1

TOZ METALÜRJİSİ

Özellikle metal ve seramiklere uygulanan parçacık işleme tekniklerinden en önemlisi olan toz

metalürjisi (TM), metal tozlarından parça üretimi yapılan bir metal şekillendirme teknolojisidir.

Standart bir TM imalat işleminde, tozlar istenilen şekle getirilmek için preslenir ve pişirilerek tozlar

arasında metalürjik bağ oluşturulup sert ve rijit parçalar elde edilir. Presleme adı verilen tozların

sıkıştırılması aşamasında, imal edilmek istenen parçanın şekline uygun olarak hazırlanmış kalıplar

kullanılır. TM yönteminde kullanılan ve genel olarak bir kalıp ve bir veya birkaç zımbadan oluşan pres

makinaları oldukça pahalıdır. Bu nedenle, TM orta ve yüksek imalat miktarlarında tercih edilir.

Sinterleme adı verilen pişirme işlemi, metalin ergime sıcaklığının altındaki yüksek sıcaklıklarda

gerçekleştirilir. Üstünlükleri:

TM ile çok az ek işlem gerektiren (net şekle yakın) veya hiç ek işlem gerektirmeyen (net şekilli)

parçalar seri üretilir.

Fire malzeme çok azdır.

Başlangıç malzemesinin doğası gereği istenen düzeyde açık veya kapalı iç boşluk içeren

parçalar üretilerek filtre ve kendinden yağlamalı yatak gibi ürünler elde edilebilir.

Tungsten filaman veya gözenekli parçalar gibi diğer imalat yöntemleri ile imalatı zor veya

imkânsız parçalar TM ile elde edilebilir.

Yüksek yüzey kalitesi ve 0,10 mm civarı dar boyut toleransı elde edilir.

Yüksek imalat miktarlarında otomasyonla ekonomik bir yöntem haline gelir.

Zayıflıkları:

Alet ve ekipman maliyetleri çok yüksektir.

Metal tozları pahalı ve bazıları yanıcıdır. Bu nedenle, depolanmaları riskli olup zaman içinde

bozularak kullanılamaz hale gelirler.

Kalıplama işlemi nedeniyle çok karmaşık şekiller elde edilemez.

Sıkıştırma işleminin homojen olmaması nedeniyle özellikle karmaşık şekilli parçalarda yoğunluk

iç kısımlara doğru azalır.

TM ile demir alaşımları, çelik, alüminyum alaşımları, bakır, nikel, tungsten, molibden ve tungsten

karbür gibi tozlardan parça imal edilir.

2

TM tekniğinde kullanılan tozlar; tane boyutu, boyut dağılımı, tane şekli, içyapı ve yüzey alanı gibi

özellikleriyle tanımlanan mikron ölçeğindeki metal parçacıklardır. Parçacıkların boyutu ve boyut

dağılımı imalat yöntemine ve koşullarına bağlı olup eleklerle ölçülür.

Elek aralıklarından geçen en büyük parçacık boyutu ( PS ); birim uzunluğa düşen aralık sayısı ( MC ) ve

tel kalınlığına (wt ) bağlı olarak;

1wPS t

MC

şeklinde ifade edilir. Parçacık şekli, imal edilen parçanın özelliklerini etkiler. Toz geometrisi, şekil

faktörü (sK ) ile ifade edilir.

*s

A DK

V

olup, burada; A toz yüzey alanı, V toz hacmi ve D tozun hacmiyle eşit hacimdeki kürenin çapıdır.

Buna göre, küresel toz için;

2

3

* ( )6

6

s

A D D DK

DV

değerini alır ve diğer toz şekilleri için 6sK olur.

3

TM açısından; parçacıklar arası sürtünme, akıcılık, sıkıştırılabilirlik, yoğunluk, porozite (gözeneklilik),

kimyasal bileşim ve yüzey filmleri diğer önemli toz özellikleridir. Parçacıklar arası sürtünme, dar bir

huniden akıtılan tozların oluşturduğu yığının yığılma açısı ile ölçülür. Sürtünme arttıkça yığılma açısı

büyür.

Her metal teorik olarak toz haline getirilebilir. Metal tozu üretiminde atomizasyon, kimyasal redükleme

ve elektroliz yöntemleri kullanılır. En yaygın yöntem olan atomizasyonda sıvı metal, damlalardan oluşan

bir sprey haline dönüştürülür ve toz halinde katılaştırılır. Bu yöntem, günümüzde en esnek ve popüler

toz üretim tekniği olup saf metaller ve alaşımlar dâhil neredeyse tüm metallere uygulanabilir.

Metal tozları hazırlandıktan sonra geleneksel toz metalürjisi üç aşamadan oluşur. Bunlar;

1- Toz karıştırma ve harmanlama,

2- Tozların arzu edilen parça şekline preslendiği sıkıştırma işlemi ve

3- Parçanın erime derecesinin altında bir sıcaklığa ısıtılarak toz taneleri arasında metalürjik bağlar

oluşturularak mukavemet kazandırıldığı sinterleme işlemidir.

Sıkıştırma ve sinterlemede başarılı sonuçlar elde etmek için farklı boyuttaki tozların karıştırılarak ve

farklı metal tozlarının harmanlanarak homojen yapı elde edilmesi gerekir. Bu amaçla, tozlar karıştırıcı

hazneler içine konularak tek veya çok eksen etrafında genellikle saatlerce döndürülür. Daha sonra

yüksek basınç uygulanarak tozlara istenen şekil kazandırılır. Ancak bu aşamadaki mukavemet son

derece düşük olup yalnızca parçanın sinterleme için taşınmasını sağlayacak seviyededir. Metalin ergime

sıcaklığına yakın sıcaklıklarda gerçekleştirilen bir ısıl işlem olan sinterleme ile metal tozları arasında bağ

oluşturularak yüksek dayanım elde edilir.

4

TM için temel konstrüksiyon ilkeleri;

Pahalı ekipmanlar nedeniyle düşük üretim miktarlarında uygulamamak,

Presleme yönüne dik girinti ve çıkıntılardan kaçınmak,

Vida dişi gibi ince kesitleri TM ile imal etmemek şeklinde sıralanabilir.

5

ALIŞILMAMIŞ İMALAT YÖNTEMLERİ

Kesici uçla fazla malzemenin kaldırılmasıyla ürün şeklinin elde edildiği geleneksel yöntemlerden farklı

olarak istenmeyen malzemenin alışılmamış (geleneksel olmayan) mekanik, ısıl, elektrokimyasal veya

kimyasal enerji yöntemleriyle uzaklaştırıldığı işlemlere alışılmamış imalat yöntemleri denir.

1- Mekanik Enerjili Yöntemler: Kesici takım yerine yüksek frekanslı titreşim, su, gaz ve aşındırıcı

parçacık gibi unsurlar kullanılır.

Ultrasonik işleme

Su jeti ile işleme

6

Aşındırıcı jeti ile işleme

Aşındırıcı akış ile işleme

2- Elektrokimyasal Enerjili Yöntemler: Malzemelerin işlenmesinde elektrik enerjisinin kullanıldığı

bu işlem türü, elektrik enerjisi malzemenin işlenmesini kimyasal reaksiyonlarla birleşerek

sağladığından, elektrokimyasal enerjili yöntem olarak tanımlanır.

Elektrokimyasal işleme

Elektrokimyasal çapak alma

7

Elektrokimyasal taşlama

3- Kimyasal Enerjili Yöntemler:

Kimyasal frezeleme

Kimyasal çıkartma

Kimyasal oyma

Fotokimyasal işleme

4- Isıl Enerjili Yöntemler: Isıl enerji esaslı malzeme işleme yöntemleri, kaynama veya buharlaşma

ile malzemenin işlenebilecek kadar yüksek bölgesel sıcaklıklara getirilmesi temeline dayanır.

8

Elektroerozyon ile işleme

Elektron ışını ile işleme

Lazer ışını ile işleme

Elektrik arkı ile kesme

9

Plazma arkı ile kesme

Oksijen ile kesme

10

HIZLI PROTOTİP İMALATI

Hızlı prototip üretimi teknolojilerinin gelişimini motive eden özel gereksinim, üretim tasarımcılarının

yeni bir parça veya ürün tasarımının teknik resmi veya bilgisayar modelinden ziyade fiziksel bir

modeline sahip olmak istemelerinden kaynaklanmıştır. Tüm güncel malzeme biriktirmeli hızlı prototip

üretim tekniklerinde kontrol talimatlarının (parça programının) hazırlanmasındaki genel yaklaşım

aşağıdaki adımları içermektedir:

Geometrik modelleme: Parçanın kapalı hacmini tanımlamak için bir bilgisayar destekli

tasarım (CAD: computer aided design) programı ile modellenmesi işlemidir.

Geometrik modelin oluşturulması: CAD modelinin elemanlara ayrılarak yüzeylerin

tanımlanması işlemidir.

Modelin katmanlara dilimlenmesi: oluşturulan modelin ince yatay katmanlara

ayrılarak imalata hazırlanması işlemidir.

Hızlı prototipleme tekniğinde sıvı esaslı (stereolitografi, katı zeminde sertleştirme, damla biriktirme),

katı esaslı (katmanlı, eritilmiş malzeme biriktirmeli) ve toz esaslı (seçici lazer sinterleme, üç boyutlu

yazdırma) gibi yöntemler bulunur.

Stereolitografi

11

Katmanlı imalat

Üç boyutlu yazdırma