Derin Okuma — Toz Metalurjisi

Kalıptan çıkan dişli

Bir otomobil şanzımanındaki senkromeç halkasını eline al. Yüzeyinde tek bir talaş izi yok. Kenarları pürüzsüz, gözenekleri milimetrenin binde biri ölçeğinde dağılmış. Parça hiçbir zaman sıvı metal görmedi, hiçbir kesici takıma dokunmadı. Bir kalıba toz dolduruldu, preslendi ve fırına girdi.

Toz metalurjisi tam olarak bunu yapar. Metal tozunu kalıpta sıkıştırır, sonra erime sıcaklığının altında pişirir. Parça neredeyse bitmiş halde çıkar. Talaş yok, döküm çapak yok, ikinci bir işlem çoğu zaman gereksiz.

Peki neden bu yöntem her parçada kullanılmıyor? Cevap, tozun kendisinde ve kalıbın geometrisinde saklı.

Toz nasıl bir şey

Metal tozu, un gibi düşünülebilir. Ama taneleri 20 ile 200 mikrometre arasında değişir ve her tane aslında küçük bir metal parçasıdır. Su atomizasyonunda erimiş çelik jeti yüksek basınçlı suyla püskürtülür, damlacıklar havada katılaşır. Gaz atomizasyonunda ise azot veya argon kullanılır ve taneler daha küresel, daha temiz çıkar.

Tane şekli kritik. Küresel taneler kalıpta akar, düzensiz taneler birbirine kenetlenir. İkincisi daha güçlü "yeşil" parça verir ama dolum homojenliği bozulur. O yüzden tek bir toz karışımı genelde farklı boyut dağılımlarından harmanlanır.

Karışıma yağlayıcı eklenir. Çinko stearat tipik bir seçim, ağırlıkça yüzde 0,5 ile 1 arasında. Yağlayıcı kalıptan çıkışı kolaylaştırır ama pişirme sırasında yanıp gider ve geride gözenek bırakır. Yani her kolaylık bir bedel taşır.

Tozun kimyası da parça kimyasını belirler. Alaşımlama iki yoldan yapılır. Ön alaşımlı tozda her tane baştan krom, molibden, nikel içerir. Karışım tozunda ise saf demir tozuna ayrı ayrı alaşım tozları katılır. Ön alaşımlı toz daha homojen parça verir ama preslenmesi zordur, çünkü her tane serttir. Karışım tozu kolay preslenir, ama pişirme sırasında alaşım elementlerinin taneden taneye yayılması gerekir.

Yayılma mesafesi mikrometre ölçeğinde kalır. Bir nikel parçacığı çevresindeki demir tanesine 1.100 derecede saatler boyunca yayılır ve tam homojenlik çoğu zaman yakalanmaz. O yüzden aynı nominal bileşimdeki iki parça, biri ön alaşımlı biri karışım tozundan yapılmışsa, yorulma ömründe yüzde 30'a varan fark gösterebilir.

Farkın kökeni difüzyon hızında. Demirde nikel difüzyonu 1.100 derecede saniyede yaklaşık 10 üzeri eksi 14 metrekare mertebesinde bir katsayıyla ilerler. Bir nikel tanesinin çevresine 50 mikrometre yayılması için saatler gerekir. Fırın süresi 30 dakikada kalırsa nikel merkezde kalır, kenarlarda çelik matrisi nikelden yoksun çıkar.

Karışım tozunun bir başka tuzağı var. Alaşım elementleri saf haldeyken oksijene açıktır. Krom tozu kolayca oksitlenir ve oksit tabakası sinterleme sırasında boyun oluşumunu engeller. O yüzden krom içeren karışım tozlarında atmosferin çiy noktası daha da düşürülür ve hidrojen oranı yükseltilir. Ön alaşımlı tozda krom tanenin içinde bağlı olduğu için bu sorun büyük ölçüde ortadan kalkar.

Presleme ve pişirme

Kalıp iki zıt yönden preslenir. Basınç genelde 400 ile 800 megapaskal arasında. Aralık tesadüf değil. Altında kalırsan parça dağılır, üstüne çıkarsan kalıp aşınır ve taneler arasında mikro çatlaklar oluşur.

Preslemenin bir sınırı var. Toz kalıp içinde sürtünerek ilerler, sürtünme basıncı düşürür. Yüksekliği 25 milimetreyi geçen parçada alt bölge üst bölgeden belirgin biçimde daha az sıkışır. Yoğunluk yükseklik boyunca yüzde 5 ile 10 arasında değişebilir. O yüzden tek yönlü presleme ince ve yassı parçada kalır, uzun parçada çok katmanlı dolum veya çift taraflı presleme gerekir.

Sürtünmenin ölçüsü şu. Toz ile kalıp cidarı arasındaki sürtünme katsayısı tipik olarak 0,1 ile 0,15 arasında. Küçük sayı, yükseklik arttıkça basıncın üstel biçimde düşmesine yol açar. Yani iki kat yüksek parça, iki kat değil çok daha fazla eşit olmayan yoğunluk demektir. Çözüm, kalıbı birden fazla hareketli zımba ile donatmak. Her zımba kendi bölgesine ayrı basınç uygular.

Preslenen parçaya "yeşil kompakt" denir. Henüz metal değil, sıkıştırılmış toz. Yoğunluğu teorik yoğunluğun yüzde 85 ile 92'si arasındadır. Kalan boşluk pişirme sırasında kapanır ama tamamen değil.

Yeşil kompaktın bir de dayanım sınırı var. Yağlayıcı oranı yüzde 1'i geçerse parça kalıptan çıkar çıkmaz köşelerinden kırılır. Yağlayıcı oranı yüzde 0,3'ün altına inerse kalıptan çıkarma kuvveti yükselir, yüzeyde sıvanma olur. Dar pencere, toz karışımını hazırlayan kişinin asıl işidir.

Pişirme fırını üç bölgeli çalışır. Ön ısıtma bölgesi yağlayıcıyı yakar, 400 ile 600 derece arası. Yüksek sıcaklık bölgesi 1.100 ile 1.150 derecede tutulur. Soğutma bölgesi kontrollü inişle parçayı sertleştirir. Toplam süre genelde 20 ile 45 dakika.

Atmosfer kritik. Fırın içinde oksijen kalırsa taneler paslanır ve kaynama tutmaz. O yüzden ortam ayrıştırılmış amonyakla üretilen hidrojen-azot karışımıyla ya da doğrudan azotla doldurulur. Çiy noktası eksi 40 derecenin altında tutulur. Nem yükselirse parçanın yüzeyi karbon kaybeder ve sertlik düşer.

Atmosferin karbon potansiyeli de ayarlanır. Parçanın yüzeyinde karbon kaybı olursa sertlik düşer. Yüzeyde karbon birikirse parça gevrek olur. O yüzden fırın atmosferine metan veya propan dozlanır ve karbon potansiyeli parçanın karbon içeriğine göre ayarlanır. Tipik bir demir-karbon parça için atmosfer karbon potansiyeli ağırlıkça yüzde 0,4 ile 0,6 arasında tutulur.

Kaynama üç aşamada ilerler. İlk aşamada taneler temas noktalarından boyun oluşturur, yüzey alanı küçülür. İkinci aşamada gözenekler tüp şeklinde kanallara dönüşür. Üçüncü aşamada kanallar kopar ve izole küresel gözenekler kalır. Yoğunluk yüzde 92'yi geçtikten sonra bu son aşama yavaşlar, çünkü kalan gözenekler artık birbirine bağlı değildir ve difüzyon yolu uzar.

Üç aşamanın süresi sıcaklığa bağlı. 1.120 derecede bir saatte ulaşılan yoğunluğa 1.050 derecede üç saatte ulaşılır. Yani sıcaklık ile süre birbirini ikame eder ama tam değil. Düşük sıcaklıkta uzun süre beklemek tane büyümesine yol açar ve mekanik özellikler bozulur. O yüzden sanayi fırınları yüksek sıcaklık, kısa süre tarafında çalışır.

Gözenek neden bazen dost

Gözenek her zaman kusur değil. Yağ emdirilmiş burçlar bu sayede çalışır. Gözenekler yağ deposu görevi görür, mil döndükçe yağ yüzeye sızar. Kendi kendini yağlayan yataklar tam bu mantıkla üretilir.

İşin ölçüsü var. Yağ emdirilmiş bir burçta gözenek hacmi yüzde 15 ile 25 arasında tutulur. Yüzde 10'un altına inerseniz yağ hacmi yetmez ve yatak ısınır. Yüzde 30'un üstüne çıkarsanız taşıma kapasitesi düşer ve burç ezilir. Gözenek boyutu da önemli. Çok küçük gözenek kılcallıkla yağı tutar ama bırakmaz, çok büyük gözenek yağı bırakır ama geri emmez.

Gözenek boyutunun ölçüsü de var. Kılcallıkla yağ tutan gözenek için tipik çap 5 ile 20 mikrometre arasında. Bunun altında kılcallık yağı çeker ama mil dönerken bırakmaz, yatak kuru çalışır. Bunun üstünde yağ bırakılır ama mil durunca geri emilmez ve yatak zamanla yağsız kalır. Yağ emdirme işlemi vakum altında yapılır, çünkü atmosfer basıncında gözeneklerin içindeki hava yağın girmesini engeller.

Ama yorulma dayanımı isteyen parçada gözenek ölümdür. Çatlak gözenekten başlar. O yüzden yüksek performanslı parçalar için ikinci bir adım eklenir. Sıcak izostatik presleme, parçayı argon atmosferinde 100 megapaskalın üzerinde ve 1.150 derecede sıkıştırır. Yoğunluk yüzde 99'un üzerine çıkar.

Sıcak izostatik preslemenin sınırı maliyette. Bir parti işlem saatler sürer ve parti başına maliyet yüksektir. O yüzden sadece uçak motoru parçaları veya yarış otomobili bileşenleri gibi katma değeri yüksek işlerde kullanılır. Seri otomotiv parçasında bu adım nadiren görülür.

Bir başka yol da sıvı faz sinterlemesi. Karışıma bakır veya fosfor gibi düşük erime noktalı bir katkı konur. Katkı pişirme sırasında erir ve gözenekleri doldurur. Yoğunluk artar, maliyet de artar.

Sıvı fazın bir yan etkisi var. Erimiş bakır taneler arasında ilerlerken çevresindeki demiri de çözer ve yeniden çökelmesine yol açar. Çökelme tane irileşmesine neden olur. Yani yoğunluk artarken tane boyutu büyür, iki etki birbirini yer. O yüzden bakır oranı ağırlıkça yüzde 2 ile 4 arasında tutulur, üstüne çıkıldığında tokluk düşer.

Üçüncü yol yüzey yoğunlaştırmadır. Parçanın yüzeyi ikinci bir presleme veya bilyeli dövme ile ezilir. Yüzeydeki gözenekler kapanır, iç kısım gözenekli kalır. Dişli yüzeyi sertleşir, çekirdek tokluğunu korur. Yüzey sertliği iki katına çıkabilir ama derinlik yarım milimetreyi geçmez.

Yüzey yoğunlaştırmanın bir başka biçimi dişli haddelemesi. Parçanın dişleri doğrudan haddelenerek açılır. Haddeleme hem dişi biçimlendirir hem yüzeyi yoğunlaştırır. Yüzeyde artık basma gerilmesi kalır ve yorulma ömrü belirgin biçimde uzar. Toz metalurjisi dişlilerinin çoğu bu yüzden haddelenmiş dişle satılır.

Piyasa Hafızası

Toz metalurjisinin sanayi ölçeğinde kırılma noktası 1960'ların sonunda geldi. Amerika Birleşik Devletleri'nde otomotiv üreticileri, geleneksel dövme ve döküm parçaların yerine toz metalurjisi parçaları seri üretime almaya başladı. Özellikle senkromeç halkaları, yağ pompası dişlileri ve küçük burçlar bu geçişin ilk dalgasıydı.

Kırılmanın nedeni teknoloji değil ekonomiydi. Bir dövme dişli beş ayrı işlem gerektirirken, toz metalurjisi parçası kalıptan çıkıp doğrudan montaja gidebiliyordu. Malzeme kaybı neredeyse sıfırdı. Otomobil başına parça sayısı arttıkça bu tasarruf katlandı.

Ders şu. Bir üretim yöntemi, en iyi olduğu için değil, en ucuz olduğu ölçekte yayılır. Toz metalurjisi mukavemet rekoru kırmadı, maliyet eğrisini kırdı.

Küçük Bir Hesap

Temsili bir senkromeç halkası üretimini karşılaştıralım. Sayılar temsili, mantık gerçek.

Yılda 5 milyon parça üreten bir hat için bu fark 10 milyon doların üzerine çıkar. Duyarlılık noktası toz fiyatında. Toz kilogram fiyatı 8 dolardan 14 dolara çıkarsa tasarruf yarıya iner. Kalıp ömrü 100.000 vuruştan 40.000'e düşerse parça başına amortisman üçe katlanır ve tablo tersine döner.

Bir de hacim eşiği var. Kalıp maliyeti sabit, parça maliyeti hacimle düşer. Yılda 50.000 parçanın altında kalıp amortismanı parça başına 3 doları geçer ve dövme yeniden kazanır. O yüzden toz metalurjisi kataloğu küçük, hafif ve çok adetli parçalarla dolu.

Üç katmanlı okuma

Birincisi, toz metalurjisi bir mukavemet yarışı değil, bir akış verimliliği oyunudur. Kazandığı yer talaş kaldırmayan geometrilerdir.

İkincisi, gözenek bu işin hem laneti hem de ürünüdür. Yağ emdirilmiş burçta dost, yorulma yükü altında düşmandır. Tasarım kararı bu ikilemde verilir.

Üçüncüsü, ekonomiyi toz fiyatı ve kalıp ömrü belirler. İkisi de dışsal, ikisi de oynak. O yüzden toz metalurjisi hacimli ve küçük parçada yaşar, büyük ve düşük adetli işte ölür.

Kalıp bir kez açıldığında, metal artık akmaz, dökülmez, kesilmez. Sadece pişer.