Sıkıştırma

Toz metalürjisindeki en önemli ve üçüncü işlem basamağı sıkıştırmadır. Metal tozlar, özel olarak hazırlanmış kalıp içersinde basınç etkisiyle briket hale getirilir.

Sıkıştırmanın (sıkıştırma) temel amacı, toz partiküllerin istenilen şekle dönüştürülmesi için, yapıya kendi ağırlığını taşıyabilecek kadar yoğunluk kazandırılmasıdır. Sıkıştırma, eksenel, izostatik ve hacim deformasyonu olarak üç farklı yöntemde gerçekleştirilir. Eksenel sıkıştırma; tek ve çift etkili olabildiği gibi soğuk, sıcak ve ılık sıkıştırma şeklinde de olabilmektedir. İzostatik sıkıştırma soğuk ve sıcak olmak üzere iki farklı şekilde uygulanabilir. Hacimsel deformasyon işlemleri ise, toz dövme, toz extrüzyon ve toz haddeleme olarak uygulanmaktadır (ASM, 1998). Şekillendirme ve sıkıştırma yöntemine karar verilirken aşağıdaki parametreler dikkate alınır:

• Kullanılacak tozun tipi (küresel, sünger, pul) ve toz imalat yöntemi

• Bağlayıcı ve yağlayıcı kullanımı

• Rijit kalıp kullanımı

• Üretilecek malzemeden istenilen özellikler

Genellikle endüstriyel uygulamalarda, Şekil 1.11.‘ de sistematik olarak gösterilmiş olan çift etkili sıkıştırma işlemi kullanılmaktadır.

Çinko Stearat, %

Ham yoğunluk, g/cm3 Sıkıştırma Basıncı, MPa

Şekil 1.11.Toz metal parçaların sıkıştırma basamakları (Türk TM Derneği, 2006) Çift etkili sıkıştırmada, zımbaların her ikisi de hareketlidir. Şekil 1.11., a ilk aşamadır ve imal edilecek parçanın kalıbı daha önceden tasarlanmış olup, bu aşamada kalıp prese montajlanır. Şekil 1.11., b ikinci aşamada, toz partikülleri kalıp doldurma pabucundan kalıba serbest akış durumunda doldurulur. Üçüncü aşamada, kalıp boşluğuna doldurulan toz, sistemin titreşim mekanizmasıyla sıkıştırma öncesi titreşimli yoğunluk kazandırma işlemi yapılarak doldurulan tozun kalıpta düzgün bir şekilde yerleşmesi sağlanır. Bu sırada da, ıstampa ile kalıp yüzeyinde artan tozlar diğer toz haznesine itilir ve üst zımba sıkıştırmak için dişi kalıp boşluğuna yerleşir (Şekil 1.11., c). Dördüncü aşamada, sıkıştırma işlemi gerçekleştirilir. Bu aşamada, toz taneleri sıkıştırmanın etkisiyle belli bir değerde yoğunluk ve mukavemet kazanarak briket hale gelmektedir. Beşinci aşamada ise mukavemet ve yoğunluk kazandırılmış ham briket, belli bir sıyırma kuvvetiyle alt zımba tarafından kalıp boşluğundan çıkartılır. Altıncı ve son aşamada (Şekil 1.11., f), kalıp boşluğundan çıkarılan ham briket toz doldurma pabucu tarafından itilir ve ikinci parçanın preslenmesi için toz doldurma işlemi gerçekleştirilir. Şekil 1.12.’ de görüldüğü gibi, sıkıştırma işlemi metalürjik açıdan üç aşamada ele alınabilir (German, 1989; Kurt, 2004):

Şekil 1.12. Metalürjik açıdan sıkıştırma işlemi (German, 1989)

Sıkıştırma basıncının artması Üst zımba

Alt zımba

Toz doldurma pabucu (ıstampa)

a b c d e f

Kalıp boşluğu

• İlk aşamada, sıkıştırma basıncının uygulamasından sonra, toz tanelerinin yer değiştirmesi ve yeniden pozisyon belirlemesi sağlanır. Bu aşamada, plastik şekillendirme yoktur, ancak bir kısım toz tanelerinde kırılma olabilir. Partikül boyutu, şekli, toz boyut dağılımı ve taneler arası sürtünme önemli rol oynar.

• İkinci aşamada elastisite ve plastik deformasyon faktörleri baskındır. Partiküller arası soğuk şekillendirmeye bağlı olarak bağlar oluşabilir. Ayrıca, tanelerin mekaniksel kilitlenmeleri ve tane-tane etkileşimleri bu aşamada gerçekleşir.

• Sıkıştırma basıncının arttığı ve sıkıştırmanın son aşamasında, toz tanelerinin kırılması, boşlukların dolması ve toz taneleri arasında soğuk kaynaklanma oluşmakta ve ham yoğunluk kazandırılmış olur.

Toz sıkıştırmada temel problem tozlar ile kalıp cidarları arasındaki sürtünmedir.

Sürtünme kuvveti uygulanan kuvvetin alt bölgede azalmasına neden olmaktadır. Toz kompaktlarda basınç-yoğunluk ve mukavemet arasındaki ilişki, kalıp malzemesinin pekleşme oranı, yüzey sürtünme katsayısı ve toz taneleri ile kimyasal reaksiyon eğilimine bağlıdır. Ayrıca, sıkıştırılabilme toz şekli ve büyüklüğü, yağlayıcı durumu ve sıkıştırma oranı ile ilişkilidir. Şekil 1.13.’ de H yüksekliğine ve D çapına sahip silindirik toz kompakt model verilmiştir.

Şekil 1.13. Sıkıştırma sırasında kalıp kuvvetlerin dengelenmesi (German, 1989)

dH yüksekliğinin ince bir kesiti analiz edildiğinde uygulanan kuvvet elementin en üst bölgesindeki P basıncı, Pb ise elementin en alt bölgesinde iletilen basınç değeri olarak nitelendirilmektedir. Matematiksel olarak kuvvetler dengelendiğinde;

Uygulanan yük

İletilen yük

n b) uF P

P ( A O

F= = × − +

∑

olur. Burada, Fn normal kuvvet, u, kalıp cidarı ile tozlar arasındaki sürtünme katsayısı ve A ise kesit alandır. Normal kuvvet oransal z sabiti ile uygulanan basıncın bir fonksiyonu olarak verilmektedir. z faktörü Eksenel ve radyal kuvvetlerin oranını ifade eder. Böylece Fn;

şeklinde ifade edilmektedir. Sürtünme kuvveti Ff, sürtünme katsayısı ve normal kuvvetlerden aşağıdaki formül ile ifade edilmektedir:

dP toz elementinin en üst ve alt bölgesindeki sıkıştırma basınç farkı ise;

Kompakt yüksekliği ile sıkıştırma basıncı integrasyonu zımba etkisindeki her hangi bir basıncı gösterir ve bu durum;

şeklinde ifade edilmektedir. Bu ifade tek etkili sıkıştırma için kullanılmaktadır.

Böylece tek eksenli sıkıştırma için ortalama sıkıştırma gerilmesi;

formülü ile, çift etkili sıkıştırma gerilme ise;

formülasyonu ile ifade edilmektedir (German, 1989).

zPDdH

Tek eksenli sıkıştırmada toz kompaktın alt bölgesi ile üst bölgesi arasında yoğunluk farklılığı oluşmaktadır. Bu farklılık, Şekil 1.14.’ de görüldüğü gibi çift etkili sıkıştırma ile dengelenebilmekte ve bu sayede sinterleme sonrası özellikler iyileştirilebilmektedir.

Şekil 1.14. Çift ve tek etkili sıkıştırmada radyüs ve yükseklik (g/cm³) ilişkisi (German, 1989)

Teorik ve uygulamalı araştırmalar sonrası geliştirilen, basınç ile toz yoğunluğu arasındaki ilişkiyi veren ve metal tozları için kabul gören Heckel eşitliği de mevcuttur.

Bu denklemde, A kesit alan, D sıkıştırma yoğunluğu, P uygulanan kuvvet, k ve b değerleri tozların özelliklerine göre sabit katsayılardır. In (1/1-D)’nin P ile ilişkisi grafik olarak nitelendirildiğinde, k sabiti elde edilir. Şekil 1.15.’ de Ti-6Al-4V toz karışımına uygulanan sıkıştırma basıncı arttıkça ham yoğunluk değerinin belli bir değere kadar arttığı görülmektedir.

Şekil 1.15. Sinterleme sonrası Ti-6Al-4V briketlerin ham yoğunluk değerleri (5 ve 7.

eğriler köşeli yapıya sahip toz karışımı) (Froes vd., 1985).

Kalıplama Basıncı, MPa

Ham Yoğunluk, (%)

Tek etkili Çift etkili

Yükseklik, H

Radyüs, D/2

A P k D) 1 ( 1

In = × +

− (1.11)