2.4. Sinterleme
Sinterleme iĢlemi, toz parçacıklarının birbirine bağlanmasını sağlayan, böylece dayanımlarını artıran, yüzey alanlarını düĢüren bir ısıl süreçtir [48]. Sinterleme iĢlemleri sinterlenecek malzemeye ve sinterleme sürecine göre değiĢik Ģekillerde yapılabilir (ġekil 2.10).
ġekil 2.10. Sinterleme yöntemleri [48]
Sinterleme iĢlemi yüksek sıcaklıklarda atom yayınımı mekanizmasıyla gerçekleĢen bir iĢlemdir. Birim hacimdeki parçacık miktarı arttıkça o birim hacimdeki yüzey enerjisi artar. Bu nedenle daha fazla yüzey alanına sahip parçalar daha kolay sinterlenir. Sinterleme iĢlemi, oluĢturulmuĢ yüksek serbest enerjiye sahip toz kompaktı, daha az gözenekli rijit bir cisme çevirme iĢlemidir [5]. Bazı özel malzemeler dıĢında bütün tozmetal parçalar uygun bir sıcaklıkta sinterlenir. Kompaktlama sonucunda parça, sürtünmeden dolayı oluĢan fiziksel yapıĢma etkisiyle, elle tutulacak kadar sağlam bir yapıdadır. Buna rağmen bütün parçacıklar yapıda müstakil biçimde kalmıĢtır. Sinterleme iĢlemlerinde parçacıklar arası temas noktalarından baĢlayarak oluĢan yayınım olayları vasıtasıyla, ham parçanın yüksek dayanımlı bir nihai ürüne ulaĢması amaçlanır. BaĢka bir deyiĢle sinterleme, bir toz kütlesinin veya gözenekli kompaktın, parçacıkların temas alanlarının artırılmasıyla spesifik yüzeyin düĢürülmesi vasıtasıyla, gözeneklerin daralması ve gözenek geometrisinin ısıl olarak aktif hale getirilmiĢ bir kütle transferi olarak tanımlanabilir [51].
2.4.1. Katı faz sinterleme
Katı faz sinterleme, tek fazlı sistemlerde veya birbiri içinde çözünmeyen sistemlerde parçacıkların temas noktalarından atom difüzyonu ile gerçekleĢen sinterleme mekanizmasıdır. Katı faz sinterleme iĢlemi 4 basamakta ele alınabilir (ġekil 2.11). Ġlk basamakta parçacıklar bazı noktalarda temas halindedir ancak birbirlerine presleme sonucu sürtünme ile fiziksel olarak bağlıdırlar. Ġkinci aĢamada parçacıklar arasında boyun ismi verilen temas noktaları oluĢur. Üçüncü aĢamada boyunlar tane boyunca geniĢler ve açık gözenekler tane sınırları boyunca çizgi Ģeklinde birikir. Son aĢamada ise yoğunlaĢma tamamlanır ve sadece müstakil bazı gözenekler yapıda kalır [62]. Dikkat çeken bir diğer nokta ise sinterleme süresince tane boyutunda bir miktar artıĢ görülmesidir. Katı faz sinterlemede iki tür kütle taĢınım mekanizması vardır. Atomların boyun bölgesini doldurmaya baĢladıkları nokta açısından ayrıĢırlar. Yüzey taĢınımında atomlar boyun bölgesinin yakınında bulunan gözenek yüzeylerinden baĢlayarak doldururken, hacim taĢınımında tane sınırlarındaki atomlar, boyun bölgesinde yeniden konumlanırlar.
ġekil 2.11. Katı faz sinterleme aĢamaları [62]
2.4.2. Sıvı faz sinterleme
Sinterleme esnasında parçacıklar arasındaki boĢlukları doldurabilecek bir sıvı faz oluĢumu sinterlemeyi hızlandırır ve yoğunlaĢma miktarını artırır (ġekil 2.12). Alüminyum alaĢımlarında sıvı faz sinterleme sıklıkla kullanılmaktadır. ĠĢlemin birinci basamağında katkı fazı, ana fazla katı faz sinterleme yoluyla tepkimeye girer ve sıvı faz oluĢturur. Ġkinci aĢamada sıvı faz parçacıkların arasını doldurur ve kapiler basıncın de etkisiyle parçacıklar yeniden düzenlenir. Bu aĢamada sinterleme
23
etkinliğini etkileyen ana faktör ıslatmadır. Üçüncü aĢamada oluĢan sıvı faz katı parçacıklar içinde yayınarak katı içinde çökelir. Son aĢamada gözenekler tamamıyla sıvı fazla dolmuĢtur ve tam yoğunluk iĢlemi tamamlanmıĢtır. 3 tür sıvı faz sinterleme yöntemi geniĢ uygulama alanları bulmaktadır; bunlar geçici sıvı faz sinterleme, kalıcı sıvı faz sinterleme ve süper katıgen (Super solidus) sıvı faz sinterlemedir.
ġekil 2.12. Sıvı faz sinterleme Ģematik gösterimi [63]
2.4.2.1. Geçici sıvı faz sinterleme
Geçici sıvı faz sinterleme, sinterleme sıcaklığında sıvının katı içinde tamamıyla çözündüğü bir sinterleme Ģeklidir. PreslenmiĢ ham parça sinter sıcaklığına ısıtılırken bir sıvı oluĢur ve alaĢımın oluĢumu ile bu sıvı faz kaybolur. Bu tip sinterlemenin gerçekleĢmesi için birbirinden farklı ergime noktasına sahip iki ayrı bileĢen gereklidir. Sinterleme esnasında ergime derecesi düĢük olanın ergimesiyle veya ikili bir ötektik faz oluĢumuyla bir sıvı faz elde edilir. Sonrasında bu sıvı faz, parçacıklar arası boĢlukları doldurur ve kalan katı faz parçacıklar içinde çözünür. Sıvı fazın tamamıyla çözünmesi sonucunda sürecin devamı katı faz sinterleme sisteminin aynısıdır. Örneğin ġekil 2.13‘de, birbiri içinde tamamıyla çözünen iki elementli bir sistem verilmiĢtir. Burada, soldaki sistemde Xs bileĢimindeki bir ham parça Ts sıcaklığında sinterlendiğinde, sinterleme sıcaklığında tozlar ergiyecektir ve yapı L+β olacaktır. Sinterlemenin ilerleyen aĢamalarında yapı homojenize olacak ve katı β‘dan oluĢacaktır. Birbiriri içinde kısmi çözünürlük gösteren ve ötektik faz oluĢturan ġekil 2.13. sağdaki sistemde Xs bileĢimindeki bir ham parça, Ts, sinter sıcaklığına
çıkarıldığında yapı ötektik bir geçici sıvı faz oluĢturur fakat sinter sürecinde yapı homojenize olur. Süreç sonundaki yapı katı β‘dan oluĢur [63]. Geçici sıvı faz sinterleme ile sinterlenen sistemlere örnek olarak Cu-Al, Cu-Sn, Fe-Al, Fe-Mo-C, Fe-P, Fe-Si, Fe-Ti, Ni-Cu ve Ni-Ti sistemleri gösterilebilir [48].
ġekil 2.13. Ġki fazlı iki farklı sisteme ait faz diyagramı
2.4.2.2. Kalıcı sıvı faz sinterleme
Kalıcı sıvı faz sinterlemede, geçici sıvı faz sinterlemeden farklı olarak sıvı faz sinterleme süresince yapıda kalmaktadır. ġekil 2.14.‘de, Xs bileĢimindeki bir ham parça, Ts sıcaklığında sinterlendiğinde sinter süresinde sıvı faz bulunacaktır ve soğuma esnasında tane sınırlarında katılaĢacaktır. Kalıcı sıvı faz sinterleme sert metallerin, yüksek hız çeliklerinin ve birçok seramiğin sinterlenmesinde sıklıkla kullanılan bir yöntemdir [51].