Toz metal parça üretim aşaması şekil 1'de verilmiştir. İlk olarak metal tozunun üretilmesi gelmektedir. Saf veya alaşım metal tozları yağlayıcı ve gerekiyorsa bağlayıcı ilavesi ile birlikte homojen bir karışım elde edilmesi amacıyla karıştırma işlemine tabii tutulur. Hazırlanan tozlar preslerde genellikle 200 ile 600 MPa arasında bir basınç ile şekillendirilir. Şekillendirilen parça kalıptan çıkarılarak sinterleme işlemine tabii tutulur. Kalıptan çıkan parçalara “ham parça” adı verilir ve mukavetine de ham mukavemet denir. Parçaların ham mukavemeti düşüktür, çünkü sadece sıkıştırma basıncı etkisiyle toz tanecikleri birbirlerine soğuk olarak bağlanmıştır. Yere düşerse parçalar kırılabilecek düzeyde düşük mukavemet değerine sahiptirler. Sinterleme sonrası parçalar yüksek mukavemet değerlerine ulaşırlar. Toz metal parçaya sinterleme sonrası ilave işlemler yapılabilmektedir. Kendinden yağlamalı bronz yatakların gözeneklerine yağ emdirilerek çalışma sırasında aktif olan yağ parça içerisinde muhafaza edilir. Bazı çelik parçalarda hem aşınma dayanımı, hem de korozyon direncini artırmak amacıyla parçalar sıcak buhara maruz bırakılır ve parça yüzeyinde siyah demiroksit tabakası oluşturulur. Yüzey, boyut ve geometrik kalite açısından gerekli durumlarda ilgili yüzeylerden az miktarda talaş kaldırılarak parçadan beklenen yüzey ve boyut kalitesi elde edilir.

Toz metalurji yönteminin tercih nedenlerinin başında ekonomik parça üretim yöntemi olması gelmektedir. Ayrıca diğer parça üretim teknikleri ile üretilemeyen malzemelerin imalatında karşılaşılan zorunluluktan dolayı veya bu yöntem ile üstün özellikler elde edilmesi nedeniyle tercih edilen bir imalat yöntemdir. Toz metal parçaların en çok tercih edildiği uygulama alanı otomotiv sektörü olup bu oran %70'lere kadar çıkmaktadır. Son yıllarda üretilen bir otomobil motorunda Amerika'da yaklaşık 19kg, Avrupa’da 8.5kg, Japonya’da ise 10kg toz metal parça kullanılmaktadır. Ülkemizde otomotiv sektörü son yıllarda çok önemli büyüme göstermiştir. Toz metal parça imalatı açısından bu sektörün önümüzdeki süreçte ülkemizde daha da büyümesi kaçınılmaz bir sonuç olacaktır. Bunun etkisi toz metalurji sektörüne olan ilginin artması ve sektörün büyümesi şeklinde son yıllarda kendini hissettirmeye başlamıştır. Ülkemizde toz metalurji sektöründe çok sayıda firma faaliyet göstermektedir. Önceleri ülkemizde toz üretimi çok sınırlı iken bu alanda özellikle toz üretimine yönelik ilgi artarak devam etmektedir.

Ülkemizde toz metalurjisi alanında faaliyet gösteren firmalar ile akademik çalışmalar yapan kesimler arasında işbirliği ve toz metalurjisi hakkında farkındalık oluşturmak amacıyla rahmetli Prof.Dr. Süleyman Sarıtaş'ın girişimleri ile 1995 yılında Türk Toz Metalurjisi Derneği kurulmuştur. Sarıtaş vefatına kadar (2008) derneğin başkanlığını yürütmüştür. Dernek, 1996 yılından bugüne kadar üç yılda bir olmak üzere uluslararası Toz Metalurjisi Kongreleri düzenlemiştir. En son düzenlenen 6. uluslararası Toz Metalurjisi Kongreleri ve Sergisi 5-9 Ekim 2011 tarihlerinde Ankara'da düzenlenmiştir. Dernek toz metalurji sektörünün gelişmesine çok önemli katkı sunmuş olup bu katkıları sunmaya devam etmektedir. Dernek, Avrupa Birliği proje ortağı olarak ülkemiz adına toz metalurji sektörüne katkı sunmaya devam etmektedir. 2007 yılında R.M. German'ın toz metalurjisi kitabı dernek üyeleri tarafından Türkçeye çevrilerek sanayi, öğrenci ve akademisyenlerin hizmetine sunulmuş, yayımlanan bu kitap 2011 yılında da TÜBA ödülüne layık görülmüştür.

Toz Üretim Yöntemleri
Modern toz metalurjisi tekniklerinin hammaddesi metal tozlarıdır. Çok geniş uygulama alanı olan toz metalurjisi teknikleri için ihtiyaç duyulan özelliklere sahip tozların elde edilmesi değişik yöntemler sayesinde mümkün olmaktadır. Metal tozları, üretim yöntemine bağlı olarak farklı özellikler gösterirler. Toz üretim yöntemleri hakkında bilgi vermeden önce önemli olan bazı toz özelliklerine değinmek faydalı olacaktır. Metal tozlarının en önemli özelliklerini sırlayacak olursak şunları sayabiliriz: 1) Toz Boyutu ve Dağılımı, 2) Toz Şekli, 3) Tozların Temizliği. Bu özellikler presleme, sinterleme ve gözenek oluşum davranışlarını belirleyen önemli değişkenlerdir. Bu özelliklerin başında toz şekli gelmektedir ve bunlar küresel şekilden düzensiz ve karmaşık şekilli tozlara kadar farklı şekillere sahiptirler (Şekil 2).

Metal tozlarının imalinde kullanılan teknikler, tozların birçok özelliklerini tayin eder.  Tozun geometrik şekli üretim yöntemine bağlı olarak küreselden, dendritik formlara kadar çok farklı olabilmektedir. Tozun yüzey durumu da üretim yöntemine göre değişiklik göstermektedir. Malzemelerin çoğu, istenen fiziksel ve kimyasal toz özelliklerine uygun bir teknik kullanılarak toz haline getirilebilir. Birçok toz üretim tekniği arasından, ticari olarak şu teknikler kullanılmaktadır: a) Mekanik Yöntemler, b) Kimyasal Yöntemler, c) Elektroliz Yöntemi, d) Atomizasyon Yöntemleri.

1- Mekanik Yöntemler
Mekanik yöntemler; talaşlı üretim, öğütme ve mekanik alaşımlama olmak üzere üç grupta incelenebilir. Talaşlı üretim yönteminde; tornalama, frezeleme ve taşlama gibi talaş kaldırma teknikleri kullanılarak çok iri ve karmaşık şekilli tozlar üretilebilir. Üretilen tozlar, öğütülerek ince tozlar haline getirilebilir. Toz özelliklerinin kontrolündeki zorluk, oksitlenme, yağlanma, kir tutma ve diğer malzeme hurdaları ile karışarak kirlenme problemleri ile karşılaşılabilmektedir. Yüksek karbonlu çelik tozları ve dental gümüş amalgam tozları bu yöntemle üretilen tozlara örnek olarak verilebilir. Öğütme bir metal tozu üretim tekniği olmakla birlikte, diğer tekniklerle üretilmiş tozların kırılması için de kullanılan bir uygulamadır. Öğütme işlemi en çok bilyalı değirmenlerde yapılmaktadır. Kırılgan/gevrek malzeme tozlarının üretiminin yapıldığı bu yöntemde, temel prensip parçalanacak malzemenin sert bir cisim arasında darbe etkisine maruz kalmasını sağlamaktır. Öğütülecek metal parçacıkları ve büyük çaplı sert ve aşınmaya karşı dayanıklı bilyalar bir tambur içerisine uygun oranlarda yerleştirilir ve tambur döndürülür. İri taneli öğütülecek malzeme öğütücü kap içinde büyük bilyalar arasında darbe etkisiyle çok küçük parçacıklara bölünür (Şekil 3).

Eğer öğütülen malzeme gevrek ise darbe kuvveti etkisiyle çok küçük parçacıklara bölünür. Öğütülen malzeme sünek parçacıklardan oluşuyor ise, darbe etkisi parçacıkların ufalanma yerine şekil değiştirerek yassılaşmasına neden olurlar. Yassılaşan bu parçacıklar pul toz olarak nitelendirilir ve boya sektöründe yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.

Mekanik alaşımlama yöntemi, kuru ve katı haldeki tozların birbirlerine periyodik olarak kaynaklanmasını ve tekrar bu kaynakların kırılmasını sağlayarak daha ince ve homojen bir mikroyapıya sahip yüksek dayanımlı kompozit malzemelerin üretilmesinde kullanılır. Mekanik alaşımlama yönteminde tozlar kapalı bir kap içerisine konulur ve tahrik mili döndürülür (Şekil 3).  Tozlar, tahrik mili kanatları ve bilyalar yardımı ile deforme edilir ve bu parçacıklarda kırılma ve soğuk kaynaklaşmalar meydana gelir.

2- Kimyasal Yöntemler
Metal tozlarının kimyasal yöntemle üretimi, metal oksitlerin (demir, bakır, tungsten, molibden, nikel ve kobalt) CO veya hidrojen gibi indirgeyici gazlarla oksitlerinden kimyasal olarak indirgenmesi esasına dayanmaktadır [2]. Kimyasal yöntemle üretilen sünger-demir tozu bu yöntemin önemli bir uygulama örneğidir. Sünger demir, demir oksit cevherinin uygun nitelikte indirgeyici elemanlara indirgenerek süngerimsi bir kütleye dönüştürülmesiyle elde edilir. Magnetit (Fe3O4), kok ve kireç taşı ile karıştırılır ve seramik kaplara doldurulur. Karışım seramik kaplar içerisinde 1260?C sıcaklıktaki fırınlarda 68 saat bekletilir[3]. İndirgenmenin tamamlanması ile sünger demir elde edilir. Şekil 2.4’de kimyasal yöntemle demir tozu imalatı görülmektedir. Elde edilen sünger demir külçeleri yüksek sıcaklıkta (1260?C) birbirine kaynak olmuş parçacıklardan oluştuğundan öğütülerek istenilen tane büyüklüğüne getirilir. Hidrojen gazı altında 870?C’de tavlanarak oksijen ve karbondan mümkün olduğu kadar arıtılır ve son olarak elekten geçirilir [8].

3- Elektroliz Yöntemi
Elektroliz yönteminde anot ve katoda akım vermek suretiyle bazı metaller (anot) parçacıklar halinde elektrolitik banyoda çökertilir ya da katot üzerinde biriktirilir. Elektrolitin kimyasal bileşimi ve mukavemeti, sıcaklık, akım yoğunluğu gibi değişkenleri uygun olarak seçerek işlem kontrol edilir. Daha sonraki işlemler olarak, yıkama, kurutma, indirgeme, tavlama ve öğütme gerekli olabilir. Bu yöntemle üretilen metallerin başında bakır gelir, aynı zamanda krom ve magnezyum da bu yöntemle üretilebilir. Bakır tozlarının üretiminde elektrolitik sıvı olarak bakır sülfat ve sülfirik asit karışımı kullanılır. Anot bakır katot ise antimuanlı kurşundur. Elektrolitik tozların saflık derecesi çok yüksek olup tozlar dendritik şekillidir. Elektroliz yönteminde, elektrolitik banyoda çökertilen veya katotta toplanan metal kolaylıkla öğütülerek ince toz haline getirilir ve üretilen tozlar yıkanarak elektrolitten iyice temizlenir. Kurutma asal gazlar altında yapılarak oksitlenme önlenir. Elektroliz sırasında oluşan parçacıklar dendritik bir yapı gösterirlerse de daha sonraki işlemlerle bu yapı kaybolur.

4. Atomizasyon Yöntemi
Atomizasyon, metal malzemeyi ergiterek sıvı hale getirdikten sonra mekanik olarak ya da belirli bir hıza sahip ikinci bir akışkan ile parçalama işlemidir. İkinci akışkan olarak su veya gaz kullanılmaktadır ve bu yöntemlere “su atomizasyonu” ile “gaz atomizasyonu” adı verilmektedir. Diğer toz üretim teknikleri arasında atomizasyon yöntemleri, metal ve alaşım tozlarının üretiminde en çok tercih edilen yöntemdir. Atomizasyon yöntemleri içerisinde de su atomizasyonu ve gaz atomizasyonu en yaygın kullanılan tekniklerdir. Gaz atomizasyonu ile küresel şekilli, su atomizasyonu ile düzensiz şekilli tozlar elde edilir. Atomize tozlar diğer üretim yöntemleri ile elde edilemeyecek özelliklere ve avantajlara sahiptir. Bunlardan en önemlileri üretim hızının yüksek olması ve değişkenlerin kontrolü ile toz boyutunun daha iyi kontrol edilebilmesi sayılabilir.

Endüstriyel manada düşük kurulum ve işletme giderleri nedeniyle atomizasyonla toz üretim yönteminde su jeti sıvı atomizasyonu üretim miktarı açısından kullanılan en yaygın toz üretim yöntemidir. Pota çıkış ağzından eriyik metal düşey yönde akıtılırken yüksek basınçlı ve özel tasarımlı su jetleri ile parçalanır (Şekil 7). Uygulamalı çalışmalar sonucu elde edilen ampirik ilişkiler bu yöntemle elde edilen toz malzemelerin ortalama tane boyutu ve dağılımına, suyun basıncı ve hızı, metal eriyik akış açısı, eriyik viskozitesi, eriyik yoğunluğu, eriyik yüzey gerilimi, sıvı metal akış hızının soğutma suyu akış hızına oranı gibi parametreler etki etmektedir. Su atomizasyon yöntemi ile elde edilen tozların genelde ortalama tane boyutu 30-1000 µm arasında olmaktadır. Proses parametrelerinin değiştirilmesi suretiyle toz şekli farklılık gösterebilir. Tipik toz şekli düzensiz olup bu tozların sıkıştırma sonrası ham dayanımları yüksektir ve yapısal parçaların imalinde kullanılır. Atomize edilen metal ve kullanılan suyun reaksiyonu ise sistemin dezavantajlarındandır.

Basınçlı gaz ile atomizasyon da prensip olarak su atomizasyonu yöntemine benzer, ancak burada akışkan olarak su yerine gaz kullanılır. Sistemin birbirine nozul ile irtibatlı düşey olarak üst üste bulunan iki odası vardır (Şekil 9). Üstteki odada sıvı metal potası bulunmakta, alttaki odada ise atomizasyon işlemi yapılmaktadır.  Her iki oda da vakum pompasına bağlantılı olup oksidasyonu engellemek için işlem vakum altında yapılabilmektedir. Basınçlı gaz sıvı metali beraberinde sürükleyerek atomizasyon odasına pulverize ederek parçacıklara ayırır. Soğuyan parçacıklar bu odanın tabanındaki bir hazne içinde toplanır. Bu yöntemde gaz olarak hava, azot ve argon gazları kullanılır ve üretilen tozlar genellikle küresel şekillidir. Tozların temizliği önemli değilse ergiyik malzeme hava ile atomize edilir. Temiz toz üretimi için çoğunlukla azot gazı kullanılır. Azot ile reaksiyona giren malzemelerde ise argon gazı tercih edilir.

Üniversitemizde DPT ve TÜBİTAK araştırma projeleri ile gaz atomizasyonu ünitesi 2004 yılında kurulmuştur. Otomotiv sektörünün ülkemizde hızlı büyümesi TM sektörünün de büyümesine neden olmaktadır. Bu nedenle ülkemizde son yıllarda su ve gaz atomizasyonu yöntemleri ile metal tozu üretimine ilgi artmaktadır. Üniversitemiz ile sanayi kuruluşları ortaklığı ile toz üretimine yönelik SAN-TEZ projeleri yapılmaktadır. Özellikle yeni açıklanan teşvik sistemi sayesinde bu alanda yatırımların artması beklenmektedir.

kaynak: Doç. Dr. Rahmi Ünal; metaldunyasi.com.tr