Metal Tozlarının Soğuk Presleme Teknikleri

Presleme işlemi soğuk ve sıcak olarak yapılabilir. Otomasyona çok uygun olduklarından en çok soğuk basınçlı biçimlendirme yöntemleri kullanılmaktadır.

Başlıca basınçlı biçimlendirme yöntemleri şunlardır: -Metal kalıplarda presleme (Mekanik ve Hidrolik Presler) -Soğuk İzostatik Presleme

-Üç Eksenli Presleme -Ekstrüzyon

-Haddeleme

-Metal Enjeksiyonla Kalıplama

-Metal Kalıplarda Presleme

Metal tozlar, özel olarak hazırlanmış çelik kalıp içerisinde basınç etkisiyle kompakt bir hale getirilir. Bu işlem için genellikle hidrolik, mekanik ve pnömatik presler kullanılmaktadır. Bu iş için kullanılan mekanik preslerin kapasiteleri 500 ton kadardır. Hidrolik preslerin üretim hızları eşdeğer kapasiteli mekanik preslerin yarısı kadardır. Ortalama saatte 1000 parçanın preslenmesi mümkündür. Avantajları, basıncın hassas olarak kontrol edilebilmesidir.

Uygulamaların çoğunda toz karışım yerçekimi kuvvetinin etkisiyle kalıbı doldurur. Fazla kısımlar alınır ve tozu sıkıştırmak için pres kapatılır.

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 [87].

Metal tozların kalıp içerisinde sıkıştırılması işlemi genelde iki tipte yapılır. Tek hareketli sıkıştırma ve çift hareketli sıkıştırmadır.

-Tek Hareketli Sıkıştırma

Tek hareketli sıkıştırmada oluşan dikey doğrultuda deformasyonun başlamasıyla; tozlar arası toz kalıp çeperi arasında oluşan sürtünme ve çap arasında düzensiz bir basınç dağılımına sebep olur. Sonuç olarak; uygulanan yük, iş parçasına düzenli olarak uygulanmamaktadır. Dolayısıyla iş parçasındaki yoğunluk homojen bir dağılım göstermemektedir. Yoğunluk, hareketli zımbaya doğru giderek azalmaktadır. Yoğunluktaki bu azalma iş parçasının boy/çap

oranına bağlıdır. Bu etki disk ya da rondela gibi parçalarda problem olmamasına karşın kalın parçalarda önemli bir problemdir.

Bu kalıp tipinin basitliği kalıp fiyatı yönünden önemli bir avantajdır. Bununla birlikte briketi kalıptan çıkarmak diğer yöntemlere göre biraz daha zordur. Parçanın kalıptan çıkarılması şu iki temel üzerine olur:

1- Kalıp sabit olup, alt zımba yükselerek parçayı kalıp boşluğundan dışarı atar. 2- Alt zımba sabit kalırken kalıp aşağı çekilerek parça çıkarılır.

Tek yönlü sıkıştırma istenilen yoğunluk dağılımı verilmediğinden, parçanın alt ve üst bölgelerinde eşit sıkıştırılmasını sağlamak, çift hareketli sıkıştırmayla mümkün olur.

Şekil 3.23. Tek Hareketli Sıkıştırma Kalıbı

-Çift Hareketli Sıkıştırma

Çift hareketli sıkıştırmada toz, birbirine zıt yönde hem alt hem de üst zımba tarafında aynı anda sıkıştırılmaktadır. Her bir yönde eşit veya farklı miktarlarda hareket veya basınç uygulanabilir. Çift hareketli sıkıştırma ile kalıp içerisinde boydan boya dengeli bir sıkıştırma temin edilebilir. Kalıp alttan bir yayla desteklenerek de çift yönlü sıkıştırma gerçekleştirilebilir. Burada yay kuvveti pres kuvvetine adapte edilmelidir. Preslenecek parçaların dik kesitlerinin kademeli olması preslemede güçlük çıkarır. Bir parçanın kalıptan rahatlıkla çıkarılması da parçanın şekline bağlıdır. Çift hareketli sıkıştırmanın en önemli avantajı, briket kesitinin her yüksekliği için pres kontrolü uygun kalıp hareketinin olabilirliğidir.

Çift hareketli sıkıştırmada alt ve üst zımbanın her ikisine de basınç uygulanır. Bu çift yönde hareket eden özel bir tip pres gerektirir. Toz metalurjisinde kullanılan özel pres kalıpları, önceden belirlenen toz miktarlarının hassasiyetle yerleştirilmesine, ardından sıkıştırılmasına ve preslenen briketin çıkarılmasına uygun olmalıdır. Bu nedenle preslerin doldurma ve çıkarma pozisyonlarının olması ve bunların her ikisinin de otomatik olarak arka arkaya gelmesi gerekir.

Şekil 3.24. Çift Hareketli Sıkıştırma Kalıbı

-Soğuk İzostatik Presleme

İzostatik presleme, tozların bir akışkan basıncıyla preslenmesidir. Presleme genellikle bir yağ yada su içinde ve oda sıcaklığında soğuk izostatik presleme yapılır. Parçanın şeklinde esnek bir kalıp hazırlanır (Şekil 3.25) ve içi tozla doldurulur. İçindeki hava boşaltılır ve gerekli sızdırmazlık sağlandıktan sonra basınç kazanına atılır. İzostatik sıkıştırmada kalıp sürtünmeleri olmadığından ve basınç her yönde eşit olduğundan yoğunluk dağılımı ve mekanik özellikler izotropiktir. Sistemin dezavantajları; hassas boyutsal tolerans elde edilmemesi ve işlemlerin yavaş olmasıdır. Bununla beraber 700 MPa’a kadar basınçlarda ve 1200°C’ye kadar sıcaklıklarda izostatik sıkıştırma ile her türlü refrakter metal ve seramik biçimlendirilebilir. Süper alaşımlı uçak türbini diskleri ve takım çeliği kütükleri başlıca örnekleridir [82].

Soğuk İzostatik preslemenin avantajları şu şekildedir:

- Üniform basınç nedeniyle parçanın yoğunluğu yüksek ve üniformdur. - Boy/çap oran yüksek olan ve bu kesitli parçaların üretimi mümkündür.

- Toz kalıp sürtünmesi olmadığından preslemeden önce metal tozlarının yağlayıcı ile karıştırılması zorunluluğu yoktur.

- Preslemede kullanılan kalıplar rijit kalıplardan daha ucuzdur.

- Üç Eksenli Presleme

Üç eksenli preslemede toz sabit kalıba doldurulur. İzostatik basınç hem eksenel hem de çevresel basınç şeklinde olan σ3 basınç değerine ulaşıncaya kadar uygulanır. Sonra bu basınç

(σ3)sabit tutulurken üst piston yardımıyla eksenel gerilme uygulanır ve presleme süresi elde

edilen presin yoğunluk ve mukavemetine bağlı olarak belirlenir.

Şekil 3.26. Üç eksenli preslemenin şematik gösterimi

-Ekstrüzyon

Toz ekstrüzyonu ilk defa tungsten tellerinin üretiminde kullanılmıştır. Dekstrin, şeker gibi organik bir madde ile karıştırılan tungsten tozu plastik hale getirildikten sonra ekstrüzyonla tel haline getirilmiştir. Daha sonra hidrojen atmosferinde ısıtılarak nem ve organik ilaveler buharlaştırılmıştır. Sinterleme işlemi ile nispeten yüksek yoğunlukta tungsten filamalanlar üretilmiştir.

-Haddeleme

Şekil 3.27’de gösterildiği gibi tozlar bir besleyiciden haddelerin arasına akıtılarak sıkıştırılabilirler ve böylece sürekli biçimlendirme gerçekleştirilebilir. İstendiği taktirde ikili, üçlü sandviç haddeleme mümkündür. Hadde silindirlerinden sonra yerleştirilecek bir fırınla sürekli pişirme ve onu takiben sıcak haddeleme işlemleri kullanılarak sac malzeme üretilebilir.

Eksenel Yük Pistonu

Hava çıkışı Çevresel basınç

Şekil 3.27. Toz haddeleme [89]

Şekil 3.27’de görüldüğü gibi toz merdaneler arasına gravite ile akarak beslenir. Merdanelerden geçerken hacim ve yoğunluğu değişir. Merdane basıncı altında yoğunluk ve mukavemet artar ve plastik deformasyon oluşarak istenilen şekil elde edilir. Haddeleme yöntemiyle bakır, demir, alüminyum, kobalt, nikel tozları şerit veya saclar şeklinde üretilebilir. Özel nikel ve kobalt alaşımları elektronik veya manyetik uygulamalarda, paslanmaz çelikten poroz şeritler filtrelerde, nikel şeritler elektrotlarda kullanılır.

-Metal Enjeksiyonla 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 plastik bir forma gelene kadar ısıtılıp, basınç altında kalıp enjeksiyonu ile üretilebilmektedir. Kalıptan çıkarılan parçadaki bağlayıcı malzeme solvent ekstaksiyonu veya kontrollü ısıtma ile buharlaştırılarak uzaklaştırılmaktadır. Daha sonra uygulanan normal sinterleme sürecinde parçalarda %20-25 oranında hacimsel büzülme meydana gelir, yoğunluk ideal koşulların %95' ine kadar yükselir ve özellikler artar.

Bağlayıcının yapıdan uzaklaştırılması işlemi bu yöntemin en pahalı ve zaman alıcı yönüdür. 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 fazla olan parçalarda üç gün sürebilir. Yeni keşfedilen ve suda çözülebilen metil-selüloz bağlayıcı bu dezavantajları kısmen ortadan kaldırmıştır. Bağlayıcıdaki su ısıtma sırasında buharlaşır ve metil-selüloz sinterleme sırasında yanar.

Enjeksiyon kalıplama veya presleme yukarıda ifade edildiği üzere diğer yöntemlerle eldesi güç küçük, kompleks ve ince et kalınlığına sahip parçaların imalinde oldukça caziptir. Ancak kalıp dizaynı ve kalıp imalatı oldukça pahalı olduğu için seri ve kütlesel imalatlarda

kullanılır. Bununla birlikte nihai yoğunluğun ideal yoğunluğun %94- %98' ine ulaşması ve %0.3-0.5 mertebesindeki boyutsal toleransın elde edilmesi bazı uygulamalar için bu yöntemi daha da cazip hale getirmiştir. Spor, tıp, diş malzemeleri, büro makinaları ve ev aletleri parçaları uzay ve uçak, dizel ve türbin motorları parçaları günümüzde bu yöntemle üretilmektedir.