Toz Metalürjisi Nedir?
İstenen geometrilerde ürün elde etmek amacıyla birçok üretim yöntemi geliştirilmiş. Bu yöntemler bazen ham metalden talaş kaldırma ile yapılırken bazen de ham metallerin eritilip, kalıplarda soğutulmasıyla elde edilmiştir. Toz metalürjisi ise önceden mikron boyutuna getirilmiş toz metallerin preslenip, sinterlenmesi ile ürün elde edilmesini sağlayan üretim yöntemidir.
Toz metalürjisi ile üretim, diğer üretim yöntemlerine göre daha zordur ve yüksek organizasyon gerektirir. Talaşlı imalat veya döküm herhangi bir atölyede dahi yapılabilirken, toz metalürjisi için yüksek dereceli fırınlar, otomasyon ve mühendislik gerekebilmektedir. Ayrıca az miktarlarda yapılan toz metalürjisi maliyetli olmaktadır. Bu yüzden yatırım maliyetleri yüksek olabilmektedir.
Toz metalürjisi ile üretim temel olarak şu aşamalar ile anlatılmaktadır.
- Çeşitli yöntemler ile toz metal üretimi
- Üretilen taneciklerin homojen olarak karıştırılması
- Karıştırılan toz metallerin istenilen geometrilerde preslenmesi
- Belirli bir şekle sıkıştırılan metalin sinterlenerek ürün elde edilmesi
Toz Metaller Nasıl Elde Edilir?
Metallerden ve diğer malzemelerden toz elde etmek, toz metalürjisinin ilk ve en önemli adımlarındandır. Seri üretim yapan firmalar, toz elde etme işlemlerini kendileri yapabildiği gibi diğer firmalardan hazır olarak da temin edebilmektedir.
Malzemeleri küçük parçalara ayırmak için çeşitli yöntemler kullanılır. Bu yöntemler mekanik olabileceği gibi elektriksel ve kimyasal da olabilmektedir. Hangi yöntemin kullanılacağı ise kullanılacak malzeme ve elde edilecek toz geometrisi ile alakalıdır.
Atomizasyon Yöntemi ile Toz Üretimi
Atomizasyon ile metal tozu üretiminde metal yüksek dereceli ısı kaynağı ile eritilir ve proses boyunca eriyik halde tutulur. Eritilen metal az miktarlarda beslenir. Beslenen sıvı metale yüksek basınçta gaz veya su uygulanır. Böylece metal taneciklerinin birbiri ile teması ve birleşmesi engellenir. Soğuyarak katılaşan metal tanecikleri alt tarafta bulunan bir hazne ile toplanır.
Atomizasyon yöntemi, metal toz elde etmede en çok kullanılan yöntemlerdendir. Hemen hemen her türlü metale uygulanabilmektedir. Başlıca uygulanan metaller demir, bakır, alüminyum, çinko, alaşımlı metaller ve tunçtur.
Elektroliz Yöntemi ile Toz Üretimi
Elektroliz yöntemi ile metal tozu üretimi çok tercih edilmeyen fakat yüksek özellikli toz metal elde edilebilen bir prosestir. Çünkü kontrollü olarak, istenilen tip ve büyüklükte metal tozu elde edilebilmektedir. Elektroliz işleminin gerçekleşmesi için uygun elektrolit derişimleri, sıcaklık ve malzeme kullanımı önemlidir. Elektroliz sonrası süngerimsi diye tabir edilen yapıda metal tozu yığını elde edilir. Yıkama, kurutma gibi ek işlemler uygulanarak üretime hazır hale gelir. Bu yöntemle elde edilen başlıca metal tozları bakır, magnezyum ve kromdur.
Kimyasal Reaksiyonla Toz Üretimi
Kimyasal indirgenme ile toz üretiminde elektrolize benzer şekilde süngerimsi bir yapıda ürün elde edilir. Tabi ki elde edilen bu metal bloğu öğütülür ve toz haline getirilir. Bu yöntemde üretim prosesi kontrol altında tutulabildiği için istenilen büyüklük ve türde toz tanecikleri elde edilebilir. Metal tozlarının saflığı yüksektir ve kalitelidir.
Toz Metallerin Karıştırılması
Metallerin mekanik ve kimyasal özelliklerini arttırmak için bazı alaşım elementleri eklenir. Döküm yönteminde bu alaşım elementlerini eklemek kolaylıkla yapılabiliyordu. Çünkü eriyik halde olan metallerin homojen hale getirilmesi daha kolaydı. Fakat toz metalurjisinde katı partiküller ile çalışıldığından eklenen alaşım tanelerini homojen olarak dağıtmak daha zordur. Bu yüzden farklı karıştırma metotları geliştirilmiştir. Böylece karışma sonrası preslemede, metaller daha homojen ve düzenli sıkıştırılmış olur.
Metal tozlarının karıştırılması için özel karıştırıcılar kullanılır. Bu makinelerde uzun süre karıştırılan metal tozları ve yağlayıcı partiküller olabildiğince homojen bir yapıya kavuşur. Toz metallerin düzgün olarak karışmasında metal tozlarının büyüklüğü-küçüklüğü, geometrisi önemli rol oynar. Bu gibi parametreler hesaba katılarak karıştırıcı ve karıştırma süresi belirlenir. Daha sonra preslenmek üzere tozlar preslere gönderilir.
Toz Metallerin Preslenmesi
Bir önceki başlığımızda değindiğimiz gibi metal tozları karıştırıldıktan sonra preslnmek üzere beslenir. Preslenme seri üretime uygun olarak yapılmakta, kısa sürelerde çok sayıda parça üretimi elde edilmektedir. Pres sonrasında ürün geometrisi, son ürün geometrisine oldukça yakındır. Fakat el ile dahi parçalanabilecek kadar dayanıksızdır. Çünkü metal tanecikleri arasında zayıf bağlar kurulmuştur. Elde edilen parça, daha sonra anlatacağımız sinterleme ile rijit hale gelecek ve kullanıma hazır durumda olacaktır. Sinterlemeye geçmeden önce toz metallerin preslenmesini kısaca açıklama çalışalım.
- Kalıp boşluğuna beslenen toz metallerin fazlalığı otomasyona bağlı olarak çalışan bir pabuç yardımıyla silinir.
- Alt ve üst levhalar ile arada kalan geometri kalıp içerisinde sıkıştırılır.
- Sıkıştırılan metal parçası alt levhanın hareketi ile uzaklaştırılır. Bu aşama yapılan üretim sisteminin farklılığına göre değişebilmektedir.
- Üretilen parçalar sinterlenmek üzere yüksek dereceli fırınlara beslenir.
Sinterleme
Sinterleme, toz metalürjisinin en önemli aşamalarındandır. Çünkü bu aşamada preslenen metal tozları arasında kuvvetli bağlar ve birleşim oluşur. Sinterleme prosesi metalin ergime sıcaklığının hemen altındaki bir sıcaklıkta gerçekleşir. Metal tozlarının birleşmesiyle , tanecik boyutlarının büyümesi sağlanır. Aynı zamanda metal tozları arasında kalan boşlukların azalması sağlanır. Soğumanın da gerçekleşmesiyle sağlam bir ürün elde edilmiş olur.
Bir önceki anlattığımız aşamada, metal tozlarının preslenmesi için belirli bir oranda bağayıcı ve yağlayıcı olarak iş gören malzemeler kullanılmaktaydı. Sinterleme öncesi bu materyallerin üründen uzaklaştırılması sağlanır. Ayrıca ergime sıcaklığına yakın bir sıcaklığa çıkarılan metal parçasında oksitlenme oluşabilir. Eğer oksit tabakası oluşursa bu tabakanın da temizlenmesi gerekebilir.
Sinterleme işlemi daha iyi ve mukavemetli ürünler elde etmek ve meydana gelebilecek sorunları ortadan kaldırmak amacıyla farklı şekillerde tasarlanabilir ve uygulanabilir. Örneğin demir atomlarının birleşiminden sonra meydana gelen büzülme bir miktar alaşım elementi ekleyerek önlenebilmektedir.
Toz Metalürjisinin Avantajları
- Son ürünün geometrik doğruluğu yüksektir. Yani tam istenilen ölçülerde geometri elde etmek mümkündür.
- Ham maddenin neredeyse tümü kullanılır. Talaşlı imalattaki gibi geri dönüşüm malzemesi talaş oluşmaz.
- Kontrollü bir prosestir. Bu yüzden istenilen özelliklerde ürün üretmek mümkündür.
- Aynı metale ait tozlar farklı büyüklük ve geometrilerde kullanılarak farklı mekanik özellikler elde etmek mümkündür. Örneğin atomlar arası boşlukların fazla bırakılmasıyla kendinden yağlayıcı makine elemanları üretilebilmektedir.
- Seri üretime uygundur. Hatta seri üretim harici kullanımı sınırlıdır. Bu yüzden yüksek miktarlarda üretim ile ekonomik bir yöntem haline gelir.
- Üretilen ürünün yüzey kalitesi iyidir.
- Döküm yöntemine benzer şekilde karmaşık geometrideki parçaların üretimi için uygundur.
Toz Metalürjisinin Dezavantajarı
- Hammadde olarak kullanılan metal tozlarının üretimi ek işlem gerektirir. Bu yüzden diğer üretim yöntemlerinde kullanılan hammaddelerden daha pahalıdır.
- Kurulum maliyetleri yüksektir. Çünkü avantajlarında da bahsettiğimiz gibi ancak seri üretim ile ekonomik bir model geliştirilebilmektedir.
- Büyük geometrili parçaların üretimi yoktur veya sınırlıdır.
- Çalışma ortamında metal tozları olabileceğinden gerekli güvenlik önlemleri alınmazsa, metal tozlarının solunması sağlık sorunlarına neden olabilir.
- Alüminyum ve magnezyum gibi bazı metal tozları yanıcı olabilmektedir.
- Toz metalürjisi ile üretilen ürünlerin dayanımı diğer yöntemler ile üretilen ürünlerden genel olarak daha düşüktür.
- Yüksek organizasyon ve ekipman gerektirir. Herhangi bir küçük işletmede toz metalürjisi ile kaliteli bir parça elde etmek zordur.