SİNTERLEME

SİNTERLEME

Soğukta presleme veya yığma ile elde edilen parçalar itinalı bir ısıl işleme tabi tutulmalıdır. Bu ısıl işlem veya sinterleme, toz partiküllerinin mekanik olarak tuğla gibi dizilmeleri ve yapışmalarıyla metalsel bir parça veya kompakt bir alaşım vermelidir. Tek bileşenli sistemlerde genellikle sinterleme sıcaklığı olarak metalin mutlak ergime sıcaklığının 2/3 ve 4/5 i alınır ; birden fazla bileşenli sistemlerde ise sinterleme genellikle ergime sıcaklığı en düşük olan bileşenlerin ergime sıcaklığının üstünde yapılır. Gözenekli bronzlar ve bronzlara benzeyen alaşımlar 600º ila 800º arasında, demir grubu metallerin alaşımları ise 1000º ila 1300º arasında, sert alaşımlar 1400º ila 1600º arasında, refrakter metaller (molibden, volfram, tantal) 2000º ila 2900º arasında sinterlenirler. Sinterleme sıcaklığı gibi, sinterleme müddeti de kullanılan malzemeye göre değişir. Elmas alaşımları ve refrakter metaller için yarım saatten az bir zaman çoğu halde kafidir. Sert alaşımlar ve mıknatıs alaşımlarında olduğu gibi birçok hallerde de birkaç saat süren bir sinterleme tatbik edilmelidir. Sinterleme zamanı ve sıcaklığı arasında basit bir bağıntı vardır. Sinterleme sıcaklığı yükseldikçe sinterleme zamanı kısalır; aksine olarak alçak bir sinterleme sıcaklığı sinterleme zamanının uzamasına sebep olur.

Sinterleme sıcaklığının 1050º civarında olması halinde nikel-krom veya demir-krom-alüminyum rezistanslı elektrik fırınları kafi gelir. 1350º ye kadar silit çubuklu fırınlar kullanılır. Daha yüksek sıcaklıklar için (1000º ila 1600º) molibden rezistanslı fırınlar, 1800º ve daha yüksek sıcaklıklar için ise yüksek frekanslı veya kısa devreli karbon tüplü fırınlar kullanılır. Karbon tüplü fırınlar, karbon monoksit mevcudiyetinin zararlı tesirleri olmadığı hallerde kullanılır. Molibden, volfram, tantal gibi refrakter metallerin sinterlenmesinde 2000º lik sıcaklık dahi kafi gelmediğinden, bu metaller hidrojen dolu sinter çantaları içinde sinterlenirler. Burada sinterlenecek parçadan akım geçirilir. Harcanan güç sinterlenen parçanın ergimesi için gereken %10 kadar daha azdır. Sinterlenen malzemenin oksitlenmesini önleyecek tedbirler alındığı taktirde gazla ısıtılan fırınlardan da faydalanılabilir.

Aşağıda sinterlenen malzemeler için tatminkar sonuçlar veren fırınlar gösterilmiştir :

Demir veya bronz gözenekli yataklar için : Nikel-krom, demir-alüminyum, molibden ve silisyum karbürlü fırınlar.

Sert alaşımlar için : Kısa devreli karbon tüplü fırınlar, vakumlu yüksek frekans fırınlar veya A.B.D. de molibden rezistanslı özel fırınlar.

Sinter mıknatıslar ve elmas alaşımları için : Molibden rezistanslı fırınlar veya kısa devreli karbon tüplü fırınlar.

a) Muflalı fırınlar:600º ila 1050º arasında muflalı fırınlar kullanılır. Bu fırında rezistans spiral şeklinde olup malzemeyi her taraftan aynı zamanda ısıtmaktadır. Kalorifüj o şekilde olmalıdır ki fırın içindeki sıcaklık farkları birkaç dereceden az olsun. Dolayısıyla, ısı başlıca ışınma yoluyla iletildiğinden bilhassa masif parçaların sinterlenmesinde, sıcaklığın yükselmesi yavaş olmalıdır. Isıtma esnasında oksijen ve karbondioksit bulunmamalıdır. Çoğu kere en uygun koruyucu gaz hidrojendir. İstisnai hallerde işlem vakumda da yapılabilir.

b) Potalı fırınlar: Bu tip fırınlar muflalı fırınların özel bir modelidir. Bu fırının ısıtılması halka şeklinde molibden rezistanslarla sağlanmaktadır. Bu tip fırınlar bilhassa 1050º ila 1400º arasında kullanılırlar.

Muflalı ve potalı fırınların mahzurları, devamlı çalışmamaları ve dolayısıyla her yüklemede fırına depo edilmiş ısının kaybolmasıdır. Soğumayı hızlandırmak için fırından çıkan koruyucu gaz bir soğutucudan geçirildikten sonra tekrar fırına yollanır.

c) Çanlı fırın: Yukarıda sözü edilen fırınlara nazaran birçok teknik avantajlara sahiptir. Bilhassa 600º ila 1100º arasında kullanılan bu fırın başlıca bir temelinden bir refrakter ara-çanından ve bir ısıtma çanından meydana gelir. Çanı bir nikel-krom veya demir-krom-alüminyum sargılarını haizdir. Isıl işlemden evvel, içine sinterlenecek parça konmuş, sızdırmazlık tedbirleri alınmış, ara-çana koruyucu gaz sevk edilir. Sinterleme sonunda ısıtma çanı kaldırılıp, önceden yüklenmiş başka bir ara-çan üzerine yerleştirilebilir. Bu şekilde, ısıtma çanı içinde depo edilmiş olan ısı enerjisinin kaybolması önlenir.

d) Sürekli fırınlar: Sürekli fırınların kullanılması daha iyi bir ısıl randıman sağlar. Bu fırınlarda, rezistanslar doğrudan doğruya rezistanslı bu fırınlarla 1000º ye kadar olan sinterleme sıcaklıklarına erişilebilir. Molibdenli rezistanslarda sıcaklık 1500º ye kadar çıkabilir. Isı iletimi direkt ışınma yoluyla olur. Molibden´in yüksek ergime sıcaklığı sebebiyle (2700º), rezistanslar muhtemel bir fazla ısınmaya çok daha az hassastırlar. İlk zamanlarda, fabrikalarda 220 voltluk normal gerilim kullanıldığından ve molibdenin öz-direnci de küçük olduğundan rezistansların kesitleri küçük olmaktaydı. 20 ila 40 voltluk gerilimlerin kullanılması kısa ve kesiti büyük spiral rezistansların kullanılmasını mümkün kılmıştır. Böylece molibden rezistanslı fırınların kullanılmasında önceleri rastlanan zorluklar yenilmiş oldu. Bu fırınlar çok garantilidir. 1500º gibi sıcaklıklar için dahi rezistanslar birkaç sene dayanır. Bir sürekli fırın şu şekilde çalışır : Sinterlenecek malzeme demir veya grafit sepetlere konur. Bu sepetler fırına bir uçtan girer ve özel bir tertibatla ısıtma bölgesine sevk edilirler. Bu esnada hidrojende diğer uçtan sevk edilir. Bu şekilde ısıtma bölgesinde gelen sinterlenmiş malzemenin soğutulması sağlanırken aynı zamanda da koruyucu gazın ön ısıtılması yapılmış olur.

e) Gaz dolaşımıyla çalışan tesisat: Kullanılması koruyucu gazın iktisadi olarak kullanılmasını sağlar. Koruyucu gaz, bir yıkayıcıdan geçtikten sonra, bir soğutucuda, bir yoğuşma yoluyla su buharından ayrılır. Kondansör yerine özel kurutma tesisatı da kullanılabilir. Gaz dolaşımı bir pompa vasıtasıyla sağlanır. Fırının yüklenmesi esnasında, soğuma bölgesinde sinterlenmiş malzemenin oksidasyonla parlaklığını kaybetmesine sebep olabilecek bir miktar hava devreye girer. Bu sebeple havadaki oksijeni, paladyum ve platin esaslı katalizörler ihtiva eden kontaklı fırınlarda yakmak gerekir. Meydana gelen su buharı da elimine edilmelidir. Kontaklı fırının, kondansör ve kurutucudan evvel olması bu sebeptendir. Sinterleme atmosferinin azotça bir miktar zenginleştirilmesi genellikle fena bir tesir yapmaz. Fırının yüklenmesi ve boşaltılması esnasında kaybolan koruyucu gaz miktarı kadar devreye sokulması kafidir.

Sürekli fırınlarda yapılan sinterleme, malzemeye büyük bir intizam sağlar. Bu ise sert alaşımlar ve daimi mıknatıslar için çok önemlidir.

Laboratuarlarda kullanılan tesisatta silit spiraller veya çubuklarla dıştan ısıtılan, yatay porselen veya alüminden bir tüp vardır. Böylece 1250º ila 1350º arasında sıcaklıklara kolaylıkla erişilebilir.

f) Kısa devreli karbon tüplü fırınlar: Sert alaşımları 1350º ila 1550º arasındaki sıcaklıklarda sinterlemek için kullanılırlar. Bütün sürekli çalışan fırınlarda olduğu gibi, burada da ısı enerjisinin kullanılması ve malzemenin intizamlığı süreksiz çalışan fırınlardan üstündür.

g) Vakumda çalışan karbon tüplü fırınlar: Bu fırınlar vakum altında da çalışabilir; fakat bu taktirde çalışma sürekli olmaz. Tüp şeklindeki iletkenin uçları ısı kaybına karşı ekranlarla muhafaza edilmişlerdir. Bu suretle bütün tüp boyunca üniform bir sıcaklık elde edilir. Bu ekranlar genellikle volfram veya molibdenden yapılmıştır.

h) Yüksek frekanslı endüksiyon fırınları: Yüksek frekanslı endüksiyon fırınları 1500º ila 2000º arasında yapılan sinterlemeler için kullanılır. Vakumda sinterleme yapabilmek için bu fırınlar sızdırmaz bir odada tertiplenebilir.

ı) Özel fırınlar: Refrakter metallerin hazırlanması (molibden 2700º, tantal 3000º, volfram 3400º), tozun presleme ile çubuk haline sokulması ve bu çubukların Jul tesiri ile ergime noktaları civarında ısıtılmalarından ibarettir.

Volfram-bakır, volfram-gümüş ve molibden-gümüş alaşımlarının hazırlanmalarında birçok özel fırınlar düşünülmüştür. Bu metaller genellikle sinterlenmiş, gözenekli bir volfram veya molibden iskeletinin ergimiş bakır veya gümüşe daldırılmasıyla hazırlanır. Daldırma ameliyesi potalı veya fıçılı, baskül hareketi yapan fırınlarda yapılır. Bileşenlerin ayrılmasına veya boşluklar meydana gelmesine mani olmak için potalı fırınlar, elde edilen alaşımın daldırma bölgesinden bir soğutma odasına geçmesini sağlayan bir tertibatı haizdir. Daldırma ameliyesi genellikle bir koruyucu gaz altında (hidrojen), 1300º ila 1700º arasında yapılır.

Tablo 5.1 Bazı sinterleme fırınlarının sıcaklık limitleri ve tatbikat sahaları

Fırın tipi	Sıcaklık ºC	Tatbikat sahaları
Muflalı fırın	600-1050	Gözenekli yatakların ve demir esaslı alaşımların sinterlenmesi
Çanlı fırın	1100 kadar	Gözenekli yatakların, demir esaslı alaşımların ve büyük parçaların sinterlenmesi
Potalı fırın	1050-1400	Metalsel tozlarla imal edilmiş büyük blok veya parçaların sinterlenmesi
Sürekli fırın	a)1100 kadar (Ni-Cr) lu b)1500 kadar (Mo) li c)1000-1500 (gaz) lı	Gözenekli yatakların, makine parçalarının, mıknatıs alaşımlarının, saf metallerin, psödo-alaşımların Sinterlenmesi
Silit çubuklu fırın	1250-1350	Araştırma işlerinde kullanılan parçaların sinterlenmesi
Karbon tüplü fırın	2000 kadar	Sert alaşımların, psödo-alaşımların, metalsel karbürlerin sinterlenmesi
Yüksek frekanslı fırın	3000 kadar	Sert alaşımların, metalsel karbürlerin, sert mamullerin sinterlenmesi
Sıcak kompresyonlu ve basınç altında Sinterleme tesisatlı Fırınlar	a)600 kadar b)800 kadar c)1500 kadar	psödo-alaşımların, yatak alaşımlarının, demir esaslı alaşımların, sert alaşımların ve elmas alaşımların sinterlenmesi

5.1 TEK BİLEŞENLİ SİSTEMLERİN SİNTERLENMESİ

5.1.1 Sinterlemeye başlama, Sinterleme sıcaklığının tarifi:

Sıcaklığın yükselmesiyle çekme kuvvetlerinin aktiviteleri artarken, sinterlemeyi zorlaştıran tesirler de ortadan kalkar. Ayrıca sıcaklığın artması billurlaşma şartlarını da müsait hale getirir. Adi sıcaklıkta, toz partiküllerinin gerektiği kadar plastik olmamaları, yüzeylerinde gaz ve oksit tabakalarının mevcudiyeti, partiküller arasındaki temasın mükemmel olmaması, presleme esnasında toz içinde zararlı gazlar bulunması, sinterlemenin yüksek sıcaklıkta yapılmasını mecbur kılar. Yukarda sözü geçen zararlı unsurlar önemli değişiklikler gösterirler ve tozun hazırlanma şartlarına büyük ölçüde bağlıdırlar. Bu sebeple tozun sinterlemeden evvel tabi olduğu işlemler çok önemlidir. Sinterleme başlangıcı sıcaklığı hakkında verilen bilgiler hiçbir şey ifade etmemekle beraber, bu sıcaklığın bilinmesi pratik önemi haizdir. Sinterleme sıcaklığını tayin etmek için birçok eser yazılmıştır. Sinterlenmiş cisimlerin yapı değişiklikleri mikroskopta incelenerek, preslenmemiş demir dozlarının sinterlenmesi etüt edilmiş, preslenmiş silindirik küçük parçaların çekme mukavemetleri tayin edilmiştir. Gümüş, bakır, kurşun, alüminyum, magnezyum komprimerlerinin mukavemeti 150° ile 300° arasında artarak değiştiği görülmüştür. Bu artış sinterlemenin başladığını gösterir. Aynı malzemeden iki yüzey sadece basınç tesiriyle, birbiri üzerine tatbik edildiği takdirde, belirli bir sıcaklığın üzerinde bu iki yüzeyin aderansı yüksek değerler alır. Bu sıcaklığa aderans sıcaklığı denir ve sinterleme başlangıcı sıcaklığı olarak kabul edilebilir (demir için 550°, nikel için 600°, volfram için 1250°)

5.1.2 Sinterleme şartlarının fiziksel ve mekanik özelliklere tesiri:

a)Yoğunluk, Gözeneklilik, Kendine Çekme:

Önce sinterleme sıcaklığı, sinterleme müddeti ve toz taneleri büyüklüğünün yoğunluğa tesiri incelenecektir. (Şekil 5.1)da muhtelif basınçlarda, yoğunluğun sinterleme sıcaklığı ile değişimi şematik olarak gösterilmiştir. (Şekil 5.2)’da ince molibden tozlarıyla (Şekil 5.3)de ise ince bakır tozlarıyla (2 mikrondan küçük taneler) yapılan deneylerin sonuçları görülmektedir. 1000°’ye doğru molibdenin, 400°’ye doğru ise, bakırın yoğunluğunun artması esas sinterleme olayının başlangıcı ile, bakırın yoğunluğunun artması esas sinterleme olayının başlangıcı ile ilgilidir. Çok az veya normal bir basınç altında tozların belirli bir sıcaklıkta sinterlenmeleriyle meydana gelen kendini çekme de normaldir. Aksine, çok yüksek basınçlar altında preslenen cisimler (30t/cm²’ye kadar) kendileri çekmedikleri gibi, bir hacim büyümesi de gösterirler. Mesela, 600°’de sinterlermiş ve yüksek basınç altında preslenmiş bir bakır parçasının yoğunluğu alçak basınç altında preslenmiş parçanınkinden çok daha küçüktür.

Şekil 5.1 Metalsel bir tozun yoğunluğunun sinterleme sıcaklığına bağlı olarak değişimi (Şematik).

a. Sıkıştırılmamış.

b. Orta basınç altında sıkıştırılmış (takriben 5^t/cm².

c. Yüksek basınç altında sıkıştırılmış (takriben 30^t/cm²).

Sinterleme müddetinin yoğunluk ve kendini çekmeye tesirine gelince, yoğunluk artmasının büyük kısmı nispeten kısa bir zamanda meydana geldikten sonra artış azalır. Sinterleme sıcaklığı ne kadar yükselirse, kendini çekmenin büyük kısmı da o kadar kısa zamanda meydana gelir; yani yüksek sıcaklıklarda zamanın tesiri gittikçe azalar. (Şekil 5.4).

Basınç ve sinterleme sıcaklığı ve müddetinden ayrı olarak kullanılan tozun tane büyüklüğü de yoğunluk ve kendini çekmeye büyük ölçüde tesir eder.

Şekil 5.2 Sıkıştırılmamış 3^t/cm² ve 6^t/cm² basınç altında sıkıştırılmış bir molibden tozunun 3 saatlik bir sinterlemeden sonra, sinterleme sıcaklığına bağlı olarak yoğunluğunun değişimi.

Şekil 5.3 Orta ve yüksek sinterleme sıcaklıklarda, sinterleme zamanı ve yoğunluğunun artması arasındaki münasebet.

Aynı bir metalin muhtelif tane büyüklüklerindeki tozlarını aynı basınç altında presledikten sonra elde edilen numunelerin, aşnı şartlar altın-değişim kanunu bulunur. (Şekil 5.5).

Şekil 5.4 Sinterlenmiş numunelerin yoğunluklarının granülometre’ye bağlı olarak değişimi.

Şekil 5.5 İnce ve taba demir tozlarının sıcaklık ve kendini çekme arasındaki münasebet.

Sıkıştırma basıncı :0.23^t/cm²

İnce tozun granülometresi :5m

Kaba tozun granülometresi :50m

b) Yapı:

Basınç, sinterleme sıcaklığı, müddeti ve atmosferdeki gibi sinterleme şartlarının, sinterlenmiş maddelerin sertlik, mekanik mukavemet, elektrik iletkenliği gibi özelliklerine tesiri incelenmeden evvel, tanelerin süratle büyüme olayının tetkik edilmesi gerekir. Tanelerin büyümesi bazı hallerde mekanik mukavemet, sertlik, kopma uzaması, yoğunluk gibi özelliklere fevkalade tesir eder. Plastik metal tozlarının, mutlak ergime sıcaklıklarının 2/3 ile 3/4’ü arasındaki belirli sıcaklıklarda ısıtılmasıyla tanelerin çok büyüdükleri görülmüştür. Tane büyümesinin başlangıç sıcaklığı presleme basıncından bağımsızdır. Bu olaya tanelerin ani büyümesi denir ve ilk olarak redükleme ile elde edilmiş ince bakır tozlarında müşahade edilmiştir. 1 ile 5^t/cm2 arasında değişen basıncın 720° olduğu tespit edilen tane büyümesi başlangıcına ait sıcaklığa tesir etmemesi tane büyümesinin soğukta bir ön deformasyon neticesinde meydana gelmediğini gösterir.; dolayısıyla, normal metallerin soğukta deformasyonlarından sonra görülen yeniden billurlaşmaları hipotezi burada kabul edilemez.

Az miktarda gayri safiyelerin bir sıvı faz meydana gelmesine ve dolayısıyla bir billurlaşmaya sebebiyet verip vermediklerini anlamak için, müteakip saflaştırmalara tabi tutulmuş bakır tozu üzerinde deneyler yapılmıştır. Bu tozla, 5^t/cm² basınç altında sinterlenmiş cisimlerde , 720°’de tanelerin büyüdüğü görülmüştür. Buradan, bakırın büyük sarfiyatının tane büyümesi başlangıç sıcaklığına tesir etmediği neticesine varılmıştır.

Hiçbir soğuk ön-işleme tabi tutulmamış tozlarda, tane büyümesi normal yeniden billurlaşma sıcaklıklarda meydana gelmektedir. Halbuki 520°’de yarım saat sinterlenmiş numuneler soğuk deformasyona tabi tutulduğu takdirde, tane büyümesi sıcaklığı, soğuk deformasyona tabi tutulduğu takdirde, tane büyümesi sıcaklığı, soğuk deformasyonun şiddetine göre, 720°’den 420°’nin altına kadar düşmektedir. Böylece sentetik metalsel malzemelerin tane büyümeleri, ergime ile elde edilmiş metallerin yeniden billurlaşma sahasına getirilmiştir(Tablo5.2)

Tablo 5.2 Sıkıştırma basıncına bağlı olarak demir tozunun sinterleme sıcaklığı ve tane büyüklüğü.(Granülometri=1m), (zinterleme süresi=1 saat),

Sinterleme sıcaklığı (°C)	Sıkıştıma basıncı
0	220	4400	8800
X ışınları ile tetkik edilen granülometri
Sintersiz	Başlangıç	Az büyüme	Kuvvetli büyüme	Kuvvetli büyüme
200	Değişmemiş (1m)	Değişmemiş (1m)	Değişmemiş (1m)	Değişmemiş (1m)
400	Değişmemiş (1m)	Toparlanmamış (1m)	Az toparlanmış (1m)	Az toparlanmış (1m)
600	Değişmemiş (1m)	Toparlanmamış (1m)	Toparlanmış (1m)	Toparlanmış (1m)
800	Değişmemiş (1m)	Toparlanmamış (1m)	5-15m	2-8 m
1000	5-10m	10 m	15-60m	3-7 m
1200	5-20m	5-40m	15-80m	15-80m
1400	250m kadar	250m kadar	250m kadar	250m kadar

Bu tablodan şu sonuçlar çıkarılabilir:

1-Presleme basıncının yüksek olması tane büyümesinin başlangıç sıcaklığını çok düşürür; çok yüksek basınçla elde edilen taneler orta basınçlarda elde edilenlerden daha küçüktürler.

2- Tanelerin büyüme başlangıcına ait sıcaklıklar, ergitilerek elde edilen demirin yeniden billurlaşma diyagramında görülen sıcaklıklara nispeten daha yüksektirler.

Muhtelif tane büyüklüklerinde ve farklı şekillerde hazırlanmış bakır tozlarının sinterlenmesiyle elde edilmiş cisimlerin özellikleri ve sinter mamullerinin yapılarını tayin eden faktörler incelenerek sinterlemeden sonra elde edilen yapının dört faktöre bağlı olduğu anlaşılmıştır.

1-Temel tozun bünyesi (tane büyüklüğü, saflık, yüzey durumu);

2-Sinterleme sıcaklığı;

3-Sinterleme müddeti;

4-Sinterleme atmosferi

Buna karşılık, basıncın yapıya tesiri ikinci planda kalır. Basınç, sadece toz partiküllerinin aglomerasyonunda rol oynar. Meydana gelen gözenekliliğin yapıya tesiri, sinterleme esnasındaki tane büyümesinin gözenekleri yok etmesine bağlıdır.

Sinterlenmiş cisimlerin yeniden billurlaşması, elektrolitik olarak elde edilen metalsel tabakalara, sıvı bir fazdan elde edilmiş billursal şekillere, ergime ile elde edilmiş mekanik deformasyona uğramış bazı metallerin durumuna çok benzer. Mesela, adi sıcaklığa kadar soğutulmuş dökme alüminyumun ergime sıcaklığının hemen üzerinde bir sıcaklığa çıkarılmasıyla taneler büyümektedir. Dökümden sonra işlem görmemiş nitelden mamul deney parçalarında , 1300°’de hidrojen içinde ısıtıldıktan sonra tanelerin büyümesi ve tane sınırlarının yer değiştirmesi müşahade edilmişti.

Sinterlenmiş metallerin yapı durumları üzerinde elde edilmiş neticeleri bir araya toplanırsa, termodinamik bakımdan kararsız toz partiküllerinden meydana gelmiş ve özel bir ısıl işleme tabi tutulmuş billur şekillerinde daima tane büyümesi ve tane sınırlarının yer değiştirmesi olayları müşahade edilir; bu olaylara “yüzeyin yeniden billurlaşması” veya dolayısıyla “tanelerin yeniden billurlaşması” denir. Kristali meydana getiren toz tanelerinde daima mevcut olan iç gerilmelerinden ayrı olarak, bilhassa yüksek bir presleme için, ilaveten “lifler-arası distorsyonlar” olabilir. Bu distorsyonlar “mekanik olarak veya deformasyonla yeniden billurlaşma” olayını doğururlar. Sinter mamullerin büyük kısmı için, sinterleme atmosferinin iştirak ettiği kimyasal reaksiyonlar yeniden billurlaşma esnasında tane büyümesine yardım ederler.

c)Sertlik:

Brinell sertliğinin sinterleme sıcaklığının fonksiyonu olarak değişimi (Şekil 5.6 ve 5.7’de gösterilmiştir. Plastik metal esaslı (mesela bakır) ve yüksek basınç altında elde edilmiş komprimelerin sertliği yüksektir. Basıncın alçak olması halinde, sertlik sinterleme sıcaklığının artması sertliğin düşmesine sebep olur. bu düşüş plastik bir metal olan bakır için nikele nazaran daha fazladır.

Şekil 5.6 Muhtelif basınçlar altında sıkıştırıldıktan sonra sinterlenen bakır numunelerinin Brinell sertliklerinin sinterleme sıcaklıklarına bağlı olarak değişimi.

Kesir çizgi : Dökme ve tavlı bakır

1 = Kieffer 2 = Hotop

Alçak basınca maruz kalmış sinterlenmiş maddelerin sertliklerinin devamlı artması daha yoğun bir sinterleme, dolayısıyla yoğunluğun artmasıyla izah edilir. Çok yüksek sıcaklıkta sinterlenmiş maddelerin sertliği , kimyasal olarak saf metalsel tozlar için, tavlanmış normal metalinkinden fazla olmayıp gözeneklilik ve yüksek sıcaklıkta tane büyümesi sebebiyle daha azdır. Yüksek basınca maruz kalmış sinterlenmiş maddelerle sertlik azalması, presleme esnasındaki soğuk deformasyonu müteakip bir rejenerasyon olayı gibi farz edilebilir. Ayrıca, hiç olmazsa bakın içir, sertliğin şiddetli bir şekilde düşmesi, bakır tozunun preslenmesi neticesinde gazların serbest kalması ve yoğunluğunun düşmesine bağlanabilir. (Şekil 10)’de sertliğin alçak, orta ve yüksek basınçlar için, sinterleme sıcaklığı ile volfram gibi az plastik metaller ve refrakter metallerin karbürleri gibi az plastik metalsel terkipleri tatbik edilemez. Bu malzemelerde, basıncın sebep olduğu soğuk şekil değişimi çok az olduğundan alçak sinterleme sıcaklıkları için sertlik düşüşü görülmez.

Şekil 5.7 Muhtelif basınçlar altında sıkıştırıldıktan sonra hidrojende sinterlenen bir nikele karbonil tozunun Brinell sertliğinin sinterleme sıcaklığına bağlı olarak değişimi.

Yoğunluğun sinterleme müddeti ile değişimi göz önüne alınırsa, sertliğin sinterleme müddeti ile artması gerektiği anlaşılır. 16 saat müddetle sinterlenen (basınç: 4t/cm²; sinterleme sıcaklığı:750°) elektrolit bakır tozunun sertliğinin 38 kg/mm²’ye geçmesi de bu neticeyi doğrular.

d)Mekanik Özellikler:

(Çekme mukavemeti ve kopma uzaması.) Çekme mukavemetinin ve kopma uzamasının ölçülmesi için özel bir çubuk kullanılması tavsiye edilir. (Şekil 5.9).

Şekil 5.8 Normal tavlı metali ile karşılaştırarak, çeşitli basınçlar altında sıkıştırıldıktan sonra sinterlenen plastik metal tozlarının Brinell sertliklerinin sinterleme sıcaklığına bağlı olarak değişimi.

a.Alçak basınç (2-3^t/cm²)

b.Orta basınç (6-8^t/cm²)

c.Yüksek basınç (20-30^t/cm²)

Şekil 5.9 Çekme deneyi epruveti ve kalıbı.

Karbonil nikel tozunun muhtelif basınçlarda (0.8 ile 4a/cm²) preslenmesi ve 2 saat 300° ila 1300° arasında hidrojen atmosferi altında sinterlenmesi sonunda elde edilen neticeler (Şekil 5.10)’da verilmiştir. (Şekil 5.11)’da ise teknik demir tozu üzerinde yapılan çekme mukavemeti ve kopma uzaması deneylerinin sonuçları görülmektedir. Deney parçaları 6t/cm² basınç altında hazırlanmış ve yarım saat hidrojen içinde sinterlenmiştir. teknik demir tozu ise, mekanik öğütme ile hazırlanmış olup, tane büyüklükleri 0.075 ile 0.1 mm arasındadır. Her iki şeklin mukayesesinden şu sonuçlar çıkar: Karbonil nikel tozu halinde, yüksek basınçlar için, çekme mukavemetinin sıcaklıkla büyük artış gösterdiği iki bölge vardır. Bu bölgelerden biri 300° ile 500° arasında, diğeri ise 650° arasında, diğeri ise 650°’nin üzerindedir. Alçak sıcaklıklar bölgesinde, toz partiküllerinin aglomerasyonundan sonra zıt kuvvetlerinin azalması ve sinterleme kuvvetlerinin artmasıyla mukavemet de yüksektir. Yüksek sıcaklıklar bölgesinde, billurlaşmadan dolayı sinterleme olayı şiddetlenir. Yüksek basınçların kullanılmasıyla yüksek mukavemetler elde edilir.

Şekil 5.10 Muhtelif basınçlar altında sıkıştırıldıktan sonra 2 saat sinterlenen nikel karbonil tozunun çekme mukavemetinin sinterleme sıcaklığına bağlı olarak değişimi.

a.G.Grube, M.Schecht b.R.Kieffer, W. Hotop

(Şekil 5.11)’daki eğrilerin gidiş tarzı kabaca birbirine benzer.Burada da alçak sıcaklıklarda mekanik mukavemetin yükselmesi kendini çekme kuvvetlerinin artmasına bağlıdır. 600°den yüksek sıcaklıklar için ise mekanik mukavemetin artması bilhassa billurlaşma olayları ile ilgilidir. Demirde, 800° ile 1000° arasında kopma uzaması ve mukavemetin düşmesi enteresandır.

Şekil 5.11Teknik demir tozunun çekme mukavemeti ve uzamasına, sinterleme sıcaklığının etkisi.

Bakırın mukavemeti yüksek sıcaklıkta bir maksimumdan geçtikten sonra biraz azalır; bu maksimum, sinterleme sıcaklıklarında tanelerin süratle büyümesine bağlıdır.

(Şekil 5.12)’de kopma uzaması ve mukavemeti sinterleme sıcaklığı ile değişimi şematik olarak görülmektedir. Bu eğriler 3 ile 4t/cm² arasındaki basınçlar için çizilmiş olup, daha yüksek basınçlarda aşağı doğru yer değiştirirler.

Sinterlenmiş demir numuneleri üzerinde yapılan deneylerde elde edilen kopma uzaması ve mukavemetin sinterleme müddeti ile değişim eğrileri (Şekil 5.13)de verilmiştir. Bu eğriler kaba hatlarla diğer metaller için de varittir. Neticeler tane büyüklükleri 0.075 ile 0.1 mm arasında olan 6t/cm² basınç altında preslenerek 800°’de farklı müddetlerde sinterlenmiş demir tozu üzerinde elde edilmiştir. Isıtmanın birinci saati içinde çekme mukavemeti süratle yükseldikten sonra eriştiği değeri muhafaza eder. Uzama eğrisinin de benzer bir gidişi varsa da 480 dakikalık bir ısıtma müddeti içinde bir maksimuma erişmez.

Şekil 5.12 Sinterlenmiş tozların çekme mukavemeti ve uzamasına, sinterleme sıcaklığının etkisi (şematik)

Şekil 5.13 Sinterlenmiş demirin çekme mukavemeti ve uzamasının; sinterleme zamanına bağlı olarak değişimi.

Tane büyüklüğünün çekme mukavemeti ve uzamasının; sinterleme yoğunluğa ve sertliğe tesiri gibidir.

e)Elektrik İletkenliği:

(Şekil 5.14)’de farklı basınçlar altında preslenmiş karbonil nikel tozunun özdirencinin değişimi görülmektedir. Özdirençlerin ölçülmesi deney parçalarının soğumasından sonra oda sıcaklığında yapılmıştır. Sıcaklığın artmasıyla elektrik direnci önce süratle, yüksek sıcaklıklarda ise daha yavaş azalır. Özdirenç ayrıca alçak sıcaklıkta elde edilen numuneler için, deney parçasının hazırlanmasında kullanılan basıncın küçüklüğü nispetinde artar.

Şekil 5.14 Muhtelif basınçlar altında 2 saat sıkıştırılan nikel karbonil tozunun elektrik reziztivitesinin, sinterleme sıcaklığına bağlı olarak değişimi.

Sinterlenmiş bir metalin toplam direnci kristalitlerin kendi dirençleri ile kristalitler arasındaki temas dirençlerinin toplamıdır. Toz partikülleri, absorbe edilmiş bir gaz tabakasıyla çevrilmiş olduklarından temas dirençleri çok büyüktür. Dolayısıyla preslenmiş metalsel bir tozun direnci de çok yüksektir. Basıncın yükselmesi partiküllerin yaklaşmaları ve temas yüzeylerinin artmasına ve dolayısıyla toplam direndin azalmasına sebep olur. Sıcaklık yükselirse absorbe edilmiş gazların yayılmaya başlamasıyla elektrik direnci azalır. Daha sonra sinterlemenin ilerlemesi esnasında, billurlaşma sebebiyle kristalitler arasındaki elektrik irtibatları iyileşir.

Absorbe edilmiş gaz tabakaları ve oksit filmlerinin elektrik direnci üzerine etkilerini ortaya koymak için, preslenmiş karbonil nikel tozlarının sinterleme esnasındaki sıcaklık-özdirenç eğrileri çıkarılmıştır. (Şekil 5.15).

Şekil 5.15 Sıkıştırılmış nikel karbonil tozunun , direnç-sıcaklık eğrileri

5.2 ÇOK BİLEŞENLİ SİSTEMLERİN SİNTERLENMESİ

Toz metalürjisi metotları sayesinde, temel malzemelerin özelikleri ve katı veya sıvı halde karşılıklı eriyebilme şartları ile ilgilenmeden çeşitli cisimlerin herhangi bir terkibi elde e6ilebilir. Metalleri, metalloidlerle veya metalsel terkiplerle birleştirmek mümkündür. Prensip olarak herhangi bir terkip herhangi bir oranda gerçeklenebilir. Bir bileşenli sistemlerde presleme ve sinterleme esnasında görülen olaylarla sinterlenmiş cisimlerin fiziksel ve mekanik özelliklerini kapsayan kanunların çok bileşenli sistemler için genelleştirilmelerinin mümkün olup olmadıklarını anlamak için sistemler 2 gruba ayrılır:Sinterlenmeleri esnasında bir sıvı faz meydana gelmeyen sistemler ve sinterleme esnasında bir kısmı sıvı halde bulunan sistemler.

5.2.1 Sıvı faz olmadan çok bileşenli sistemlerin sinterlenmesi:

Bileşenlerin ergime sıcaklıkları çok farklı değilse (demir-nikel, demir-kobalt, demir-kobalt-nikel, vs. gibi) sinterleme sıcaklığı bütün bileşenlerin ergime sıcaklıklarından düşük alınmalıdır. Bir bileşenli sistemler için kurulan teorilerin bu gibi sistemleri de kapsamalarının mümkün olup olmadığı denge diyagramından anlaşılır. İki ayrı durum vardır. Bileşenlerin sıvı veya katı halde (hiç olmazsa katı halde) birbirlerini eritmemeleri ve billurlar veya karışımların teşekkülü. Birinci gruba giren sistemler için, sıvı faz meydana gelmeyecek bir sinterleme sıcaklığında (yani ötektik sıcaklığının altında) bir bileşenli sistemler için geliştirilen bilgiler geçerlidir. Farklı iki metalin yüzeyleri arasındaki çekme kuvvetleri bir metalin partikülleri arasındaki çekme kuvvetlerinden az farklıdır. Buna sebep aderansın fiziki bir olay olup üzerinde kimyasal afinitelerin hiç bir rol oynanamamasıdır. Bununlar beraber, yüksek sıcaklıkta meydana gelen billurlaşma olayları bileşenlerden her birinin kendi sahasında gelişirler. Bazen bu olaylardan faydalanılarak mesela volfram’ da olduğu gibi bazı oksitlerin (thO₂, CaO₂, vs.) ilavesiyle iri tanelerin teşekkülüne mani olunur. Bu birinci tipe misal olarak pratikte önemli olan şu alaşımları verebiliriz: volfram-bakır, demir-grafit, gümüş-grafit vs. Yukarıdaki misallerden demir-gümüş ve demir-bakır sistemlerini daha yakından inceleyelim. Demir ve gümüşün katı veya savı halde birbirlerini eritmelerine rağmen toz metalürjisi metotları sayesinde mekanik mukavemetleri iye olan demir-gümüş alaşımları elde etmek mümkündür. Gözenekler, sinterlemeden sonra yapılan bir sıcakta dövme ile yok edildikleri takdirde, bu alaşımların mukavemet ve sertlikleri karışımlar kanunundan bulunur. bir demir ve bakır tozları karışımının bakırın ergime sıcaklığının altında sinterlenmesiyle hazırlanmış parçalar incelenerek elde edilen yoğunluk ve mekanik mukavemetin saf metallerinki mertebesinde olduğu görülmüştür.

Bileşenler katı halde karışık billurlar veya karışımlar teşkil ettikleri takdirde, bir bileşenli sistemler için meydana getirilen kanunlara ekseriya yeni olaylar ilave olunur. Bu durumda, bileşenlerin birbiri içinde yayınma derecesinin tesiri katidir. Daha evvel izah edildiği gibi D.P.G. usulüyle muhtelif tertiplerde alaşım tozları hazırlamak mümkündür. Toz haline getirilmiş bir alaşımdan hareket edilirse, bileşenler kimyasal dengede olduklarından olaylar bir bileşenli sistemlerdekinin aynı olarak cereyan eder. Karışık billurlardan veya metalsel karışımlardan meydana gelen toz partiküllerinin saf metallere nazaran daha az şekil değiştirebildiklerine ve daha zor billurlaştıklarına dikkat etmek lazımdır. Karışık billurlardan teşekkül eden tozların zor billurlaştıkları bir kısmı karışık oksit kristallerinden, bir kısmı da oksit karışımlarından elde edilerek sinterlenmiş kobalt-nikel alaşımları üzerinde yapılan deneylerle ispat edilmiştir. Toz haline getirilmiş bir alaşım yerine, saf bileşenleri kalıp içinde karıştırıp presledikten sonra sinterliyelim (saf bileşenler yerine henüz denge haline varmamış fazlar da alınabilir); sinterleme esnasında mukavemet artacak, muhtelif bileşenler arasındaki yayınma sebebiyle muhtemelen fiziksel özellikler de iyileşecektir. Yayınma derecesi bazı gaktörlerde (sinterleme sıcaklığı ve müddeti, tane büyüklüğü gibi) bağlı olduğundan bu gibi çok bileşenli maddelerin fiziksel özellikleri de aynı olduğundan bu gibi çok bileşenli maddelerin fiziksel özelikleri de aynı faktörlere tabi olacaktır. Sinterlenmiş demir-nikel alaşımları halinde olduğu gibi, karışık billurlardan meydana gelmiş ve sadece sinterlenmiş sistemlerin özelliklerinin saf bileşenlerinkinden az bir ark göstermesi tamamlanmamış bir yayınma ve gözeneklilik sebebiyledir.

Metalsel tozların yayınmaları hakkında en önemli deney neticeleri şu şekilde özetlenebilir:

1-İyi karıştırılmış metalsel tozlar kompakt metallere nazaran daha kolay yayınırlar; kullanılan toz ne kadar ince ise numune de o kadar homojen olur;

2-Yayınma hızı sıcaklıkla üssel olarak artar;

3-Kullanılan tozlar ısıl işlem esnasında yapı değişimlerine uğradığı takdirde, bu değişimler yayınmanın gelişmesine tesir edebilir;

4-Çekmeye mani olan faktörler atom hareketlerini frenler:

5-Az miktarda sıvı bulunduğu takdirde (mesela oksitler, sülfürler, fosfürler vs.) bilhassa sıvı faz oksit filmlerini ve diğer gayri safiyetleri eritebiliyorsa, yayınma çok daha çabuk olur.

Bu istisnai durumlar hariç, kompakt metallerin yayınma kanunları, metalsel tozların yayınması için de muteberdir. Dolayısıyla, yayınma olayı şu şekilde düşünülebilir: Denge diyagramına göre. Kafi derecede yüksek sıcaklıkta görünmeleri beklenen denge durumundaki kristaller önce tanelerin çevresinde teşekkül ederler. Bu şekilde meydana gelen tabakaların kalınları birçok faktörlere bağlıdır. Mesela A ve B gibi iki metal mevzubahis ise bu gaktörler şöyle sıralanabilir: sıcaklık, ısıtma müddeti, A ve B metallerinin her yeni tabaka boyunca yayınma hızları, her iki metalin her yeni tabaka içindeki kütleleri ve bunların oranı, A ve B metallerinin yayınma zamanının her tabakanın kalınlığıyla artma şekli.

5.2.2 Sıvı faz mevcudiyetinde çok bileşenli sistemlerin sinterlenmesi:

Sıvı faz mevcudiyetinde sinterlenen çok bileşimli sistemler adı altında toplanan grupta endüstride önemli olan birçok sinter mamuller vardır. Misal olarak sinterlenmiş sert alaşımlar, wqolfram-bakır-nikel ağır alaşımı gözenekli yataklar için bronz vs. gösterebiliriz.

Bu sistemler içinde, sinterlemenin oluşumu başlıca denge diyagramına tabidir. Sınıflandırmada kriter olarak malzemenin sinterlemeden sonraki homojen veya heterojen durumu alınacaktır.

Sinterlenmiş bir homojen alaşım halinde, sıvı faz ancak ani olarak teşekkül edebilir. Sıvı faz belirli bir sıcaklıkta teşekkül ettikten sonra yayınma ile kütle tarafından absorbe edilir. Bu esnada katı karışık billurlar teşekkül eder. Bunun endüstride uygulanması, gözenekli yataklar için sentetik bronz ihmali gösterebiliriz.

Mesela %10 kalay ihtiva eden sentetik bronz şu şekilde hazırlanır: Bir kalıp içinde bakır ve kalay iyice karıştırılıp preslenir ve karışım 700° ile 800° arasında redükleyici atmosferde sinterlenir. Sinterleme esnasında, kalayın 232° olan ergime sıcaklığına erişildiğinde, kalay kozu komprimenin içinde sıvılaşır. Sıvı kalayın bakır partikülleri boyunca süratle yayınmasıyla, 1 saatten az bir müddet zarfında homojen bir faz meydana gelir. Bu faz X-bronzunun katı karışık billurlarından ibarettir.

Demir-nikel alüminyum sinter mıknatısların imali için ince demir ve nikel tozlarıyla, istenen alüminyum oranının sağlanması için %50 alüminyum ihtiva eden bir demir-alüminyum alaşımı tozu kullanılır. Toz karışımının sinterlenmesi, koruyucu gaz içinde 1200° ile 1300° arasında yapılır. 1150°’ye doğru bu ön-alaşım ergiyerek sıvı halde demir ve nikel partikülleri boyunca çok çabuk ve muntazam olarak yayınır. Bu şekillerde, nispeten kısa bir zamanda, karışık billurlardan meydana gelen homojen katı bir faz teşekkül eder. Sinterleme ile önemli bir kendini çekme olayı da vuku bulduğundan preslenmemiş fakat sinterlenmiş mıknatısların yoğunluğu, teorik yoğunluğun %97 ile 99’una erişir. Sinterleme esnasında bir miktar sıvı teşekkül etmesi yoğunluğunun büyük olmasını ve homojen karışık billurların meydana gelmesini sağlamaktadır. Mesela %13 alüminyum ve %60 demirden ibaret sinterlenmiş bir mıknatısın imalinde , 1115° civarında %26 sıvı teşekkül eder. Sıvı faz mevcudiyetinde yapılan sinterleme esnasında, meydana gelen sıvı miktarı numunenin iskeletini tahrip etmeyecek kadar olmalıdır.

Çok bileşenli heterojen bir sistemin sinterlenmesinde şartlar daha başkadır. Sıvı fazın meydana gelmesine ergime sıcaklığı en düşük olan bileşenin ergime noktasının aşılması veya alçak sıcaklıkta ergiyen bir ötektiğin teşekkülü sebep olabilir. Endüstriyel bakımdan çok mühim olan bu duruma klasik misal olarak sert alaşımların ve volfram-bakır-nikel ağır alaşımının sinterlenmesi gösterilebilir. Burada nisbeten az miktarda olan sıvı faz katı kalmış bileşenler için “birleştirici” veya “çimento” rolü oynar; bu bileşenlerin kendi hallerine bırakılması halinde ise sinterleme için çok yüksek sıcaklıklara çıkmak gerektiği gibi bu sıcaklıkta dahi sinterleme tam olmaz.

Misal olarak volfram-kobalt-karbon üçlü sistemini alarak sert bir alaşımın sinterlenme ve ergimesinde görülen olayları daha yakından incelemeyim. Mesela %94 volfram karbür ve %6 kobalt ihtiva eden bir alaşımın sinterlenmesinde ortaya çıkan olaylar, volfram-kobalt-karbon sisteminin denge diyagramının WC-Co ikili sistem kesitinde net olarak görünürler. (Şekil 18). İnce volfram karbür ve kobalt tozları karışımının sinterleme sıcaklığı 1400° olarak seçilir. Alınan bileşime (%6 kobalt) tekabül eden noktadan bir düşey ve sinterleme sıcaklığına (1400°) tekabül eden noktadan bir yatay çizilirse, diyagramdan her sıcaklıkta muhtelif tozların oranlarıyla bileşimi bulunur. numune, oda sıcaklığından sinterleme sıcaklığına kadar ısıtıldığı takdirde, önce volfram karbür ve kobalt kristalleri arasında bir atom değişimi, yani katı halde yayınma olur. Bir miktar volfram karbürün kobalt içinde erimesiyle kobalt bakımından zengin katı karışık billurlar teşekkül eder. Bu durumda kobaltın ergime sıcaklığı da düşer; olay bu şekilde devam ettikçe bir sıvı faz meydana gelir. Bu sıvı miktarı bütün kobalt sıvı hale gelinceye kadar artar. Sıvı içindeki kobalt oranı da %62’ye kadar düşer. Özet olarak, volfram karbür ve kobalt karışımının 1400°’de sinterlenmesi esnasında saf kobalt (a noktası) kaybolurken, a ve b noktaları arasında, ok yönünde b bileşimli sıvıya doğru gidildiği görülür. Dolayısıyla 1400°’de sinterlenen malzemenin takriben %90 volfram karbür (c noktası) ve %10 sıvı (b noktası) ihtiva eder. Numune soğutulursa, volfram karbür sıvıdan ayrılır. Zira sıcaklığın azalmasıyla volfram karbürün kobalt içinde eriyebilme özelliği de gittikçe zayıflar. Bu şekilde ayrılan volfram karbür katı halde kalmış olan volfram karbür partikalleri etrafında billurlaşır. Volfram karbür partikülleri her yerde saf kobalt tarafından sarılmış olup, kobalt kohezyonu sağlamaktadır.

Şekil 5.16 Volfram-kobalt-karbon sistemi denge diyagramının volfram, kobalt karbür ikili psödo kesiti

Volfram karbür ancak çok yüksek sıcaklıkta ayrışır. Fakat bu ayrışma sıcaklığının altında kalındığı müddetçe, yukarda izah edilen ve sert alaşım sinterlenmesinin karakteristikleri olan transformasyonlar önemli bir değişmeye uğramaz. Volfram karbür yalnız başına 2600°’de ayrıştığı halde, kobalt mevcudiyetinde ayrışma daha düşük sıcaklıkta olur. Şekil 16’da verilen denge diyagramında %6 kobalt ihtiva eden volfram karbür-kobalt alaşımının 2400°’de ayrıştığı görülür. Bu sıcaklığın altında 1400° için etraflı olarak izah edilen transformasyonlar mevzubahistir. Pratikte 1500° veya 1600°’den yüksek sinterleme sıcaklıklarına çıkılmaz. Aksi takdirde sinterlenen cismin içinde kabarcıklar meydana gelir. Sıcaklık 2400°’ye yükseldiği zaman sıvı nispeti artar. Bunun sebebi, sıcaklık arttıkça daha çok miktarda volfram karbürün sıvı içinde edilebilmesidir. Soğuma esnasında, daha az sayıda katı tane üzerine daha çok miktarda erimiş karbür çökeleceğinden yapının değişeceği aşikardı. Aynı tesir (tanelerin büyümesi) sinterleme müddetinin uzatılması veya sinterlemenin tekrarıyla uzun zaman alır. Ayrıca, küçük partiküller irilerinden daha kolay eriyebildiklerinden, volfram karbür partiküllerinin sıvı içinde erimezi toz taneler iriliğine bağlıdır. Sinterleme birkaç defa tekrar edildiği takdirde ince partiküllerin sayısında tedrici bir azalma ve en iri karbür partiküllerinde bir irileşme görülür. Bu, teknik bakımdan, istenmeyen bir olaydır. Bu sinterleme müddeti sınırlandığı gibi, mümkün olduğu kadar ince bir volfram karbür tozundan hareket edilir. Böylece tane iriliğinden erimiş ve çökelmiş volfram karbür nispetini de çıkarmanın imkansızlığı anlaşılır.

Şimdi ergime ile elde edilmiş bir “sert alaşımın” ergimesinde görülen olayları inceleyelim. 2400°’de başlayan volfram karbürün ayrışması 2550°’de sona erer. Bu iki sıcaklık arasında, kobalt ihtiva eden sıvı faz içinde erimemiş olan volfram karbür tedricen ve grafit olmak üzere ayrışır. Sıcaklığın daha da artmasıyla grafit de erir; 2700°’ye doğru bütün kütle sıvı hale gelir. Karbürün ayrışması (endotermik) ısı alan cinsten olduğundan, bu olay ani değildir. Tamamen ergimiz olan alaşım soğutulursa aynı olaylar ters yönde vuku bulur. Önce karbon sıvıdan büyük siyah lameller halinde ayrılır (ergime ile elde edilen sert alaşımın karakteristiği olan primer grafit).

Çok yavaş olarak soğutma yapılırsa, karbon 2550°’ye doğru tekrar volframla birleşerek volfram karbür meydana gelir. Bu reaksiyon kullanılan soğutma hızlarında o kadar yavaştır ki, mühim bir transformasyon meydana gelmez. Soğutmaya devam edilirse, derişik içindeki volfram karbür (WC+W₂C) primer kristaller haline ayrılır. Bu kristaller sıvı içinde serbestçe gelişebilirler. Kalan sıvı da bir ötektik teşekkülü ile katılaşır. Soğuma hızı yüksek olduğundan, grafit, volfram karbür, kobalt bileşenlerinin ötektik içinde mevcudiyeti anlaşılmayabilir. Mikroskobik muayene ile, primer grafit lamelleri, billurlaşmış primer volfram karbür kristalleri ve üniform bölgeler görülür. Bu bölgeler son olarak katılaşan ve genellikle mühim miktarda volfram karbür ihtiva eden sıvıya tekabül eder. Ergime ile elde edilen “sert alaşım”ın kırma ameliyesi ve rutubetli öğütülmesiyle hazırlanmış ince tozunun preslenmeli ve 1400° ile 1500° arasında birkaç defa sinterlenmesiyle elde edilen malzemenin özelliklerinin normal yollarla hazırlanan sinter “alaşımın” özelliklerine tekabül etmesi şayanı dikkattir.

Kısaca, sinterlenmiş bir “sert alaşım” ile aynı terkipte ve ergime ile elde edilmiş alaşım arasında aşağıdaki farklar vardır. Sinterlenmiş malzemenin yapısında çok sayıda küçük karbür taneleri mevcuttur. Bu taneler yan yana muntazam olarak dizilmiş ve volfram karbür ihtiva etmeyen bağlayıcı bir metalle birleştirilmişlerdir. Birçok noktalarda, volfram karbür partikülleri birbirleriyle köprüler vasıtasıyla birleşmişlerdir. Ergime ile elde edilmiş alaşımın karbür kristallerinin boyutları ise 10 ile 20 kere daha büyüktür. Çevreleri net olan bu kristaller birbirlerinden de uzaktır. Ayrıca, tozun kırma ve öğütme ile hazırlanması esnasında meydana gelen volfram karbür kristallerinin parçaları sinterlenmiş yapıda mevcuttur. Ergime ile elde edilen yapıda ilk partiküller görünmezler. Sıvıdan sinterleme yolu ile sert alaşım imalinin hedefi, tozdaki ilk karbür partiküllerini muhafaza etmek ve bunları sünek bir bağlayıcı ile birleştirmektir.

Sinterlenmiş yapının avantajları aşikardır. Tanelerin inceliği ve intizamı sayesinde, primer kristaleri iri ve katılaşmış atık-sıvı kütlesi kırılgan olan, ergime ile elde edilmiş yapıya nazaran mekanik mukavemet daha iyi, sünekliği daha büyüktür. Sert alaşımın sinterlenmesinde sıvı faz aglomerasyonu hızlandırdığı gibi mekanik mukavemeti de arttırır. Sinterlenmiş sert alaşımın sünekliğini ve mukavemetini, bağlayıcının aynı özelliklerine borçluyuz. Karbür kristalitleri arasındaki çekme kuvvetleri ve bir karbür iskeletinin teşekkülü ancak ikinci derecede rol oynarlar. Demek ki çok bileşimli heterojen bir sistemin sıvı bir faz mevcudiyetinde sinterlenmesi ile bir bileşenli veya çok bileşenli homojen sistemlerin sinterlenmesi arasında bir prensip farkı vardır.

Bu farkı daha iyi anlamak için volfram-bakır-nikel ağır alaşımının sinterlenmesinde görülen olayları kısaca inceleyelim. %87 ile 93 volfram, %4 ile 6 nikel ve %2 ila 4 bakır ihtiva eden bir alaşımın sinterlenmesi teferruatlı olarak incelenmiştir. Esası saf volfram tozu olan deney çubuklarının çok yüksek, hatta ergime noktasına yakın bir sıcaklıkta sinterlenmeleriyle dahi elde edilen cisimler, çok gözenekli ve nispeten kırılgandır. İnce taneli bir volfram tozuna %5 nikel ve %2 bakır kattıktan sonra elde edilen karışımın 1 saat 1400° ile 1500° arasında sinterlenmesiyle yoğunluğu teorik yoğunluğa çok yakın ve mukavemeti 63 kg/mm² olan cisimler elde edilmiştir. Isıl işlem % 17 ila %20 arasında bir lineer büzülmeye sebep olur ve optimum şartlarda tamamen gözeneksiz bir yapı elde edilmesini sağlar. Bu alaşım irice saf volfram küreciklerinden meydana gelmiştir. (takriben 0.004 mm’lik kristaller). Bu kürecikler bir nikel-bakır-volfram alaşımı ilavesiyle aglomere olmuşlardır. Sinterleme esnasında, bakır ve nikel tozları birbiri içinde yayınırlar. Bakırın ergime sıcaklığına erişildiği zaman, henüz nikelle birleşmemiş olan bakır tozu ergimeye başlar. 1350°-1450°’ye doğru bakır-nikel alaşımı tamamen ergir. Bu alaşım içinde bu sıcaklıkta takriben %18 volfram eriyebilir. Burada da en küçük volfram partikülleri ilk olarak erirler. Dolayısıyla maksimum yoğunlukta bir alaşım elde etmek için kullanılan toz içinde mümkün olduğu kadar çok miktarda ince volfram tosu bulunması gerektiği anlaşılır (1 ile 5 mikron arasında taneler).En büyük yoğunluğun volfram, bakır ve nikel tozları karışımının rutubetli öğütülmesiyle elde edildiği görülmüştür; buna sebep sadece bu şekilde elde edilen tanelerin inceliği değil, aynı zamanda bileşenlerin muntazam dağılmış olmalarıdır. Ayrıca, alaşımın soğuması esnasında, sinterleme sıcaklığında erimiş olan volframın bir kısmı yeniden ayrılır ve mevcut olan iri volfram kristalleri üzerine çökelir. Fakat soğuma esnasında vuku bulan bu ayrılma olayları mikrografide kolayca tanınan iri volfram kristallerinin teşekkülü izaha kafi değildir. Sinterleme esnasında şu reaksiyonların olması mümkündür: En küçük volfram bakımından doymuş sıvıdan ayrılan bu partiküller katı halde olan iri volfram kristalitleri üzerine çökelirler. Bu alaşımın sinterleme esnasında gösterdiği büzülme olayı kısmen, eriyebilme özelliğinin sıcaklıkla değişmesi ve bilhassa meydana gelen sıvının yüzey gerilimi ile izah edilebilir. Ayrıca, ince volfram partikülleri ve yüzey enerjileri yüksek olan billursal kristalitler, termodinamik bakımdan en kararlı durumda bulunmaya meyillidirler, bu olayın rolü ihmal edilemez.

Sinterlenecek iki metalin ergime sıcaklıkları arasında büyük fark olması mutlaka şart değildir. Gerçeklenmesi gereken şartlar şunlardır: Sinterleme esnasında, belirli incelikte katı partiküller ve bu katı partikülleri kısmen içinde eritebilecek bir sıvı mevcut olmalıdır. Bu şartlar (Şekil 19a ve 19b)’de tipleri şematik olarak gösterilen bir takım sistemler için gerçeklenebilir. Sinterleme, denge diyagramının “katı-sıvı” bölgesinde vuku bulmalıdır. Bu tiplerin her biri için, gözeneksiz çok bileşenli bir cisim elde edilmesi için erekli şartların gerçeklendiği bir bileşim ve sinterleme sıcaklığı mevcuttur. Tablo 20 birkaç pratik misal vermektedir (alaşımın bileşimi ve sinterleme sıcaklığı.)

Şekil 5.17 Sıvı toz mevcudiyeti ile yapılan bir sinterlemeden sonra gözeneksiz mamüller veren sinter alaşımlarının karakteristik diyagramları.

a.Katı halde kısmi karışım

b.Katı halde tam karışım.

Tablo 5.3 Sıvı biri faz mevcudiyetinde, sinterlenmiş çeşitli ikili sistemlerin optima sinterleme terkibi ve sıcaklığı.

Alaşım % A + %B	Sinterleme Sıcaklığı (°C)	Alaşım & A + %B	Sinterleme sıcaklığı (°C)
70 Pb+30 Sn	200	65 Au+ 35 Ni	1000
90 Sn+10 Pb	190	50 Cu + 50 Ni	1275
96 Pb +4 Sb	255	90 Cu +10 Sn	925
70 Sb+60 Pb 80 Sn+20 Cd	300 275	78 Al+22 Mg 80 Mg+20 Al	475 450
90 Cd+10 Sn	185	96 Al + 4 Si	600

Sert alaşım ve volfram-bakır-nikel ağır alaşımı tipinden çok bileşenli sistemlerin sinterlenmesi, bir bileşenli veya çok bileşenli homojen sistemlerin sintirlenmesinden farklıdır. Sinterleme esnasında erimeyen toz partikülleri sıvı faz tarafından çimento gibi birleştirilirler.

Bu bağlayıcı elde edilen mekanik mukavemetin başlıca sebebidir. Erimemiş toz partikülleri arasındaki çekme kuvvetlerinin tesiri ikinci derecedendir. Aglomerasyon fazı ile bunun çevrelediği erimemiş toz partikülleri arasında mevcut kuvvetler kohezyon için esastır. Ergime ile elde edilmişi metallerde, erimemiş fazla bağlayıcı faz arasındaki limitler tane sınırlarına tekabül ederler. Sıvı faz, katı partikülleri tamamen sararsa, ideal şartlar gerçekleşmiş demektir. Bunun için sinterleme sıcaklığında sıvının, alaşımının ergime sıcaklığı yüksek olan bileşeni içinde eritebilmesi lazımdır. Eğer sıvının bu içinde eritme kabiliyeti yoksa, yukarıdaki izah edilen ideal sarma mümkün olamaz. Bu takdirde sıvının ergime sıcaklığı yüksek olan bileşeni “ıslatmadığı” söylenir.