Toz Metalurjik Malzemeler
Yrd. Doç. Dr. Rıdvan YAMANOĞLU
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Mikroyapı Kontrolü
q 
q 
q 
q 
q 
q 
Tozlar, her taneciğin içerisinde fazların kontrolüne imkan tanıyan küçük boyutlardadır.
Tozlar alışılagelmiş büyük cisimlerde ulaşılamayan yeni atomik yapı ve bileşimlere bölünebilir.
Bu yeni yapılar tozların birleştirilmesi ile havacılık uygulamalarından spor malzemelerine
kadar geniş bir alanda kullanılır.
Tozlar çok küçük boyutlara sahip olabilirler.
Küçük nesneler büyük hacimli nesnelere oranla daha hızlı ısınır ve soğurlar.
Bu nedenle parçacıkları milisaniye düzeyinde oldukça hızlı bir şekilde katılaştırmak
mümkündür.
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT)
q 
q 
q 
Hızlı katılaştırma ile üretilmiş tozlar, dengeye yakın yavaş soğuma koşulları altında
soğutulmuş malzemelere göre farklı yapılara sahip olurlar.
Aşırı hızlı soğutma durumunda düzenli bir kristal yapısı olmayan metalik camlar oluşturulabilir.
Oluşum seçenekleri aşırı doymuş alaşım durumundaki denge dışı bileşimlerin üretiminden
yeni kristal yapılara ve amorf metallere kadar uzanabilir.
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT)
q 
q 
HKT, malzemelerin manyetik, elektrik, mekanik, aşınma ve korozyon özelliklerinin
geliştirilmesi amaçlıdır.
Bu özellikler havacılık uygulamaları yüksek performanslı mıknatıslar, spor malzemeleri,
protezler, cerrahi malzemeler, elektrik temas malzemeleri ve manyetik dönüştürücü gibi geniş
uygulama alanları vardır.
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT)
q 
Amorf bir malzemenin mukavemeti, elastik modül değerinin % 2’sine yaklaşabilir.
q 
Oksit camın aksine amorf metaller bir miktar süneklilik gösterebilir.
q 
Ayrıca mikroyapı içinde tane sınırlarının olmaması korozyon direncini 100 kat arttırır.
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT)
q 
q 
q 
Aşağıda verilen iki mikroyapı arasındaki fark önemlidir.
Bu malzeme Pd40Cu30Ag30 bileşiminde olup yüksek güvenilirlikli kaygan elektriksel temas
malzemesidir.
Mikroyapı homojenliğindeki artış HKT alaşımlarından dayanıklı elektriksel temas
oluşturulmasını mümkün kılar.
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT)
q 
q 
q 
q 
q 
Çok aşırı durumlarda, HKT ile üretilen tozlar sıvı haldeki atom dizilmine benzer amorf yapıya
sahip olabilir.
Bu tür bir amorf yapı, ısı çıkışının kristal oluşumundan daha hızlı olmasından dolayı oda
sıcaklığında dahi var olur.
Düşük sıcaklıklarda atom hareketliliğinin azalması ile soğutulmuş sıvı benzeri yapı muhafaza
edilir.
Sadece tekrar ısıtma ile atomik hareket yeterince aktifleşir ve atomlar yeniden kristal şeklinde
düzenlenir.
Çoğu metalde kristalleşmeyi önlemek için oldukça hızlı soğutma gereklidir. Tozlarda ise hızlı
ısı çıkışı için küçük boyutlu tozlara geresinim vardır.
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT)
n 
q 
q 
q 
q 
Alışılmış döküm teknolojisi yavaş soğumayı gerektirir.
Büyük bir döküm parçasının oda sıcaklığına soğutulması bir gün almaktadır.
1 cm kalınlığında aluminyum parça suya atıldığında soğuma hızı yaklaşık 200 oC/dakika
olmaktadır.
Yüksek iletkenlikteki gazın içinden türbülanslı akışa
maruz kalan küçük boyutlu tozlar için soğuma hızı
106 oC/s seviyesine ulaşabilir.
Soğuma hızında meydana gelen bu değişimle
dökümde gözlenen kimyasal segregasyon azalır.
http://www.ifam.fraunhofer.de/en/Dresden/Sintered_and_composite_materials/Rascherstarrung.html
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT)
n 
Hızlı katılaşma için geçerli bir ZSD diyagramı.
Denge katılaşma sıcaklığı (TM) altında aşırı soğutulmuş bir sıvı vardır.
Bu sıvı Tg sıcaklığının altındaki bir sıcaklıkta cam olarak dondurulur.
Yavaş soğuma veya Tm ile Tg arasında uzun süreli tutma kristal yapılı katı oluşumuna sebep
olur.
Tam kristalleşme dönüşüm bitiş çizgisine ulaşılmasıyla sağlanır.
n 
Oluşabilecek yapılar nelerdir....
n 
n 
n 
n 
Metalik cam oluşturmak için gerekli
Kritik soğuma hızları
Ni 109
Fe83B7 106
Fe79Si10B11 3x105
Ni62Nb38 2x103
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT)
q 
Yavaş soğumanın karakteristik bir özelliği şekilde
parçacık kesitinde gösterildiği gibi dendritik mikroyapı
oluşumudur.
q 
Bu durumda, ergiyik damlacık çekirdeklenir ve büyür.
Bu oluşum heterojen çekirdeklenme için bir örnektir.
q 
Birim hacim başına çekirdek sayısı ile yapı değişimi
q 
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT)
q 
q 
q 
Dendritik yapı ile segregasyon arasında bir ilişki vardır. Dendritler arasındaki mesafe ile yakın
ilişki kurulabilir. Özellikle ikincil dendrit kolları ara mesafeleri.
Mikroyapı, soğuma hızının ölçümüne imkan vermesinin yanısıra atomize tozlardaki
segregasyonun kabaca ölçümünüde mümkün kılar.
Küçük SDAS’a sahip homojen mikroyapılar hızlı soğuma ve genellikle küçük parçacık
boyutuna işaret eder.
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT)
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT)
q 
q 
Soğuma hızının mikroyapı üzerine oldukça fazla olan etkisinden dolayı (özellikle çelikler) hem
sanayi hem de akademik çevreler tarafından çok fazla çalışma yapılmaktadır.
Yavaş soğumada dengeye yakın soğuma ile dendritik yapı şeklinde yönlenmeli bir katılaşma
söz konusu olurken, artan soğuma hızı ile özellikle kaynak ve diğer hızlı katılaşma
proseslerinde olduğu gibi dengeden uzak bir katılaşma yapısı sergilenir.
Bu iki uç yapı arasında çok farklı iç içe yapılarda bulunabilir.
Yönlenmeli katılaşma 10-1 ile 101
Döküm 100 ile 102
Ark kaynağı 101 ile 103
Hızlı katılaşma prosesleri 103 ile 107
Tek laser puls 107 ile 108
K/s
J. W. Elmer, S. M. Allen, T. W. Eagar, Microstructural development during solidification od Stainless Steel alloys, Matellurgical Transactions A, 20A,
2117, 1989.
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT)
q 
q 
q 
q 
Ergiyik normal katılaşma noktasının çok altına soğutulması durumunda kararsızlaşır.
Kristalizasyon olmaksızın sıvı damlacıklarının normal katılaşma sıcaklığının altına aşamalı
olarak soğutulmasına AŞIRI SOĞUTMA denir.
Aşırı soğutma katı fazın çekirdeklenmesine fırsat vermeksizin ısı çıkışı ile oluşur.
Bu durum parçacığın hızlı bir şekilde soğutulması ile gerçekleşir. Söz konusu işlem küçük
boyutlu partiküller için daha kolay gerçekleşir.
Kristalizasyon süresince sıvı fazdan katı faza
dönüşüm ergime ısısının uzaklaştırılması ile
mümkündür.
q 
Hızlı soğumada atomlar kristal şeklinde
düzenlenemeden sıvı haldeki yapılarında
katılaştıklarında amorf parçacıklar oluşturur.
q 
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT)
q 
q 
Aşağıdaki şekil yavaş, orta ve yüksek soğutma hızlarında katılaştırılmış tozların yüzeylerini
göstermeketedir.
Yavaş soğuma ile dendritik, artan soğuma hızı ile eşeksenli yapı ve çok yüksek soğuma ile
amorf yapı görülmektedir.
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT)
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT)
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT)
q 
q 
Viskoz malzemelerde ergiyik damlacığı maksimum çekirdeklenme hızına tekabül eden
sıcaklık aralığından soğutulduğunda, oldukça viskoz durumda olup, atom hareketliliği
yavaş olacağından kristal yapı oluşmayabilir.
Sıvı dönüşüm için oldukça viskoz haldedir ve bunun sonucu olarak amorf katı
oluşturulabilir.
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT)
q 
q 
q 
q 
q 
Hızlı katılaşma teknikleri ile malzeme üretimi için çok farklı teknikler geliştirilmiştir.
Bunlardan bir tanesi ergiyik savurma yöntemleridir.
Bu teknikte ergiyik hızla dönen (20.000 – 50.000 dev/dak.) bakır disk üzerine akıtılır.
Ergiyik disk üzerinde anında soğur ancak santrifuj kuvvetler ile ince ve 25-100 mikron
kalınlığa sahip amorf şeritler halinde hızla savrulur.
Daha sonra elde edilen bu şeritler öğütülür.
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT)
Special features of this process are:
• 
• 
Aşırı yüksek soğuma hızı 106 K/s (i.e. Yaklaşık 1400°C
den 400 °C veya daha az düşük sıcaklığına bir mili
saniye içinde)
Yüksek döküm hızı 100 km/h
Elde edilen amorf yapı ısıl işlem ile nano kristalli yapıya
dönüşebilir.
http://www.vacuumschmelze.com/index.php?id=75&L=2
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT)
q 
q 
q 
q 
Amorf toz üretimi için atomizasyon ile doğrudan oluşum, ergiyik savurmaya tercih edilir.
Yüksek hızlı helyum jetleri ve ilave olarak ergiyik parçacıklarının hızla soğutulması ile yapılır.
Dönen disk üzerine gaz atomize damlacıkların püskürtülmesi ile üretilmiş olan 75 mikron çaplı
pul şeklinde amorf parçacıklar aşağıda verilmiştir.
Atomize edilmiş olan damlacıklar dönen katı altlığa çarpmaları halinde aşırı soğur ve katılaşır.
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT)
q 
q 
Diğer bir yöntem ise yüksek sıcaklık plazma tabancası ile ergitmek ve ergiyik damlacıklarını
hızlandırarak soğuk bir altlığa doğru püskürtmektir.
Püskürtme küçük ergiyik damlacıklara katılaşma öncesi çarparak daha küçük parçacıklara
ayrılmasına neden olur. Küresel şekilli partiküller oluşur.
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT)
q 
q 
Soğutma sırasında katı, sıvı fazdan çekirdeklenir ve büyür.
Konveksiyon ile soğuyan D çapındaki bir parçacık için SDAS değişimi:
λ = CDn
q 
C işlem ve malzemeye bağlı sabitlerin toplamı,
n katılaşma türüne ve alaşım bileşimine bağlı olarak değişen sabit (1/2 ile 1 arasında),
q 
Partikül boyutu veya SDAS soğuma hızı ile ters orantılı olarak değişir.
q 
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT)
q 
q 
q 
q 
Tane sınırları, bozunmuş atomik bağlar
nedeniyle yüksek enerjili hatalı bölgelerdir.
Amorf yapılarda atomik diziliş tamamen
gelişigüzeldir. Ancak nano kristalli bir yapıda
tane sınırlarında bozunmuş katmanlar ile
çevrelenmiş kristal adaları yer alır.
Tane boyutu küçüldükçe bağları bozunmuş
atomların miktarında artış olacaktır. Nano
yapılarda tane sınırı atomları yapının büyük
bir kısmını oluşturur.
Ortalama 5 nm boyutlu bir tanede atomların
yaklaşık yarısının bozunmuş bağ içerebilir.
Amorf malzemelerde kristal yapı yoktur. Nano
boyutlu malzemelerde tane sınırlarında
bozunmuş bağlar ile çevrelenmiş kristal
paketleri bulunur. Kristal boyutu azaldıkça tane
sınırı bağlarındaki bozunum ile ilişkili atomların
yüzdesi artar.
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT)
q 
q 
q 
Çok kristalli malzemelerin mukavemeti HallPetch bağıntısı ile ilişkilendirilir.
σy= σo+kd-1/2
σy, akma mukavemeti, d tane boyutu, σo, ve k
ise malzeme sabitleridir.
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT)
q 
q 
% 0,2 C içeren bir çelik için akma mukavemetindeki değişim,
Tane boyutu, mikron
q  30
q  5
q  1
Akma Muk., MPa
290
430
700
Nano boyutlu parçacıkların var olması halinde bu tür malzemelerden ultra yüksek
mukavemet değerlerinin elde edilmesi mümkün görülmektedir.
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT), ÖZET....
q 
q 
q 
q 
q 
HKT teknikleri ve nano boyutlu işlemler geleneksel toz
üretim metotlarına göre oldukça pahalıdır.
Yapılan harcamalar daha çok savunma ve spor
malzemelerinde yüksek performanslı ürünlerin elde
edilmesi için kullanılmaktadır.
Tozların genel olarak ortalama fiyatı 1-10 dolar arasında
iken, hızlı katılaştırma ürünlerinin kg başına maliyeti 50
dolardan başlamaktadır.
Hızlı katılaşmış toz üretimi için gaz, santrifuj
atomizasyonu ile ergiyik savurma gibi teknikler kullanılır.
Buharda hızlı bir şekilde soğutma ile doğrudan
çekirdeklenen katı, genelde nano boyutlu tozların
üretimine neden olur.
Toz Metalurjik Malzemeler
n 
Hızlı katılaştırma teknolojileri (HKT), ÖZET...
q 
q 
q 
q 
Orta seviye soğutma hızlarında, malzemenin kristal
yapılı olduğu konumda yeni mikrokristalli yapıların
oluşturulması için yeterli fırsat vardır.
Bu yapılarda dökümdeki gibi segregasyon görülmez.
HKT ve Nano boyutlu yapılar yüksek mukavemet
sergiler.
Amorf malzemelerin yüksek korozyon direnci tane
sınırlarının ve ikinci fazın olmamasından kaynaklanır.
Download

Toz Metalurjik Malzemeler