Microsoft PowerPoint - Toz Metalurjisi B\366l\374m 1-2-3

TOZ METALURJİSİ
Prof. Dr. erafettin Eroğlu
İstanbul Üniversitesi
Müh.Fak. Metalurji ve Malzeme Müh. Böl.
Ders Planı
•
•
•
•
•
•
Giriş
Toz özellikleri ve karakterizasyonu
Toz üretim teknikleri
Toz sıkıştırılması ve şekillendirilmesi
Sinterleme teknikleri ve karakterizasyon
Endüstriyel üretim teknikleri ve uygulamalar
DERS KİTABI: Toz Metalurjisi ve Parçacıklı Malzeme İşlemleri, Randall M.
German, Çeviri 2007, Türk Toz Metalurjisi Derneği Yayınları: 05, Adres: TOBB
Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Söğütözü
Caddesi, No: 43, Ankara. E-posta: [email protected], Web adresi:
www.turkishpm.org.
GİRİ
•
•
•
Toz metalurjisinin tanımı: Metal ve/veya metal olmayan tozların üretimi,
şekillendirilmesi ve yoğunlaştırılması işlemlerini kapsayan bir imalat tekniğidir.
Toz metalurjisi terimi daha ziyade metalik malzemeleri vurgulamaktadır. Fakat,
teknik; seramik ve diğer metal olmayan malzemelere de uygulanabilmektedir.
Karma veya kompozit malzemeler bu teknik ile üretilmektedir.
Niçin Toz Metalurjisi (T/M) ?: Toz metalurjisi ve parçacıklı işlemler, dökümde
olduğu gibi net şekilli parça üretimine imkan tanır. Fakat, toz teknikleri, sadece
düşük sıcaklıkta ergiyen metallere uygulanan dökümden farklı olarak hemen
hemen her malzemeye uygulanabilir. Toz metalurjisi yoluyla üretilen ürünlerin pek
çoğu; mesela kompozitler, yüksek sıcaklık seramikleri, bazı polimerler, bakırlı
çelikler, refrakter metaller, sermetler (seramik+metal karışımı) ve karışık fazlı
bileşikler, döküm yoluyla üretilemezler. Toz teknolojileri, aynı ürünü kopyalamaya
izin veren kalıp boşlukları sayesinde çok sayıda üretim yapılmasına imkan sağlar.
Maliyet önemli faktörlerden biridir. Bundan dolayı karmaşık şekilli parçaların T/M
ile üretimi önemli ölçüde yarar sağlar. Ayrıca, çok az malzeme kaybı ve izafi
olarak daha düşük enerji tüketimi sağlayan otomasyonun toz süreçlerinde kullanımı
da ekonomik kazançlar sağlamaktadır. İlave olarak toz metalurjisi yöntemi,
yağlama, süzmede faydalanılan gözenekli yapı üretimine de izin verir. Bu ürünlerin
imalinde rekabet edebilecek başka teknoloji de genellikle yoktur.
Toz metalurjisi tekniğinde temel basamaklar
Sıkıştırma veya presleme (şekillendirme)
Toz
Karıştırma
Ham
parça
Nihai
parça
Sinterleme
Klasik temel
basamaklar:
Karıştırma,
sıkıştırma ve
sinterleme.
Toz metalurjisi tekniğinde klasik temel
basamaklar
Metal Toz
Karıştırma
Sıkıştırma
Sinterleme
Bitmiş T/M ürünü
yağlayıcı,
alaşım elem.
• Karıştırma: İstenilen büyüklükte, şekilde ve
diğer özellikteki tozlar yağlayıcı ve alaşım
elementi tozları ile beraber homojen toz veya
karışım elde etmek için karıştırılır.
•Sıkıştırma: Genellikle oda sıcaklığında kalıp
içersinde toz basınç altında tutulur. Sıkıştırma ile
gevşek toz yoğunlaştırılır ve ham parça, el ile
tutulacak hale getirilir. İstenilen şekil ve büyüklük
bu aşamada elde edilir.
•Sinterleme: Ham parça kalıptan çıkarıldıktan
sonra yüksek sıcaklıkta koruyucu atmosfer
altında ısıtılır. Bu basamak “sinterleme“ olarak
isimlendirilir. Sinterleme sırasında çoğunlukla sıvı
faz oluşmaz. Sinterlemenin en önemli sonucu
partiküller arasında gerçek metalurjik bağın
oluşmasıdır. Bu da parçanın mukavemetli
olmasına yol açar.
Kullanım Yerleri
%70
%17
%13
Otomobil (Ör.dişli, burç,
supap yuvaları, darbe
emiciler, bujiler, piston
kolları)
Elektrikli aletler (ör.
W/Cu elektrik kontak
malz.)
Kesici uçlar (ör. WC/Co,
elmas kompozit)
Tarihçe
•
•
•
•
İnkalar, Au tozundan mücevher yapımı
3000 BC Mısırda Fe tozu kullanımı
300 AD Hindistan da Delhi sütununun Fe tozundan yapımı
1800 lerde Rusya ve İngiltere’de Pt tozundan ingotlar yapıldı. Ayrıca
bozuk paralar Cu, Ag ve Ag tozlarını presleme ve sinterleme
suretiyle üretildi.
• 1900 başlarında lambalar için C filament yerine W filamentleri
üretilmeye başlandı.
• 1940:Cu/grafit elektrik kontak parçaları ; WC-Co sermetler (kesici
uçlar, tel çekme kalıpları)
• >1940: Demir, demir-dışı ve kompozit malzemelerin üretimi ; Pres
kapasitesi 5-50 ton dan 1000 ton üstüne çıktı; Fırın büyüklüğü ve
üretim verimliliği arttı; sinter sıcaklığı, atmosferi kontrol eden yeni
cihazlar, vakum sinterleme fırını ve toz üretim teknikleri geliştirildi.
Bölüm 2-Toz Karakterizasyonu
Bu bölüm toz parçacık boyutu, parçacık
şekli, yüzey alanı, paketleme ve akış
özelliklerini ölçmek için kullanılan testleri
tanımlamaktadır.
Kavramlar
•
•
•
Parçacık, tozun bölünmeyen en
küçük birimi olarak tanımlanır. Toz
metalurjisinde kullanılan tozların
çoğu insan saçı çapı ölçüsündedir
(25- 200 µm).
Taramalı elektron mikroskop (SEM),
bir tozun gözlenmesinde kullanılan
en iyi araçlardan biridir. Toz
metalurjisinde kullanılması mümkün,
farklı parçacık boyutu ve şekillerine
sahip çeşitli tozlara ait bazı SEM
görüntüleri ekil 1 ’de verilmiştir.
Her bir toz, yoğunlaştırma sırasında
farklı davranış gösterir.
Farklı davranış aşağıdaki toz
özelliklerinden kaynaklanabilir.
Parçacık boyutu ve dağılımı
Parçacıkların topaklanması
Yüzey alanı
Parçacıklar arası sürtünme
Akış ve paketleme
ekil 1
İç yapı
Bileşim, homojenlik ve kirlilik
Bu özellikler, toz üretim tekniğine
bağlı olarak değişir.
Topaklar ve Agregalar
•
•
Parçacıkların çoğu, doğal olarak birbirine yapışır. ekil 2’de buna iyi bir örnek gösterilmiştir.
Parçacık kümelerinin ayrılmadığı durumlarda çok sayıdaki parçacık doğru olmayan bir biçimde
büyük bir parçacık gibi ölçülür. Bunun sorumlusu, parçacıkların topaklanmasına neden olan
yüzey nemidir. Topak, malzeme mukavemetinden çok küçük kayma gerilmeleriyle yenilebilecek
zayıf kuvvetlerin bir arada tuttuğu parçacıklar kümesidir. Bunun aksine agregalar çok serttir ve
dağıtılması zordur. Aggregalar, genellikle güçlü kimyasal kuvvetlerle bağlıdır. Toz özelliklerinin
ölçülmesinde topaklar parçalanarak dağıtılabilir, agregalar ise dağıtılamaz.
Bir tozun birim hacim başına enerjisi E (J/m3), esas olarak parçacık boyutu ile ters orantılı olarak
değişir:
Burada γ küresel bir parçacık için yüzey enerjisidir (J/m2) ve D parçacığın
6
çapıdır (m). Hacim başına enerji, parçacık boyutu ile ters orantılı
E=
değiştiğinden parçacık boyutu azaldıkça topaklanma için itici güç daha
D büyük olur. Bu durum toz özelliklerinin belirlenmesinde önemli problem
oluşturur. Örneğin, ölçülen parçacık boyutu gerçek boyuttan daha büyük
olur.
Dağılım
γ
•
•
ekil 2
Bir tozun boyutunu veya diğer özelliklerini doğru olarak belirlemek için
tozun uygun bir biçimde dağıtılması gerekir. Yukarıdaki Denklem’de
gösterilen, boyutla ters orantı kuralına göre, dağıtma işlemi parçacık
boyutu küçüldükçe güçleşir.
Bir çok parçacık için yüzey aktifleştiren sıvılar, mekanik veya ultrasonik
karıştırma; parçacıkların dağıtılması ve özelliklerin doğru olarak
belirlenmesinde etkin olabilir. Özellikle 100 µm’den daha küçük
parçacıklar, dağıtma işlemine direnç gösteren yüksek çekim kuvvetine
sahiptirler. Önemli derecede topaklanmaya neden olan kılcal kuvvetler,
ağırlıkça %0.1 gibi oldukca küçük nem düzeyinde oluşur. Nem
topaklanmaya neden olduğu için toz kurutma işlemi genellikle iyi bir ilk
adımdır. Tozu su, alkol veya diğer bir çözücü ile tamamen doyurmak
başka bir seçenektir. Daha sona dağıtıcı sıvılar, tozları birbirinden
uzaklaştırmak için sulu çamura elenir. En yaygın dağıtıcı sıvılar yüklü
anyonik (ör. OH-, SO3-) veya katyonik terminal grubları (ör. NH4+) olan
polar moleküllerdir. Ayrıca, kayma kuvvetleri bir tozun dağıtılmasına
yardım eder. Mekanik veya ultrasonik karıştırma topaklanmayı dağıtmada
çok tercih edilen yöntemlerdir.
Parçacık Boyut Ölçümü
•
•
•
•
Parçacık boyutu, toz metallaurjisinin en önemli parametrelerinden biridir.
Parçacık boyut ölçümü, bir parçacığın boyutlarının belirlenmesidir. Ancak, bu belirleme ölçüm tekniğine,
ölçülen özgül parametreye ve parçacık şekline bağlıdır. Parçacık boyutunu ölçen cihazların çoğu tek bir
geometrik parametreyi ölçer ve parçacık şeklinin küresel olduğunu kabul eder. Parçacık yüzey alanı, iz
düşüm alanı, en büyük uzunluk, en küçük kesit alanı veya hacmi, analizlerde genellikle kullanılan
parametrelerdir.
ekil 3’te örnek boyut parametreleri verilmiştir. Küresel bir parçacık için boyut tek bir parametre olup çap
olarak verilir. Ancak, parçacık şekli karmaşıklaştıkça boyutu tanımlamak için boyut parametelerinin sayısı
artar.
Eşdeğer küresel çaplar; yüzey alanı, hacim ve iz düşüm alanı ölçümlerinden belirlenir. Örneğin, bir
parçacığın iz düşüm alanının (A) eşdeğer küresel iz düşüm alanına (DA) eşit alınması ile eşdeğer küresel iz
düşüm alan çapı hesaplanır.
1/ 2
π D 2A
 4A 
A=
⇒ DA = 

4
 π 
1/ 3
 6V 
DV = 

 π 
1/2
S
DS =  
π
Eşdeğer küresel iz
düşüm alan çapı
(Daire çapı)
Eğer parçacık hacmi (V)
ölçülürse, eşdeğer küresel hacim
çapı (Dv)
Eğer, dış yüzey alanı (S)
ölçülürse, eşdeğer küresel
yüzey alan çapı (Ds)
ekil 3
Ödev: Kenar uzunlukları 1 µm olan kübik bir parçacık için eşdeğer küresel iz düşüm alan, yüzey alan ve hacim
çaplarını hesaplayın. (Cevap: DA=1.13 µm, DV=1.24 µm, DS=1.38 µm)
Parçacık Boyut Ölçümü- Mikroskop ile İnceleme
Parçacık boyutu ölçmenin evrensel yolu, sayısallaştırılabilen veya digital ortama aktarılabilen bir
görüntü elde etmektir. Basit bir yaklaşım, her bir boyuttaki parçacık adedini saymaktır.
Günümüzde bu, otomatik görüntü analizi ile bir mikroskopta gerçekleştirilebilir. Analiz için
görüntü; optik, taramalı veya geçirmeli elektron mikroskopları ile elde edilir. Yüzey yapısını
gösterdiği ve bileşim analizinde X-ışınları kullanılabildiği için, taramalı elektron mikroskoptaki
daha derin görüntü alanı boyut analizinde önemli bir üstünlüktür. Çap, uzunluk, yükseklik
veya alanın mikroskobik olarak ölçülmesi ile her bir boyutun göreceli frekansını gösteren
frekans dağılımı elde edilir.
Görüntü analizinde ilk aşama tozu dağıtmaktır. Topaklar, bir damla deterjan içeren suya toz
ilavesinden sonra ultrasonik parçalanma ile dağıtılır.
ekil ve yönelime bağlı parçacık boyutlarından kaçınmanın en iyi yolu, iz düşüm alanına dayalı
eşdeğer küresel çap gibi parametreler (DA) kullanmaktır. Böylece her bir parçacığın gölgesi
alan olarak ölçülür ve gölgenin bir küreye ait olduğu varsayılarak gölge boyutu çapa
dönüştürülür.
Parçacık Boyut Ölçümü-Eleme
ekil 4
Elek analizi olarak da bilinen eleme, büyük
parçacıkların boyut dağılımının ölçümünde
kullanılan eski bir tekniktir. Eşit aralıklı tellerden
oluşan bir kare ızgara ekil 4’de gösterilmiştir. Elek
boyutu birim uzunluktaki (bir inçteki) tellerin
sayısından belirlenir.
Teller arasındaki kenar-kenar uzaklığını gösteren açıklık boyutu, elek boyutu ile ters orantılı olarak
değişir. Çizelge 1’de ISO standart elek serisinin açıklık boyutları görülmektedir. Elek analizi, 38
µm’den daha büyük parçacıklara uygulanır.
Çizelge 1
ekil 5
Elek analizi, eleklerin azalan elek açıklıklarında istiflenmesi ile başlar. ekil 5’de gösterildiği gibi en
küçük açıklık boyutu en alttadır. Toz, en üstteki eleğe konur ve elek takımı 15 dakika süre ile
sarsılır. Parçacık analiz için 20 cm çaplı elekler kullanıldığında 100 g toz numunesi yeterlidir.
Titreşimden sonra her bir boyut aralığındaki toz miktarı tartılır ve aralıktaki yüzde, her bir bölüm için
hesaplanır. Bir elekten geçen toz – işareti ile, eleğin üzerinde kalan toz + işareti ile belirtilir.
Örneğin, -100/+200 eleklik toz, 100 boyutlu bir elekten geçmiş fakat 200 boyutlu elekten
geçmemiştir. Dolayısıyla parçacıklar 150 ile 75 µm boyut aralığındadır. 45’µmden (-325 elek)
küçük tozlar genellikle elek altı toz olarak adlandırılır. Eleme işlemi, boyutlarına göre ayrılmış
tozları elde etmek içinde kullanılır.
Parçacık Boyut Ölçümü- Sedimentasyon
Sedimentasyon ile parçacık boyut analizi, küçük parçacıklara (parçacık boyut aralığı 0.02-100 µm)
uygulanır. Bir sıvı veya gaz içinde çöken tozlar, parçacık boyutu ve akışkan vizkozitesine bağlı olarak
son hıza ulaşır. Parçacık boyutu, çökme hızından hesaplanır.
Sedimentasyon ile parçacık boyut analizi, tozun bir çökme tüpünde dağıtılması ile başlar. Test genellikle
su gibi bir akışkan içinde yapılır, fakat daha küçük parçacıklar için hava kullanılır. Çökme zamanına
karşı, tüpün dibine çöken tozun hacimi veya ağırlığı, parçacık boyut dağılımını hesaplamaya imkan verir.
Parçacık şekli küresel kabul edilerek, bir ortamda kararlı veya son hızda çökme, ekil 6’da gösterilen
kuvvetlerin dengesi ile ifade edilir; Yerçekimi kuvveti (FG), kaldırma kuvveti (FB) ve sürtünme kuvveti (FV)
toplamına eşittir. Aşağıdaki denklemlerden son hız elde edilir.
D3
D3
FG = gρ M π
= FB + FV = g ρ F π
+ 3π Dv η
6
6
(ρM − ρ F )
Parçacığın son hızı (Stokes
v = gD 2
denklemi )
18η
Deneyler, bilinen bir H çökme yüksekliğinden t çökme süresinin ölçülmesi
esasına dayanır. Bu durumda çökme zamanından parçacık boyutu
aşağıdaki denklemle hesaplanır:
1/ 2
 18Hη



D=
 gt (ρ M − ρ F ) 
Burada g=yer çekimi ivmesi; ρM= parçacık
yoğunluğu, D=Parçacık çapı; ρf=akışkan
yoğunluğu, ν=son hız, ɳ=akışkan vizkositesi
ekil 6
Sedimentasyon tekniği ile ölçüm sırasında akışkanda türbülans olmamalıdır. Akışkan ve toz kimyasal tepkimeye
girmemelidir. Dolayısı ile su içinde demir tozu ölçümü önerilmez. Bu teknik ısıya dayanıklı metal tozları (W, Mo
vs.) ve seramik tozlarının boyutlarının ölçümünde kullanılır.
ÖDEV: Küresel bir nikel tozunu parçacık boyutu sedimentasyon tekniği ile analiz edilecektir. Parçacık boyutunun
8µm’ye yakın olduğu tahmin edilmektedir. Eğer toz 100 mm yüksekliğindeki çökme sütünunun üstünde su içine
dağıtılırsa beklenen çökme zamanı nedir ? ρm=8.9 g/cm3; ɳ=10-3 kg/(m.s). Cevap=6 dak
Parçacık Boyut Ölçümü-Diğer Teknikler
Işık saçılımı ve kırınımı: Otomatik parça boyut analiz cihazları, parçacıkları
hareketli bir akışkan içinde dağıtır ve dağılmış olan bu parçacıklar bir
detektörün önünden geçirilir.Detektör, parçacık boyutu ile orantılı olan ışık
(ör. Lazer) saçılmasındaki değişimleri ölçer.
Elektriksel alan algılaması: Parçacık boyut analizinde kullanılan akışkanla
taşımanın klasik bir şekli, parçacıkların tuzlu bir suda dağıtılması ile başlar.
Tuzlu suyun elektrik iletkenliği, bir cam yalıtkan içindeki küçük bir açıklıktan
pompalanırken ölçülür. Parçacık, açıklığın içinden geçerken elektrik
iletiminde değişiklik olur. Elektik iletimindeki bu düzensizlikler, akışkan
içinde asılı duran parçacıkları saymak ve boyut belirlemek için kullanılır.
Bu cihazın özellikleri ekil 7’de verilmiştir. Açıklık iletkenliğindeki değişim, ekil 7
parçacık hacmi ile orantılı olup eşdeğer küre çapını veren parçacık hacmini
ölçmek için kullanılır.En iyi sonuçlar, genellikle seramik ve polimer gibi
düşük yoğunluklu malzemelerde elde edilir.
Işık Engelleme: Bu teknikte bir ışık demeti, sıvı içinde dağıtılmış
parçacık akışı ile kesilir. Parçacık şekli, küresel kabul edilerek,
engellenen ışık miktarı eşdeğer dairesel kesit alanına eşitlenir.
X-ışını Teknikleri: Difraksiyon çizgi genişlemesi, çok küçük
parçacıkların ortalama boyutunu ölçmek için yaygın olarak kullanılır.
Difraksiyon çizgi genişlemesi, ekil 8’de gösterildiği gibi çizginin yarı
yüksekliğinde ölçülür. Scherrer formulü, kristal veya parçacık boyutu
D’yi (nm), genişleme B (radyan) , difraksiyon açısı Θ (derece) ve Xışını dalga boyu (nm) cinsinden verir:
0. 9λ
D=
B cos θ
Difraksiyon çizgisinin daha geniş olması
parçacık veya kristal boyutunun küçük olması
demektir.
ekil 8
Parçacık boyut analiz tekniklerinin kıyaslanması
Çizelge 2 ve ekil 9, parçacık boyut analiz tekniklerinin kıyaslanmasını göstermektedir. ekil ve
çizelge olası en iyi ölçüm aralığını verir. Boyut dağılımı, her bir boyut aralığına karşılık gelen
parçacıkların sayısal çokluğu esas alınarak ölçülebilir. Başka seçenek olarak elek analizi,
ağırlık dağılımını veya her bir boyut aralığındaki toz kütlesini verir.
Çizelge 2
ekil 9
Parçacık Boyutu Verileri
Parçacık boyut verileri toplandıktan sonra dağılım analiz edilir.
• Bazen parçacık boyut dağılımı, her bir boyut aralığındaki parçacıkların sayısı veya miktarını
gösteren bir histogram veya frekans çizimi olarak verilir. Ortalama değer, merkezi değerdir.
• Eleme işleminden sonra her bir elekte kalan tozun ağırlığı ölçülür (Çizelge 3).
• Her bir elekteki ağırlığı toplam numune ağırlığına bölerek veriler kademeli yüzdelere çevrilir.
Çizelge 3
Kümülatif
• Histogram Dağılımı: Bu veriler için
histogram, elek açıklık boyutuna
karşı kademeli yüzdeler çizilerek
oluşturulur. (ekil 10). Bu çizimde
tepe parçacık boyutuna mod boyutu
denir. En yüksek tepe nokta olan
parçacık boyut modu, en çok tekrar
eden boyuta denk gelir.
• Birikimli (kümülatif) yüzde
dağılımı: Birikimli parçacık boyutu
dağılımı, aralıktaki yüzdeleri
toplayarak ve düşük kademeli
parçacık boyutuna karşı birikimli
(kümülatif) yüzdeyi çizerek
oluşturulur (ekil 11). Birikimli
parçacık dağılımında ortalama boyut
%50 değere karşılık gelir ve D50
olarak rapor edilir. Çoğu işlemlerde
bu değer kullanılır.
ekil 10
3
ekil 11
3
•
•
Mikroskop ile yapılan bir analizde, parçacıkların boyutuna karşı parçacıkların sayısal miktarı,
eleme yapılan analizde ise parçacıkların boyutuna karşı parçacıkların ağırlığı elde edilir. Bunlar
aynı olmadığı için parçacık boyut bilgisinin neyi esas aldığı belirtilmelidir. Büyük bir parçacık,
çok sayıdaki küçük parçacıkla aynı kütleye sahip olacağı için ağırlık dağılımı sayısal çokluk
esaslı dağılımla kıyaslandığında, büyük parçacık boyutlara doğru kaymış olur (ekil 12).
Herhangi bir parçacık boyutu (D) için küresel bir şekil kabul edilmesi, W ağırlığı ve ρM teorik
malzeme yoğunluğu bilindiğinde, n parçacıkların sayısı hesaplanabilir.
6W
n=
πρ M D 3
Ödev: Ortalama parçacık çapı 0.01, 1.0 ve 1000 µm olan
alüminyum, demir ve wolfram tozlarına ait 1g’lık numunelerin
içindeki parçacıkların sayısını hesaplayın. Teorik yoğunluk Al=2.70,
Fe=7.86 ve W=19.3 g/cm3
Parçacık boyut dağılımının çok farklı şekilleri mümkündür. Geniş çok dağılımlı, dar (tek boyutlu) dağılımlar ile
iki tepe noktasına sahip iki modlu dağılımlar da vardır.
Parçacık boyut dağılımını sadece üç boyut kullanarak tanımlamak yaygın bir uygulamadır (ekil 13). Bunlar
birikimli dağılımda %90, %50 ve %10’daki parçacık boyutlarına karşılık gelen D90, D50 ve D10 olarak belirtilir.
ekil 12
ekil 13
Elek analizi sonuçları*
Elek
Açklığı (µm)
Ağırlık (gr)
>425
0
355
0
250
25.1
180
25.2
106
29.2
75
9.7
45
8.2
>45
2.5
*:Toplam toz ağırlığı 100 g
Ödev: Yandaki boyut dağılım
verilerini kullanarak D90, D50 ve
D10 parçacık boyut değerlerini
bulunuz.
Parçacık ekli
• Parçacık şekli; paketlemeyi, akışı ve
sıkıştırılabilirliği etkiler. Parçacık
şeklini sayısal olarak ifade etmek zor
olduğundan; parçacık şekillerine
ekil 14’de gösterildiği gibi değişik
tanımlayıcı isimler verilir. Parçacık
şeklinin sayısal ölçüleri genellikle
mikroskop görüntülerinden elde
edilir. Basit bir tanımlayıcı ifade, bir
parçacıkta en büyük boyutun en
küçüğe oranı olarak tanımlanan
boyut oranıdır. Kürenin boyut oranı
1, çubuk için 3-5 arasıdır. Pul
şeklinde bir parçacık için 200 gibi
yüksek boyut oranı olabilir.Yaygın
olarak kullanılan tozlar 1.05 (kürsele
yakın)-1.4 boyut oranlarına sahiptir.
ekil 14
Yüzey Alanı
Yüzey alanı, çok sayıdaki parçacığın dış yüzeyinin ortalama bir ölçüsüdür. Böyle bir ortalama
parametre kimyasal tepkimeye girebilirlik, paketleme, katalitik davranış, adsorpsiyon, kirlenme,
sıkıştırma (presleme) ve sinterleme ile bağlantılı olduğundan önemlidir.
Özgül yüzey alanı, birim kütle başına alan (m2/g) olarak açıklanır. Küre için özgül yüzey alanı
aşağıdaki eşitlikte verilmiştir:
6
A πD 2
πD 2
=
=
⇒S=
S=
W ρMV ρ π D3
ρM D
M
6
Burada A=Küre alanı; V=Küre hacmi; W=Katı parçacığın ağırlığı; D=Küre çapı; ρM=Parçacığın
yoğunluğu. Geniş boyut aralıklı bir toz için sayısal çokluğa dayalı ortalama veya D50 parçacık boyutu
yukarıdaki denkleme yerleştirilerek özgül yüzey alanı hesaplanır.
Ölçümü: Gaz adsorpsiyon ve gaz geçirgenliği, yüzey alanı ölçümünde kullanılan iki analiz tekniğidir.
Yüzey alanı ölçümünde gaz adsorbsiyonu yaklaşımı, temiz bir toz yüzey elde etmek için tozun vakumda
ısıtılmasıyla başlar. Bu temiz toz, değişen kısmi basınçlardaki azot, helyum adsorpsiyon buharlarına
maruz bırakılır. Toz soğutulur ve toz yüzeyinde adsorbsiyon nedeniyle gaz basıncı düşer. Bu basınç
düşüşü, özgül yüzey alanının hesaplanması için gerekli adsorbsiyon verilerini sağlar. Ölçüm genellikle
“BET özgül yüzey alanı” olarak tanımlanır.
Gaz geçirgenliği ile yüzey alanı analizinde, gözenekli bir yapıdan geçen bir gazın geçirgenliğinin
ölçülmesi suretiyle yüzey alanı hesaplanır. Geçirgenliğe dayalı yüzey alanı ölçümleri Fisher Elek Altı
Boyutu veya FSSS olarak tanımlanır. Ağırlığı bilinen bir miktar toz, bilinen bir gaz akış hızına maruz
bırakılır ve geçirgenliği belirlemek için basınç düşüşü ölçülür. Gözeneklilik ve teorik yoğunluk
biliniyorsa, özgül yüzey alanı hesaplanır. Bu teknik 0.5-50 µm aralığındaki parçacıklara uygulanır ve
ölçülen yüzey alanı eşdeğer küresel çapa çevrilir.
Paketleme Yoğunluğu ve Parçacıklar Arası Sürtünme
•
Parçacıklar arası sürtünme, parçacıkların kaymaya veya harekete karşı direnci ifade eder.
Parçacıklar arası sürtünme arttıkça, tozun paketlenmesi azalır. Sürtünme, önemli ölçüde yüzey
alanı, yüzey pürüzlülüğü ve yüzey bileşiminden etkilenir. Yüzey alanı arttıkça, tozdaki sürtünme
miktarı artar. Sonuç olarak, parçacıklar daha az akış ve paketleme özellikleri sergiler. Bu
sorunlar, toz sıkıştırma ve karıştırma işlemlerinde önemlidir.
•
Görünür (apparent) yoğunluk veya yığılma yoğunluğu, bir tozun sarsılmamış gevşek durumdaki
yoğunluğudur. Görünür yoğunluk, toz ağırlığının kap hacmine bölümüdür.
•
Vurgu (Tap) yoğunluğu ise, dış basınç uygulanmaksızın, bir tozun titreştirilerek ulaşılabilen en
yüksek yoğunluğudur. Çok önemli endüstriyel özellik olup bir kap içersindeki tozun paketlenme
ölçüsüdür. Titreşim sonrası gevşek toz partikülleri hareket eder ve sürtünme kuvveti azalır. Toz
daha iyi paketlenir ve yoğunluk artar. Vurgu yoğunluğu her zaman görünür yoğunluktan
fazladır. Vurgu yoğunluğu, parçacık şekline ve boyut dağılımına bağlıdır. Küresel parçacıklar en
yüksek görünür yoğunluğa ve vurgu yoğunluğuna sahiptir. Buna karşılık düz “pul” şeklinde
parçacıklar düşük yoğunluklara sahiptir.
•
Vurgu ve görünür yoğunlukları, yüzde teorik yoğunluk şeklinde de ifade edilebilir. Parçacık
boyutu azaldıkça, partiküller arası sürtünme kuvveti artacağından tozun yoğunluğu düşer,
sıkıştırılma veya şekillendirme kabiliyeti azalır. Büyük küresel parçacıklar için görünür
yoğunluk teorik yoğunluğun %60’na, vurgu yoğunluğu ise %64’üne yakındır.
•
Teorik yoğunluk, gözeneğin olmadığı yoğunluğa karşılık gelir.
•
Yığılma açısı, diğer bir sürtünme göstergesidir. Tozun serbestçe dökülmesi sonucu oluşan
yığının açısına (α) yığılma açısı denir. Yığılma açısının artması demek sürtünmenin fazla
olması demektir. Parçacık boyutu küçüldükçe, yüzey alanı artacağından parçacıklar arası
sürtünme artar, toz akışı zorlaşır ve tozun yığılma açısı artar.
tanα=h/r
toz h
r
Vurgu yoğunluğunun ölçümü
-100 g toz 0.02 gr hassasiyetle tartılır.
-100 mL kapasiteli hacim göstergeli silindirik cam kap içersine
yerleştirilir. Toz seviyesinin eğimli olmamasına dikkat edilir.
-Elek analizi cihazı üzerine yerleştirilir. Cam içeren kap, toz
seviyesinde düşme olmayıncaya kadar titreşime tabi tutulur.
-Titreşim sonrası tozun hacmi camın üzerindeki çizgilerden
okunur.
-Vurgu yoğunluğu=Kütle/hacim
-Standardlar:ASTM B 527, MPIF 46, ISO 3953
Tozun Akış Hızı (Flow rate)
-Akış hızı, standard ağırlıktaki tozun ortası delik bir kaptan
tamamen akması için geçen süredir.
ekil 15-Vurgu yoğunluğu
ölçer
-Akış hızı, tozun içi boş bir kalıp içersine doldurulmasını
gerektiren yüksek hızda imalat için çok önemlidir.
-Tozun yavaş akışı, uniform olmayan dolumlara ve kalıp
içersinde boşlukların oluşmasına neden olur.
Akış Hızı Ölçümü (s/50 g) (ASTM B213, ISO 4490)
-Ölçüm için Hall Akış Ölçeri kullanılır.
-50 gr tozun 2.5 mm çaplı delikten akış süresi ölçülür.
ekil 16-Hall Akış Hızı
Ölçer
Akış hızını etkileyen faktörler
- Küresel şekilli parçacıklar içeren toz, düzensiz şekilli olan toza
nispeten sürtünme az olduğu için daha hızlı akar.
-Parçacık boyutu, arttıkça akış hızı da artar. Parçacık boyutu
44 µm az olan tozların akış hız düşüktür ve şekillendirilmesi zordur.
-Parçacıkların yüzey özellikleri (magnetik, elektrostatik
etkileşimler) akış hızını etkiler.
-Yüksek neme maruz kalan tozlar yüzeylerinde su absorblar ve
bu da akış hızını düşürür.Çok düşük sıcaklıklar su buharının toz
yüzeylerinde yoğunlaşmasına neden olur.
-Düşük özgül ağırlığa sahip malzemelerin (mesela Al, MgO)
akış hızı, yüksek olanlara kıyasla (mesela Fe) daha düşüktür.
-Görünür yoğunluk, arttıkça akış hızı artar.
•
Sıkıştırılabilirlik
Sıkıştırma, tozları şekillendirmenin bir yoludur. Sıkıştırılabilirlik, uygulanan bir yük altında
tozun yoğunlaşmasını ölçer. Tipik test geometrisi, basit bir silindir veya dikdörtgendir.
Kalıp, belli bir ağırlıktaki toz ile görünür yoğunlukta doldurulur. Sıkıştırmadan sonra ham
parçanın fiziksel boyutlarından hacmi ölçülür. Ham yoğunluk, ağırlık/hacim oranından
hesaplanır. Ham yoğunluk, preslemeden sonraki yoğunluktur. Sünek tozların ham
yoğunluğu görünür yoğunluğun 2-3 katı olabilir. Sıkıştırma oranı CR 400 MPa standart
sıkıştırma basıncı altındaki hacim veya yoğunluk değişimini ifade eder:
VL ρ G
CR =
=
VC ρ A
Burada VL=gevşek tozun hacmi,
VC=sıkıştırılmış tozun hacmi, ρG=ham
yoğunluk ve ρA=görünür yoğunluktur.
Soru: 2.9 g/cm3 görünür yoğunluğa sahip tipik bir atomize demir tozu 414 MPa basınçta 6.78
g/cm3 yoğunluğa sıkıştırılıyor. Bu durumda sıkıştırma oranı nedir ? Eğer, toz 18 mm yüksekliğe
sıkıştırılırsa, tek eksenli sıkıştırma için sıkıştırma öncesi toz dolum yüksekliğini hesaplayın.
Cevap: Sıkıştırma oranı CR=6.78/2.9=2.34; Toz dolum yüksekliği=2.34x18 mm=42.1 mm olmalıdır.
Kimyasal Karakterizasyon
Tozlar kimyaları bakımından üç gruba ayrılır: elementel tozlar, karışımlı tozlar ve ön alaşımlı tozlar.
Elementel tozlar, göreceli olarak yüksek saflıkta malzemelerdir ve parçacık esasen tek elementten oluşur.
Parçacıkta bir miktar karbon, azot ve oksijen gibi empüriteler bulunabilir. Empürite miktarının bilinmesi gerekir.
Karışımlı tozlar, iki veya daha fazla tozun karıştırılmış halidir. Buna yaygın bir örnek ısıtıldığında bronzu oluşturan
karıştırılmış bakır ve kalay tozlarıdır. Ön alaşımlı tozlar tamamen alaşım halindedir. Tozların her bir parçacığı tozu
oluşturan tüm bileşenlerin tamamını içerir. Bu tür tozlarda, tozun bileşim homojenliği ve empürite seviyeleri
önemlidir. Toz yüzeyinin bileşimi önemli bir özelliktir. Bazı tozlarda oksijen, nem ve diğer uçuculardan
kaynaklanan yüzey kirliliği ağırlık kaybı ile hesaplanabilir. Normal analitik kimya teknikleri bütün tozlar için
uygundur ve bu teknikler emisyon veya floresans spektroskopisine dayanır.
Minimum Karakterizasyon Testleri
Toz karakterizasyonu, üretim sürecine
uygun malzeme temini için gerekli
sayıda testi içermelidir. Toz
bileşiminin yanı sıra, kirlilik miktarıda
bir sorundur. Genelde taramalı
elektron mikroskobu, yeterli şekil
detayı verir. Buna ek olarak akış,
karıştırma ve tozlar arası sürtünme
davranışıı belirlemek için basit
paketleme yoğunluğu veya sürtünme
testi yapılmalıdır. Son olarak, bazı
malzemelerde gözenekler, kalıntılar
veya ikinci fazlar için, iç yapının
metalografi teknikleri ile araştırılması
gerekebilir.
ekil 17’de gösterilen wolfram tozunun
örnek karakterizasyonu Çizelge 4’de
verilmiştir. Toz ,yüksek yüzey alanına
ve saflığa sahiptir. Taramalı elektron
mikroskopta görüldüğü gibi parçacık
şekli düzensizdir. İki teknik parçacık
boyut dağılımı analizi 6 µm civarında
ortalama parçacık boyutu verirken,
taramalı elektron mikroskop 0.5-3 µm
arasında göstermektedir.
Topaklanmış küçük bir tozu belirten
düşük paketleme yoğunlukları, yetersiz
akış, küçük boyut ve düzensiz
parçacık şekli birbirleriyle uyumludur.
Çizelge 4, ekil 17’ de
ekil 17, çizelge 4’de
Bölüm 3-Toz Üretimi
Toz üretim yöntemi, üretilen tozun boyutu, şekli, saflığı, mikroyapısı, maliyeti
ve diğer özelliklerini belirler. Bu bölüm toz üretim yöntemlerini ve toz üretim
yolunun toz özelliklerini nasıl etkilediğini anlatmaktadır.
Temel Yaklaşımlar
–Bir tozun nasıl üretildiğinin bilinmesi o tozun boyutu ve şekli gibi
özelliklerinin başlangıçta tahmin edilmesini sağlar.
–Hemen her malzeme toz haline getirilebilir, fakat belirli bir malzemeyi toz haline
getirmek için seçilen yöntem; maliyet, tepkimeler (reaksiyonlar) ve istenilen
özellikler gibi faktörlerin karışımına bağlıdır.
–Toz üretiminde kullanılan ana yöntemler, mekanik öğütme, kimyasal tepkime,
elektrolitik biriktirme, sıvı atomizasyonu ve buhar yoğuşturmasıdır.
–Bütün toz üretim yöntemlerinde, yeni yüzey alanı oluşturmak amacıyla enerji
harcanmaktadır. Maalesef, bütün yöntemlerin verimi düşüktür. Sisteme verilmesi
gereken enerji yeni oluşturulan yüzey enerjisinin 30 katı kadar olabilmektedir.
Mekanik Üretim Yöntemleri
Dört ana mekanik öğütme yöntemi vardır: darbe, aşındırarak öğütme, kesme ve
basma.
– Darbe, malzemeye çekiçle vurma çok hızlı ve anlık uygulamaları içerir ve
malzeme küçük boyutlara ayrılır.
– Aşındırarak öğütme, aşındırıcıların birbiri üzerinde sürtünme hareketi sayesinde
parçacıkların boyutunun küçülmesidir.
– Kesme, talaşlı imalatta olduğu gibi kesme işlemi ile malzemenin parçalanmasıdır.
– Sonuncu olarak, basma kuvvetleri ile malzeme kırılma noktasına kadar
deformasyona uğratıldığında toz haline gelir. Yiyeceklerde benzer şekilde toz
haline getirilir.
Darbe, aşındırarak öğütme, kesme ve basma mekanizmaları mekanik toz üretim
yöntemlerinde birlikte oluşur. Milimetre ebatlarında toz boyutu için çekiçli kırıcılar
uygundur, fakat 1-100 µm boyut aralığında toz üretmek için karıştırmalı bilyeli
öğütücüler ve diğer öğütme cihazları uygundur. ekil 1’de öğütülmüş demir
borür ve talaşlı imalat ile üretilmiş aluminyumda görüldüğü gibi mekanik
yöntemler ile üretilen tozlar düzensiz şekillidir.
ekil 1
Öğütme
Öğütme sert bilyeler, çubuklar veya çekiçler kullanılarak yapılan mekanik darbe
işlemini kapsar ve gevrek malzemelerden toz üretmede kullanılan klasik bir
yöntemdir. En basit cihaz, ekil 2’de görüldüğü gibi, içersine bilyeler ve öğütülecek
malzeme doldurulan kavanoz öğütücü değirmendir. Kavanoz döndükçe bilyeler toz
malzemeye sürekli çarpar ve daha küçük parçalara ayrılır. Öğütme ile gevrek
malzemelerin kırılması için gerekli darbe gerilmesi (σ) malzemenin kusur yapısına ve
çatlak ilerleme davranışına bağlıdır:
1/ 2
2Er

 D 
σ =
Burada E elastik modül, r kusur boyutu
veya toz içindeki çatlak ucu boyutu ve
D parçacık boyutudur.
ekil 2
Öğütme sırasında boyut küçüldükçe gerekli olan gerilme değeri artar. Sonuçta, belirli
bir işletme şartında öğütme işlemi ile en az bir boyuta ulaşır ve daha uzun süre
çalışılması boyutu değiştirmez. Parçacık boyutu küçüldükçe daha yavaş öğütme
davranışı çok küçük tozların üretiminde değirmenlerin tercih edilmesini önler.
Öğütme bir çok sünek malzeme için kullanışlı değildir, çünkü bu tür
malzemeler kırılarak ufalanma yerine şekil değiştirir veya
topaklanır. Gevrek malzemeler daha kolay öğütüldüklerinden,
malzemeleri gevrekleştirmiş olarak olarak öğütme daha
uygundur. Örneğin, titanyum veya niyobyum hidrojene maruz
kaldığında gevrekleşir ve öğütme sonrasında hidrojen
malzemeden uzaklaştırılır. Birçok malzeme bu şekilde gevrek
tersinir hidrürler oluştururlar. ekil 3’te gösterilen köşeli
niyobyum tozları böyle bir hidrür tekniğiyle öğütülmüş ve sünek
metalden gevrek malzemelere özgü köşeli parçacıklar elde
edilmiştir.
Bilyeli öğütme veya kavanoz içinde öğütmede kavanozun dönme
hızı en fazla darbe hızını sağlayacak şekilde ayarlanır. En
uygun öğütme için;
• Bilye çapı toz çapının yaklaşık 30 katı kadar olmalıdır.
• Bilyeler kavanoz hacminin yaklaşık yarısını doldurmalıdır
• Öğütülecek malzeme kavanoz hacminin yaklaşık %25’ini
doldurmalıdır.
Öğütme ile elde edilen tozlar sert, düzensiz şekilli, zayıf akma ve
paketlenme özelliğine sahip olduğundan öğütme sonrası
tavlama işlemi gerekebilir. Öğütme, toz topaklarının
dağıtılması amacı ile de yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu
işlem genellikle, borürler, nitrürler, oksitler ve intermetallikleri
kapsayan gevrek malzemelere uygulanır.
ekil 3
Elektrolizle Üretim Teknikleri
Bir elektroliz hücresinin katodu üzerinde belirli çalışma şartlarında
element tozları biriktirilebilir. Bu yöntemle üretilen örnek
metaller arasında paladyum, krom, bakır, demir çinko, mangan
ve gümüş sayılabilir. Elektroliz yönteminin ana üstünlüğü
yüksek ürün saflığıdır. Çevrim, ekil 4’te şematik olarak
gösterilen hücreye uygulanan voltaj altında anodun çözünmesi
ile başlar. Bakır ve demir için anot ve katot tepkimeleri şekil
içerisinde verilmiştir. Katot üzerindeki gözenekli birikinti oluşur
ve bu birikinti sıyırılır, yıkanır, kurutulur ve öğütülerek toz haline
getirilir.Daha sonra gerilmeleri azaltmak ve uçucu maddeleri
gidermek amacıyla tavlama işlemi uygulanır.
Elektroliz tekniği ile üretilen tozlar, genellikle dendritik veya
süngerimsi şekillidir. Bakır için tipik elektrolizle toz üretim
şartları Çizelge 1’de verilmiştir. Elektrolizle üretilmiş bakır
tozlarına örnek ekil 5’te gösterilmiştir. Elektrolizle üretilmiş
tozlar genellikle düzensiz şekilli veya dendritik yapıda olup
düşük paketlenme özelliği gösterirler.
ekil 4
Çizelge 1
ekil 5
Katının Gaz ile İndirgenmesi
Kimyasal Üretim Teknikleri
Metal tozu üretmenin klasik bir şekli oksit indirgemesidir. İşlem manyetik yolla
ayrıştırılmış ve ince oksit toz haline öğütülmüş demir oksit örneğinde olduğu
gibi saflaştırılmış bir oksit ile başlar. Oksit, grafit ve kireç taşı gibi indirgeyiciler
ile karıştırılır ve ısıtılır. Bu ilavelerden ortaya çıkan karbon monoksit gibi
gazları içeren reaksiyonlar ile oksit indirgenir. Öğütülmüş oksidin yüksek
sıcaklıkta hidrojene maruz bırakılması da aynı amaca ulaşmak için kullanılan
diğer bir seçenektir. Son ürün ekil 6’dea gösterildiği gibi paketleme
yoğunluğu düşük köşeli tozlardır. Çoğunlukla ürün süngerimsidir ve kırılarak
veya öğütülerek toz haline getirilmesi gerekir. Wolfram veya molibden gibi
ısıya dayanıklı (refrakter) metallerin indirgenmesi için yüksek sıcaklık kullanılır.
Oksitlerin indirgenmesi sırasındaki davranış hem termodinamik ve hem de kinetik
hususlardan dolayı sıcaklığa bağlıdır. Termodinamik husus metal oksidin
ekil 5
indirgeyici gaza karşı ne kadar kararlı olduğu ile ilgilidir. Örnek, FeO gibi bir
oksidin hidrojen ile indirgenmesinde tepkime için enerjinin azalması gereklidir.
FeO (k) + H ( g ) → Fe(k) + H O(g)
2
2
K=
FeO’in hidrojen ile indirgenmesinde yukarıdaki tepkimede
denge sabiti K, PH2 hidrojenin ve PH2O suyun kısmi basınçları
oranı cinsinden ifade edilir. Demir için, oksitlenme ve
indirgenme arasındaki dengenin atmosfer bileşimi ve tepkime
sıcaklığına nasıl bağlı olduğu ekil 6’da gösterilmektedir.
Gösterilen denge çizgisinin üzerinde oksitlenme gerçekleşir.
Denge çizgisinin altında metal kararlıdır ve oksit indirgenmesi
gerekleşir. İçersinde FeO ve H2 bulunan kapalı ve ısıtılmış bir
kapta tepkime denge noktasına kadar devem eder ve durur.
İndirgeme reaksiyonunun devam etmesi için su buharı sürekli
olarak fırından uzaklaştırılır. Böylece hidrojen ile FeO
indirgenmesinde nem uzaklaştırıldığı sürece tepkime sonuna
kadar devam eder.
PH 2O
PH 2
ekil 6
Kinetik endişeler, indirgeyici gazın toz içinde daha derinlere nufüz
etmesi gerektiğinde ortaya çıkar. ekil 7’de gösterildiği üzere
indirgeme tepkimesi eş zamanlı birkaç işleme dayanır. Gaz, saf metal
oluşturmak için tepkimeye girdikçe , tepkime arayüzeyi içeriye doğru
ilerler. Sonuç olarak, oksitin indirgenmesi için yeni gaz malzemenin
içine doğru daha derine nufüz etmelidir veya yayınmalıdır. Benzer
şekilde, tepkime ürünün malzemenin en derin noktasından dışarıya
atılmak üzere yüzeye hızla yayınması gerekir. Genellikle yavaş
yayınım derecesi tepkimenin hızını kontrol eder. Yayınım, ısı ile aktif
hale gelen bir işlem olduğundan yüksek sıcaklıklarda daha hızlıdır ve
genellikle Arhenius tipi davranış gösterir; tepkime hızı J, işlemin
aktivasyon enerjisine (Q) ve sıcaklığa aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibi exponansiyel olarak bağlıdır.
 Q 
J = A exp 
 RT 
ekil 7
Burada A malzeme sabiti olup frekans faktörü
olarak adalandırılır, R gaz sabiti ve T mutlak
sıcaklıktır.
Düşük aktivasyon enerjisi veya yüksek sıcaklık indirgeme hızını artırır.
Tozların üretiminde sıcaklık ana değişkendir. Örnek olarak nikel oksitin
99.98 saflıkta hidrojen içersindeki tepkime hızı 200-800 °C sıcaklık
aralığı için ekil 8’de çizilmiştir. Termodinamik olarak 200 °C altında
elverişli olmasına rağmen tepkime meydana gelmez. Tepkime
hızındaki büyük artış nedeniyle, yüksek sıcaklıklarda süre önemli
ekil 8
derecede kısalır, fakat ürün sinterlenir.
Gaz ile indirgeme Mo, W ve Cu tozlarının üretiminde de
kullanılmaktadır. İndirgeme parametreleri; gaz bileşim, sıcaklık,
tepkime kinetiği ve indirgenen madde yatağı kalınlığıdır.
Isıl Parçalanma
Toz parçacıkları, buhar parçalanması ve biriktirilmesi ile üretilebilir. En yaygın
örnekler, demir karbonil ve nikel karbonil bileşiklerdir. Düşük sıcaklıklarda sıvı
haldeki karboniller ısıtma ile buhar fazına geçer ve aşağıda verilen
parçalanma reaksiyonları neticesinde demir veya nikel parçacıklar elde edilir:
Fe(CO)5 ( g ) → Fe (k) + 5CO (g)
Ni(CO) 5 ( g ) → Ni (k) + 5CO(g)
Elde edilen nikel tozları küçük
parçacık boyutuna sahip olup
yaklaşık %99.5 saflıktadır ve
düzensiz, yuvarlak veya zincir
şeklindedir. ekil 9, karbonil
yöntemi ile üretilmiş küçük parçacık
boyutlu nikel tozlarını
göstermektedir. Tepkime şartlarını
kontrol ederek toz boyutunu 0.2-20
µm arasında elde etmek
mümkündür.
ekil 9
Atomizasyon
•
•
•
Atomizasyon, ergimiş sıvıya ve sıvının damlacıklara parçalanmasına
dayanır. Damlacıklar, katılaşarak parçacık haline gelir.
Ticari atomizasyon üniteleri 400kg/dak üretim hızlarına kadar
çalışabilmektedir.
Yöntem, çoğunlukla metaller, alaşımlar ve metallerarası bileşikler için
kullanılır.
Gaz atomizasyonu
•Hava, azot, argon ve helyumun sıvı metal demetini parçalayan gaz olarak kullanılması gaz
atomizasyonu olarak adlandırılır.
•Donanım tasarımı, ergitilmiş malzemenin besleme mekanizmasına ve ergitme toz toplama
odasının yapısına göre değişiklik gösterir. Bununla birlikte ana fikir, hızlı genleşen gazın
sahip olduğu enerjinin sıvı metal demetine aktarılarak damlacık oluşturulması ve bunların
parçacık olarak katılaşmasıdır. Düşük sıcaklık atomizasyon üniteleri ekil 10’da gösterildiği
gibi yatay olarak tasarlanır.
ekil 10
•
Yüksek sıcaklıkta ergiyen metaller için,
tozların oksitlenmesini önlemek
amacıyla, asal gaz doldurulmuş kapalı
bir oda kullanılır. ekil 11’de düşey
asal gaz atomizasyonu ünitesi şematik
olarak gösterilmiştir. Ergiyik
endüksiyon ocağı ile ergime eğrisinin
çok üzerinde bir sıcaklığa ısıtılarak
(aşırı ısıtma) soğuk nozüle gönderilir.
Aşırı ısıtma, erken katılaşmayı önler,
viskoziteyi azaltır ve atomizasyon
sonrası katılaşma süresini uzatır.
Böylece küresel şekilli parçacıklar elde
edilir.
Gaz atomizasyonu ile üretilen parçacık şekli küreseldir ve genellikle
geniş boyut dağılımlıdır. Fakat, çoğunlukla 10 µm üzeri boyutlarla
sınırlıdır. Gaz atomizasyon yönteminin ana üstünlüğü ürün
homojenliği ve üretilen tozun küresel şekilli olmasının sağladığı iyi
paketlenme ve akış özellikleridir.
Gaz atomizasyon yönteminde çok sayıda değişken vardır: Gaz türü,
ortam atmosferi, sıvı metal sıcaklığı ve nozüle girdiği andaki sıvının
viskozitesi, alaşım türü, sıvı metal akış debisi, gaz basıncı, gaz debisi
ve hızı, nozul geometrisi ve gaz sıcaklığı. Tipik gaz atomizatörü
işletme değişkenlerine örnek olarak Çizelge 2’de nikel esaslı süper
alaşım tozunun üretim değişkenleri verilmiştir.
Teknik, büyük ölçekli olarak pek çok alaşıma uygulanmaktadır; bunlar
arasında çelikler, takım çelikleri, paslanmaz çelikler, alüminyum
alaşımları, nikel alaşımları, değerli metaller (Au,Ag) gibi pek çok
alaşım sayılabilir.
ekil 11
Çizelge 2
Su Atomizasyonu
Ergiyik demetini parçalamak için gaz yerine yağ ve su
içeren sıvı kullanılır. 1600 °C’den düşük sıcaklıklarda
ergiyen, az reaktif malzemeler için suyun kullanımı çok
yaygındır. ekil 12’de çelik veya demir tozu üretiminde
kullanılan su atomizasyonu işlemi örnek olarak
gösterilmiştir. Yüksek basınçlı su jetleri ergiyik
demetinin parçalanmasını ve hızlı katılaşmasını sağlar.
Bu yöntem gaz atomizasyonuna benzer , ancak
parçacıklar daha hızlı soğur ve toz üretimi daha
verimlidir. Hızlı soğuma nedeni ile parçacık şekli
düzensiz ve pürüzlüdür. Atomizasyon öncesi, ergiyik,
ergime eğrisinin çok üzerine ısıtılırsa daha küresel tozlar
elde etmek mümkündür. Oksijen miktarı, su
atomizasyon ile üretilen tozlarda daha fazladır.
Çizelge 4, paslanmaz çelik tozlarının su atomizasyonu ile
üretimi için kullanılan değişkenleri ve tipik değerlerini
göstermektedir. Su atomizasyon işleminde ana değişken
basınçtır. Daha yüksek su basıncı, daha yüksek su hızı
ve daha düşük küçük parçacık boyutu meydana getirir.
Örnek: bir çelik malzeme için:
1.7 Mpa su basıncı, ortalama parçacık boyutu 117 µm
13.8 MPa su basıncı, ortalama parçacık boyutu 42 µm
Çizelge 5, su ve gaz atomizasyon işlemlerinin
karşılaştırmasını vermektedir. Göze çarpan iki önemli
fark toz şekli ve saflığıdır. Eğer, kirlilik zararlı ise
atomizasyon sonrası tozlar hidrojen (oksijen giderme)
veya vakum altında ısıtılarak temizlenebilir. Isıtma
parçacıklar arasında parçacıklar arasında bağ
oluşturacağından öğütme gerekebilir.
ekil 12
Çizelge 4
Çizelge 5
Savurmalı Atomizasyon
Savurmalı atomizasyon, ergiyiğin döndürülmesi sonucu oluşan merkez kaç kuvvet etkisi ile fırlatılan damlacıkların
katılaşması esasına dayanır. Pota ile temasın güçlük yarattığı yüksek sıcaklık malzemeleri veya reaktif
malzemeler için (ör. Ti alaşımları) çok kullanışlı bir yöntemdir. En eski savurma yöntemlerinden birisi döner
elektrot yöntemi olarak bilinir ve şematik olarak ekil 13’de görülmektedir.
ekil 14’de gösterildiği gibi sıvı dönmekte olan katının üzerinde bir tabaka oluşturur. Savurma etkisiyle, sıvı
tabakada şişme ve çubuklaşma olur. Oluşan çubuklar, damlacıklara bölünür ve damlacıklar küresel şekilde
katılaşır. Ancak, yetersiz aşırı ısıtma var ise küresel parçacıklar yerine çubuksu parçacıklar oluşur. Merkezkaç
kuvvetiyle elektrot kenarındaki parçacıkların dengede olduğu kabul edildiğinde, ortalama tane boyutu D50 ve işlem
parametreleri arasında bir bağıntı ortaya çıkar.
 A γ
D50 =  
 ω  ρM R
Burada A bir işlem sabiti, ω açısal hız, γ ergiyik yüzey enerjisi,
ρM ergiyik yoğunluğu ve R elektrot yarı çapıdır.
Elektrot dönme hızının paracık boyutu üzerine önemli etkisi vardır. Elektrot dönme hızı arttıkça parçacık boyutu
azalır. ekil 15, bu yöntemle üretilen tipik küresel tozları göstermektedir. Savurmalı atomizasyon ile yüksek
paketlenme yoğunluğu ve kolay akış özelliklerine sahip temiz ve küresel şekilli tozlar oluşturur.
ekil 13
ekil 14
ekil 15
Çizelge 6
Çizelge 7