Toz Metalurjisi Powder Metallurgy

Toz Metalurjisi
Powder Metallurgy
Yrd. Doç. Dr. Rıdvan YAMANOĞLU
Toz Metalurjisi
Uygulama Alanları
Toz Metalurjisi
Tarihsel gelişim
Seramik (keramos)-tuğla, şeker, un, tuz...
Gerçek anlamda Toz Metalurjisinin gelişimi 1800’lü yıllarda gerçekleşmiştir.
Laboratuvarlarda platin esaslı aygıtların kullanımından doğan ihtiyaç,
kimyasal olarak çöktürülmüş tozların gelişmesine olanak vermiştir.
Diğer bir gereksinim ise yüksek sıcaklıklara gerek olmaksızın yeni
yoğunlaştırma çevrimlerine olan ihtiyaçtır.
Daha sonrasında çeşitli sertmetallerin (yoğun karbür içeren seramik-metal
kompoziti), gözenekli bronz yatakların ve bakır-grafit esaslı elektriksel
kontakt malzemelerinin gelişimi 1930 yıllarında gerçekleşmiştir.
1940’ lı yıllarda ise toz metalurjisi demir esaslı yapısal alaşımların ve özellikle
refrakter metal ve alaşımların üretimi açısından önem kazanmıştır.
Toz Metalurjisi
Uygulama Alanları
1940’ lı yıllarda çok az sayıda malzeme toz metalurjisi ile üretilirken
günümüzde Nb, W, Mo, Zr, Ti ve Re gibi refrakter karakterdeki çoğu
metal ve alaşımları üretilebilir hale gelmiştir.
Bu sırada bakır, gümüş, kurşun tozlarının presleme ve sinterleme
tekniklerinin kullanımı ile bozuk para üretimi gerçekleştirilmiştir.
Toz Metalurjisi
Uygulama Alanları
Toz Metalurjisi
Uygulama Alanları
Toz metalurjisinin modern tarihçesi ise tungsten toz kullanarak dayanıklı
lamba filamanları üreten Coolidge ile başlar.
WC-Co
Gözenekli yataklar
Elektrik temas elemanları
Demir içeren yapısal alaşımlar
İlk olarak doğal elyaf kullanıldı
Platin flaman
Refrakter metaller (Tantalyum ve Tungsten)
W-bağlayıcı ile ekstrüze edildi. Kırılgan
Sünek flaman
Sarımlı flaman
Toz Metalurjisi
tungsten lamba filamanları,
dental implant,
yağsız yataklar,
otomotiv dişlileri,
zırh delici mermiler,
elektrik kontakt malzemeleri,
ortopedik implantlar,
aşındırıcılar,
kaplamalar,
pigmentler,
filtreler,
kesici takımlar, (WC, 1906 yılında Nobel)
fotokopi,
kavrama malzemesi,
bilgisayar elemanları, ısı emici kompozitler
Uygulama Alanları
Toz Metalurjisi
Avantajlar
Toz metalurjisi döküm gibi net şekilli parça üretimine imkan tanır.
Fakat TM sadece düşük sıcaklıkta ergiyen metallere uygulanan dökümden
farklı olarak hemen hemen her malzemeye uygulanabilir.
Seramikler ve refrakter metaller döküm yolu ile üretilemezler.
Toz Metalurjisi
Avantajlar
Genellikle ikinci bir işlem gerektirmemesi
Çapak kayıpları oluşmaz, başlangıç tozunun yaklaşık % 97’si mamule
dönüştürülür.
Boyutsal toleranslarının çok hassas olması
Diğer yöntemlerle üretilemeyecek alaşım sistemlerinin oluşturulabilmesi
Nihai parçada yüzey pürüzlülüğünün çok düşük olması
Porozitenin ayarlanmasına yada infiltrasyon ile porozitelerin yok
edilmesine izin vermesi
Çok karmaşık parçaların üretilebilmesi
Seri üretime uygun olması
Maliyetinin düşük olması (eğer üretilecek parça sayısı yeterli ise)
Mikroyapısal kontrol
Toz Metalurjisi
Zayıf yönler
Yüksek takım ve ekipman maliyetleri
Metal tozları pahalıdır
Metal tozlarının depolama ve nakliyle ilgili problemleri
Metal tozlarının presleme sırasında kalıp içinde paralel olarak akmaması
nedeniyle parça geometrisinde sınırlamalar
Parça boyunca yoğunluktaki değişimler, özellikle karmaşık geometriler
için bir sorun olabilir
Oksidasyon sorunu
Toz Metalurjisi
Otomotiv ve diğer sektörler
Toz Metalurjisi
Tasarım
Toz Metalurjisi
Otomotiv ve demir
Araç başına TM parça
kullanımı kg/araç
Her bir aracta yaklaşık 10 kg TM parça bulunmaktadır.
Üretilen tozların % 80’i otomotiv endüstrisine gitmektedir.
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
Kuzey Amerika
15.0
15.6
16.3
17.0
17.7
18.4
19.5
Batıı Avrupa
7.7
8.1
8.1
8.1
8.1
Japonya
6.7
7.2
7.3
7.3
8.0
ABD de tozu kalıpta çeşitli şekillerde presleyen 1500 den fazla firma var. Ancak özel bir parça büyüklüğü ve
malzeme üreticisi arandığında 15 fima var.
Toz Metalurjisi
Fiyatlar
Yataklar
Subap yuvaları
Emisyon algılayıcılar
Konvertörler
Darbe emiciler
Bujiler
Pistonlar
Zincir dişlisi
Motor zamanlama parçaları
Demir ve çelik
2001
897000
2005
1060000
2010
1230000
Bakıır alaşı
şımları
ı
şı
55000
65000
80000
Kalay
Nikel
Aluminyum
Tungsten
Kobalt
2300
40000
100000
34000
5000
2600
50000
110000
37000
6000
3300
60000
120000
40000
7000
Toz Metalurjisinin günümüzde sadece A.B.D.’de yıllık 5 Milyar dolarlık pazarı olduğu tahmin
edilmektedir. 1500 firma. 400 toz tedarikçi firma. Bileşim, boyut ve saflık söz konusu olduğunda
5-6 adet firma.
Toz Metalurjisi
Firmalar
Firma
Demir esaslı
Ülke
Kapasite ton/yııl
Höganas Avrupa
İsveç, USA, Brezilya,
Çin, Hindistan
Demir-Çelik
675000
Hoeganaes Company
USA, Romanya
Demir-Çelik
500000
Quebec Metal Powders
Kanada
Demir-Çelik
230000
Kobe Steel
Japonya
Çelik
72000
Kobelco
USA
Çelik
56000
Domfer
Kanada
Demir
45000
Pometon
İtalya
Demir
40000
Firma
Demir dışı
Toz
Ülke
Toz
Kapasite ton/yııl
ECKA Granules
Almanya, Avusturya,
Avustralya, Fransa,
Rusya
Bakır, Aluminyum,
Magnezyum
100000
INCO Ltd
Kanada, İngiltere
Nikel
100000
WMC Resources
Avustralya
Nikel
70000
Sherritt
Kanada
Nikel, Kobalt
35000
US Bronze
USA, İngiltere, Kanada,
Fransa
Aluminyum, Bakır
30000
SCM Metal
USA
Bakır
20000
ALPOCO
İngiltere,Polonya
Aluminyum
21000
AcuPowder
USA
Bakır
20000
Pometon
İtalya
Bakır
14000
Fukuda
Japonya
Bakır
12000
Toz Metalurjisi
Türkiye’de TM
Türkiye’de Toz Metalurjisi’nin başlangıcı 1960’lı yılların sonlarına dayanmaktadır.
Toz metalurjisi üzerine çalışan 3 büyük ve 15 orta ölçekli fabrika bulunmakta
Türkiye’de 6 firma toz üretimini gerçekleşirmekte
Türkiye’de ana endüstriyi otomotiv ve kesici takımlar paylaşmaktadır.
Toz Metalurjisi
Türkiye’de TM
Ümraniye
11 şirketten oluşuyor. Elektrik motorları, ofis gereçleri, hidrolik, otomotiv,
Ev aletleri, elektrik güç üniteleri, medikal, oyuncaklar, spor aletleri, tarım uygulamaları
Toz Metalurjisi
Türkiye’de TM
Büyükçekmece
% 85
Tozmetal, metal tozlarından parça üreterek;
başta otomotiv yan sanayii olmak üzere, beyaz
eşya ve diğer tüm sektörlere hizmet
sunmaktadır.
Tozmetal; ayrıca VW Audi Grubu, GM Opel,
Renault gibi Avrupa'daki birçok kuruluşun onaylı
imalatçısıdır.
Toz Metalurjisi
Türkiye’de TM
Toz Metalurjisi
Türkiye’de TM
Bahçelievler
Toz Metalurjisi
Türkiye’de TM
1984, Gebze
Demir dışı toz üretiminde entegre
Traktörlere Yağlı Fren Bronzu, Sürtünme Diskleri, Debriyaj segmentleri, Ay Yataklar üretmektedir.
Aynı zamanda Ağır İş Makinalarına, Forkliftlere, Deniz taşıtlar ve Askeri Tanklara sürtünme diskleri
ile yağlı fren balataları üretmektedir. Otomotiv Şarj-marş dinamolarında ve beyaz eşya
sektöründe kullanılan kendinden yağlamalı sinter bronz burçları da üretmektedir. Üretilen metal tozları
ve pastaları, lehim, kaynak, gaz beton, elmas kesici takımları, boya ve kimya endüstrilerinde ve toz
metallurjisinde hammadde olarak kullanılmaktadır.
Toz Metalurjisi
Türkiye’de TM
Toz Metalurjisi
Türkiye’de TM
Metal grafit fırçalar
İmalat Bilgileri
Metal tozu ve grafit birbiri ile karıştırılır ve kalıplandıktan sonra sinterleme işlemine
tabi tutulur.
Özellikleri
Grafitin iyi kayma özelliği ile metalin yüksek iletkenliği bir araya getirilmiştir ve grafit
oranına bağlı olarak bunlardan biri veya diğerinin ağırlık kazandırılması sağlanır.
Toz Metalurjisi
Türkiye’de TM
Toz metalurjisi için bir diğer sektör ise kesici takım endüstrisidir.
Toz Metalurjisi
Türkiye’de TM
Toz Metalurjisi
Türkiye’de TM
Toz Metalurjisi
Türkiye’de TM
Toz Metalurjisi
Türkiye’de TM
Toz Metalurjisi
Proses kademeleri
Toz Metalurjisi
Proses kademeleri
Toz Metalurjisi
Proses kademeleri
Toz Metalurjisi
Parçacık boyutu
Parçacık boyutu değişimi. Mühendislik malzemelerinin günlük nesnelerin
boyutları ile karşılaştırılması.
Genel olarak parçacık boyutu için kullanılan birim mikrometredir.
TM için kullanılan partikül boyut aralığı genellikle 0,1 – 200 µm aralığındadır.
Genel olarak seramik partiküller daha küçük boyutludur.
Toz Metalurjisi
Tozların yanıcılık ve zehirleyicilik özellikleri olabilir. Bu nedenler toz
metalurjisi ile ilgilenenlerin dikkatli olması gerekebilir. Yüzey alanı fazla olan
tozlarda patlama riski vardır!!!!
Serbest havanın 1 m3’ünde 40 gr dan fazla ince Al ve Mg tozları bulunursa
bunların patlama ile yanması için yeterdir
Toz Metalurjisi
Sııkış
ıştı
ış ırıılabilirlik: Gaz özelliğği
Fakat deformasyon sonunda katıılar gibi
davranıırlar. Basıınç ?
Akış
ışkan
: Sııvıı özelliğği
ış
Mukavim : Katıı Özelliğği
Ham - yeşşil ?
Toz Metalurjisi
Toz Metalurjisi
Partikül boyutu terimini tanımlamak zordur, çünkü
yalnızca küresel şekilli partiküller tek başına çap
ölçüsüyle tanımlanabilir. Endüstride kullanılan
tozların çoğu küresel değildir. Bu yüzden, partikül
boyutunu karakterize etmek için partiküllerin nicel
olarak ifade edilebilir, uzunluk, hacim veya kütle,
yüzey veya izdüşüm alanı gibi belirli fiziksel
özellikleri kullanılır.
Toz Metalurjisi
Toz Karakterizasyonu
Tozun iç yapısı, geleneksel malzeme karakterizasyonuna benzer şekildedir.
Tozlarında kesit görüntüleri üzerinden bir çok özellik yorumlanabilir.
Örnek olarak, büyük boyutlu döküm numuneleri gibi, mikrometre boyutlu
parçacıklarında kesit görüntüleri, iç gözenekler, segregasyon, kalıntılar açısından iyi
bir gösterge oluşturabilir. Tozlar dış görünümleri açısından küresel gözükseler de iç
görünüm önemli miktarlarda gözenek olduğunu gösterebilir. Bu iç gözenekler de
paketlenme yoğunluğunu düşürürler.
Toz Metalurjisi
Toz Karakterizasyonu
Tozun iç yapısını gözlemek için, toz önce epoksi reçine ile karıştırılır. Parçacıklar
reçinenin katılaşması esnasında yerleşir. Ardından yapılan parlatma ve dağlama
işlemi ile iç yapı karakterize edilebilir.
SEM bu aşamada toz karakterizasyonu için vaz geçilmez bir yardımcıdır.
Toz Metalurjisi
Tozlar kimyaları açısından 3 gruba ayrılır.
Elementel tozlar: yüksek saflıkta malzemelerdir. Yapılan analizler daha çok içerdikleri safsızların
miktarı ile kıyaslanır. En önemlilerden biri oksijendir.
Ön karışımlı tozlar: iki veya daha fazla farklı tozun birleşmesi ile oluşur. Örnek olarak ısıtıldığında
bronzu oluşturan karıştırılmış bakır ve kalay tozlarıdır.
Tamamen bileşik haline getirilen tozlar, tek bir parçacığı oluşturan bileşenlerin tamamını içerir.
Toz Metalurjisi
Toz Metalurjisi
Toz yapısına, üretim yöntemine ve bileşimine göre proses sırasındaki
davranışları farklılık gösterir. Bu nihai özellikleride etkiler.
Yumuşak toz, sert toz?
Toz Metalurjisi
Toz Karakterizasyonu
Toz metalurjik ürünlerin nihai özellikleri büyük ölçüde başlangıç tozunun
özelliklerine bağlıdır.
Some important properties and characteristics
Chemistry and purity
Particle size
Size distribution
Particle shape
Useful in producing prealloyed powders
Each powder particle can have the desired alloy composition
Toz Metalurjisi
Toz Karakterizasyonu
Toz metalurjik ürünlerin nihai özellikleri büyük ölçüde başlangıç tozunun özelliklerine bağlıdır.
Tüm kütleden ziyade tozların özellikleri yüzeyleri üzerinden karakterize edilir.
Özellikle kirlilik bakımından yüzeyler incelenmelidir.
Yüzey kirliliği, oksijen, nem veya diğer uçuculardan kaynaklanabilir.
Bu yüzey kirliliği indirgeme testi sonrası ağırlık kaybı ile belirlenir. Toz hidrojen atmosferinde ısıtılır
ve oksitlerin ve indirgenebilir bileşenlerin olşuturduğu % ağırlık kaybı ölçülerek belirlenir.
Toz Metalurjisi
Toz Karakterizasyonu
Özetle,
Şekil detayları açısından SEM
Akış, sürtünme özellikleri sürtünme testleri
Gözenekler, ikincil fazlar için metalografi yeterli olacaktır.
Toz Metalurjisi
Toz Karakterizasyonu
Öğütme
Argon atomize, inceleri aglomere
Gaz redüksiyonu ile üretilen W
Atomize kalay
Santrifuj atomixe demir
Elektrolitk süngerimsi paladyum
Partiküllerin boyutlandırılmasında yaygın kullanılan tekniklerden biri mikroskop yardımı ile
boyutlandırmadır.
Toz Metalurjisi
Toz Karakterizasyonu
Aglomere halde bulunan tunsten tozları. Bu yapıdaki tozların mikroskop altında partikül boyutlarının
incelenmesi oldukça zordur. (a) toza ait SEM görüntüsü, (b) toza ait TEM görüntüsü
Toz Metalurjisi
Toz Karakterizasyonu
Toz metalurjik ürünlerin nihai özellikleri büyük ölçüde başlangıç tozunun özelliklerine
bağlıdır. Proses sırasında sorunlar aşağıdaki toz özelliklerinden kaynaklanabilir.
Partikül şekli ve boyuta bağlı olarak değişimi
Yüzey alanı
Partiküller arası sürtünme
Akışkanlık ve paketlenme
Partikül mikroyapısı
Kompozisyon, homojenite ve kirlilik (kontaminasyon) oranı.
Toz Metalurjisi
Toz numunesi alma
Toz Karakterizasyonu
1 gram küresel tozların partikül sayıları
Partikül çapı
µm
Teorik yoğunluk g/cm3
Al
Fe
W
0,01
7x1017
2,4x1017
9,9x1016
1
7x1011
2,4x1011
9,9x1010
1000
7x102
2,4x102
9,9x101
Topaklar ve agregalar
Topak: malzeme mukavemetinden çok küçük kayma gerilmeleri ile yenilebilecek zayıf
kuvvetlerin bir arada tuttuğu parçacık kümesidir. Bir sıvı içinde dağıtılmalı.
Agregalar güçlü kimyasal bağlar ile bağlıdırlar. Dağıtılamaz.
Toz Metalurjisi
Toz Karakterizasyonu
Enerji
Yüzey alanı parçacığın çapı D’nin karesi ile değişir.
Bir tozun birim hacim başına enerjisi E, parçacık boyutu ile ters orantılıdır.
E=6γ/D... Hacim başına enerji, parçacık boyutu ile ters orantılı olarak değiştiğinden,
parçacık boyutu azaldıkça topaklanma için itici güç daha büyük olur. Topaklanmış
yapı gerçekten daha fazla toz boyutu verir.
Peki nasıl bir dağılım? Parçacık boyutu ne kadar küçük olursa o kadar zorlaşır.
Mekanik veya ultrasonik çalkalama. Özellikle 100 mikron altı tozlar dağıtma
işlemine direnç gösteren yüksek çekim kuvvetlerine sahiptirler. Önemli derecede
topaklanmaya neden olan kılcal kuvvetler, ağırlıkça % 0,1 gibi oldukça küçük nem
düzeylerinde oluşur.
Toz kurutma ilk adım. Toz su, alkol ve diğer bir çözücü ile tamamen doyurulur.
Dağıtıcı sıvılar eklenir. Hidroksit, sülfat ve amonyak bileşikleri... Bulaşık deterjaların
çoğunda bulunur.
Toz Metalurjisi
Üretilen tozların çoğu kompleks şekillidir
Partikül şekli, paketlenmeyi, akışı ve sıkıştırılabilirliği etkiler.
Partiküllerin karakteristik boyutları şekillerine bağlıdır.
Parçacık şeklinin sayısal ölçüleri mikroskop ile belirlenir.
En önemli parametre boyut oranıdır.
Küre, pul, çubuk için boyut oranı?
Toz Karakterizasyonu
Toz Metalurjisi
Parçacık boyutu ölçümü
Örnek
Küp şeklinde bir partikülün boyutu nasıl
hesaplanır.
Kenar uzunlukları 1 µm
A=1 µm x 1 µm = 1 µm2
S = 6A = 6 µm2
V = 1 µm. 1 µm. 1 µm = 1 µm3
Eşdeğer küresel çapa dönüşüm
DA= 1.13 µm
DS = 1,38 µm
DV = 1,24 µm
Toz Karakterizasyonu
Toz Metalurjisi
Toz Karakterizasyonu
BOYUT KONTROLÜ NEDEN ÖNEMLİ?
Toz Metalurjisi
Toz Karakterizasyonu
Toz Metalurjisi
Toz Karakterizasyonu
Elek analizi
Eşit aralıklı tellerden oluşan ızgara şeklinde elek.
Elek boyutu birim uzunluktaki tellerin sayısıdır.
Açıklık boyutu elek boyutu ile ters orantılıdır.
325 mesh 45 mikron
Elek boyutu 1 inç başına tel sayısıdır.
200 elek, bir inçteki 200 teli ifade eder.
- 63+45
Elek analizi 38 mikrondan daha büyük parçacıklara
uygulanır.
•Ortalama açıklık boyutunda % 3 – 8 arasında değişim olabilir
•Kısa süre eleme
•Uzun süre eleme
•Fazla yükleme
•Aynı kişi için % 1 hata
Toz Metalurjisi
Hava yolu ile sınıflandırma...
12000 rpm
1-150 mikron aralığı için
Yavaş bir teknik
Toz Karakterizasyonu
Işık saçılımı ve kırınımı...
Sıvı ile karışmış halde (genelde hacimce % 1) bulunan parçacıklar
bir dedektörün önünden geçirilir. Dedektör parçacık boyutuna göre
Işık saçılması, elektrik iletkenliği gibi değerlerlerdeki değişimi ölçer.
Dinamik oran açısından önemli.
7000-8000 dinamik boyut oranı
Topaklanma problemi
Veri toplama kolay, yaygın bir yöntem
Toz Metalurjisi
Toz Karakterizasyonu
Işık engelleme...
Işık kaynağının önünden geçen parçacık ışığın dedektöre
ulaşmasını engeller. Parçacık şekli küresel kabul edilir ve
engellenen ışığın miktarı eşdeğer dairesel kesit alana
eşitlenir.