METALSEL TOZLARIN FİZİKO-KİMYASAL ÖZELLİKLERİ

METALSEL TOZLARIN FİZİKO-KİMYASAL ÖZELLİKLERİ

Sinterlenen cisimlerin özellikleri kullanılan metalsel tozun kimyasal fiziksel özelliklerine sıkı sıkıya bağlıdır.

2.2.1 Fiziksel özellikleri:Bu özelliklerden en önemlileri yığmadan evvel ve sonraki hacim, tanelerin şekli ve büyüklüğüdür.

a-)Yığmadan evvel ve sonra hacim ve yoğunluk:Yığmadan evvel ve sonraki hacim, imalatın endüstriyel kontrolünde çok kullanılan kaba bir kriterdir. Yığmadan evvelki yoğunluğu bulmak için toz, hacmi bilinen bir kaba doldurulur. Kap hacmi genellikle 100 cm³ alınır. Kap tartılır(boyut: gr/100 cm³). Tozun ağırlığı bulunduktan sonra, yığmadan evvelki yoğunluğu (boyut: gr/1 cm³) bulmak için 1 cm³ tozun ağırlığı hesap edilir. Yığmadan evvelki yoğunluğun tersi yığmadan evvelki özgül hacmi verir (boyut:cm³/1 gr). Bu değer daha ziyade belirli bir miktarda tozu (mesela 100 gr) bir silindire doldurarak ve silindir üzerinden tozun işgal ettiği hacmi okuyarak tayin edilir (boyut: cm³/100 gr).

Yığmadan sonraki hacmi tayin etmek için belirli ağırlıkta toz (tercihen 100 gr) bir silindire doldurulur ve elle veya mekanik bir tertibatla sıkıştırılır. Böylece mümkün olduğu kadar yoğun bir aglomerasyon elde edilir. Tozun işgal ettiği hacim silindirin üzerinden okunur. 1 gr tozun işgal edeceği hacim hesaplanarak yığmadan sonraki özgül hacim bulunur (boyut: cm³/1 gr). Bu değerin tersi yığmadan sonraki özgül kütle veya yığmadan sonraki yoğunluğu verir (boyut:gr/1 cm³).

b-)Tanelerin büyüklüğü ve granülometrik analizi:Metalsel bir tozun tanelerinin boyut ve şekilleri birbirinden farklıdır. Toz metalürjisinde kullanılan tozların tanelerinin boyutları 1ila 4 mikron arasındadır. Granülometrik dağılımı tayin etmek için toz tanelerinin ortalama büyüklüğüne göre elek analizi, mikroskobik muayene vs. gibi farklı usuller tatbik edilir.

Elek analizi:Bu usulle, tanelerin 50 mikrondan büyük olmaları halinde, granülometri hakkında bir fikir edinilebilir. Analizin laboratuarda yapılması için muhtelif boyda elekleri bulunan birçok ticari aletler vardır. Elekler metalsel veya ipek tellerden yapılmıştır. Birim alanda mevcut delik sayısı eleği karakterize eder.

Elek analizinde standart bir ölçü tavsiye edilir. Bunun için 100gr. toz belirli bir zaman sarsılır. Muhtelif eleklerde toplanan tozlar tartılarak granülometrik dağılım elde edilir. Sarsma müddetini değiştirerek yapılan muhtelif analizlerin neticeleri arasındaki farklar, sarsma müddeti uzadıkça azalır. Sarsma müddetini 20 dakika alırsak hata ihmal edilebilir. 3 ila 5 dakikalık bir sarsma neticesinde yapılacak hata da kabul edilebilir.

n tane elek kullanılırsa n+1 sınıfa ayrılır. Genellikle tozu 4 veya5 sınıfa ayırmakla iktifa edilir.

Tablo 2.1 Çeşitli metalsel tozların imal usulleri ve tatbikat sahaları

Usuller	İmalat	Tozlar	Tane şekilleri	Tane ölçüleri	Kullanma yerleri
1 – Mekanik usuller a-Kaba ve ince öğütme I-Bilyalı öğütücülerde öğütme	a-Gevrek madenler	Mn,Cr,Sb,Bi,Co	Gari muntazam şekiller		Sinterlenmiş çelikten makine parçaları
b-Sun’i olarak gevrekleştirilen sünek madenler I-Filizdeki süngerler II-Gevrek elektrolitik malzeme III-Sıcakta haddelenince gevrekleşen	– Fe – Fe – Fe, Ni	Gözenekli kristaller Dantelalı, iğneli şekiller Gayri muntazam şekiller	10 - 100m	Masif nüveler, gözenekli yataklar, makine parçaları vs.
c- Gevrek alaşımlar	Fe-Al, Fe-Al-Ti, Ni-Al, Ni-Ti, Fe-Cr, Fe-Si	Gayri muntazam şekiller	Sinterlenmiş mıknatıslar, demir esaslı sinterlenmiş makine parçaları
II-Helisel öğütücülerde öğütme	(a),(b),(c) gibi ayrıca sünek madenler	Fe, Ni-Fe, Cu, Ag, Al, Ag-Sn	Çanak şeklinde taneler	20 - 400m	Gözenekli yataklar, metallografitik kömür
b-Granülasyon ve pülverizasyon I-Suda granülasyon II-Sıvı metali karıştırarak granülasyon III-Hava veya su buharıyla pülvrizasyon IV-Hava veya su ile santrifüj(D.F.G. usulü)	Sıvı halde sünek olan madenler veya alaşımlar	I-Pb, Fe, Cu, Ag	Glöbüler	100-500m	Metalografitik kömür, gözenekli yataklar, filtreler, sinterli mıknatıslar, makine parçaları, psödo-alaşımları, masif nüveler vs.
II-Al, Cd, Sn, Zn	Glöbüler	250m
III-Al, Cu, Fe	Kısmen Globüler, muntazam şekiller	20-400m
IV-Fe, Cu,Ni, Al, Ag, bronz, pirinç, kompleks tozlar, Pb-Cu, Pb-Ag vs.	Kısmen globüler, gayrı muntazam şekiller
2-Fiziko-kimyasal usuller a-Gaz fazından itibaren I-yoğunlaştırma usulü II-buharlaştırma usulü III-karbonil usul	Ergimiş metal	Zn	Globüler	0,1-10	Gözenekli yataklar, metallografitik kömür, masif nüveler, sinterlenmiş mıknatıslar, saf alaşımlar, sert alaşımlar, filtreler vs.
Ergimiş metal	Pb	Globüler	0,1-5
Karbonil metal	Ni, Fe	Globüler
b-Metalik kombinezonlarla yüksek sıcaklıkta redükleme	Oksitler, mineraller ve organik tuzlar	W, Mo, Fe, Ni, Co, Cu	Dantelalı	0,1-10	Elektrik ampulleri, vakumtüpleri, yüksek sıcaklık için fırnlar, psödo-alaşımlar, sert alaşımlar, sinterlenmiş mıknatıslar, gözenekli yataklar
c-Redükleme I-tuzlu solüsyonlar II-erimiş tuzlar	Ag, Au, Pt, Sn vs. tuzları	Ag, Au, Pt, Sn	Dantelalı, iğneli	0,1-10	Gözenekli yataklar, elektrik kontakları malzemeleri(W-Ag)
Ta, Nb, Ti, Th, Zr, V flüorürleri ve çifte tuzları	Ta, Ti, Nb, Th, Zr, V	Dantelalı, iğneli	0,1-10	Paftalar, vakum vidaları ve kimya endüstrisi malzemeleri
d-Elektroliz I-Sulu solüsyonlar II-Erimiş tuzlar	Fe, Cu, Pb, Sn, vs. tuzları	Fe, Cu, Pb, Sn	İğne şeklinde dendritik	0,1-30	Gözenekli yataklar, metalografik kömür, psödo alaşımları, sinterlenmiş yataklar, masif nüveler, paftalar, vakum malzemesi vs.
Ta, Nb, Ti, Th, Zr, V vs. tuzları	Ta, Nb, Ti, Th, Zr, V	0,-10
e-Metalloidlerle kimyasal reaksiyon	Madenler ve madensel oksitler	W, Mo, Nb, Ti vs. karbürleri, nitrürleri, silisürleri,	Kısmi aglomera	1-50	Sert mamuller, sert-alaşımlar

Mikroskobik analiz:50 mikrondan küçük tanelerin büyüklük ve dağılımını veren yegane

direkt metot olan mikroskobik analiz sayesinde tanelerin hakiki boyutları, belirli bir miktar

toz içindeki tane sayısı tespit edilir. Bu metot aynı zamanda tanelerin şekli hakkında kati bilgiler de verir.

Tanelerin boyutlarını ölçmek için toz ince bir tabaka halinde bir levha üzerine yayılır veya özel bir malzeme içine gömülür. Mesela volfram tozu bakır veya bronz tozu ile karıştırılıp sinterlenir veya bakırın veya bronzun ergime noktasına kadar ısıtılır. Gömme işleminin saydam (Plexiglass gibi) plastik malzeme içinde yapılması çok pratiktir. Plastik malzemenin tozu ile incelenen metalsel toz karıştırılarak elde edilen karışım takriben 150° sıcaklıkta preslenir. Bu şekilde hazırlanan malzeme adi bir metalografik preparat gibi muamele edilir. Partiküllerin boyutları direkt olarak ölçüldüğü gibi, görüş alanı içindeki bir bölgede mevcut partiküllerin sayısı da tespit edilir. Bu son halde, yardımcı maddenin belirli bir hacmi içindeki toz miktarından hareketle tanelerin büyüklüğü hesap edilebilir. Hakiki D çapı ile, ölçülen ortalama d çapı arasındaki bağıntı aşağıdaki gibi olur:

c-)Tanelerin şekli:Tanelerin şekli ve yüzeysel yapıları tozun sıkıştırılabilme özellikleri üzerine çok tesir eder. Partiküllerin şekli tozun hazırlanışına bağlıdır.

Mekanik usullerle hazırlanan metalsel tozların şekilleri küresel olmaktan çok uzaktır.Lamel şeklinde olan partiküllerin kenarları gayrı muntazam ve dantelli olup genişlik ve uzunlukları genellikle kalınlıklarından daha büyüktür.

Granülasyon ve pülverizasyonla elde edilen veya bir gaz fazından itibaren hazırlanan tozların şekilleri genellikle küreseldir. Bunların yüzeyleri düz ve muntazam (karbonil metaller, çinko, kurşun) olabileceği gibi, pürtüklü ve çatlak (Alüminyum, demir) da olabilir.

Metalsel bir terkibin yüksek sıcaklıkta redüklenmesi ile veya erimiş veya ergitilmiş bir tuzun redüklenmesi ile hazırlanan tozların taneleri iğne şeklinde olup sünger gibi yapıları vardır. Elektronik mikroskopla bakılınca, bu tozlar bir “Kaktüs” görünüşünü andırırlar. Bunun sebebi iğne şeklinde kristallerin mevcudiyetidir. Bu iğneler en büyük kristallere saplanmışlardır.

Elektrolize hazırlanan metalsel tozların “Fujer” şeklinde dendritik yapıları vardır. Redükeme ve elektrolize hazırlanan tozların dış görünüşleri arasında bir benzerlik vardır.

Alçak sıcaklıkta hazırlanan sert mamul tozlarının tane şekilleri temel metallerin tozlarının tane şekillerine benzer. Yüksek sıcaklıkta hazırlanan sert maddelerin tozları genellikle mekanik olarak öğütülmesi gerekir. Bunların mikroskobik görünüşleri sert taş parçacıklarına benzer.

d-)Akma faktörü: Bu faktör, gözenekli yatak imalatçıları tarafından tayin edilen ve sıvıların viskozitesine benzeyen bir büyüklüktür. Bu büyüklük tepe açısı belirli, konik bir kabın alt kısmında açılan bir delikten birim zamanda geçen toz miktarıyla ölçülür. Akma faktörü, yatak malzemelerinin imalinde sık sık kullanılan mekanik preslerin çalışma intizamının tayininde mühim rol oynar. Bu faktör, ölçüldüğü yerin sıcaklığına ve rutubet durumuna göre değişir.

e-)Tozların sıkıştırılabilmesi: Yukarda incelenen fiziksel özellikler, tozların preslenmesinde büyük rol oynayan faktörlerdir. Tozun preslenme esnasındaki hareketi, şekil verilebilme özelliğine (yani presleme ile elde edilen parçanın şekil ve kenarlarının kararlılığına) ve sıkıştırma endisi’ne (yani bir basınç tatbikiyle elde edilen numunenin yoğunluğuna) tabidir. Şekil verebilme özelliği herhangi şekilli parçalar üzerinde tayin edilebilir. Granüle tozdan mamul (mesela karbonil demir tozu) preslenmiş malzemenin sıkıştırma endisi nispeten büyük; şekil ve açıların muhafaza edilme özelliği ise kötüdür. Dolayısıyla bu malzemeler, sıkıştırmadan sonra dikkatle kullanılmalıdır.

2.2.2 Kimyasal özellikler:Metalsel tozların en önemli kimyasal özellikleri saflıklarıdır. Saflık adi kimyasal analizle tayin edilebilir ve sinterlenmiş cisimlerin imalatına ve bilhassa özelliklerine birinci derecede tesir eder. Metalsel tozların saflığı büyük ölçüde temel maddelerin sağlığına bağlıdır . Mesela kendi oksitlerinin hidrojenle redüklenmesiyle elde dilen volfram, kobalt ve demir tozlarının saflığı, pratik olarak, kullanılan oksidin saflığındadır.

Oksijen ve karbon gibi gayri safiyetlerin malzeme içinde ne şekilde bulundukları da önemlidir. Mesela oksijen levhaları, erimiş oksit veya absorbe edilmiş gazlar halinde bulunabilir. Oksitlerin redüklenmesi ile hazırlanan metalsel tozlar genellikle muntazam oksit enlüzyonları (kalıntı) ihtiva ederler. Elektroliz, granülasyon veya pülverizasyonla elde edilen tozlardan oksijen genellikle oksit enlüzyonları halinde bulunur. Karbon ise serbest karbon (grafit), karbür veya katı solüsyon hallerinde bulunur.

Mekanik olarak hazırlanmış metalsel tozlar öğütücü organlarından ileri gelen gayrı safiyetler ihtiva ederler (demir, manganez, karbon vs.). Mesela sert alaşımların imalinde kullanılan sert mamullerin veya bir karbürle bir yardımcı metal karışımının ince tozları, %0,5 ila 1,5 demir ihtiva ederler. Elektrolize hazırlanan metalsel tozlar çok saftır; toplam gayrı safiyet %2 yi geçmez. Karbonil tozların ihtiva ettikleri oksijen ve karbon miktarı %1,5’e kadar yükselebilir. Karbon monoksitin dekompozisyonundan ileri gelen bu gayrı safiyetler tozun bir ön ısıtma ameliyesinden sonra sinterlenmesiyle elimine edilebilirler. Demirde bulunan kükürt, fosfor, manganez silisyum gibi gayrı safiyetler tozlarda bulunmazlar. Granülasyonla elde edilen tozların kimyasal bileşimi ergiyen metalin bileşimine tekabül eder. Bunların ihtiva ettikleri oksit filmleri hidrojen içinde yapılan bir tretmanla elimine edilirler.

Metalsel bir tozun kimyasal kararlılığı yüzeyi çok büyük olduğundan topak metalin kararlılığından çok daha azdır. Mesela tel veya yaprak halinde bulunan tantal, asitlere iyi dayanan metallerden sayıldığı halde toz halinde, kloridrik asit, sülfürik asit ve nitrik asit tarafından nispeten daha kolaylıkla etkilenir. Metalsel tozların, havada bir oksit tabakasıyla kaplanmaya, örtülmeye temayülleri de yüzeylerinin büyük olmasıyla izah edilebilir. Su buharı da ince metalsel tozlar tarafından kolaylıkla absorbe edilir (yüzeye yapışır). Metalsel karbürlerin imali gibi bazı hallerde, ince tozların kimyasal afiniteleri bir avantaj teşkil eder. Volfram, hidrojen içinde, 1400°ila 1600° arasında kömür veya grafitle karbür vermediği halde, volfram tozu-is karışımı, 1250° nin üzerinde ısıtılarak kolayca volfram karbür elde edilebilir.

Birçok hallerde tozlarda bazı gayrı safiyetlerin bulunmasına müsaade edildiği gibi, sinterlenen malzemenin tozlarına bilhassa yabancı maddeler katılır. Mesela elektrik ampullerinde kullanılan volfram tellerinde yeniden billurlaşmayı önlemek için saf volfram tozuna toryum veya alüminyum oksit ilave edilir.

Metalsel tozların renkleri kimyasal bileşimlerine, bilhassa ihtiva ettikleri oksijen miktarına bağlıdır. Elektrolize hazırlanmış bakır tozu, genellikle başlangıçta bakırın tipik kırmızı rengindedir. Fakat, elektrolitin elimine edilmesi ve yüzeysel kurutmadan sonra, bakır tozu oksidasyona uğrayarak parlaklığını kaybeder ve kırmızı-kahverengi bir renk alır. Redükleme ile hazırlanarak billurlaşmış ve oksijen ihtiva etmeyen volfram tozu açık gri renkte, alçak sıcaklıkta redüklenen ve çok az oksijen ihtiva eden tozun rengi koyu gri ile siyah arasındadır. Tozun rengi tanelerin büyüklüğüne de çok bağlıdır. Eşit miktarda oksijen ihtiva eden tozlardan ince öğütülmüş olanları kaba öğütülenlerden daha koyudur.

Çok miktarda 1 mikrondan küçük partiküller ihtiva eden ince metalsel tozlar piroforik özellikler gösterirler. Bu özellikler bir taraftan tozun geniş yüzeyine dolayısıyla büyük kimyasal afinitesine, diğer taraftan metalsel oksitlere bağlıdır.

Oksalatın redüklenmesiyle elde edilen tozların ani tutuşma özellikleri bilhassa kobalt, nikel ve demir tozlarında görülür. Bu piroforik özellikler, yeni redüklenen tozun karbon dioksitle soğutulması veya redüklemenin grafit sepetlerde yapılmasıyla önlenir. Tozun kendi kendine tutuşması ise redüklemenin tekrar edilmesiyle önlenir.

Yukarda bahsi geçen bütün kimyasal özelliklerin, metalsel tozların sinterlemede kullanılabilmelerine büyük tesirleri vardır. Oksijen, karbon, kükürt, fosfor, demir vs. gibi gayrı safiyetlere ve karbon dioksit, su buharı vs. gibi absorbe edilmiş gazlara büyük ehemmiyet verilmelidir.