İleri Teknolojik Seramikler-5

YAPISAL SERAMİK MALZEME
TEKNOLOJİSİ-4
Şekillendirme Yöntemleri
Yrd. Doç. Dr. Nuray Canikoğlu
Seramik ürünler çok çeşitli malzemelerden yapılır. Bu
ürünler uygulama ve şekil açısından çeşitlilik gösterir.
Bu yüzden bunları yapmak için kullanılan üretim
yöntemleri de çeşitlidir.
Ana süreç dört aşamada özetlenebilir:
Bünyeyi hazırlama (toz seçimi, bünyenin karıştırılması
ve bünyenin kurutulması),
Şekillendirme,
Kurutma ve
Sinterleme.
•
•
•
•
•
•
2
•
Yüksek performans seramik ürünler homojen mikroyapılı,
çok az gözenekli ve yüksek yoğunlukta bünyelerden
yapılır.
•
Böyle yüksek kalitede ürünler elde etmek için, başlangıç
malzemelerinin seçimi ve kontrolü çok önemlidir.
•
Yüksek yoğunlukta sinter parça elde etmek için ince
taneli ve yüksek saflıkta tozlar kullanmak gereklidir.
•
Ayrıca yardımcı bileşenler ile ana bileşenler çok iyi
karıştırılmalıdır.
3
A. Toz seçimi
•
Seramik tozunun hazırlanmasında kullanılan en yaygın
yöntem iri hammadde parçalarını mekanik öğütme ve
sınıflandırma ile ince toz haline getirmektir.
•
Öğütücüler çok çeşitli olmakla birlikte bilyalı öğütücüler
ve sarsıntılı öğütücüler mikron seviyesinde tane boyutuna
ulaşmak için en uygun olanlarıdır.
•
Yoğun malzeme elde etmek için tane büyüklüğü ve
homojen dağılımı çok önemlidir.
4
B. Bünyenin Karıştırılması

Tozları, ana ve yardımcı bileşenleri karıştırmak, bünyeyi
hazırlamak için kuru ve yaş olmak üzere iki yöntem vardır.

İleri teknolojik seramikler alanında, mikron ve mikronaltı
büyüklüğündeki tozlar için daha verimli ve güvenilir olanı
yaş yöntemdir. Başlangıç malzemesinin öğütülmesi ve
bünyenin karıştırılması aynı anda yapılmaktadır.

Yaş yöntemde kullanılan çözücü genellikle sudur. Fakat
silisyum nitrür ve silisyum karbür gibi oksit dışı
malzemelerin oksitlenmesini önlemek için organik çözücüler
de kullanılır.
5

Bilyalı öğütücü en çok kullanılan karıştırma cihazıdır. Bilyalardan ve
öğütme kabının iç kaplama seramiğinden kopacak parçalar
malzemeyi kirleteceğinden, öğütülen malzemenin cinsinden
seramik bilya ve iç kaplama malzemesi kullanılması tercih edilir.
bilyalı değirmenin içi
bilyalı değirmen
Zirkonya
bilya
6
C. Bünyenin Kurutulması
Yaş yöntemle elde edilen bünyenin kurutulmasında
kullanılan en yaygın yöntem püskürtmeli (spray)
kurutucudur.
Bu yöntem uygun kurutma yöntemi olmasının yanında aynı
zamanda toz kalıplamada tozda istenilen akıcılığı da
sağlamaktadır.
Burada prensip olarak, yüksek hızda dönen disk şeklinde bir
memeden püskürtülen çamurun bulunduğu bir sarsıntılı
siloya sıcak hava gönderilir. Buğu halindeki malzeme
damlacıkları sıcak hava ile taşınarak silonun dibine kuru
granüller olarak düşer ve oradan alınırlar. Bunları
kurutmakta kullanılan hava nemli olacağından silonun alt
kısmından dışarı alınır.



7
8
•
Slip Döküm
–
–
–
•
Kuru presleme
–
•
–
•
•
9
•
Sıcak presleme
İzostatik presleme
–
•
Açık döküm
Dolu döküm
Basınçlı döküm
Sıcak izostatik pres
Soğuk izostatik pres
Ekstrüzyon
Enjeksiyon
Şerit döküm
Plazma kaplama
•
Slip döküm seramiğe has bir kalıplama yöntemi olup çok
uzun bir kullanım tarihine sahiptir.
•
Slip döküm ile şekillendirme prosesinde, hazırlanan çamur,
alçı kalıplara dökülmektedir. Çamurdaki su, gözenekli alçı
kalıp tarafından emilmektedir. Slip dökümde çamur,
seramik toz, sıvı (su veya organik) ve prosese yardımcı
olacak katkılar bilyalı öğütücü veya bir başka karıştırıcıda
karıştırılarak hazırlanır. Bu şekilde en yüksek oranda katı
içeren ve yeterli akıcılığa sahip çamur hazırlanmış olur.
10

Slip döküm ile şekillendirmede kalıp olarak, alçıdan
yapılan, tek veya çok parçalı kalıplar kullanılır. Kalıp
şekline getirilmiş alçı maddesinin gözenekli oluşu
nedeni ile, kalıbın su emme yeteneği, kalıbın içine
dökülen döküm çamurunun suyunu emerek,
şekillendirme işlemini, herhangi bir yardımcı alet
olmaksızın sürdürür.
11
•
Slip hazırlamada kullanılan tozun tane iriliği ve dağılımı
önemli faktörler olduğundan iyi kontrol edilmesi ve
aglomerasyonun olmaması istenir. Bunu sağlamak için slip
birkaç saat süreli ultrasonik işlemden geçirilmeli, iyi bir asıltı
elde edilmesi için uygun elektrolit ilavesi yapılmalıdır.
•
Bu yöntem, basit bir yöntem olup esas olarak her boyut ve
şekildeki parça üretimi için uygundur. Ancak, pişme
esnasında çekme miktarı tipik olarak %25-30 mertebesinde
olup; bu durum nihai ürünün boyut tahmininde güçlük
yaratmaktadır.
12
13
Açık Döküm
14
Dolu Döküm
Kuru presleme basit şekilli
katı partikülleri
şekillendirmek için idealdir
ve 3 adımda gerçekleşir:
1. kalıbın doldurulması,
2. preslemenin
gerçekleştirilmesi,
3. preslenen katı
parçanın kalıptan
çıkartılması
15



Preslenen toz boyut dağılımı 20-200µm arasında
olmalıdır. Kullanılan basınç 300 MPa kadar yüksek olabilir.
Kuru presleme ile seramiklerin şekillendirilmesi
ekipmanların ucuz oluşu ve kolay uygulanabilirliği
yüzünden yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.
Conta ve nozul gibi küçük parçalar bu yöntem ile
dakikada yüzlerce üretilebilmektedir. Ayrıca küçük düz
şekilli yalıtıcılar veya kesici uçlar da dakikada binlerce
üretilmektedir.
Kuru presleme ile kuruma büzülmesi oluşmaz; bu sayede
kuruma süresi ortadan kaldırılır ve son üründe iyi bir
boyutsal doğruluk elde edilir.
16
Sıcak Presleme
Yüksek sıcaklıkta
yapılması hariç Kuru
presleme’ye benzer
şekilde, ürünün
sinterlenmesi,
presleme ile aynı anda
yapılır.
• Bu işlem, ayrı bir fırınlama aşamasına olan ihtiyacı
ortadan kaldırır.
• Daha yüksek yoğunluklar ve daha ince tane boyutları
elde edilir; ancak kalıp yüzeylerine karşı etkiyen sıcak
aşındırıcı parçacıklar nedeniyle kalıp ömrü kısalır.
17
Sıcak presleme ile üretilen yapısal ürünler
Ürün
Seramik zırh
Kesici takım
Motor parçası
Kalıplar
18
Kullanılan Malzeme
B4C, TiB2, SiC, Al2O3
Si3N4, TiC, Si3N4-AlN-Al2O3
Si3N4, SiC
Al2O3-SiC kompozit, SiC,
Al2O3
İzostatik presleme esnek bir kalıp içersindeki tozlara
hidrostatik basınç uygulanması ile gerçekleşir.
Bu sayede geleneksel eşeksenli sıkıştırmada sık sık
gözlenen, son üründeki üniformluğun bozukluğu
problemi ortadan kalkmış olur.
19
1.Soğuk İzostatik Presleme (CIP)
•
Bu yöntemde toz malzemeler kalıp olarak hizmet eden esnek
bir elastik kap içerisine yerleştirilir. Kalıp basınç kabının içindeki
bir sıvı ortamına daldırılır ve böylece sıvıya uygulanan yüksek
basınç sıvı yardımıyla sıkıştırılacak tozlara iletilerek, tozlar
üzerinde bir hidrostatik basınç oluşturulur. Daha sonra kalıp
basınç kabından çıkarılarak her bir parçanın kalıptan boşaltılması
sağlanır.
Sıvı ortam olarak su veya yağ
kullanılabilir.
•
20

21
Soğuk İzostatik Presleme ile ateşleme bujisi yıllardır
üretilmektedir.
Şekil. CIP cihazı
Alümina vida
2. Sıcak İzostatik Presleme (HIP)
•
•
•
Seramik ürünlerindeki yoğunluğu arttırmak için genellikle
sıcak preslemeye başvurulur.
Sıcak izostatik preslemenin önemi gün geçtikçe artmakta
olup; klasik yöntemlerle poroziteyi ortadan kaldırabilmek
için gereğinden yüksek sıcaklık ve basınç altında uzun süre
malzemeyi tutmak yerine daha düşük sıcaklıklarda ve kısa
sürede işlem tamamlanmaktadır. Bu sayede hem
mikroyapının tane boyutu küçük olmakta hem de enerji
tasarrufu sağlanmaktadır.
Günümüzde HIP prosesi, nükleer yakıtın, refrakter
malzemelerin, seramik kompozitlerin ve süper alaşımların
üretiminde kullanılmaktadır.
22
Sıcak İzostatik Presleme ile oksit dışı seramikler ilavelere gerek
kalmadan yüksek yoğunlukta üretilebilmektedir. Ayrıca BaTiO3 ve SrTiO3
gibi parçalar da HIP ile üretilmektedir.
Şekil. HIP cihazı
23
24
•
Ekstrüzyon yöntemi, boru, çubuk, profil gibi ürünlerin üretimi
için tek yöntemdir. Her çeşit seramik kompozisyon veya
karışım, uygun bağlayıcı sistemiyle şekillendirilebilmektedir.
25
26
Şekil a. Tek vidalı, b. Çift vidalı zıt yönde, c. Çift
vidalı aynı yönde dönen ekstrüder
Şekil a.)Ektrüzyon ile çubuk
ve b.) tüp üretimi
27
•
•
Ekstrüzyon, enjeksiyon kalıplama gibi bir plastik
şekillendirme yöntemi olup; seramik malzeme ekstrüzyon
sırasında kalıbı doldurabilecek kadar akıcı olmalı ve
ekstrüzyon sonrası yeterli yaş mukavemete sahip olmalıdır.
Seramik tozları, yeterli plastisiteyi sağlamak amacı ile ilave
edilen % 25-30 mertebesinde organik bağlayıcı ve nem
ayarı ile arzu edilen boyutlarda metallerde olduğu gibi
ekstrüzyona tabi tutulur.
Ekstrüzyon çamurunda seramik toz, bağlayıcı, yağlayıcı,
dağıtıcı ve diğer katkı maddeleri bulunur. Burada en
önemli parametre seramik tozu olup, tozun tane iriliği ve
dağılımı, şekli ve aglomerasyonu çok önemlidir.
28

Ekstrüzyon yöntemi ile alümina, müllit, zirkonyadan fırın
tüpleri, yalıtım malzemeleri, tüp şeklindeki kapasitörler,
çubuk gibi sabit kesitli ve simetriye sahip ürünler
üretilebilir.

Bağlayıcılar: Selüloz, mum, su, cam suyu, polivinil bütiril,
polivinil alkol,polietilen glikol, polipropilen…

Yağlayıcılar: stearik asit, aliminyum stearat, çinko
stearat, talk,…

Plastikleştiriciler: polietilen, glikol, gliserin,…
29

Plastik bir şekillendirme yöntemi olarak enjeksiyonla
kalıplama tekniği kompleks şekilli ve ince cidarlı parçaların
ekonomik ve hızlı olarak üretilmesini sağlayan bir
yöntemdir.
30

Bir seramik toz-bağlayıcı karışımının bağlayıcı eriyene
kadar ısıtılması ve daha sonra parçanın istenen şekli
aldığı ve yeniden katılaştığı bir kalıp boşluğu içerisine
basınçla doldurulması enjeksiyon kalıplama yönteminin
temel prensibini oluşturur.

Doldurulmuş kalıbın soğutulması ile katılaştırılan
polimer-seramik karışımından polimerin kontrollü
şartlar altında uzaklaştırılması ile sinterlemeye hazır,
kompleks nihai şekilli parçalar elde edilir.
31

Enjeksiyonla kalıplama yönteminin başlıca
kademeleri;
 Seramik
tozun hazırlanması ve bağlayıcı
formülasyonunun çıkarılması
 Homojen bir toz/bağlayıcı karışımının hazırlanması
 Enjeksiyon kalıplama
 Şekillendirilmiş parçadan bağlayıcının
uzaklaştırılması
 Parçanın sinterlenmesi
32
Bağlayıcılar (termoplastik) Polipropilen, etilen vinil asetat, vakslar,
polibütan, polietilen
Bağlayıcılar (termoset)
Epoksi reçine, naylon, fenol formaldehit
Bağlayıcılar
Metil selüloz, hidroksietil selüloz
(suda çözünebilen)
Plastikleştiriciler
Hafif yağlar, polietilen glikol, bütil stearit
Yağlayıcılar
Stearik asit, oleik asit, parafin vaks
33
•
Yapısal amaçlı kompleks ve karmaşık şekilli, aşınmaya veya
ısıya dayanıklı parça üretimi için kullanılır.
•
Genel olarak enjeksiyon kalıplamada kullanılan tozlar:
ZrO2, Al2O3, TiO2, Si3N4 ve SiC’dür. Bu tozların tane
boyutları 1-20m mertebesindedir.
•
Aşınma direnci yüksek nozullar, ateşleme sistemlerindeki
izolasyon parçaları, elektrostatik toz boya sistemlerinde
kullanılan seramik parçalar, türbin kanatları, v.s
üretilmektedir.
34
İşlemler üretim ölçeğinde içinde hareketli bir konveyör sistemi, hava üfleyen
kurutma sistemi, ısıtıcı sistemi, döküm ünitesi, şeridi sıyıran sistem ve şeridi saran
makara ihtiva eden sürekli döküm makinesinde gerçekleştirilir. Kurutma işleminden
sonra, şerit ya makaraya sarılır veya kullanım amacına uygun boyutlarda kesilir.
35
Şekil (a) ve (b). Şerit döküm
cihazı
Şerit döküm seramik
altlıkların, kapasitörlerin ve
çok katmanlı kompozitlerin
hazırlanması için
geliştirilmiştir.
36
•
Önce seramik toz, çözücü, dağıtıcı ve yüzey ıslatıcı
maddeler 24 saat karıştırılarak düşük viskoziteli çamur
elde edilir. Daha sonraki karıştırma ve homojenleştirme
aşamasında plastisiteyi arttırıcı katkı maddeleri ve
bağlayıcı malzeme katılarak 24 saat daha karıştırma işlemi
yapılır. İki aşamalı karıştırma dağılımın iyi olması ve
bağlayıcı sistemin özelliklerinin bozulmasını önlemek için
uygulanır. Karıştırma işlemi sonunda çamur ısıtılır, süzülür,
havası alınarak çözücüde çözünmeyen, düz bir yüzeye
yayılır ve solvent uçurularak bünyeden uzaklaşması
sağlanır.
37

Temelde metalik ve metalik olmayan altlık malzemelerin seramik
esaslı bir malzeme ile kaplanmasında kullanılan plazma püskürtme,
bir yüzey tekniği olmakla birlikte; tüp, boru, pota, sensör gibi
seramik esaslı şekilli parçaların istenilen boyutlarda üretilmesini de
mümkün kılar.

Laboratuar için yalıtım tüpleri, sanayi tipi fırınlarda, ısıtma
ünitelerinde, yatay, dikey ve döner tüp fırınlarında, demir dışı metal
ergitme potalarında, enjeksiyon tüplerinde, rulman yataklarında,
döküm potalarında ve baca gazı iletim boruları diğer örneklerdir.

Geleneksel üretim metodlarından farklı olarak plazma ile
şekillendirmede kalıp tasarımı, presleme-döküm ve yüzey
işlemlerine ihtiyaç duyulmamaktadır.
38
39

Plazma püskürtmede anodik polarize edilmiş (genellikle
Cu) silindirik formda su ile soğutulan plazma üfleci ile
toryumlu tungstenden imal edilmiş konik formda bir
katod arasında ark oluşturulur. Bu arkın içinden Ar, He, N2,
H2 veya bunların karışımlarını
içeren gaz geçirilir.
Proseste, katottan yayılan serbest elektronlar, anoda
doğru hızla ilerlerken plazma gazlarının atomları veya
molekülleri ile çarpışmaktadır. Bu çarpma momenti
etkisiyle plazma gazları iyonize olarak pozitif iyon ve
negatif elektronlara ayrılmaktadır. Genişleyen gaz alev
şeklinde üfleçten çıkar ve plazma çekirdeğinde kaplama
tekniğine bağlı olarak
yaklaşık 10.000-25.000oC
sıcaklıklara ulaşılır.
40
41
42
•
Plazma sprey kaplamalarda, kaplama işlemi esnasında
kaplamanın çatlamasına veya ana malzemeden ayrılmasına yol
açan basma ve çekme iç gerilmeleri meydana gelmektedir.
•
Bu iç gerilmelere; sprey malzemesinin üniform olmayan
dağılımı, kaplama ile ana malzeme arasındaki termal genleşme
farklılığı, ana malzemenin üniform olmayan bir şekilde
ısıtılmasıyla yine ana malzemenin şekil ve boyut özellikleri
neden olmaktadır.
•
Ara tabaka uygulaması ve sprey esnasında ana malzemenin ön
ısıtılması veya soğutulması ile bu iç gerilmeler azaltılabilir.
43
•
Plazma püskürtme tekniğinin en büyük pazar alanı uçak ve
uzay endüstrisi olup; otuz yıldan daha fazla bir süredir
plazma
püskürtme
havacılık
teknolojisinde
kullanılmaktadır. Plazma püskürtme konusundaki mevcut
uygulamalar vakum altında kaplama ile önemli ölçüde
gelişmiştir. Türbin kanatçıklarının ve aktarma dişlilerinin
kaplanması yanında piston yüzeyleri, subap başları, silindir
kapaklarında termal bariyer amaçlı kaplamalar da
yapılmaktadır. Tekstil endüstrisi, kağıt endüstrisi, tıbbi
uygulamalar, toz metalurjisi, otomobil endüstrisi plazma
püskürtme tekniğinin diğer uygulama alanıdır.
44