Toz Metalürjisi

Bölüm 1. GİRİŞ

Toz metalürjisi çok küçük partikülleri birbirine bağlayarak parça haline getirme işlemidir. Daha geniş bir ifade ile toz metalürjisi, toz şeklindeki malzemelerin preslenmesini 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. Bu yüzden kullanım alanları çok geniştir.
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

Hemen hemen bütün malzemeler toz haline getirilebilir, fakat toz metalürjisinde kullanılan malzeme madenler, alaşımlar, madensel metalloid tozların karışımlarıdır. Bu tozların hazırlanmasında sanayide bir çok usuller vardır. Bu usuller malzeme özelliklerine bağlıdır ve 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 için 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 yöntemlerle 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.

Şekil 2-1 Bilyelı öğütücü şeması
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 2.2 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. Toz partiküllerinin oksitlenmesine mani olmak için genellikle azot gibi redükleyici veya inert bir atmosfer altında çalışabilir. Farklı granülometride toz elde edilmesi pervanelerin şekillerine, boyutlarına ve dönüş hızlarına bağlıdır. Bu tozların müstesna sıkıştırılabilme özellikleri vardır. Kullanılma sahalarına misal olarak: makine parçaları ve gözenekli yatak imalinde kullanılan bakır tozları gösterilebilir.
Yukarıda söz edilen toz hazırlama usullerinin basit ve ucuz olmaları bir avantajdır, ancak elde edilen tozlarda, öğütülen maddeden ileri gelen gayri safiyetlerin bulunmasıda dezavantajdır.

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 şöylediruyla 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 ***** 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 hazırlanmasıert 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.