Gaz Atomizasyonu Yöntemi İle Kalay Tozu Üretiminde Gaz

6th International Advanced Technologies Symposium (IATS’11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey
Gaz Atomizasyonu Yöntemi İle Kalay Tozu
Üretiminde Gaz Basıncının Toz Boyutu ve
Şekline Etkisi
Ş.Oğuz1, Z. Öztürk2, E. Uzun3, A. Kurt4, M. Boz2
1
Milli Eğitim Bakanlığı, Karabük Mesleki Eğitim Merkezi, Karabük, [email protected]
2
Karabük Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük, [email protected]
3
Karabük Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Karabük, [email protected]
4
Gazi Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Ankara, [email protected]
5
Karabük Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük, [email protected]
The Effect of Pressure on Powder Particle Size
and Shape Tin Powder Produced By Gas
Atomization Method
Abstract— In this study, gas pressure effects in vertical gas
atomization unit were investigated to powder shape and size.
First of all, at the University of Karabük is made of gas
atomization unit. Unit of the manufactured gas atomization
nozzle diameter of 3 mm. and gas pressure is kept constant as,
respectively, 2 bars, 4 bars, 6 bars, 8 bars and 11 bars to be set.
Dust samples taken from each pressure. Shape and dimensions of
these samples are determined and gas pressure effects have been
identified.
Experimental results from 2 to 8 bar, depending on the
powder size reduction is an increase in gas pressure, 8 bar and
then there is not any change in the size of the powder has been
found. Large ligament powder, gas pressure due to the increase
observed in the spherical shape.
Key Words—Powder Metallurgy, Tin Powder, Atomization
I. GİRİŞ
OZ metalurjisi (T/M), metal tozlarının üretimi ve değişik
ısıl ve mekanik deforrmasyon prensiplerinin uygulanıp
birleştirilerek parça haline getirme işlemidir. Toz metalurjisi
tozların karıştırılması, paketlenmesi ve sinterlenmesi
işlemlerinden ibarettir. Günümüzde T/M yöntemiyle parça
üretimi çok yaygın olarak kullanılmakta ve giderek bilinen
üretim yöntemlerine alternatif olmaktadır [1]. İleri bir imalat
yöntemi olan T/M, teknolojik malzemelerin üretilmesine çok
uygun ve küçük parçaların çok sayıda ve ekonomik üretimini
sağlayan bir yöntemdir [2, 3, 4]. Metal tozlarının üretimi
birçok teknikle gerçekleştirilir. Burada amaç toz üretimini
belirli şekil ve boyut dağılım aralığında, herhangi bir kirlenme
içermeksizin üretmektir. Bu aşamada toz karakterizasyonu bir
sonraki üretim kademeleri açısından önemlilik arz eder.
Kontrollü bir başlangıcın, istenen kalitede parça üretimini
sağlaması kaçınılmazdır. Tozun şekil ve boyut özellikleri önhazırlama aşamasında iyi bir harmanlama veya karışım
oluşumu açısından önemli rol oynarken özellikle presleme
T
esnasında homojenlik, iyi sıkıştırabilirlik ve yüksek ham
yoğunluk kazandırılması açısından kontrol edilmesi gereken
kavramlar olarak düşünülmelidir. Tüm bunların ötesinde
sinterleme aşamasında ilk kademelerin optimizasyonun
sağlanması ile arzulanan seviyede mekanik, fiziksel ve
kimyasal özelliğe sahip parça üretimi gerçekleştirilmiş
olacaktır [5]. Bir toz üretim yönteminin diğerlerine göre
seçilmesi yöntemin anlaşılmasına, ekonomikliğine, elde edilen
tozların özelliklerine ve bu özelliklerin kullanım yeri
ihtiyaçlarını ne ölçüde karşılayabildiğine bağlıdır. Tozun
geometrik şekli üretim yöntemine bağlı olarak küreselden,
dentritik formlara kadar çok farklı olabilmektedir. Aynı
şekilde tozun yüzey durumu da yani düzgün veya gözenekli
olması da yine üretim yöntemine göre değişiklik
göstermektedir [6].
Atomizasyon ergimiş sıvıya ve sıvının damlacıklara
parçalanmasına dayanır. Damlacıklar donarak(hızlı soğuyarak)
parçacık haline gelirler. Atomizasyon yöntemi, iyi işlem
kontrolü ile farklı malzemelere uygulanabilirliğinden dolayı
cazip bir yöntemdir [7]. Atomize tozlar diğer üretim
yöntemleri ile elde edilemeyecek özelliklere ve avantajlara
sahiptir. Bu işlemde eriyik formdaki metal birbirleri ile veya
katı yüzeylerle temas etmeden çok küçük damlacıklara
parçalanır ve soğutulurlar. Temel prensip, eriyik haldeki metal
çok ince şerit halinde akıtılır ve bu esnada bir su veya gaz jeti
ile çok küçük parçacıklara ayrılarak katılaşmasıdır. Hava, azot
ve argon sıklıkla kullanılan gazlardandır. Atomizasyon, metal
tozu üretiminde kullanılan en yaygın toz üretim yöntemidir.
Bu üretim tekniği üç ana bölüme ayrılır[6,8]: Ergitme,
atomizasyon (Eriyik metal damlalarını daha küçük boyutlarda
parçalamak) ve katılaşmadır.
Metal tozu üretim teknikleri içerisinde, ince ve küresel
tozlar elde etmede en yaygın olarak kullanılan yöntem gaz
atomizasyonu yöntemidir. Bu yöntemde gaz cinsi, gaz basıncı,
gaz ve sıvı metal akış debileri ile nozul geometrisi gibi üretim
parametreleri tozların fiziksel ve kimyasal özelliklerini
etkilemektedir. Gaz atomizasyonunda, sıvı metal demetini
parçalamak için basınçlı akışkan olarak hava, azot, argon ve
helyum gibi gazlar kullanılabilir [9].
565
Ş.Oğuz, Z. Öztürk, E. Uzun, A. Kurt, M. Boz
Nozul tasarımı ve geometrisi, atomizasyon gaz basıncı ve
debisi, sıvı metal kalınlığı gibi birçok parametreyi değiştirerek
toz boyutu ve dağılımını kontrol etmek mümkündür.
Atomizasyonda, gaz jeti üç fonksiyonu yerine getirmektedir.
Başlangıçta sıvı metal demetini kesip parçalamak için gerekli
kinetik enerjiyi damlacıklara aktarmak, damlacıkları gaz akışı
içinde ivmelendirmek ve uçuşma esnasında onların
soğumasına sebep olmaktır. Asal gazlarla daha küresel tozlar
elde edilir. Hava kullanılarak üretilmiş atomize tozlar ise
karmaşık şekillidir. Gaz kullanılarak üretilmiş atomize tozların
üstün özellikleri şunlardır [10]: Küresel toz şekli, saflık,
özellikle küçük çaplı tozlarda hızlı katılaşmış yapılar ve
yüksek üretim hızıdır.
Çizelge 2’den görüldüğü gibi, 2 bar gaz basıncında tozların
% 50’ sinin 268,30 µm altı, 4 bar gaz basıncında 121,92 µm
altı, 6 bar gaz basıncında 117,44 µm altı ve 8 bar gaz
basıncında üretilen tozların ise % 50’si 68.97 µm altı olarak
kaydedilmiştir.
III. DENEYSEL SONUÇLAR VE TARTIŞMA
Bu çalışmada Atomizasyon yöntemi ile toz üretiminde
Çizelge 1’de verilen gaz basıncı, değişken seçilerek bu
değişkenlerin üretilen tozların şekil ve boyutlarına etkisi
incelenmiştir. Değişen gaz basıncına bağlı toz partikül boyutu
(atomizasyon ünitesinden alındığı şekliyle) değerleri d %50,
d%10 ve d %90 olarak Çizelge 2’de, gaz basıncının toz
dağılımına etkisi ise Şekil 2’de verilmiştir.
II. DENEYSEL ÇALIŞMALAR VE YÖNTEMLER
Çizelge 1. Atomizasyon deneyleri değişken parametreleri
Nozul
Çapı (mm)
Bu çalışmada ilk olarak Karabük Üniversitesi bünyesinde
gaz atomizasyon ünitesi imalatı yapılmıştır. Gaz atomizasyon
cihazı dört ana bölümden oluşmaktadır. Bunlar; indüksiyon
fırını (ergitme ocağı), nozul, atomizasyon kulesi ve toz tutma
ünitesidir.
3
İndüksiyon fırını ilk aşamada düşük ergime dereceli
malzemeleri ergitebilecek kapasitede, yaklaşık 1000ºC’ ye
çıkabilecek şekilde tasarlanmıştır. Ergime sırasında ve
sonrasında oksidasyonu engelleyebilmek için koruyucu gaz
ortamı gerektiğinden fırının alt ve üst kısımlarına gaz girişi ve
çıkışını sağlamak için vanalar konulmuştur. Fırın içerisinde
grafit pota kullanılmıştır. Ergimiş metalin akışını kontrol
etmek için açma-kapama çubuğu kullanılmıştır.
Nozul olarak yakından eşlemeli ve dairesel yarıklı nozul
tercih edilmiştir. Nozul da indüksiyon fırınının içine
konumlandırılmıştır. Bunun amacı ergimiş metalin nozul
içerisinden geçerken nozulun soğuk olması nedeni ile donması
ihtimalinin önüne geçmektir.
Atomizasyon kulesi paslanmaz çelikten imal edilmiştir.
Kulenin çapı 60 cm. toplam yüksekliği ise 150 cm. olarak
tasarlanmıştır.
Deneyler sırasında düşük ergime sıcaklığı sebebi ile kalay
metali tercih edilmiştir. Kalay 500 ºC sıcaklığa kadar ısıtılmış
ve nozula gönderilmiştir. Nozul çapı tüm deneylerde 3 mm.
olarak sabit tutulmuştur. Atomizasyon işlemi sırasında
koruyucu gaz olarak argon kullanılmıştır. Yapılan deneylerde
gaz basıncı sırasıyla 2 bar, 4 bar, 6 bar, 8 bar ve 11 bar olarak
ayarlanmış ve her basınçta üretilen tozlardan numuneler
alınmıştır. Numuneler alınırken, aynı parametrelerde üretilen
tozların genel özelliklerini temsil edecek şekilde seçilmelerine
dikkat edilmiştir.
Üretilen tozların SEM görüntüleri Gazi Üniversitesi Teknik
Eğitim Fakültesi Malzeme laboratuarında Jeol 6060 LV marka
cihazdan alınmıştır. Deneylerde elde edilen tozların toz tane
dağılımı ise Gazi Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya
laboratuarında Malvern marka lazer parçacık ölçme cihazında
tespit edilmiştir.
Gaz Basıncı
(Bar)
2
4
6
8
11
Ergitme Sıcaklığı
500 oC
Çizelge 2. Değişen gaz basıncına bağlı toz boyutu değerleri
Nozul
Çapı
3 mm.
3 mm.
3 mm.
3 mm.
3 mm.
Gaz
Basıncı
2 bar
4 bar
6 bar
8 bar
11 bar
d (0.5)
d (0.1)
d (0.9)
268.30 µm
121.92 µm
117.44 µm
68.97 µm
69.81 µm
112.27 µm
44.83 µm
47.67 µm
23.29 µm
24.73 µm
533.28 µm
336.41 µm
318.91 µm
210.52 µm
160.41 µm
Yapılan bu çalışmada 8 bar gaz basıncının üzerindeki üretilen
tozların, toz boyutunda bir değişiklik olmadığı Çizelge 2 ve
Şekil 2’de görülmektedir. Ayrıca alınan numuneler üzerinde
yapılan ölçümlere bakılarak toz boyutlarının gaz basıncının
artmasına bağlı olarak küçüldüğü, bu durumun da literatürle
[6, 8] paralellik gösterdiği tespit edilmiştir. Gaz basıncı temel
bir parametre olmamakla beraber aynı nozul geometrisinde,
gazın debisi ve hızını etkilediğinden dolayı toz boyutu
üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Uslan [9] atomizasyonla
kalay tozu üretiminde basınç artışının, sıvı
metal üzerine daha yüksek enerjinin aktarılmasını sağlayarak,
daha küçük ortalama toz boyutuna sahip metal tozu üretimini
sağladığını vurgulamıştır. Yapılan bu çalışmada, 3 mm sabit
nozul çapı ve 11 bar gaz basıncında toz boyutunun
değişmediği görülmüş, bu durum da literatürle eşleşmediği
tespit edilmiştir. Burada kullanılan 3 mm nozul çapı için 8 bar
gaz basıncı optimum nokta olarak gözükmektedir. Bu
durumun, 3 mm nozul çapı ile 11 bar gaz basıncında yapılan
deneyde nozul ucunda aşırı soğumadan dolayı meydana gelen
metal yığılması ve ikincil bölünmenin yeterli olmamasından
kaynaklandığı düşünülmektedir.
Ancak 8 bar’dan daha yüksek gaz basınçlarında toz boyutunda
bir değişim olmadığı tespit edilmiştir. Bu amaçla 8 bardan
daha yüksek gaz basınçlarında toz boyutunun neden
değişmediği araştırılacaktır.
566
Gaz Atomizasyonu Yöntemi İle Kalay Tozu Üretiminde Gaz Basıncının Toz Boyutu ve Şekline Etkisi
(a)
(d)
(b)
(e)
Şekil 1. Gaz basıncının toz şekline etkisi (a) 2 bar, (b) 4 bar, (c) 6 bar,
(d) 8 bar ve (e) 11 bar.
(c)
Gaz atomizasyonu yöntemi ile toz üretiminde gaz basıncının
toz şekli ve boyutuna etkisinin araştırıldığı bu çalışmada nozul
çapı tüm deneylerde 3 mm. olarak sabit tutulmuştur. Gaz
basıncının sırasıyla 2 bar, 4 bar, 6 bar, 8 bar ve 11 bar olarak
ayarlandığı deneylerden alınan numunelerin SEM görüntüleri
Şekil 1a,1b,1c,1d ve 1e de verilmiştir. Gaz basıncının 2 bar
olduğu deneyde toz partiküllerinin karmaşık şekilli (ligamon)
ancak çoğunlukla çubuksu oldukları görülmüştür. 4 ve 6 bar
gaz basınçları ile yapılan deneylerde ise 2 bar basınca göre
partiküllerin boylarının kısaldığı ve uç kısımlarının küresele
yakın şekillerde oluştukları tespit edilmiştir. Gaz basıncının 8
bar ve 11 bar basınçlarda yapılan deneylerde ise toz
partikülleri neredeyse tamamen küresel şekilde oluşmuştur.
567
6th International Advanced Technologies Symposium (IATS’11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey
IV. SONUÇ VE ÖNERİLER
a
Gaz atomizasyonu yöntemi ile kalay tozu üretiminde
yapılan deneylerde aşağıdaki sonuçlar çıkarılmıştır.

Gaz atomizasyonu yöntemi ile toz üretimi laboratuar
şartlarında gerçekleştirilerek, farklı şekil ve
boyutlarda tozlar elde edilmiştir.

Gaz basıncının artmasına bağlı olarak toz boyutunun
2 bar’dan 8 bar’a kadar küçüldüğü, tespit edilmiştir.

Gaz basıncının artmasına bağlı olarak üretilen
tozların iri karmaşık ve genelde çubuksu şekil aldığı,
8 ve 11 bar basınçlarda ise tozların neredeyse
tamamının küresel olduğu gözlenmiştir.

Laboratuar şartlarında tasarımı ve imalatı yapılan gaz
atomizasyon
cihazı
ilerideki
çalışmalarda
geliştirilmeye açıktır.

Toz boyutunun ve şeklinin 8 bar basınçtan daha
yüksek basınçlarda neden değişmediği araştırılabilir.

Yapılan bu cihazla kalaydan başka metal ve
alaşımlarının da toz üretimi çalışılabilir.
b
c
REFERANSLAR
Mustafa Boz, Adem Kurt, The Effect Of Al2O3 On The Frıctıon
Performance Of Automotıve Brake Frıctıon Materıals, Trıbology
Internatıonal, 40 (2007) 1161-1169.
[2] Ünlü, B.S., Kurgan, N., Yılmaz, S.S., “Toz Metal Çeliklerin Mikroyapı
Ve Mekanik Özellikleri”, Mühendis ve Makine, 50(588): 11-12
[3] Yalçın, B., “Toz Metalurjisi Yöntemiyle İmal Edilen Titanyum Alaşımı
İmplantların Temel Özelliklerinin Araştırılması”, Doktora Tezi,
Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta, 6-25
(2007)
[4] Özay, Ç., Hasçalık, A., “T/M Yöntemi İle Üretilen Cu-C-Al2SiO5
Kompozitinde C Oranının Abrasiv Aşınma Dayanımına Etkisi”, Doğu
Anadolu Bölgesi Araştırmaları; 2004, 150-154
[5] Karagöz, Ş., Yamanoğlu, R., Atapek, Ş.H., “Metalik Toz İşleme
Teknolojisi Ve Prosesleme Kademeleri Açısından Parametrik İlişkiler”,
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi
Dergisi, 22(3): 78-80 (2009)
[6] Yıldız, E.S., “Gaz Atomizasyonu İle Metal Tozu Üretiminde Nozul
Geometrisinin Toz Boyutuna Etkisinin Araştırılması”, Yüksek Lisans
Tezi, Dumlupınar Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kütahya, 5-14
(2007)
[7] German, R. M. “Powder Metallurgy&Particule Metarials Procsessin”
Çeviri Editörleri, Süleyman SARITAŞ, Mehmet TÜRKER, Nuri
DURLU, Türk Toz Metalurjisi Derneği, Temmuz, 2007.
[8] Kurt, A., “Toz Metal Bronz Yatak Malzemelerin Özellikleri”, Yüksek
Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü , Ankara, 1-2
(1992)
[9] Uslan, İ., Küçükarslan, S., “Kalay Tozu Üretimine Gaz Atomizasyonu
Parametrelerinin Etkisinin İncelenmesi”, Gazi Üniversitesi Mühendislik
ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, 25(1): 1-8
[10] Ünal, R., Aydın, Ö., “Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Yöntemi İle
Gaz Atomizasyon Nozulu Modellenmesi”, Dumlupınar Üniversitesi
Mühendislik Fakültesi, Kütahya, 1-10 (2008).
[1]
d
e
Şekil 2. Gaz basıncının toz dağılımına etkisi (a) 2 bar, (b) 4 bar, (c) 6
bar, (d) 8 bar ve (e) 11 bar.
568