30 Aralık 2009 Çarşamba

TOZLARIN PRESLENMESİ

TOZLARIN PRESLENMESİ

Toz metalürjisindeki en öneli adım preslemedir. Metal tozlar, özel olarak hazırlanmış çelik kalıp içersinde basınç etkisiyle kompakt bir hale getirilir. Bu işlem için genellikle hidrolik, mekanik ve pnömatik presler kullanılmaktadır. Preslerin uyguladıkları basınç değerleri 70 ila 700 MPa arasındadır ve pratikte kullanılan basınç değerleri ise genellikle 145-450 MPa arasındadır. Presleri büyük bir kısmının kapasitesi 100 ton civarındadır. Son zamanlarda 200-300 ton kapasiteli presler yapılmıştır ve hatta 3000 tonluk bir pres imal edilmiştir.Toz metalürjisi ürünlerinin kesit alanı maksimum 2000 mm²dir. Ancak yüksek kapasiteli özel preslerin kullanılması halinde bu değer 6500 mm²ye kadar çıkabilmektedir.

Uygulamaların çoğunluğunda, toz karışım yerçekimi etkisiyle kalıbı doldurur, fazla kısımlar alınır ve tozu sıkıştırmak için pres kapatılır. Toz miktarı için hacim veya ağırlık esasına göre bir başlangıç ölçüsü oluşturulur.

Sıkıştırma işlemi esnasında toz partikülleri önce uygulanan kuvvet yönünde hareket ederler.Tozlar sıvı gibi akmaz; kalıp yüzeyi ile partiküller arasında sürtünme neticesi bir reaksiyon kuvveti gelişir. Bu kuvvet uygulanan kuvvete eşit bir değere ulaşana kadar sıkışma eksenel yönde devam eder. Daha sonra partiküller yatay yönde hareket ederler. Basınç bir darbe şeklinde uygulanırsa, maksimum yoğunluk ıstampanın hemen altında meydana gelir ve ıstampa ile temas eden yüzeyden itibaren artan mesafe ile birlikte azalır. Bu yüzden ürün boyunca homojen yoğunluğun sağlanması amacıyla basıncın homojen bir şekilde transferi nadiren mümkündür. Çift aksiyonlu presler daha homojen yoğunluk elde edilmesini ve daha kalın ürünlerin kalıplanabilmesini sağlarlar. Yoğunlaştırma veya sıkıştırma işleminde kenar duvarların sürtünmesi anahtar bir faktör olduğundan, presleme ile elde edilen yoğunluk kalıplanan parçanın kalınlığı ve genişliğinin bir fonksiyonudur.Homojen yoğunluk dağılımını sağlayabilmek için kalınlık : genişlik (t/w) oranı 2 den küçük olmalıdır. Kalınlık : genişlik oranı 2 den büyük olan ürünlerde yoğunluk parça içinde bir noktadan diğer bir noktaya değişiklik gösterebilir.

Yukarıda da belirtildiği üzere ürün yoğunluğu kalınlığın bir fonksiyonu olduğundan, çoklu kalınlığa (kalınlığın parça içinde bir bölgeden diğerine değişimi) sahip parçalarda şekilde gösterildiği gibi tek bir ıstampa hareketi ile homojen yoğunluk eldesi olanaksızdır.

TOZLARIN PRESLENMESİ

Istampalar değişik miktarlarda hareket ettirilerek üniform olarak sıkıştırılmış parça üretilebilir. Son derece girifit ürünlerin preslenmesi için partiküller bir plastik kalıba veya kaba yerleştirilerek ve basınçlı bir gaz veya sıvıya daldırılır. Bu yöntem izostatik presleme (üniform basınç) olarak adlandırılır. Presleme hızı son derece düşüktür., ancak ağırlığı yüzlerce kg a varan parçalar etkin bir şekilde preslenebilirler. Homojen yoğunluk eldesinin diğer bir yolu toz karışımdaki yağ oranının arttırılmasıdır. Yağlayıcı, tozlar ile kalıp duvarı arasındaki sürtünmeyi azaltır ve karşıt sürtünmenin meydana gelebilmesi için daha fazla toz hareketini gerektirir. Ancak yağlayıcı oranının artışı preslenmiş ürünlerin yaş mukavemetini azaltarak ürünlerin kalıptan çıkarılması ve taşınmaları esnasında kırılma ve dağılmalara sebep olur.

Presleme hızı dakikada 6 ile 100 parça arasında değişebilir. Presleme sonrası, parçalar mekanik olarak kalıptan çıkarılırlar. Partiküllerin hareketi, bireysel deformasyonu ve kırılma ile toz ürünlerinin yoğunluğu dövme ve dökümle üretilen parçaların yoğunluğunun %80 ine ulaşmaktadır.

Presleme sırasında partiküllerin yüzeyindeki çıkıntılar ve düzgünsüzlükler kaybolur. Kayma, dönme ve yuvarlanma hareketleriyle partiküller kalıp içinde daha düzenli bir şekilde dizilirler. Büyük partiküller arasındaki boşluklar küçük partiküllerle doldurularak parçaların yoğunluğu arttırılır ve buna paralel olarak sertlik ve mukavemet değerleri de yükselir.

Preslemede kullanılan yüksek basınç altında toz partikülleri kalıp duvarlarının zamanla aşınmasına neden olur. Bu sebeple kalıplar takım çeliklerinden imal edilirler. Özellikle aşındırıcı tozların şekillendirilmesinde ve üretilecek parça sayısının fazla olduğu hallerde kalıp malzemesi olarak karbürlü malzemeler (sinter karbür) kullanılır. Kalıp yüzeyleri oldukça parlak ve kalıp yüksek basınca dayanabilecek kesit kalınlıklarına sahip olmalıdır. Bazı hallerde toz karışıma yağlayıcı ilavesi yerine kalıp yüzeylerine sprey uygulanır. Pres basıncındaki artışa paralel olarak kalıplanmış ürünlerin yaş mukavemetleri artar.

Enjeksiyon kalıplama:Konvansiyonel metoda alternatif olarak basınçlı dökümde kullanılan metoda benzeyen bir enjeksiyon kalıplama yöntemi geliştirilmiştir. Daha önceleri sadece hassas dökümle veya talaşlı işlemle üretilen küçük ve karmaşık şekilli parçalar artık günümüzde metal tozların termoplastik bir malzeme ile harmanlanarak takiben plastik bir forma gelene kadar ısıtılıp, basınç altında kalıp boşluğuna enjeksiyonu ile üretilebilmektedir. Kalıptan çıkarılan parçalardaki bağlayıcı malzeme solvent ekstraksiyonu veya kontrollü ısıtma ile buharlaştırılarak uzaklaştırılmaktadır. Daha sonra uygulanan normal sinterleme süresince parçalarda % 20-25 oranında hacimsel büzülme meydana gelir, yoğunluk ideal koşulların % 95 ine kadar yükselir ve özellikler artar.

Bağlayıcının uzaklaştırılması bu prosesin en pahalı ve zaman alıcı yanıdır. Isıtma hızı, sıcaklık ve yeniden bağlanma (bağlayıcıların uzaklaştırılmasından sonra partiküller arasında yeni bir bağın teşekkülü) süresi dikkatlice kontrol edilmeli ve parça kalınlığı ile uyumlu olmalıdır. İşlem süresi et kalınlığı büyük parçalarda üç güne kadar uzayabilir. Yeni keşfedilen ve suda çözünebilen metil-selüloz bağlayıcı bu dezavantajları kısmen ortadan kaldırmaktadır. Bağlayıcıdaki su ısıtma esnasında buharlaşır ve metil-selüloz sinterleme sırasında yanar.

Enjeksiyon kalıplama veya presleme yukarıda ifade edildiği üzere diğer proseslerle eldesi güç küçük, kompleks ve ince et kalınlığına sahip parçaların üretimine oldukça caziptir. Ancak kalıp dizaynı ve kalıp imalatı oldukça pahalı olduğu için seri ve kütlesel üretimde kullanılır. Bununla birlikte nihai yoğunluğun ideal yoğunluğun % 94-98 ine ulaşması ve % 0,3-0,5 mertebesindeki boyutsal toleransların elde edilmesi bazı uygulamalar için bu yöntemi daha da cazip hale getirmektedir. Spor, diş, tıp malzemeleri, büro makineleri ve ev aletleri parçaları, uzay ve uçak, dizel ve türbin motorları parçaları günümüzde bu yöntemle üretilmektedir.

Soğukta preslemede genellikle basıncın bir veya daha çok doğrultuda tatbik edilmesini sağlayan hidrolik presler veya mekanik presler yer alır. Günümüzde ekseriyetle üstte sıkıştırıcı altta ise dışarı itici pistonlar bulunan hidrolik presler kullanılır. Otomatik mekanik presler bilhassa gözenekli bronz yatakların ve basit makine parçalarının seri imalatında elverişlidir.

Sıcakta presleme veya basınç altında sinterleme soğuk presleme ve sonra sinterlemeye nazaran daha az pratiktir. Sadece sert alaşımdan tel çekme haddelerinin, elmas alaşımlarının imali gibi istisnai hallerde kullanılmış olan bu usul, tozların veya özel bir şekilde ısıtılmış kömür, çelik veya grafit bir matris içine yerleştirilerek sıkıştırılmış parçaların sinterlenmesi esnasında basınç tatbik edilmesinden ibarettir.

4.1 PRESLEMEDE GÖRÜLEN OLAYLAR

Teorik olarak düzlemsel ve temiz iki yüzeyin başlangıçta temasları sağlandığı taktirde, bu iki yüzeyin adi sıcaklıkta birleşmeleri prensip olarak mümkündür. Metallerin yüzeyinde, oksit tabakaları gibi fena tesirleri olan maddeler olmadığını farz edelim. Bu durumda dahi kendini çekme kuvvetleri tesirinin görülebilmesi için yüzeyler arasındaki mesafenin çok küçük olması lazımdır. Adi sıcaklıkta ve yüksek basınçlar altında, iki masif metal cismin nazari olarak düzlemsel yüzeylerini atom mertebesinden temasa getirmek için, halledilmeyecek derecede zorluklarda karşılaşıldığı düşünülürse, metalsel bir tozun preslenmesinde yukarıdaki ideal durumdan ne kadar uzak bulunulduğu anlaşılır. Bunun başlıca üç sebebi vardır:

1-Toz partiküllerinin yüzeyleri genellikle gayrı muntazam ve çok komplekstir. Dolayısıyla karşılıklı temas yüzeyi çok küçüktür.

2-Tozların saflığı imalat şekline göre çok değişir; ayrıca partiküller havada çok moleküllü oksit ve gaz tabakalarıyla kaplıdır. Bu ise çekme kuvvetlerinin tesirini engeller.

3-Ergime ile elde edilen bir metal yüzeyini çevreleyen atom tabakasının yapısı, içinde bulunan bir kristalin dış tabakasındakinden genellikle tamamen farklıdır. Ayrıca taneler arasındaki birim hakiki temas alanına tekabül eden kohezyon kuvveti ve ergime ile elde edilmiş bir metal kristalitlerin arasındakinden farklı ve genellikle daha küçüktür.

Metalsel bir tozdan, basınç tesiri altında katı cisim elde edebilmek, basınç yardımıyla yüzeysel kuvvetlerin hiç olmazsa bir kısmından faydalanmak demektir. Fakat bu gibi hallerde mekanik kuvvet çok ufaktır. Buna sebep yukarda izah edilen üç faktörün tamamen yok edilmemesidir. Preslemenin tesirleri şöyle sıralanabilir:

1-Toz partiküllerinin toplam temas yüzeyi, karşılıklı yaklaşma sonucu artar.

2-Basınç tesiri altında, birçok taneler birbirleriyle sürtünür. Bu ise birçok noktada oksit ve gaz tabakalarının yüzeylerinin temasını sağlar.

3-Toz tanelerinin karşılıklı sıkıştırılmaları çok kısa süreli lokal sıcaklık yükselmelerine sebep olarak atomların temas yüzeyinde yeni ve kısmi bir organizasyon sağlanır (atom hareketleri, sıcakta birleşme).

Soğukta presleme ile elde edilmiş parçaların mekanik kuvvetleri basınçtan başka tozun plastik özelliklerine de bağlıdır. 30 lt/cm² lik basınçla, kompakt bakır yoğunluğunun %95 ila 97 sine erişerek, yüksek mukavemetli çubuklar elde edilebilir. Buna karşılık, redükleme ile elde edilmiş volfram tozuna çok yüksek basınçlar tatbik edilse dahi teorik yoğunluğun sadece %65 ila 75 kadarı elde edilebilir. Aynı zamanda bir volfram çubuğun mukavemeti çok az olduğundan, parçalanmaması için çok dikkatli davranmak gerekir. Sünek sinterlenmiş kaba volfram tozu kullanılırsa, bu volfram partiküllerinin plastisiteleri daha büyük olduğundan, daha mukavemetli cisimler elde edilir.

Presleme esnasında iki ideal durum düşünülebilir : elastik deformasyon ve plastik deformasyon. Birinci halde, yozun ideal elastikliğine ilave olarak şu hipotezleri yapacağız : toz mümkün olduğu kadar ince ve çok muntazam, basit şekilli, parlak yüzeyli partiküllerden ibarettir; presleme tek taraftan, çelik bir matris içinde, ortalama bir basınçta yapılmaktadır ; basınç yavaş yavaş artmaktadır. Bu ideal şartların gerçekleşmesiyle, basınç kalıp içinde, sıvı içindeki hidrostatik bir basınç gibi, muntazam olarak dağılır. Böylece maksimum kesafet elde edilir. Çekme kuvvetleri, toz partiküllerinin atomsal temasta oldukları noktalara tesir ederler. Presin hareketli pistonu civarında yoğunluk daha büyüktür. Kalıbın titreşmesi de bir avantaj teşkil eder. Partiküllerin tuğla gibi üst üste yığılmalarının iyi olmadığı yerlerde, bilhassa bazı partiküller basıncı bir kubbenin taşları gibi taşınıyorsa, bu kubbe altında birçok boşluklar vardır. Yoğunluğun bu gayrı muntazamlığını göz önüne almazsak, yukarda izah edilen ideal presleme usulünde toz partikülleri hiçbir plastik deformasyona maruz kalmazlar. Bu çok basit limit bir hal olduğundan, hiçbir sıvı faz görülmediği kabul edilirse, sonradan yapılacak ısıtma esnasında ortaya çıkacak sinterleme olayları (billurlaşma gibi) da çok basit olacaktır.

İkinci limit hal yukarıdakilere zıt şartlarda görülür. Toz partikülleri kaba, yüzeyleri gayrı muntazam, kompleks ve dantelli, toz çok plastik ve basınç çok yüksekte, partiküllerin tuğla gibi muntazam olarak dizilmesiyle kesafette muntazam bir artış sağlanamaz.Elemanter partiküllerin plastik deformasyonu daha önem kazanır, zira yoğunluğun artması partiküllerin birbirlerine yaklaşabilmelerine bağlıdır. Temas yüzeyleri halinde gelir. Partiküllerin kohezyonu, çekme kuvvetlerinin bazı noktalarda değil, fakat bölgelerde tesir etmesiyle ve hacimli parçaların kaba olarak tuğla gibi dizilmeleriyle elde edilir. Bütün bunlardan, bu gibi cisimlerin yüksek mekanik mukavemetlerinin sebebi anlaşılmaktadır. Sinterleme esnasında görülen olaylar, bilhassa billurlaşma olayları (yeniden billurlaşma) tabii ki daha karışıktır. Toz partiküllerinin iç kararsızlıklarına sebep olan faktörler de rol oynar.

4.2 SICAKTA PRESLEME

Ergime sıcaklıkları düşük olan metal tozlarının iyi sıkıştırılabilme özellikleri ve yüksek sıcaklıkta sinterleme üzerinde elde edilen deneysel neticeler, ergime sıcaklıkları yüksek metallerin sinterleme ve preslemesinin yüksek sıcaklıkta bir tek işlemle yapılmasını düşündürmüştür. Bu işlene sıcakta presleme ve basınç altında sinterleme denilir.

Sıcakta presleme tekniği pratikte sadece sert alaşımdan tel çekme haddelerinin ve sinterlenmiş masif yatakların imalinde önemli bir rol oynar. Fakat elde edilen özelliklerin daha iyi olması sebebiyle, başka sinterlenmiş maddelerin imalatında da bu usulün kullanılması mecburiyeti hasıl olmaktadır.

4.3 SICAKTA PRESLENEN CİSİMLERİN ÖZELLİKLERİ

Sıcakta preslenen parçalar normal olarak sinterlenmiş parçalara nazaran daha serttir. Numunelerin direkt veya endirekt olarak elektrik akımıyla ısıtılmış grafit bir matris içinde, iki grafit pistonla, 80 ila 300 kg/cm² basınç altında iki taraftan sıcak olan preslenmeleri, normal sinterlemeye nazaran çok daha kısa bir zamanda gerçeklendiği görülmüştür. Sıcakta presleme toz tanelerinin çok kompakt bir bütün haline gelmesini ve gözeneksiz bir yapı elde edilmesini sağlar. Matris yüzeyinin sıcaklığı optik bir pirometre ile ölçülerek işlem sıcaklığı tespit edilmiştir; seçilecek sıcaklık kullanılan basıncın fonksiyonudur. Matris yüzeyinde ışıma sebebiyle büyük bir ısı kaybı olduğundan numune parçanın sıcaklığı 150º ila 200º kadar daha yüksektir. Sıcakta presleme sıcaklığı ile basınç arasındaki bağıntı hakkında, uygun şartlarda tespit edilmiş olan şu malumat verilebilir: 1350º ila 1400º arasındaki sıcaklıklar için basınç :105 kg/cm² ; 1400º den yüksek sıcaklıklar için, basınç : 70 kg/cm².

Bu, sıcaklık tesirinin basıncın yerini tutabileceği (veya tersi) manasına gelmez. Fakat, optimum özellikleri haiz sert alaşımların elde edildiği sıcaklık ve basınç değerleri arasında bir bağıntı olduğu aşikardır. Basınç altında sinterlenmiş sert alaşımların sertlik, eğme mukavemeti, tokluk ve kesme kapasitesi değerleri aynı malzemelerin soğukta preslendikten sonra sinterlenmeleri halinde elde edilecek değerlerden genellikle daha yüksektir. Presleme ve sinterleme şartlarının aynen tekrar elde edilebilmesi güç olduğu gibi matris malzemesinde de zorluklarla karşılaşılması kesme aletleri için sert alaşım plaketleri imalinde sıcakta presleme usulünün yaygın olarak kullanılmasını önlemiştir. Normal yollardan imal edilmiş (volfram karbür ve kobalt) sert alaşımlarının Rockwell A 92, sıcakta preslenmiş sert alaşımlarınki ise Rockwell A 95,6 olarak bulunmuştur. Sert alaşımların grafit kalıplar içinde aynı zamanda sinterlenme ve preslenmeleriyle maksimum sertlik elde edilir. Sertliğin artması şu şekilde izah edilir : Sıcakta presleme esnasında daha büyük yoğunluk elde edilir ; diğer taraftan biraz da kobalt numuneden çıkar (böylece diğer metotlarla elde edilenlere nazaran daha az kobalt ihtiva eder). Aşağıdaki tablo bu şartlar altında sinterlenmiş demir ve bakırın mekanik mukavemetinin ne kadar iyileştiğini göstermektedir.

Tablo 4.1 Sıcakta sıkıştırılmış bakır ve demirin çekme mukavemetinin adi sıcaklıkta sıkıştırıldıktan sonra sinterlenmiş olanlarınkiyle mukayesesi

Sıcakta sıkıştırma veya sıkıştırma sıcaklığı (ºC)

Adi sıcaklıkta sıkıştırdıktan sonra sinterlenen malzemenin çekme mukavemeti (kg/mm²)

Sıcakta sıkıştırıldıktan

sonra çekme mukavemeti (kg/mm²)

Cu

Fe

Cu

Fe

610

715

810

920

14,2

13,2

12,3

10,2

4,2

6,6

11,5

14,7

26,3

24,1

23,5

22,3

19,7

27,3

34,6

39,4

Hiç yorum yok:

Yorum Gönder