram karbür-kobalt alaşımının 2400°’de ayrıştığı görülür. Bu sıcaklığın altında 1400° için etraflı olarak izah edilen transformasyonlar mevzubahistir. Pratikte  1500° veya 1600°’den yüksek sinterleme sıcaklıklarına çıkılmaz. Aksi takdirde sinterlenen cismin içinde kabarcıklar meydana gelir. Sıcaklık 2400°’ye yükseldiği zaman sıvı nispeti artar. Bunun sebebi, sıcaklık arttıkça daha çok miktarda volfram karbürün sıvı içinde edilebilmesidir. Soğuma esnasında, daha az sayıda katı tane üzerine daha çok miktarda erimiş karbür çökeleceğinden yapının değişeceği aşikardı. Aynı tesir (tanelerin büyümesi) sinterleme müddetinin uzatılması veya sinterlemenin tekrarıyla uzun zaman alır. Ayrıca, küçük  partiküller irilerinden daha kolay eriyebildiklerinden, volfram karbür partiküllerinin sıvı içinde erimezi toz taneler iriliğine bağlıdır. Sinterleme  birkaç defa tekrar edildiği takdirde ince partiküllerin sayısında tedrici bir azalma ve en iri karbür partiküllerinde bir irileşme görülür. Bu, teknik bakımdan, istenmeyen bir olaydır. Bu sinterleme müddeti sınırlandığı gibi, mümkün olduğu kadar ince bir volfram karbür tozundan hareket edilir. Böylece tane iriliğinden erimiş ve çökelmiş volfram karbür nispetini de çıkarmanın imkansızlığı anlaşılır.

              Şimdi  ergime ile elde edilmiş bir “sert alaşımın” ergimesinde görülen olayları inceleyelim. 2400°’de başlayan volfram karbürün ayrışması 2550°’de sona erer. Bu iki sıcaklık arasında, kobalt ihtiva eden sıvı faz içinde erimemiş olan volfram karbür tedricen ve grafit olmak üzere ayrışır. Sıcaklığın daha da artmasıyla grafit de erir; 2700°’ye doğru bütün kütle sıvı hale gelir. Karbürün ayrışması (endotermik) ısı alan cinsten olduğundan, bu olay ani değildir. Tamamen ergimiz olan alaşım soğutulursa aynı olaylar ters yönde vuku bulur. Önce karbon  sıvıdan büyük siyah lameller halinde ayrılır (ergime ile elde edilen sert alaşımın karakteristiği olan primer grafit).

              Çok yavaş olarak soğutma yapılırsa, karbon 2550°’ye doğru tekrar volframla birleşerek volfram karbür meydana gelir. Bu reaksiyon kullanılan soğutma hızlarında o kadar yavaştır ki, mühim bir transformasyon meydana gelmez. Soğutmaya devam edilirse, derişik içindeki volfram karbür (WC+W₂C) primer kristaller  haline ayrılır. Bu kristaller sıvı içinde serbestçe gelişebilirler. Kalan sıvı da bir ötektik teşekkülü ile katılaşır. Soğuma hızı yüksek olduğundan, grafit, volfram karbür, kobalt bileşenlerinin ötektik içinde mevcudiyeti anlaşılmayabilir. Mikroskobik muayene ile, primer grafit lamelleri, billurlaşmış primer volfram karbür kristalleri ve üniform bölgeler görülür. Bu bölgeler son olarak katılaşan ve genellikle mühim miktarda volfram karbür ihtiva eden sıvıya tekabül eder. Ergime ile elde edilen “sert alaşım”ın kırma ameliyesi ve rutubetli öğütülmesiyle hazırlanmış ince tozunun preslenmeli ve 1400° ile 1500° arasında birkaç defa sinterlenmesiyle elde edilen malzemenin özelliklerinin normal yollarla hazırlanan sinter “alaşımın” özelliklerine tekabül etmesi şayanı dikkattir.

              Kısaca, sinterlenmiş bir “sert alaşım” ile aynı terkipte ve ergime ile elde edilmiş alaşım arasında aşağıdaki farklar vardır. Sinterlenmiş malzemenin yapısında çok sayıda küçük karbür taneleri mevcuttur. Bu taneler yan yana muntazam olarak dizilmiş ve volfram karbür ihtiva etmeyen bağlayıcı bir metalle birleştirilmişlerdir. Birçok noktalarda, volfram karbür partikülleri birbirleriyle köprüler vasıtasıyla birleşmişlerdir. Ergime ile elde edilmiş alaşımın karbür kristallerinin boyutları ise 10 ile 20 kere daha büyüktür. Çevreleri net olan bu kristaller birbirlerinden de uzaktır. Ayrıca, tozun kırma ve öğütme ile hazırlanması esnasında meydana gelen volfram karbür kristallerinin parçaları sinterlenmiş yapıda mevcuttur. Ergime ile elde edilen yapıda ilk partiküller görünmezler. Sıvıdan sinterleme yolu ile sert alaşım imalinin hedefi, tozdaki ilk karbür partiküllerini muhafaza etmek ve bunları sünek bir bağlayıcı ile birleştirmektir.

              Sinterlenmiş yapının avantajları aşikardır. Tanelerin inceliği ve intizamı sayesinde, primer kristaleri iri ve katılaşmış atık-sıvı kütlesi kırılgan olan, ergime ile elde edilmiş yapıya nazaran mekanik mukavemet daha iyi, sünekliği daha büyüktür. Sert alaşımın sinterlenmesinde sıvı faz aglomerasyonu hızlandırdığı gibi mekanik mukavemeti de arttırır. Sinterlenmiş sert alaşımın sünekliğini ve mukavemetini, bağlayıcının aynı özelliklerine borçluyuz. Karbür kristalitleri arasındaki çekme kuvvetleri ve bir karbür iskeletinin teşekkülü ancak ikinci derecede rol oynarlar. Demek ki çok bileşimli heterojen bir sistemin sıvı bir faz mevcudiyetinde sinterlenmesi ile bir bileşenli veya çok bileşenli homojen sistemlerin sinterlenmesi arasında bir prensip farkı vardır.

                   Bu farkı daha iyi anlamak için volfram-bakır-nikel ağır alaşımının sinterlenmesinde görülen olayları kısaca inceleyelim. %87 ile 93 volfram, %4 ile 6 nikel ve %2 ila 4 bakır ihtiva eden bir alaşımın sinterlenmesi teferruatlı olarak incelenmiştir. Esası saf volfram tozu olan deney çubuklarının çok yüksek, hatta ergime noktasına yakın bir sıcaklıkta sinterlenmeleriyle dahi elde edilen cisimler, çok gözenekli ve nispeten kırılgandır. İnce taneli bir volfram tozuna %5 nikel ve %2 bakır kattıktan sonra elde edilen karışımın 1 saat 1400°  ile 1500° arasında sinterlenmesiyle yoğunluğu teorik yoğunluğa çok yakın ve mukavemeti 63 kg/mm² olan cisimler elde edilmiştir. Isıl işlem % 17 ila %20 arasında bir lineer büzülmeye sebep olur ve optimum şartlarda tamamen gözeneksiz bir yapı elde edilmesini sağlar. Bu alaşım irice saf volfram küreciklerinden meydana gelmiştir. (takriben 0.004 mm’lik kristaller). Bu kürecikler bir nikel-bakır-volfram alaşımı ilavesiyle aglomere olmuşlardır. Sinterleme esnasında, bakır ve nikel tozları birbiri içinde yayınırlar. Bakırın ergime sıcaklığına erişildiği zaman, henüz nikelle birleşmemiş olan bakır tozu ergimeye başlar. 1350°-1450°’ye doğru bakır-nikel alaşımı tamamen ergir. Bu alaşım içinde bu sıcaklıkta takriben %18 volfram eriyebilir. Burada da en küçük volfram partikülleri ilk olarak erirler. Dolayısıyla maksimum yoğunlukta bir alaşım elde etmek için kullanılan toz içinde mümkün olduğu kadar çok miktarda ince volfram tosu bulunması gerektiği anlaşılır (1 ile 5 mikron arasında taneler).En büyük yoğunluğun volfram, bakır ve nikel tozları karışımının rutubetli öğütülmesiyle elde edildiği görülmüştür; buna sebep sadece bu şekilde elde edilen tanelerin inceliği değil, aynı zamanda bileşenlerin muntazam dağılmış olmalarıdır. Ayrıca, alaşımın soğuması esnasında, sinterleme sıcaklığında erimiş olan volframın bir kısmı yeniden ayrılır ve mevcut olan iri volfram kristalleri üzerine çökelir. Fakat soğuma esnasında vuku bulan bu ayrılma olayları mikrografide kolayca tanınan iri volfram kristallerinin teşekkülü izaha kafi değildir. Sinterleme esnasında şu reaksiyonların olması mümkündür: En küçük volfram bakımından doymuş sıvıdan ayrılan bu partiküller katı halde olan iri volfram kristalitleri üzerine çökelirler. Bu alaşımın sinterleme esnasında gösterdiği büzülme olayı kısmen, eriyebilme özelliğinin sıcaklıkla değişmesi ve bilhassa meydana gelen sıvının yüzey gerilimi ile izah edilebilir. Ayrıca, ince volfram partikülleri ve yüzey enerjileri yüksek olan billursal kristalitler, termodinamik  bakımdan en kararlı durumda bulunmaya meyillidirler, bu olayın rolü ihmal edilemez.

              Sinterlenecek iki metalin ergime sıcaklıkları arasında büyük fark olması mutlaka şart değildir. Gerçeklenmesi gereken şartlar şunlardır: Sinterleme  esnasında, belirli incelikte katı  partiküller ve bu katı partikülleri kısmen içinde eritebilecek bir sıvı mevcut olmalıdır. Bu şartlar (Şekil 19a ve 19b)’de tipleri şematik olarak gösterilen bir takım sistemler için gerçeklenebilir. Sinterleme, denge diyagramının “katı-sıvı” bölgesinde vuku bulmalıdır. Bu tiplerin her biri için, gözeneksiz çok bileşenli bir cisim elde edilmesi için erekli şartların gerçeklendiği bir bileşim ve sinterleme sıcaklığı mevcuttur. Tablo 20 birkaç pratik misal vermektedir (alaşımın bileşimi ve sinterleme sıcaklığı.)

              Şekil 5.17 Sıvı toz mevcudiyeti ile yapılan bir sinterlemeden sonra gözeneksiz mamüller veren sinter alaşımlarının karakteristik diyagramları.

              a.Katı halde kısmi karışım

              b.Katı halde tam karışım.

             

Tablo 5.3 Sıvı biri faz mevcudiyetinde, sinterlenmiş çeşitli ikili sistemlerin optima sinterleme terkibi ve sıcaklığı.

Alaşım % A + %B	Sinterleme Sıcaklığı (°C)	Alaşım & A + %B	Sinterleme sıcaklığı (°C)
70 Pb+30 Sn	200	65 Au+ 35 Ni	1000
90 Sn+10 Pb	190	50 Cu + 50 Ni	1275
96 Pb +4 Sb	255	90 Cu +10 Sn	925
70 Sb+60 Pb 80 Sn+20 Cd	300 275	78 Al+22 Mg 80 Mg+20 Al	475 450
90 Cd+10 Sn	185	96 Al + 4 Si	600

              Sert alaşım ve volfram-bakır-nikel ağır alaşımı tipinden çok bileşenli sistemlerin sinterlenmesi, bir  bileşenli veya çok bileşenli homojen sistemlerin sintirlenmesinden farklıdır. Sinterleme esnasında erimeyen toz partikülleri sıvı faz tarafından çimento gibi birleştirilirler.

              Bu bağlayıcı elde  edilen mekanik mukavemetin başlıca sebebidir. Erimemiş toz partikülleri arasındaki çekme kuvvetlerinin tesiri ikinci derecedendir. Aglomerasyon fazı ile bunun çevrelediği erimemiş toz partikülleri arasında mevcut kuvvetler kohezyon için esastır. Ergime ile elde edilmişi metallerde, erimemiş fazla bağlayıcı faz arasındaki limitler  tane sınırlarına tekabül ederler. Sıvı faz, katı partikülleri tamamen sararsa, ideal şartlar gerçekleşmiş demektir. Bunun için sinterleme sıcaklığında sıvının, alaşımının ergime sıcaklığı yüksek olan bileşeni içinde eritebilmesi lazımdır. Eğer sıvının bu içinde eritme kabiliyeti yoksa, yukarıdaki izah edilen ideal sarma mümkün olamaz. Bu takdirde sıvının ergime sıcaklığı yüksek olan bileşeni “ıslatmadığı” söylenir.

Bölüm 6. TOZ METALURJİSİ ÜRÜNLERİNİN ÖZELLİKLERİ

Sinter ürünlerinin özellikleri partiküllerin şekli, boyutu, kompozisyonu, yağlayıcı tipi, pres basıncı, sinterleme sıcaklığı ve süresi, bitirme işlemleri ve benzeri gibi çok sayıda değişkene bağlı olduğundan özellikler hakkında genel bilgi vermek güçtür. Ürünlerin yoğunlukları geniş bir aralıkta değişirken, çekme mukavemetleri 70 MPa ila 1250 MPa  arasındadır. Bazı hallerde çekme mukavemetini 1250 MPa nın üzerine çıkarmak mümkündür. Sinter ürünlerin büyük bir kısmının çekme mukavemeti 275-350 MPa arasındadır. Genellikle mekanik özelliklerin çoğunluğu yoğunluğa büyük bir bağımlılık göstermektedir; tokluk, süneklilik ve sürünme direncinin bağımlılığı mukavemet ve sertlikten daha yüksektir.Düşük mukavemetli metallerden imal edilen sinter ürünlerin mekanik özellikleri dövme ürünlerinkine eşdeğerdir. Yüksek mukavemetli toz eldesi için ilave edilen alaşım elementi oranı kritik bir oranın ötesinde arttırılmaya devam edilirse, eşdeğer dövme ürünlerine göre özelliklerinde dikkate değer oranlarda azalma meydana gelir. Daha yüksek yoğunluklu parçaların imali için yüksek kapasiteli presler veya sıcak izostatik presleme yöntemi kullanılır. Böylece elde edilen toz ürünlerin özellikleri dövme ürünlerinin özelliklerine yaklaşır. %100 yoğunluğa ulaşılması ve çok ince tane boyutunun sağlanması halinde ise toz parçaların özellikleri dövme ürünlerinin üzerine çıkar.

Fiziksel özelliklerde porozite tarafından etkilenir. Korozyon direnci artan porozite oranı ile birlikte azalır. Elektrik, ısıl ve mağnetik özelliklerde yoğunlukla birlikte değişir. Öte yandan porozite ses ve titreşim söndürme özelliğini arttırmaktadır. Bu nedenle toz metalürjisi ürünlerinin önemli bir kısmı porozitenin sağladığı avantajları kullanmak üzere dizayn edilmiştir.

6.1 TOZ METALURJİSİ ÜRÜNLERİNİN DİZAYNI

Toz metalürjisinin ana amacı özel mühendislik uygulamaları için kaliteli ve ekonomik bir şekilde parça üretimini sağlamaktır. Başarıya ulaşmada ilk adım dizayn kademesidir. Bunu malzeme seçimi ve uygun fabrikasyon takip etmektedir. Toz metalürjisi parçaların dizaynında dikkate alınması gereken bazı ana kurallar aşağıda özetlenmiştir:

1-) Parça şekli preslemeden sonra kalıptan çıkarmaya uygun olmalıdır.

2-) Parça şekli tozun ince duvarlar ve keskin köşeler gibi küçük boşlukların doldurulmasını gerektirmemelidir.

3-) Parça şekli dayanıklı kalıp imaline müsait olmalıdır.

4-) Parça şekli presleme ile elde edilebilecek kesit kalınlığı değerlerine uygun olmalıdır.

5-) Parçaların değişik kesit kalınlıkları arasındaki fark mümkün olduğunca az olmalıdır.

6-) Bazı şekillerdeki parçaların toz metalürjisi dışındaki yöntemlerle üretilmesi maliyet ve uygulama açısından mümkün olmadığından bu avantajı kullanabilecek şekilde dizayn yapılmalıdır.

7-) Parça ve kalıp dizaynı esnasında atölyedeki teçhizatların teknik özellikleri dikkate alınmalıdır. Presleme alanı pres kapasitesi ile uyumlu olmalıdır ve kalınlık sayıları kullanılabilir pres hareketleri sayısına eşdeğer olmalıdır.

8-) Ürünlerin boyutsal toleransları dikkate alınmalıdır. Istampa ekseni veya presleme yönüne paralel olan boyutlara (ıstampanın hareket yönü) göre radyal yöne paralel boyutlarda daha yüksek hassasiyet ve tekrarlanabilirliğin elde edildiği gözlenmiştir. Bu olgu dizayn esnasında mutlaka göz önünde bulundurulmalıdır.

9-) Sinterleme esnasındaki büzülme gibi preslemeden sonra boyutlarda meydana gelecek değişimler kalıp dizaynı esnasında dikkate alınmalıdır.

Mukavemetin bütün parça boyunca homojen olması için yoğunluğunda homojen olması gerektir. Bu sebeple parçalar üniform kesitli ve kesit boyutlarına göre kalınlık değerleri küçük olacak şekilde dizayn edilmelidir. Dizayn, eksenleri presleme yönüne dik delikleri içermemelidir. Delik çaplarının basamaklı olarak değişiminden, yandan girişli deliklerden, oyuklar ve parça altında radyal boşluklardan kaçınılmalıdır. Kesitlerde ani değişimler istenmez. Doğrusal çizgi formuna yakın dalgalı şekiller kolaylıkla kalıplanabilir. Alt ve üst kalıp ıstampaları arasındaki birleşme düzlemi silindirik veya düzlemsel olmalıdır. Bu düzlem hiçbir şekilde küresel olmamalıdır. 

6.2 TOZ METALÜRJİSİ ÜRÜNLERİ

Toz metalürjisi ile imal edilen ürünler beş grupta sınıflandırılabilir:

1-Yatak, filtre, basınç veya sıvı regülatörü gibi gözenekli ve geçirgen ürünler ;

Toz ürünlerinin büyük bir kısmını bakır veya demir alaşımlarından yapılan yağ emdirilmiş yataklar teşkil etmektedir. Bu yataklar yağlamaya ve kullanım esnasında bakıma ihtiyaç duymadıklarından otomotiv endüstrisinde ve ev aletlerinde yaygınca kullanılmaktadır. Sinter filtreleri hemen her boyutta gözeneğe sahip şekilde üretilebililer ve en küçük gözenek çapı 0,0025 mm’ dir.

2-Diğer proseslerle üretilmeleri halinde aşırı miktarda talaşlı işleme gereksinim duyulan girift parçalar;

Küçük boyutlu dişlilerin büyük bir kısmı toz metalürjisiyle üretilmektedir. Toz prosesleri ile elde edilen boyutsal hassasiyet ve yüzey bitirme kalitesi çoğu zaman ilave bir işlemi gerektirmez ve bazı özel hallerde sadece çok küçük oranlarda yüzey işleme yeterlidir. Kam ve küçük manivela kolları gibi diğer girift parçalar da toz yöntemiyle oldukça ekonomik bir şekilde üretilebilmektedir.       

3-Talaşlı işlemi güç veya yüksek ergime noktalı malzemelerden yapılan parçalar ;

Toz metalürjisi modern anlamda ilk kez tungsten lamba flamaları ve tungsten karbür kesici takımların imalinde kullanılmıştır.

4-İki veya daha fazla metalin kombine özelliklerinin istendiği parçalar ;

Bileşenlerin özelliklerini parçalara kazandırabilme kabiliyetinden dolayı toz metalürjisi özel kullanım alanı olan veya bazı amaçlar için dizayn edilen parçaların üretiminde yaygınca kullanılmaktadır. Motor veya jeneratör parçaları bu amaçla bakır ve grafitten imal edilmektedir. Bakır elektrik iletkeni görevini görürken grafit yağlama işlevini yerine getirir. Benzer şekilde yataklar, grafit-demir, grafit-bakır veya grafit-bakır-kalay alaşımı gibi ikili malzeme gruplarından yapılmaktadır. Yumuşak metal, sert metal matrisi içerisinde dağıtılır. Elektrik anahtarı kontaklarında çoğunlukla bakır veya gümüş; tungsten, nikel veya molibden elementlerinden biriyle birleştirilir. Bakır veya gümüş yüksek iletkenlik sağlarken, yüksek ergime sıcaklıklı malzeme ark esnasında ve devrenin kapalı olduğu süre boyunca ergimeye karşı direnç sağlar.

5-Toz metalürjisi proseslerinin diğer proseslere göre üstün özellik sağladığı ürünler ;

%100 yoğunluğa ulaşmak amacıyla geliştirilen proseslerle imal edilen mamullerin özellikleri alternatif yöntemlerle üretilen ürünlerin özelliklerini aşmıştır. Uçak sanayi gibi kritik döneme sahip alanlarda ilave maliyetler özelliklerin geliştirilmesi ile haklı görülebilir. Toz metalürjisi mağnetlerin üretiminde önemli bir avantaj sağlar ; sinterleme öncesinde partiküllerin dizilmesi mağnetik bir alanda yapılarak toz mağnetlerde daha yüksek bir fluks yoğunluğuna ulaşabilir.

           

6.3 TOZ METALÜRJİSİ ÜRÜNLERİNİN AVANTAJ VE DEZAVANTAJLARI

Diğer imal usullerinde olduğu gibi toz metalürjisinin de belirli avantaj ve dezavantajları vardır. Toz yönteminin ekonomik bir şekilde ve başarıyla uygulanabilmesi için avantaj ve dezavantajların başlangıçta değerlendirilmesi gerekmektedir.

6.3.1 Avantajları:

1)      Talaşlı işlem gereksiniminin azaltılması veya tamamen elimine edilmesi:

Toz yöntemiyle elde edilen boyutsal hassasiyet ve yüzey bitirme kalitesi çoğu ürün veya uygulama alanı için yeterli olduğundan ilave talaşlı işleme gerek yoktur. İstisnai şekilde boyutsal hassasiyet ve yüzey kalitesinin talebi halinde ürünler basma ve boyutlandırma gibi sekonder operasyonlara tabi tutulabilirler.

2)      Yüksek üretim hızları :

Toz prosesindeki bütün adımlar basittir ve otomatizasyona uygundur. İş gücü gereksinimi düşüktür, ürün homojenliği ve aynı kalitede tekrar üretilebilirlik oranı diğer yöntemlere göre daha yüksektir.

3)      Karmaşık (girift) şekillerin üretimi :

Yukarıda sözü edilen sınırlar dahilinde dişli çark ve kam mili gibi oldukça girift parçalar imal edilebilir. Ekonomik olarak talaşlı işlem ve dökümle şekillendirilemeyen parçalar toz yöntemiyle üretilebilirler.

4)      Çok geniş bir kompozisyon aralığı :

Kompozisyon açısından oldukça yüksek saflığa sahip parçalar üretilebilir. Metal ve seramikler gibi birbiri içinde çözünmeyen ve farklı karakterdeki malzemeler de bir araya getirilebilir. Katı eriyik veya çözünürlük sınırları aşılarak aşırı doymuş katı çözelti alaşımları veya yüksek alaşımlı malzemelerde elde edilebilir. Düşük ve yüksek alaşımlı veya birbiri içinde çözünmeyen partiküllerden meydana gelen kompozit malzemelerden üretilen parçaların makroskobik ölçekte (bir iki partikül boyutu mesafelerde) kompozisyonal homojenitesi diğer yöntemlerle üretilenlerden daha yüksektir.

5)      Özelliklerin geniş bir aralıkta değişimi :

Toz metalürjisiyle üretilen parçaların yoğunluğu ve dolayısıyla içerdikleri gözenek oranı geniş bir aralıkta değişir. Çok yüksek oranda gözenek içeren filtreler gibi fonksiyonel amaçlı parçaların üretimi yanı sıra konstrüksiyon amaçlı yüksek mukavemetli parçalarda üretilebilir. Toz ürünlerin titreşim söndürme özellikleri yüksektir. Poröz yapılar döküm işleminde yağlayıcıların daha etkin ve istisnai bir şekilde kullanılmasını sağlamaktadır. Sürekli dökümde kalıp başlıkları içerisine yerleştirilen toz plakalar gözenekli oldukları için yağlayıcılar bu gözeneklerden sürekli olarak kalıp-ingot ara yüzeyine sevk edilebilir. Böylece yapışmaya mani olunarak hem ingotların yüzeylerin kalitesi arttırılır ve hem de çalışanlar için son derece tehlikeli olan sıvı metal akıntılarının oluşumu (kanama) önlenir. Modern sıcak başlık kalıplarının imalatında bu plakaların kullanılmalarının diğer bir nedeni ise plakaların kalıp duvarı boyunca ısı transferini (primer soğuma) önleyerek kalıp içinde primer soğuma ile gerçekleşen katılaşmanın ortadan kaldırılmasıdır. Böylece kalıp içindeki katılaşma kalıp altı su spreyinin etkisiyle gerçekleştirilir ve ingot dökümlerdeki birbirinden farklı karakterdeki yapısal zonların teşekkülü önlenir. Magnetik, aşınma  ve diğer özellikler özel bir uygulama alanının gereksinimlerini karşılayacak şekilde kontrollü olarak dizayn edilebilir (kontrollü fabrikasyonla ürünlere istenilen özellikler kazandırılabilir).

6)      Hurda miktarının azaltılması veya eliminasyonu :

Toz metalürjisi bilinen imal usulleri içerisinde malzeme kaybına sebep olmayan tek yöntemdir. Döküm, talaşlı işlem ve pres forming operasyonlarında hurda miktarı başlangıçtaki malzeme miktarının yarısına (%50) ulaşmaktadır. Hurda oranı özellikle pahalı malzemelerin şekillendirilmelerinde daha da önem kazanmaktadır. Toz metalürjisi ile bazen toplam maliyeti arttırmadan daha pahalı malzemeler kullanarak parça imalatı gerçekleştirilebilir.

6.3.2 Dezavantajları:

1) Düşük mekanik özellikler :

Çoğu kez toz metalürjisi parçalarının mekanik özellikleri döküm ve dövme ile üretilenlerin özelliklerinden daha düşüktür. Yüksek gerilmelerin söz konusu olduğu uygulama alanlarında bu parçalar kullanılamaz. Bununla birlikte ilave masrafların göze alınması halinde ürünlerin mukavemet değerleri farklı malzeme, alternatif yöntem veya ikincil proses teknikleri kullanımıyla yükseltilebilir.

2) Nispeten yüksek kalıp maliyeti :

Toz prosesinde yüksek sıcaklık, yüksek basınç ve şiddetli aşınma söz konusu olduğu için kalıplar pahalı malzemelerden ve büyük kütleler halinde yapılmaktadır. Bu nedenle toz metalürjisi ile üretilecek parça sayısı en az 10.000 adet olmalıdır.

3) Yüksek malzeme maliyeti :

Birim ağırlık esasına göre toz malzemeler dövme ve döküm malzemelerden daha pahalıdır. Ancak hurda şeklinde malzeme kaybının olmayışı ve talaşlı işlemin eliminasyonu yüksek malzeme maliyetini dengelemektedir. Toz metalürjisi daha çok birim parça başına malzeme maliyetinin yüksek olmadığı küçük parçaların imalatında kullanılır.

4) Dizayn sınırlamaları :

Toz metalürjisi prosesi bazı şekillerdeki parçaların üretimi için uygun değildir. Parçalar kalıptan kolay çıkarılabilecek şekillerde olmalıdır. Kalınlık : çap oranı sınırlıdır. İnce kesitlerin eldesi güç olup parça boyutu pres kapasitelerinin belirlediği sınırları içinde olmalıdır.

5) Parça kesiti boyunca özelliklerin değişim göstermesi :

Yoğunluğun parça içinde bir noktadan diğer bir noktaya değişimi özelliklerin de değişimine neden olmaktadır. Bunun ana nedeni parçaların tasarımı yapılırken dizayn kriterlerine riayet edilmemesidir. Üniform olmayan şekillerin toz metalürjisi ile üretilmesi halinde bu tip problemlerle karşılaşılabilir.

Bölüm 7. MAYSAN A.Ş. tanıtımı

Türkiye’deki otomotiv endüstrisinin darbe absorbe edicileri ihtiyacını karşılamak üzere  yan sanayi olarak 1971 de kurulmuştur. MAYSAN A.Ş. 1971’den beri darbe absorbe edicilerin üretimini yapan ve bunu Türkiye’de toz metalürjisi ile yapmakta olan 4 şirketten birisidir.  MAYSAN A.Ş. sürekli kalitesini ve niceliğini arttırmak için yatırım yapar. Bununla beraber müşterilerine daha iyi servis ve otomotiv endüstrisinin ihtiyaçlarını daha iyi karşılamaktadır. Darbe absorbe edicilerinin ana parçaları piston rodu, piston silindiri ve piston gömleğidir. Piston, ana valf ve yatak malzemeleri alt gruplarla güçlendirilir. Alt grup elemanları çok kompleks geometriye ve kusursuz toleransa sahiptir. Toz metalürjisi, ürünü çok özellikli ve çok mükemmel toleranslı olmasını mümkün kılar. Bazı gerekli ürünlerin ithalatı pahalıya mal olmaktadır. Bunun için diğer kardeş şirket olan  MAYDA A.Ş. 1979’da kurulmuştur. Bu şirket sadece MAYSAN ürünlerini desteklemektedir. MAYSAN A.Ş. toz metal ürünlerini kendisi karşılayarak bütün ürünler üzerindeki maliyeti düşürmüştür. Ayrıca bundan başka toz metalürjisi ile uğraşan farklı ürünlerde gelişmiş diğer şirketlerden teklif alır.    

Ürünler:

-          Dişliler, bilezikler, burçlar, diğer bilyeli yataklar ve özel parça imalatı siparişleri;

-          Elektrikli cihazlar için kendi kendini yağlayıcı burçlar;

-          Kamlar, bilyeli yatak parçaları, kilitlerde kullanmak için kompleks geometrili özel parçalar;

-          Piston rot kılavuzu, pistonlar, darbe absorbe edici imalatında kullanılan ana valf malzemeleri;

İşlem prosesi:

Kullanılan tozlar:Burada kullanılan tozlar İtalya`dan ithal edilmektedir. Tozların bileşiminde %0,8 C, %1-2 Cu, %0,075-0,8 Zn, bazılarında Ni ve Mo, geri kalanı Fe`dir. Tozların çapları 0,25-0,40 mikron arasındadır. Tozlar ithal edildiğinden herhangi bir ön işleme gerek duyulmaz.

Kullanılan presler:Fabrika da 1 tanesi CNC kontrollü olmak üzere 8 adet pres bulunmaktadır. Bu presler 10-100 ton arasında bir basınç uygulayabilirler. Presler eksantrik hidrolik olarak çalışırlar. Preslerin çalışma prensibi tozu alttan ve üstten sıkıştırma ilkesine göre çalışırlar.      

Kullanılan fırınlar: Burada 1 adet fırın bulunmaktadır. Bu fırın atmosfer kontrollü olarak çalışır. Parçalara bu fırında 1120º civarında bir sıcaklık uygulanır.

Parça imalatı:MAYSAN A.Ş. fabrikasında yapılan işlemler çok basit ve çok kısa sürmektedir. İtalya`dan hazır gelen tozlar preslerde sıkıştırılır. Bu işlem çok hızlı olmaktadır ve çıkan parçalar hemen fırına gönderilerek 1120°de sinterlenirler. Sinterleme işleminden sonra parça hazır haldedir. Başka hiçbir işlem uygulanmadan kullanılabilirler.