Toz metalurjisi

admin · 30-12-2010, 07:00 PM

TOZ METALURJİSİ

Döner disk atomizasyonu, ergiyik metalin hızlı spinning disk yüzeyine akışının etkisini kapsamaktadır.Sıvı metal mekanik olarak atomize olur ve spinning disk yüzeyinden atılır.Katılaşma havadayken olur ve taneciklerin helyum akışıyla püskürtülmesiyle arttırılabilir.
Artan disk hızıyla taneciklerin boyutu küçülür ve genelde küre şeklindedirler.Döner disk atomizasyonu 104 – 106 o C/s soğutma hızlarında yapılır ve santrifüj atomzasyonunun bir çeşididir.Bu fenomen ayrıca döner disk atomizasyonunun göz önüne alınan hızlı katılaştırılmış toz atomizasyonunun (RSR) bir şekli olarak da yer almaktadır.
Çoğu döner disk atomizasyonu tozu makine parçalarında kullanılmaktadır.Kısaca toz elde edilir ve vakum veya inert gaz atmosferinde şekillendirilir.Teorik yoğunluğa getirme işlemi sıcak ekstrüzyonla sağlanır.

HIZLI KATILAŞTIRMA

Ergiyiğin soğuma hızının arttırıldığı oranda katılaşma zamanı da azalır.Microyapısal özellikler daha iyi hale gelirken kimyasal segregasyon derecesi ve masif çökeltilerin şekillenme eğilimi düşer.Alaşımlandırıcı elementlerin çözünürlüğü de aynı zamanda arttırılabilir ve yeni fazlar şekillenebilir ( camsı veya non-kristalin fazlar ) .
Belirli bir soğutma oranı olmamasına rağmen konvensiyonel ve hızlı katılaştırma teknikleri kolayca ayırt edilebilir ; hızlı katılaştırmanın tipik miktarları 104 oC/s ve üzerindedir.
Hızlı katılaştırma prosesi boyutlandırma ve elde etme imkanı açısından oldukça gelişmiş bir prosestir.Yüksek soğutma oranlarında ısı transferi çalışmaları göstermektedir ki hidrojen veya helyumun uygun püskürtülme hızlarında istenen tane boyutuna ulaşılabilmektedir.

EKİPMAN VE ÜRETİM SIRASI

Tipik olarak metal alaşımı vakum altında biraraya getirilerek ergitilir.Aşırı ısıtmanın uygun seviyeye geldiğinde sistem helyumla doldurulur ve döner disk atomizörü hızlanır.Helyum jetler açılır ve ergiyik akışı düzenleyen önceden ısıtılmış nozül arasından atomizörün merkezine dökülür.
Ortamdan helyum gazı geçirilirken santrifüj kuvvetiyle akışkan dağılarak damlacıklar haline gelir ve katılaşır.Nihai toz partikülleri makinenin altındaki bir toplayıcıya düşer veya gazla beraber siklona taşınır.

Şekil 49’da (first-generation) orijinal makine nikel esaslı ve gazlıdır ve 45 kg ergiyik kapasitesine sahiptir.Second-generation makineler yaklaşık 135 kg ergiyik kapasitesine sahiptir.Genellikle,third-generation makineler daha büyük miktarlarda ürün istendiğinde kullanılmaktadır.Nikel esaslılar,third-generation makinelerin ergiyik kapasitesi 450 kg civarındadır fakat ergiyik kapasiteleri 900 kg’a kadar çıkarılabilir.Günümüzde sadece second ve third-generation makineler kullanımdadır.

SOĞUTMA HIZI

Zorlanmış konveksiyon soğutmada elde edilen soğuma hızları ergiyik ve soğutucunun termal özellikleri,damlacıkların boyutu ve ilgili sıcaklıkla soğutucu ve damlacıkların hızı gibi birçok faktöre bağlıdır.

Tipik olarak soğuma hızları helyum soğutmalı taneler için 105 oC /s ve 100mm çapındadır.Soğuma hızı eksponansiyel olarak partikül çapı azaldıkça artmaktadır,yaklaşık 10mm çapında soğuma hızı yaklaşık 107 oC/s civarındadır.Bu değerler nikel içindir,yoğunluk ve spesifik ısıtmaya bağlı olarak titanyumda daha yüksek,alüminyumda daha düşüktür.Ayrıca bu değerler hidrojen kullanılırsa daha yüksek,nitrojen veya argon kullanıldığında daha düşük olacaktır.

ÜRETİM HIZI

Nikel esaslı gaz türbinli toz üretim hızı başarılı bir şekilde yaklaşık olarak 160 – 1000 kg/saat arasında çeşitlilik göstermektedir.Daha yüksek türbin hızlarında varolan tane dağılımı daha yüksek metal akış hızlarında bile korunabilir.

TOZ KARAKTERİSTİKLERİ

BÜYÜKLÜK DAĞILIMI

Ağırlıkça kümülatif büyüklük dağılımı U.S. standardı ve eleklerle tespit edilir.Nikel,demir ve alüminyum esaslı alaşımlar için atomizör hızları yaklaşık 24000 rpm ve ergiyik akış hızı yaklaşık 0.2 kg/s’dir.Bu koşullar altında ortalama büyüklük ( ağırlıkça ) yaklaşık 88mm’dir.

TOZUN GÖRÜNÜMÜ

Şekil 52 de görüldüğü gibi bu prosesle üretilen taneler genelde küresel ve birbirinden bağımsızdır.Mikro yapı hem partikül boyutuna hem de alaşımın kompozisyonuna bağlıdır.Nikel esaslı süper alaşımların tipik yapısı şekil 53 te gösterilmiştir.Son görüntünün şekli alaşım kompozisyonları ve partikül boyutuyla çeşitlenmektedir.Bazı alüminyum alaşımlarında kararlı yapılar görülmüş,bazı metal-ametal alaşımlarda non-kristalin partiküller üretilmiştir.

BASKIN KARAKTERİSTİKLERİ

Bütün akış hızları saptanmamış olmasına rağmen döner disk atomizasyonuyla üretilen tozlar argon atomizeli tozlarla benzerlik gösterir.Bu tozlar yaklaşık %62 oranında bir yoğunluk sergilerler.

PROSESİN SINIRLAMALARI

Konvensiyonel vakum ergitme yöntemi oksit seramik crucible’ları içermektedir ve bu yüzden reaktif olmayan ve indüksiyonla ergitilmiş ve 1760 oC’nin üzerindeki sıcaklıklarda dökümü yapılmış element ve alaşımlarla sınırlıdır.Çünkü partiküllerin şekli küreseldir,bu prosesle üretilen tozlar soğuk kompaktlarla kullanışlı yeşil sertliğin kullanımını gerektiren uygulamalara iyi uyum sağlayamazlar.

ULTRA HIZLI KATILAŞTIRMA PROSESLERİ

Hızlı katılaştırma prosesi alaşımın mikroyapı ve kompozisyonunu değiştirerek malzemelerin özelliklerini kontrol etmede sınırsız esnekliğe izin vererek alaşım tasarımına yeni bir boyut kazandırmıştır.
Hızlı katılaştırma prosesinde sıvı metal 106 oC/s‘le daha yüksek sıcaklıklar arasında soğutulur.Genelde bu tip yüksek soğutma oranlarının temel etkisi;soğutulmuş malzemenin içindeki atomların hareketi veya difüzyonunun engellenmiş olmasıdır.Birçok durumda atomların kristal kafese yerleşerek yapıyı değiştirmesi engellenmiş olur.
Hızlı katılaştırılmış alaşımlar genelde tamamen ya da en azından oldukça iyileştirilmiş kimyasal homojenlik ve kararlı faz yapısına sahiptir.
Ticari olarak kullanılan teknikler kondüktif ve konvektif mekanizmalardır.Her iki mekanizmada katılaştırma oranı,öncelikle sıvı metalin ısı transferi katsayısına bağlıdır.Tipik olarak kondüksiyon prosesinin soğutma oranı 106 ile 108 oC/s arasındayken konveksiyon prosesinin oranı 104 ile 106 oC/s arasıyla sınırlı kalmaktadır.

KONDÜKSİYON PROSESLERİ

Çoğu kondüktif hızlı soğutma tekniği;termal kontaktı sağlamak ve ergiyik yayınımının ilerlemesine yardım etmek için yüksek hızda oldukça yüksek iletkenliğe sahip katı ve soğuk bir alt tabaka ile ergiyiği temas haline getirme temeline dayanır.Hızlı soğutma derecesi katı alt tabaka ve sıvı metal arayüzeyinde yüksek bir ısı transferi katsayısı ve ergiyikten ısı iletiminin kolaylaştırılması için metalin yeterince ince kesitli olmasına bağlıdır.Çünkü genelde ısıl iletkenlik metaller için yüksektir,birçok kondüktif hızlı soğutma prosesi bakır gibi metal tabakalardan faydalanmaktadır.
Genellikle sürekli veya süreksiz filament ve şerit , flake , partikül ve toz halinde hızlı katılaştırılmış malzemeleri üretmek amacıyla çeşitli teknikler bulunmuştur.Ticari olarak uygulanabilecek bazı prosesler gelecek bölümlerde açıklanmıştır.

ERGİYİK SPINNING

Bu proseste sıvı metal jeti halka bir orifis içinden çıkarılır ve ergiyik jet döner su soğutmalı diskin en dış kenarına çarptığı zaman hızlı katılaştırma gerçekleşmiş olur.Birkaç milimetre genişliğinde ve 25-50mm kalınlığındaki sürekli şeritlerin şekillendirilmesi gösterilmiştir(ŞEKİL....).Ergiyik spinning ile yapılan uniform boyutlu hızlı soğutulmuş şeritlerin üretimi sıvı metal akışını iyi kontrolü ve hareketli tabla yüzeyinde sürekli bir sıvı oluşumuyla mümkündür.

Şerit gibi ticari olarak kullanılan birçok metalik cam alaşımının üretimi için kullanılan ergiyik spinning prosesi en çok kullanılan teknik haline gelmiştir.Metalik cam alaşımları karakteristik olarak eşsiz bir yüksek mukavemet,düktilite(uzayıp genişleyebilme özelliği) ve sertlik kombinasyonu,mükemmel manyetik özellikler ve korozyon direnci sergilerler.Bu özellikler özel alaşımlandırma ile daha da fazla arttırılabilir.

Metalik cam şeritlerin üretimi ergiyik spinning yönteminin çeşitleriyle gerçekleştirilmektedir.Bu yöntem ayrıca hareketli bir soğutucu (çil) tablanın civarında tutulan delik bir nozül boyunca ergiyik metal beslenmesini kapsar.

Ergiyik spinning yöntemi 1980’lerin başında oldukça gelişmiştir,nitekim 1 , 2.5 , 7.5 ve 15 cm genişliğindeki metalik cam şeritlerin yüksek üretim hızının (1500 m/dk) uygulanabilirliği bunu göstermektedir.

Süperalaşımlı türbin malzemelerini lehimlemek için kullanılan düktil camsı folyolar nikel esaslı metalik cam alaşımlar olup Amerikan Welding Society (AWS) tarafından isimlendirilmiş ve onaylanmıştır.Bu folyolar şerit halinde,zımbalanmış ya da lehimlenmiş kısımları şekillendirmek için kullanılabilir.

Metalik cam şeritlerin yüksek dayanım,geniş ebat aralığı ve müstesna sertlik gibi özellikleri epoksi reçine matriksli kompozitlerde kullanımını oldukça cazip kılmaktadır.Şu ana kadar metalik cam şeritler yönlendirilmiş taneli silikon içerikli çelik çekirdeğini değiştirmek için kullanılan güç yayınımlı transformatörler için kullanılan hafif ferromanyetik laminasyonlar gibi uygulamalarda kullanılan malzemeler olarak göz önünde bulundurulmuştur.

Bazı demir ve nikel esaslı metalik camlar düşük ametal elementlerin ilaveleriyle (%10’a kadar) yüksek sıcaklıklarda ısıl işlem yapılarak yüksek mukavemetli mikrokristalin alaşımlara kristalize edilebilirler.Metalik cam tozlar sıcak ekstrüzyon ve sıcak izostatik presleme gibi toz metalurjisi teknikleriyle birçok şekle sokulmaktadır.Çoğu demir ve nikel esaslı alaşımı yüksek sıcak mukavemet ve yorulma direncine sahiptir,ayrıca bu alaşımlar kesme ve şekillendirmeye uygundur.

Demir ve nikel esaslı alaşımların metalik cam tozları (tungsten,molibden gibi refrakter metal içerenler) plazma spreyi tekniğiyle yapılmış yorulma ve korozyon dirençli yüzey sertleştirilmiş kaplamalar için de uygundur.

ERGİYİK EKSTRAKSİYONU

Bu proseste döner diskin kenarıyla ergimiş metalin yüzeyi temas halindedir ( ŞEKİL....). Metal kısa bir süre için diskin kenarına yapışarak katılaşır ve sonra diskten uzaklaşır.Düzenli aralıklarla ekstraksiyon diskinin kenarına atılan çentiklerle dökümün sürekliliği durdurulmuş ve kontrollü uzunluktaki kanca teller üretilmiş olur.Çelik ve paslanmaz çeliğin ergiyik ekstraksiyonlu fiberleri ticari olarak çimento içindeki elementleri veya dökülebilir refrakterleri kuvvetlendirmek amacıyla için üretilmiştir.