Sinterleme

Sinterleme, seramik bünyelerdeki karşılıklı temas etmekte olan tanelerin, çıkılan yüksek sıcaklıklara bağlı olarak tanelerin bağlanıp, yapışmalarından meydana gelen yoğunluk ve boyutlarındaki değişikliklerdir. Yani yüksek sıcaklıkların etkisiyle partiküller arasında bağların meydana gelmesidir. Ergime derecelerinin altlarında atomik transferler aracılığıyla katı-katı arasında gerçekleşmektedir. Ancak sıvı fazlarında meydana geldiği durumlar görülebilmektedir. Birbirine temas eden partiküller boyun vererek bir araya gelirler. Meydana gelen boyunun büyümesi taneler arasındaki köprülerin gelişmesi demektir [5, 25, 32].

Tozların sahip oldukları yüksek seviyeli yüzey enerjilerinin kaldırılmasıyla hareketlenebilen partiküller sinterlenebilecektir. Yüzey enerjisi birim hacimdeki partiküllerin çaplarıyla ters orantıya sahiptir. Yüzey alanlarının geniş olmasıyla küçük partiküller daha hızlı bir biçimde sinterlenebilecektir. Sinterleme açısından yalnızca yüzey enerjisi yetmez. Kristal yapılı katılarda taneler etkileşimdeki diğer tanelerle sınırlarında enerji meydana getirerek tane sınırlarını belirlerler. Tane sınırları kusurlu ve yüksek enerjilerinden dolayı yüksek atomik hareketliliklerin meydana geldiği kısımlardır. Sinterleme mekanizmaları atomik hareketliliğin meydana getirdiği kütle akışıyla tanımlanmaktadır [5,25].

Metaller açısından kristal latis yüzeylerinde, tane sınırlarında meydana gelen difüzyonlarla sinterleme gerçekleşmektedir. Sinterleme aşamaları, kinetik ve itici güce dayanmakta olup, matematiksel açıdan gösterilebilmektedirler. Sinterleme esnasında boyun oluşumlarıyla gerçekleşen tane büyümeleriyle meydana gelmekte olan yapılardaki değişiklikler difüzyonların etkileriyle gelişebilmektedir. Difüzyonlar termal değişikliklerden etkilenmektedir. Atomik boyutta kinetik hareketliliğin spesifik enerjileridir. Atomların kazandıkları aktivasyon enerjileriyle ya da kendi enerjileriyle hareketler sağlanabilmektedir. Atomlar enerjilerini kullanarak boş köşelere hareket etmektedirler. Şekillendirilen numuneler büyük oranlarda poroziteden meydana gelmektedir. Kurutma sayesinde fiziksel suların uçmasıyla tanelerin temas oranlarında artışlar meydana gelir. Sinterleme işlemleri esnasında

taneler arasındaki bağlar güçlenir hatta tane sınırları kaybolabilmektedir. Böylece bazı taneler boyutsal gelişimler gösterirken geriye kalan tanelerse küçülebilirler. İnce ve iri tanelerin yüzey enerjileri prosesin itici gücünü meydana getirmektedir [5].

Sinterleme yüksek sıcaklıklarda atomların hareketlilikleri, yerleşebilecekleri köşe sayıları artacağından dolayı daha hızlı gerçekleşebilecektir. Sinterleme esnasında porların azaltılması, büzülme miktarları, yüzey alanları ve son yoğunluklarıyla aynı bağlamdadır. Sinterleme esnasında gerilim artarak büzülmeleri meydana getirir ve boyun büyümeleriyle de özkütle artacaktır. Aynı zamanda yüzey alan kayıplarıyla aradaki partiküllerin oluşturdukları boyunlar büzülmeler gerçekleşmeden meydana gelebilmektedir. Toz yapısındaki bileşimlerin özellikleri değer kazanmaktadır [5]. Farklı tip tozların bir araya gelerek birleşmeleri amacıyla gerekli olan minimum sıcaklık sinterlemenin meydana geldiği bu sıcaklığa tamman sıcaklığı denilmektedir. Tamman sıcaklığı maddelerin ergime sıcaklıklarının 0,53 katı kadardır.

TErg>TSin>TTam bağıntısından sinteleme sıcaklığının, tamman sıcaklığıyla ergime

sıcaklığı arasında bulunduğu görülebilmektedir. Atomlardaki hareketliliklerin başladığı ilk sıcaklık tamman sıcaklıklarıdır [5,32].

Tane büyümesi kavramı ısıl işlemler esnasında deformasyonlardan arındırılmış tanelerin yüksek sıcaklıklarda boyutlarında meydana gelen artışlar olarak ifade edilmektedir. Metallerde, seramiklerde tanelerde büyümeler gerçekleşebilir. Büyüyen taneler aynı sistemde yer alan diğer tanelerin boyutlarında küçülmelerine hatta kaybolmalarına sebep olabilmektedir [5].

Prosesteki itici gücün meydana gelmesinde iri ve ince tanelerin yüzey enerji farkları etkili olabilmektedir. Yüzey enerjisi farkları 0,1-0,5 cal/gr civarında olmasıyla yüksek sıcaklıklarda prosesi meydana getirebilmektedir. Sinterlemede asıl itici gücü, yüzey enerjilerinin farklarını meydana getiren yüzey eğrilik farklarının meydana getirdiği serbest enerji farklarından almaktadır. Tane boyutlarıyla yüzey eğrilik çapları orantılıdır. Bu sebeple tane büyümelerinde tane çapları ve itici güçler ters

orantıya sahiptir. Sistem emprüteler barındırıyorsa tanelerin büyümelerine engel olabilmektedir [5].

Sıcaklıklardaki yükselişlerle tane büyümeleri artmaktadır. Sinterleme esnasında ara partiküllerin atomik bağları gelişmektedir. Boyunların büyümesi evresinden sonra atomlar arasında yeni tane sınırları meydana gelecektir. Atomların kinetik enerjileri yüksek sıcaklıklarda daha fazla olmasından dolayı sinterleme daha hızlı meydana gelecektir. Yüzeylerde yer almakta olan atomlar, atomların temas etmiş olmaları sebebiyle gerçekleşebilen difüzyonlar farklı boyutlarda kenetlenmeleri meydana getirmektedir böylece atomlar birleştirilmiş olur. Seramiklerde mukavemet olumsuz etkilenebileceğinden aşırı tane büyümelerinin gerçekleşmelerine müsaade edilmemektedir. Ortama dahil edilen ikincil maddelerle tane sınırları üstünde ince sıvı fazların meydana gelmesi istenmektedir [5].

Sinterleme bir başka açıdan açıklanacak olursa: Partiküllerin birbirleriyle temas noktaları mevcuttur. Partikülleri bir arada tutabilen bağlar sinterlemenin gerçekleşmesiyle büyümekte son olarak atomların tamamen birleşmeleriyle

sonuçlanmaktadır. Partiküllerin çapları eşit olması halinde, partiküllerin

birleştirilmeleriyle 1,26 kat daha geniş küre tipi partiküllerin meydana gelmeleri sağlanacaktır [5].

Sinterlemelerin başlangıç evreleri verdikleri boyunların hızla büyümeleriyle direkt karakterize edilebilmektedir. Orta evredeyse porlu yapılar düzleşmeye geçmektedir. Aynı zamanda atomlar silindirik yapılara sahiptirler. Sinterleme evreleri ilerledikçe tanelerin büyümeleri daha gelişmiş olabilmektedir. Bu düşük sinterleme hızlarında por yalıtımlarıyla meydana gelebilmektedir [5].

Sinterlemede aşamaların net olarak birbirlerinden ayrılmaları güçtür. Başlangıç evreleri eğilimli gradyantlı yapıları ortaya çıkarabilmektedir. Büzülmeler ve boyun boyut oranları küçüktür. Tane boyutları, başlangıçtaki tane boyutlarından yüksekte değildir. Orta evrelerde porların düzleşmeleriyle teorik yoğunluklar %70-92 civarında yer alabilmektedir. Son evredeyse porlar küreselleşerek tanelerdeki

büyümeler görülecektir. Yüzey taşınım prosesleriyle bakılacak olunursa porlar küreselleşecektir. Porların yarı çapları küreselleşmelerin artışlarıyla artacaktır. Partiküllerin boyut dağılımları ve paketleme tipleri son evrelerde por boyutsal dağılımlarını meydana getirecektir [5, 32].

Sinterlemede görüntülenebilen por boyutları: büzülmeler, birleşmeler, kabalaşmalara benzeyen kompleks olaylarla yakından ilgilidir. Sinterleme zamanlarının uzun tutulmalarıyla porların küçükleri, büyüklerinden fazla boşluk yayabilecektir [5, 32].

BÖLÜM 3. UÇUCU KÜLLER