Download - ileri_teknolojik_Seramikler-1
![Page 1: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/1.jpg)
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
1
İLERİ TEKNOLOJİ SERAMİK MALZEMELER 1. GİRİŞ
Seramik kelimesi, Yunanca, pişirilmiş eşya anlamına gelen “keramos” kelimesinden
gelmektedir. Seramik üretimi eski çağlardan beri gerçekleştirilmekte olup arkeolojik
bulgular seramik üretiminin M.Ö. 6500 yıllarına kadar uzandığını ortaya
koymaktadır.
Seramik malzemeler farklı bileşimde kristal ve cam yapılı fazları içermekte ve
genellikle porozite ihtiva etmektedir. Bu farklı yapı bileşenlerinin miktarı ve
dağılımları seramik malzemelerin özelliklerini önemli ölçüde etkilemektedir.
Örneğin; yapıda mevcut fazların yerleşim düzenini değiştirmek, yalıtkan olan bir
seramik malzemeyi iletken hale getirmekte veya bunun tersi olmaktadır. Bu nedenle,
seramik malzemelerin geliştirilmesi konusunda çalışmalar mikro yapı üzerinde
yoğunlaşmıştır.
Seramik endüstrisinin en önemli özelliği bir çok diğer endüstrinin temel taşlarından
biri olmasıdır. Örneğin; refrakterler; metalurji endüstrisinin, aşındırıcılar; makine ve
otomotiv endüstrisinin, cam; inşaat, elektronik ve otomobil endüstrisinin, uranyum
oksit yakıtlar; nükleer güç santrallarının en önemli bileşenlerinden birisidir. Çeşitli
seramikler, bilgisayar ve diğer birçok elektronik devrelerin yapı bileşenleridir.
Günümüzde seramik malzemelere ilginin artmasının başlıca nedenleri aşağıda
sıralanmıştır:
1. Yüksek sıcaklıklara dayanıklılık
2. Kimyasal kararlılığın yüksek olması
3. Çok sert olmaları
4. Metallerden hafif olmaları
5. Hammadde olarak bol miktarlarda bulunmaları ve genellikle metallere kıyasla
ucuz olmaları
6. Pahalı ve stratejik metallere ihtiyaç göstermemesi
7. Erozyon ve aşınmaya karşı dayanıklı olmaları
8. Oksitlenmeye karşı dirençlerinin yüksek olması
![Page 2: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/2.jpg)
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
2
9. Sürtünme katsayısının düşük olması
10. Basma mukavemetinin yüksek olması.
Bütün bu üstün özellikler rağmen, seramiklerin istenmeyen en önemli özelliği gevrek
olmalarıdır.
İleri teknoloji seramiklerinin, geleneksel seramiklerle kıyaslanması Tablo 1’de
verilmiştir.
Tablo 1. İleri teknoloji seramikleri ile geleneksel seramiklerin karşılaştırılması Geleneksel Seramikler İleri Teknoloji Seramikler
Hammaddeler Doğal Hammaddeler (Kil, Silis )
Yüksek Saflıktaki Yapay Hammaddeler (Al2O3, SiC, ZrO2, Si3N4 )
Şekillendirme Slip Döküm, Seramik Çarkı
Slip Döküm, Sıcak veya soğuk İzostatik Pres
Sinterleme Sinterleme işlemi fırınlarda yüksek sıcaklıklarda yapılır
Ürünler Porselen Eşyalar, Tuğla, Refrakterler, Çini
Türbin Kanadı, Nükleer Reaktör, Otomobil Parçaları, Mekanik Aksam, Yapay Kemik
Mikroyapı Optik Mikroskopta SEM, TEM
Maliyet Düşük Pahalı
Buna göre ileri teknolojik seramikler geleneksel seramiklerden başlıca hammadde,
üretim yöntemleri ve mikro yapıları açısından bariz farlılıklar göstermektedir.
Geleneksel seramikler doğal hammaddelerden üretilirken ileri teknoloji seramikler
sentezleme yöntemi ile yapay olarak hazırlanmaktadır. Nedeni yapay hammad-
delerin istenmeyen empüritelerden arındırılmış olarak saf halde ve istenilen fiziksel
özelliklerde üretilmiş olmalarıdır.
2. İLERİ TEKNOLOJİK SERAMİKLERİN SINIFLANDIRILMALARI
Seramiklerin sınıflandırılmasında pek çok yaklaşım mümkündür. Seramikleri
kimyasal bileşim, mineral içeriği, üretim yöntemleri, özellikleri veya kullanım
![Page 3: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/3.jpg)
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
3
alanlarına göre sınıflandırabiliriz. Günümüzde kullanılan en yaygın sınıflandırma
şekli özellikleri ve kullanım alanlarına göre seramiklerin sınıflandırılmasıdır.
2.1. Kimyasal Bileşimlerine Göre Sınıflandırma
Seramiklerin kimyasal bileşimlerine göre sınıflandırılması Tablo 2’de verilmektedir.
Tablo 2. İleri Teknoloji Seramiklerin kimyasal bileşimlerine göre sınıflandırılmaları Oksitler Al2O3, ZrO2, MgO, SiO2, FeO, Fe3O4, TiO2
Karbürler SiC, TiC, ZrC, WC, B4C
Nitrürler Si3N4, BN, AlN, TiN, ZrN,
Silisitler Mo2Si, WSi2
Börürler TiB2, ZrB2
2.2. Kullanım Alanlarına Göre Sınıflandırma
İleri teknoloji seramik malzemelerin, günümüzde kullanılan en yaygın sınıflandırma
yöntemi seramiklerin özelliklerine ve kullanım alanlarına göre sınıflandırmadır.
Buna göre:
∗ Elektriksel özelliklerinden yararlanılan seramik malzemeler
♦ İzolasyon seramikleri (Al2O3, BeO, MgO vb): Entegre devre altlıkları, resistans
altlığı sargı bobin altlığı gibi.
♦ Ferro Elektrik seramikler(BaTiO3, SrTiO3): Seramik kapasitörler.
♦ Piezoelektik seramikler(Baryum titanat, Kurşun zirkonyum titanatlar): Vibratör,
assilatör, sonar, ultrasonografi, yüksek voltaj üreteçleri gibi.
♦ İyonik İletken seramikler(β-Al2O3, ZrO2): Katı elektrolitler, Na pilleri, oksijen
sensörleri, pH metre sensörü.
♦Yarı iletken seramikler(BaTiO3, SiC, ZnO-Bi2O3 vb):
• NTC (negatif sıcaklık katsayılı) termistörler: Sıcaklık arttıkça öz direnç
veya resistansı düşen malzemelerdir. Sıcaklık sensörü olarak kullanılırlar.
• PTC (pozitif sıcaklık katsayılı) termistörler: Isıtıcı elementler, ısıl anahtarlar.
• CdS, solar devreler
• SiC fırın ısıtıcı elemanları
![Page 4: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/4.jpg)
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
4
♦Süper iletken seramikler(BaO, CuO, Y2O5, La2O3)
∗ Manyetik özelliklerinden yararlanılan seramik malzemeler
♦ Yumuşak manyetik malzemeler(ZnO.Fe2O3.Mn2O3): Yüksek frekans indüktörleri,
manyetik kayıt kafaları, sıcaklık sensörleri.
♦ Sert manyetik malzemeler(Fe2O3.BaO.SrO): Küçük elektrik motorları, hoperlörler.
∗ Optik özelliklerinden yararlanılan seramik malzemeler
♦ Saydam alumina: Yüksek basınçlı Na lambaları
♦ Saydam MgO, mullit vb: Özel lamba tüpleri, infrared radyasyona geçirgen özel
pencereler.
♦ Saydam Y2O3-ThO2 seramikler: Ruby lazer malzemeleri ve Ruby kristalleri.
♦PLZT(PbO.La2O3.ZrO2.TiO2): hafif hafiza elentleri, video görüntü kayıt, ışık
modülatörü.
∗ Kimyasal özelliklerinden yararlanılan seramik malzemeler
♦ Gaz sensörleri (ZnO, Fe2O3, SnO2): Gaz kaçak alarmı, hidrokarbon ve florakarbon
dedektörü.
♦ Nem sensörü (MgCr2O4, TiO2): Mikrodalga fırın kontrol elementi.
♦ Katalist taşıyıcı (Kordielit ve Alumina): Emisyon kontrolu için katalist taşıyıcı.
♦ Organik katalist: Enzim taşıyıcı, zeolitler.
♦ Elektrod (Titanat, sulfit, borür): Al’un elektrokimyasal geri kazanılması foto
kimyasal prosesi, Cl2 gaz üretimi.
∗ Isıl özelliklerinden yararlanılan seramik malzemeler
♦ ZrO2, TiO2 ve özel SiO2 bazlı seramikler: İnfrared radyatörler, ısıl kalkanlar.
∗ Mekanik özelliklerinden yararlanılan seramik malzemeler
♦ Kesici uçlar (Al2O3, TiC, TiN ve metal borürler): sermetler ve seramik kesiciler.
♦ Aşınmaya dayanıklı malzemeler (Al2O3, ZrO2..): Seramik kaplamalar, rulman iplik
yönlendiricileri, basınç sensörleri, balistik zırhlar.
♦Yüksek sıcaklıkta yüksek mukavemet gösteren seramikler (SiC, Al2O3, Si3N4):
seramik türbin kanatçıkları, ısıl esanjörleri, yüksek sıcaklık potaları, roket nozülleri.
![Page 5: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/5.jpg)
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
5
∗ Biyolojik özelliklerinden yararlanılan seramik malzemeler
♦ Alumina, zirkonya: Suni diş, kemik ve mafsallar)
∗ Nükleer özelliklerinden yararlanılan seramik malzemeler
♦ Nükleer yakıtlar (UO2, UO2-PuO2)
♦ Notrn kontrolleri(C, SiC, B4C)
♦ Notronlara karşı koruyucu kalkan malzemeler (SiC, Al2O3, C, B4C)
3. HAMMADDE
3.1. Seramikler için yapay hammadde üretimi
Doğal kaynaklardan alınan hammaddeler geleneksel seramik üretiminde doğrudan
veya arıtılarak kullanıldığı halde, ileri teknoloji seramiklerin üretimi için bu uygun
değildir. İleri teknoloji seramiklerin üretiminde çok ince ve homojen tozlara ihtiyaç
vardır.
Seramik tozlarının özellikleri, seramik üretiminin en kritik faktörlerinden birisidir.
Mükemmel tozun; saf, homojen, boyutunun ise mikronun altında ve dar bir dağılım
aralığına sahip olması gerekir. Üstün nitelikteki tozların üretimi için farklı üretim
yöntemleri vardır. Bunlar; düşük sıcaklık yöntemleri (kimyasal ve kolloidal
yaklaşıma dayanır), yüksek sıcaklık yöntemleri ( buhar fazı veya egzotermik
reaksiyon içerir) mevcuttur.
A- Kimyasal çözeltilerden toz elde etme
Kimyasal çözeltilerden toz elde etme tekniği yüksek saflıkta ve ince toz üretimi için
uygun bir yöntemdir. Önce istenen katyonları içeren bir çözelti hazırlanır, daha sonra
çöktürme yöntemi veya çözücünün buharlaştırılması veya ekstraksiyonu ile
uzaklaştırılması yöntemi uygulanabilir.
Çöktürme tekniği: Çöktürme tekniği biline inorganik tuzların çöktürme işlemidir.
Çözeltiye çökmeyi sağlayacak bir madde katkısı veya sıcaklık ya da basınç
![Page 6: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/6.jpg)
değiştirilerek çözünürlüğün azaltılması işlemleri uygulanır. Çökelme çekirdeklenme
ve büyüme sonucu oluşur.
Karıştırma hızı ve sıcaklık, tane büyüklüğünü etkileyen önemli faktörlerden
olduğundan iyi kontrol edilmeleri gerekir. Bu teknikle yüksek saflıkta ve çok küçük
tane boyutuna sahip toz elde etmek mümkündür. Buna örnek olarak amonyum
aluminyum sülfatın (Alum) sıcak sulu çözeltide çözüldükten sonra soğutulması ve
alkaliden arıtılmış Alum’un tekrar çöktürülmesi verilebilir.
OHOHSOAlNHçözeltiOHSOAlNH sogukısısu
22244
)(2244
)saf( 12)()olmayan saf( 12)(
+⋅⎯⎯→⎯⎯⎯ →⎯⋅
Bu teknikle %99.995 saflıkta alumina üretilebilir ve üretilen alumina da alkali ve
geçiş elementleri konsantrasyonu çok düşüktür.
Çözücünün Buharlaştırılması:Bir diğer yöntemde istenilen iyonların çözeltide
dağıtılması ve daha sonra çözücünün buharlaştırılarak tozun elde edilmesidir. Sprey
kurutma, dondurarak kurutma gibi yöntemler uygulanmaktadır. Sprey kurutma
yönteminin bir değişik uygulaması çözeltinin sıcak bir fırına püskürtülerek kurutma
ve kalsinasyonun bir seferde yapılmasıdır. Buna örnek olarak magnezyum asetattan
magnezya eldesi verilebilir.
)(2)()()500()20(
22232 24)( sgkChavaCsu OHCOMgOçözeltiOHOHCMg oo
++⎯⎯⎯ →⎯⎯⎯⎯ →⎯⋅
Sol-jel Tekniği: Başlangıç malzemelerine bağlı olarak Sol-Jel tekniği iki temel gruba
ayrılmaktadır.
1- Polimerik jellerin oluşturduğu sistemler
2- Kolloidal jellerin oluşturduğu sistemler
Kolloidal süspansiyonların jelleşmeleri, sistemdeki suyun uzaklaştırılması ve
sistemin aşırı doymuş hale gelmesi ve kolloid tanelerinin birbirlerine değmeleri
sonucu oluşur ve bu sistemde geriye dönüş vardır.
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
6
![Page 7: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/7.jpg)
Tamamen alkoksitlerin kullanıldığı sistemlerde jelleşme su ilavesi ile önce kısmen
hidrolize olan metal alkoksitlerin sonradan polimerleşmesi ve oluşan polimerlerin
tüm sistemi sarması sonucu oluşur ve bu sistemde geriye dönüş yoktur. Metal
alkoksitler genellikle M(OR)n şeklinde gösterilirler ve burada M, metali, R, alkali
grubunu ifade eder. Sol-Jel prosesi esnasında oluşan reaksiyonlar basit olarak,
nROHOHMOnHORM nn +→+ )()( 2 } Hidroliz
OHnMOOHM nn 22/ 2/)( +→ } Kondensasyon
Sol-Jel yönteminin tasnifi.
Sol-Jel yönteminin avantajları ve dezavantajları aşağıda özetlenmiştir.
Avantajları:
1- Yöntemin kimyasal yönü kontrol edilebilir.
2- Hammaddelere kıyasla daha iyi homojenlik sağlanır.
3- Toz boyutu mikron altında elde edilir.
4- Üretim için düşük sıcaklıklar yeterlidir. Buda;
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
7
![Page 8: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/8.jpg)
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
8
(a) Enerji tasarrufu sağlar
(b) Uçma kayıplarını en aza indirir.
(c) Bulunduğu kapla reaksiyonu önler
5- Yeni malzemeler ve özellikler elde etmek mümkündür.
6- İnce film gibi özel mamullere müsaittir.
7- Hava kirliliğine neden olmaz.
Dez avantajları
1- Bu yöntemle üretilen tozların maliyetleri yüksektir.
2- Proses esnasında büzülme miktarı yüksektir.
3- İnce gözenekler yapıda yer alabilir.
4- Yapıda kalıntı hidroksit yer alabilir.
5- Yapıda kalıntı karbon kalabilir.
6- Organik çözeltiler sağlığa zararlıdır.
7- İşlem süresi uzundur.
Kullanım Alanları
Sol-Jel yöntemi ile ince ve reaktif toz üretimi, kaplamalar, fiberler, özel camlar ve
aşındırıcı tozlar üretilebilir.
1. Seramik toz üretimi: Değişik amaçlarla çok çeşitli toz üretilmektedir. Miktarı çok
az olan ikinci bir tozun ana tozun içinde homojen olarak dağıtılması Sol-Jel
yöntemi ile mümkün olmaktadır. Düşük sıcaklıklarda sinterlenebilen BaTiO3,
ZnO, PZT, PbTiO3 vb elektro seramik tozları, kontrol edilebilir şekil ve
boyutlarda tozlar (SiO2, TiO2, ZrO2), Nükleer yakıt malzemeleri (UO2-ZrO2-
ThO2, UO2-ThO2), Sentetik fazlar (ThSiO4, CaLa4(SiO4)3, NaBSi3O6) ve
aşındırıcılar (Al2O3 ve katkılı Al2O3) üretilebilirler.
2. Kaplamalar: Sol-jel yönteminin uygulama alanı bulduğu ve en büyük potansiyele
sahip olduğu uygulama alanıdır. Kaplamalar çok değişik amaçlı olabilmektedir;
mekanik (SiO2), optik (TiO2-SiO2, InO2-SiO2), kimyasal (SiO2), elektriksel
(BaTiO3, PLZT) veya katalitik (Al2O3, SiO2). Kaplama uygulamalarında
solüsyonun kontrol edilmesi ile hem kompozisyon, hem de kaplama kalınlığının
kontrolü kolayca yapılabilmektedir.
![Page 9: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/9.jpg)
3. Fiberler: Bunların üretiminde bazı durumlarda tek üretim yöntemi Sol-Jel’dir.
SiO2, SiO2-ZrO2, ZrO2, Al2O3, Al2O3-B2O3-SiO2 ve ayrıca optik fiberlerin
üretiminde de sol-jel yöntemi kullanılır.
4. Özel Camalar: Burada genellikle eritilerek üretimi zor veya imkansız olan bazı
camların sol-jel yöntemiyle hazırlanmaları söz konusudur. CaO-SiO2, SrO-SiO2,
SiO2-TiO2, SiO2-Al2O3 gibi.
B- Buhar fazı tepkimeler ile toz eldesi
Bazı özel oksit veya oksit olmayan tozların eldesin de buhar fazı tepkimelerinden
yararlanılır. Bir metal klorürün yüksek sıcaklıkta su buharı ile tepkimesi sonucu
metal oksit oluşur.
)()(2)(2)(4 42 gggg HClTiOOHTiCl +→+
Buhar fazı teknikleri ile mikron altı taneler elde edilebilir. Fakat tozun üretimi ve
toplanması için pahalı ve karmaşık toz toplama sistemleri gereklidir.
4. SERAMİK ÜRETİM SÜREÇLERİ
Seramik ürünler çok çeşitli malzemelerden yapılır. Bu ürünler uygulama ve şekil
açısından çok çeşitlilik gösterir. Bu yüzden bunları yapmak için kullanılan üretim
yöntemleri de çeşitlidir. Bununla beraber ana süreç dört aşamada özetlenebilir:
bünyeyi hazırlama, kalıplama, sinterleme ve son işlemler.
4.1. Bünyemin Hazırlanması
Yüksek performans seramik ürünler homojen mikroyapılı çok az gözenekli ve
yüksek yoğunlukta bünyelerden yapılır. Böyle yüksek kalitede ürünler elde etmek
için, başlangıç malzemelerinin seçimi ve kontrolü çok önemlidir. Yüksek
yoğunlukta sinter parça elde etmek için ince taneli ve yüksek saflıkta tozlar
kullanmak gereklidir. Ayrıca yardımcı bileşenler ile ana bileşenler çok iyi
karıştırılmadır.
4.1.1. Toz Seçimi
Seramik tozunun hazırlanmasında kullanılan en yaygın yöntem iri hammadde
parçalarını mekanik öğütme ve sınıflandırma ile ince toz haline getirmektir.
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
9
![Page 10: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/10.jpg)
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
10
Öğütücüler çok çeşitli olmakla birlikte bilyalı öğütücüler ve sarsıntılı öğütücüler
mikron seviyesinde tane boyutuna ulaşmak için en uygun olanlarıdır. Yoğun
malzeme elde etmek için tane büyüklüğü ve homojen dağılımı çok önemlidir.
4.1.2. Bünyenin Karıştırılması
Tozları, ana ve yardımcı bileşenleri karıştırmak, bünyeyi hazırlamak için kuru ve yaş
olmak üzere iki yöntem vardır. İleri teknoloji seramikler alanında, mikron ve
mikronaltı büyüklüğündeki tozlar için daha verimli ve güvenilir olanı yaş yöntemidir.
Başlangıç malzemenin öğütülmesi ve bünyenin karıştırılması aynı anda
yapılmaktadır. Yaş yöntemde kullanılan çözücü genellikle sudur, fakat silisyum
nitrür ve silisyum karbür gibi oksit dışı malzemelerin oksitlenmesini önlemek için
organik çözücüler de kullanılır. Bilyalı öğütücü en çok kullanılan karıştırma aletidir.
Bununla beraber, bilyalardan ve öğütme kabının iç kaplama seramiğinden kopacak
parçalar malzemeyi kirleteceğinden,öğütülen malzemenin cinsinden seramik bilya ve
iç kaplama malzemesi kullanılması tercih edilir.
4.1.3. Bünyenin Kurutulması ve Granüle Edilmesi
Yaş yöntemle elde edilen bünyenin kurutulmasında kullanılan en yaygın yöntem
püskürtmeli (spray) kurutucudur. Uygun kurutma yöntemi olmasının yanında aynı
zamanda toz kalıplamada tozda istenilen akıcılığı da sağlamaktadır. Burada prensip
olarak, yüksek hızda dönen disk şeklinde bir memeden püskürtülen çamurun
bulunduğu bir sarsıntılı siloya sıcak hava gönderilir. Buğu halindeki malzeme
damlacıkları sıcak hava ile taşınarak silonun dibine kuru granüller olarak düşer ve
oradan alınırlar. Bunları kurutmakta kullanılan hava nemli olacağından silonun alt
kısmından dışarı alınır.
![Page 11: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/11.jpg)
Spray Drying (Püskürtmeli Kurutma)
4.2. Şekillendirme Yöntemleri
4.2.1. Kuru Presle Kalıplama
Bu yöntem; kalıp boşluğuna doldurulmuş tozlara tek yönlü veya çift yönlü olarak
basınç uygulayarak şekillendirme esasına dayanmaktadır. Toz presleme yöntemi
şematik olarak Şekil gösterilmiştir.
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
11
![Page 12: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/12.jpg)
Toz presleme işlem aşamalarının şematik olarak gösterimi
Bu yöntemde elementel veya ön alaşımlandırılmış tozlar ile tozların
şekillendirilmesini kolaylaştıracak katkı maddeleri (bağlayıcı) kalıp boşluğuna
yerleştirilir ve sonra alt ve/veya üst pistonlar vasıtası ile basınç uygulayarak istenen
mamul şekli verilir. Bu yöntem genellikle küçük ve basit parçaların seri olarak
üretimi için uygundur. Bu yöntem seçilirken; seramik tozların yüksek sertlikte
olduğunu, kalıplanan şeklin boyut hassasiyetini ve sürtünme nedeniyle kalıbın
ömrünü göz önüne almak gereklidir.
4.2.2. İzostatik Presleme
İzostatik presleme, bir toz kütlesine veya ön şekillendirilmiş bir parçaya bütün
yönlerden eşit şekilde basınç uygulaması ile gerçekleştirilen bir şekil verme
yöntemidir. İzostatik preslemede eşit basınç uygulaması ile taneler arasındaki temas
noktaları artarak reaksiyonun ilerlemesi hızlanmaktadır. Bu yöntem ayrıca kalıp iç
yüzeyi ile sürtünmeyi de azaltmaktadır.
Oda veya ortam sıcaklığında yapılan izostatik presleme soğuk izostatik presleme
(CIP) olarak isimlendirilirken yüksek sıcaklıkta yapılan izostatik presleme ise sıcak
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
12
![Page 13: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/13.jpg)
izostatik presleme (HIP) olarak bilinmektedir. CIP’de kompakt hale getirilmiş olan
parçaya, bir yüksek sıcaklık sinterlemesi uygulanarak daha yüksek yoğunluğa sahip
ürünler elde edilmektedir. HIP yönteminde ise toz kütlenin sıkıştırılması ve
sinterlenmesi aynı anda gerçekleşmektedir. Ayrıca CIP’de basınç geçirici ortam
olarak çeşitli sıvılar kullanılırken HIP’de ise inert gazlar kullanılmaktadır.
İzoztatik Presle şekillendirme yönteminin şematik gösterimi
4.2.2.1. Soğuk İzostatik Presleme (CIP)
Soğuk izostatik presleme basıncın sürekli ve her yönden eşit olarak uygulandığı bir
sıkıştırma yöntemidir. Bu yöntemde toz malzemeler kalıp olarak hizmet eden esnek
bir elastik kap içerisine yerleştirilir. Kalıp basınç kabının içindeki bir sıvı ortamına
daldırılır ve böylece sıvıya uygulanan yüksek basınç sıvı yardımıyla sıkıştırılacak
tozlara iletilerek, tozlar üzerinde bir hidrostatik basınç oluşturulur. Daha sonra kalıp
basınç kabından çıkarılarak her bir parçanın kalıptan boşaltılması sağlanır. Sıvı ortam
olarak su, yağ veya gaz kullanılabilir. Yaş veya hareketli kalıp (wet bag) olarak
adlandırılan bu yönteme alternatif bir diğer yöntem ise kuru kalıp veya sabit kalıp
(dry bag) yöntemidir. Sabit kalıp yöntemi elastik kalıbın sürekli olarak basınç
kabında sabit bir şekilde kalmasını ifade etmektedir. Genellikle bu yöntem büyük
hacimli parçaların (kare, dikdörtgen, hegzagonal tüp veya çubukların) üretilmesinde
kullanılmaktadır. Fakat bu yöntemde bir defada sadece bir parça üretmek
mümkündür. Hareketli kalıp yöntemi ise; bir çok avantajlarından dolayı tercih Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
13
![Page 14: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/14.jpg)
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
14
edilmektedir. Sıkıştırma işlemi bir izostatik ortamda gerçekleştiği için basınç
homojen bir şekilde dağılmakta ve böylece uniform bir yoğunluk elde edilmektedir.
Tek eksenli preslerin aksine kalıp duvarı ile pres arasında sürtünmeden doğan kalıcı
gerilmeler oluşmamaktadır. Ayrıca sürtünme olmadığından herhangi bir bağlayıcı
veya yağlayıcı ilavesine de gerek kalmamaktadır. Karmaşık şekillerin son şekle çok
yakın oranlarda ve çok küçük hata toleransları ile üretimi mümkündür.
4.2.2.2. Sıcak İzostatik Presleme (HIP)
Seramik ürünlerindeki yoğunluğu arttırmak için genellikle sıcak preslemeye
başvurulur. Sinterleme, yüksek sıcaklık ve uzun bir sürede yapılsa bile nihai
malzemede, yoğunluk ancak %80-90 mertebesinde gerçekleşmektedir. Sinterlemede
difüzyon prosesine bağlı olarak tam bir yoğunluk, ancak difüzyonun hızlı olduğu
ergime noktasına yakın yüksek sıcaklıklarda gerçekleşmektedir. Bu uygulamanın
dezavantajı, refrakter ve seramik malzemelerin çok yüksek ergime sıcaklıklarına
sahip olmaları nedeni ile; çok yüksek sıcaklıklarda sinterlemenin hem teknik açıdan
hem de ekonomik açıdan mümkün olmamasıdır.
HIP prosesinde yoğunluk, büyük ölçüde atomların yayınması ile değil, toz
malzemenin hareketi ile gerçekleşmekte ve bu işlem düşük sıcaklıklarda ve daha kısa
sürede sağlanmaktadır. HIP kinetiğine etki eden parametreler sıcaklık, basınç, toz
boyutu ve malzemenin mekanik davranışıdır. HIP prosesi sonunda meydana gelen
yoğunlaşma belirli boyuttaki toz ve sıcaklık için HIP basıncına bağlı olarak
değişmektedir.
Sıcak izostatik preslemenin önemi gün geçtikçe artmakta olup; klasik yöntemlerle
poroziteyi ortadan kaldırabilmek için gereğinden yüksek sıcaklık ve basınç altında
uzun süre malzemeyi tutmak yerine daha düşük sıcaklıklarda ve kısa sürede işlem
tamamlanmaktadır. Bu sayede hem mikroyapının tane boyutu küçük olmakta hem de
enerji tasarrufu sağlanmaktadır.
![Page 15: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/15.jpg)
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
15
Günümüzde HIP prosesi, takım çeliklerinin, nükleer yakıtın, titanyum alaşımlarının,
refrakter malzemelerin, seramik kompozitlerin ve süper alaşımların üretiminde
kullanılmaktadır.
4.2.3. Slip Döküm
Slip döküm seramiğe has bir kalıplama yöntemi olup çok uzun bir kullanım tarihine
sahiptir. Slip döküm ile şekillendirme prosesinde, hazırlanan çamur, alçı kalıplara
dökülmektedir. Çamurdaki su, gözenekli alçı kalıp tarafından emilmektedir. Slip
dökümde çamur, seramik toz, sıvı (su veya organik) ve prosese yardımcı olacak
katkılar bilyalı öğütücü veya bir başka karıştırıcıda karıştırılarak hazırlanır. Bu
şekilde en yüksek oranda katı içeren ve yeterli akıcılığa sahip çamur hazırlanmış
olur. Slip hazırlamada kullanılan tozun tane iriliği ve dağılımı önemli faktörler
olduğundan iyi kontrol edilmesi ve aglomerasyonun olmaması istenir. Bunu
sağlamak için slip birkaç saat süreli ultrasonik işlemden geçirilmeli, iyi bir asıltı elde
edilmesi için uygun elektrolit ilavesi yapılmalıdır. Bu yöntem, basit bir yöntem olup
esas olarak her boyut ve şekildeki parça üretimi için uygundur. Ancak, pişme
esnasında çekme miktarı tipik olarak %25-30 mertebesinde olup; bu durum nihai
ürünün boyut tahmininde güçlük yaratmaktadır. Slip döküm yöntemiyle oksijen
sensör üretimi, laboratuar çaplı araştırmalar için gerçekleştirilmektedir.
Slip döküm birkaç aşama gerektiren yavaş bir proses olduğundan yöntem prototip
çalışmalarda ve kısa süreli üretim dönemlerinde kullanılmaktadır. Slip dökümü
hızlandırmak için basınç uygulanabilir. Bu durum basınçlı slip döküm adını alır. Bu
yöntemle şekillendirilen parçalar daha az su içerdiğinden kuruma küçülmeleri daha
az olmakta döküm süresi ise 1-2 saatten 20 dakikaya kadar düşmektedir. Şekil ‘de
slip döküm yöntemi ile şekillendirmenin şematik gösterimi verilmiştir.
![Page 16: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/16.jpg)
Slip döküm ile şekillendirmenin şematik gösterimi
4.2.4. Ekstrüzyon
Ekstrüzyon enjeksiyon kalıplama gibi bir plastik şekillendirme yöntemi olup;
seramik malzeme ekstrüzyon sırasında kalıbı doldurabilecek kadar akıcı olmalı ve
ekstrüzyon sonrası yeterli yaş mukavemete sahip olmalıdır. Seramik tozları, yeterli
plastisiteyi sağlamak amacı ile ilave edilen % 25-30 mertebesinde organik bağlayıcı
ve nem ayarı ile arzu edilen boyutlarda metallerde olduğu gibi ekstrüzyona tabi
tutulur.
Ekstrüzyon çamurunda seramik toz, bağlayıcı, yağlayıcı, dağıtıcı ve diğer katkı
maddeleri bulunur. Burada en önemli parametre seramik tozu olup, tozun tane iriliği
ve dağılımı, şekli ve aglomerasyonu çok önemlidir. Partikül şekli tabakalı yapıda
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
16
![Page 17: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/17.jpg)
olup laminel yapı oluşumu gerçekleşir. Tane boyutu 1 μm mertebesinde verimli olup
tane boyutu ne kadar küçük ise ekstrüzyon özelliği artmaktadır. Bağlayıcılar sulu
veya organik sistemlerden oluşur. Sulu sistemlerde genellikle kil esaslı bileşimler
kullanılmaktadır. Filter preste suyu atılan seramik çamur, bir kek oluşturur ve oluşan
kek kıvamındaki çamur vakumlu ekstrüzyon makinasına verilir. İstenen şeklin
nozülü takılarak üretim gerçekleştirilir. Şekil de ekstrüzyon cihazı görülmektedir.
Ekstrüzyon ile şekillendirmenin şematik gösterimi
Ekstrüzyon yöntemi ile alumina, mullit, zirkonyadan fırın tüpleri, yalıtım
malzemeleri, tüp şeklindeki kapasitörler, çubuk, tuğla, fayans gibi sabit kesitli ve
simetriye sahip ürünler üretilebilir.
4.2.5. Şerit-Döküm (Tape Casting)
Şerit döküm yönteminin şematik gösterimi Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
17
![Page 18: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/18.jpg)
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
18
Günümüzde ince şerit veya plaka halindeki seramiklerin üretiminde kullanılan şerit
döküm yöntemi elektronik seramik endüstrisinin en önemli proseslerinden birisidir.
Şerit-döküm yönteminde bileşim, seramik toz çözücü, dağıtıcı, plastikleştirici ve
bağlayıcıdan oluşmaktadır. Önce seramik toz, çözücü, dağıtıcı ve yüzey ıslatıcı
maddeler 24 saat karıştırılarak düşük viskoziteli çamur elde edilir. Daha sonraki
karıştırma ve homojenleştirme aşamasında plastisiteyi artırıcı katkı maddeleri ve
bağlayıcı malzeme katılarak 24 saat daha karıştırma işlemi yapılır. İki aşamalı
karıştırma dağılımın iyi olması ve bağlayıcı sistemin özelliklerinin bozulmasını
önlemek için uygulanır. Karıştırma işlemi sonunda çamur ısıtılır, süzülür, havası
alınarak çözücüde çözünmeyen, düz bir yüzeye yayılır ve solvent uçurularak
bünyeden uzaklaşması sağlanır. Bu işlemler üretim ölçeğinde içinde hareketli bir
konveyör sistemi, hava üfleyen kurutma sistemi, ısıtıcı sistemi, döküm ünitesi, şeridi
sıyıran sistem ve şeridi saran makara ihtiva eden sürekli döküm makinesinde
gerçekleştirilir. Kurutma işleminden sonra, şerit ya makaraya sarılır veya kullanım
amacına uygun boyutlarda kesilir.
Bu yöntem 0.01-1 mm inceliğinde çok tabakalı elektronik paketlerin, elektronik
devre altlıkları ve çok tabakalı kapasitörlerin üretiminde kullanılmaktadır. İki
boyutlu parça üretimine imkan sağlaması , yüzey parlaklığı kontrolünün zor olması,
pişirme sırasında organik bağlayıcının buharlaşarak yüzeyde pürüzler oluşturması
yöntemin dezavantajlarıdır. Şekil 16’de şerit döküm yöntemi görülmektedir.
4.2.6. Enjeksiyonla Kalıplama
Plastik bir şekillendirme yöntemi olarak enjeksiyonla kalıplama tekniği kompleks
şekilli ve ince cidarlı parçaların ekonomik ve hızlı olarak üretilmesini sağlayan bir
yöntemdir. Bu yöntem, plastik endüstrisinde uzun yıllardan beri kullanılmakta olup;
ilk seramik parça üretimi, 1937 yılında yapılmış ve büyük miktarlarda buji üretimi
gerçekleştirilmiştir. Bir seramik toz-bağlayıcı karışımının bağlayıcı eriyene kadar
ısıtılması ve daha sonra parçanın istenen şekli aldığı ve yeniden katılaştığı bir kalıp
boşluğu içerisine basınçla doldurulması enjeksiyon kalıplama yönteminin temel
prensibini oluşturur. Doldurulmuş kalıbın soğutulması ile katılaştırılan polimer-
![Page 19: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/19.jpg)
seramik karışımından polimerin kontrollü şartlar altında uzaklaştırılması ile
sinterlemeye hazır, kompleks nihai şekilli parçalar elde edilir. Enjeksiyonla
kalıplama yönteminin başlıca kademeleri; Şekil de şematik olarak verilen yöntemin
üretim kademeleri ise sırası ile şöyledir ;
1. Seramik tozun hazırlanması ve bağlayıcı formülasyonunun çıkarılması
2. Homojen bir toz/bağlayıcı karışımının hazırlanması
3. Enjeksiyon kalıplama
4. Şekillendirilmiş parçadan bağlayıcının uzaklaştırılması
5. Parçanın sinterlenmesi
Seramik enjeksiyon kalıplamada kullanılan hammaddeler temel olarak; seramik
tozları ve bağlayıcılar olmak üzere ikiye ayrılır. Seramik enjeksiyon kalıplamada,
kolayca sinterlenebilen, kalıplama esnasında gerekli akış özelliklerini sağlayan ve
çok hassas boyutlu kompleks parça üretimini mümkün kılan bir seramik tozu
kullanılır.
Enjeksiyonla kalıplama prosesinin şematik gösterilişi
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
19
![Page 20: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/20.jpg)
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
20
Seramik enjeksiyon kalıplamada, kullanılan seramik tozu aşağıdaki şu özelliklere
sahip olmalıdır.
Geniş partikül boyut dağılımı
Yüksek paketlenme yoğunluğu
Aglomera olmama
Küresel ve eş eksenli partikül şekli
Hızlı sinterleme için düşük ortalama partikül boyutu
Düşük maliyet
Enjeksiyon kalıplamada, seramik bağlayıcı kombinasyonuna doğru akış özellikleri
veren bir bağlayıcı formülasyon seçimi büyük önem arz etmektedir. Gerilmesiz,
boşluksuz ve homojen bir şekilde yoğun olarak kalıplanmış parça üretiminin temeli,
uygun akış özellikleri verecek temel bağlayıcının seçimine dayanır. Bir bağlayıcı
genel olarak, en az üç maddeden meydana gelen bir sistem olarak düşünülebilir.
Bunlar: Bağlayıcı formülasyonunun başlıca bileşeni olan temel bağlayıcı, karışımın
akışkanlık özelliğini modifiye eden plastikleştirici ve seramik tozu ile temel
bağlayıcı arasındaki ıslatılabilirliği arttırarak etkili bağlanma sağlayan ıslatıcı
maddedir.
Temel bağlayıcının genel özellikleri;
a) Toza uygun akışkanlığı sağlayarak kalıp boşluğundaki hataları doldurmayı
sağlama,
b) Tozu ıslatma,
c) Karıştırma ve kalıplama durumlarında kararlı kalma,
d) Erime sırasında az kalıntı bırakma,
e) Uygun bir maliyette olması şeklinde sıralanır .
Seramik enjeksiyon kalıplamada karıştırma işlemi; toz aglomereleri dağıtmak,
partikülleri organik bir sistemle kaplamak ve homojen bir karışım elde etmek için
yapılır. Karıştırma işlemi, organik maddelerin oksitleyici bir bozulmaya uğramasını
engellemek için havasız bir ortamda ve organik maddelerin bozulmayacağı bir
sıcaklıkta yürütülür. Karışım hazırlamada önemli olan optimum bağlayıcı içeriğinin
![Page 21: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/21.jpg)
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
21
belirlenmesidir. Optimum bağlayıcı içeriği, kalıplama için gerekli reolojik özellikleri
sağlayan minimum bağlayıcı miktarıdır. Optimum bağlayıcı miktarından daha az
bağlayıcı kullanımında oldukça yüksek viskoziteli bir karışım elde edilir ve bu
durumda kalıp tam olarak doldurulamaz. Daha yüksek oranda bağlayıcı kullanımında
ise daha uzun bağlayıcı giderme sürelerine ve sinterleme esnasında daha yüksek
oranda büzülmelere yol açar. Karıştırma prosesi, erimiş organik bağlayıcıya seramik
tozunun katılması şeklinde gerçekleştirilir .
Kalıplama aşamasında, toz-bağlayıcı karışımının eridiği ve akışkan hale geldiği bir
sıcaklıkta granül haldeki karışımın ısıtılır ve sonra bu karışımın katılaştığı ve belli bir
şekil aldığı kalıp boşluğuna enjekte edilir. Bu işlemde amaç; tozun homojen olarak
dağıldığı, boşluk ve diğer hataları içermeyen ve arzu edilen şeklin elde edilebildiği
bir parça üretmektir .
Bağlayıcı giderme, kalıplamadan sonraki en önemli aşama olup bu işlemde herhangi
bir hatanın yapılması, parçanın sinterleme öncesi bozulmasına sebep olacaktır.
Parçaya zarar vermeden bağlayıcıların alınması çok hassas bir işlem olup, çok
dikkatlice, birçok aşamada yapılmalıdır. Bağlayıcı giderme işleminde, parçadaki
boşluk yapısı, bağlayıcıların kimyasal özellikleri, bağlayıcı uzaklaştırma koşulları, ve
işlem süresi, parçanın son durumunu ve en uygun ve kolay çözüm, çok katışıklı
bağlayıcı formülü kullanmaktır. Bağlayıcı bileşenlerinden biri uzaklaştırılırken diğeri
tozları bir arada tutacak ve parçanın hasar görmesi önlenecektir.
Bağlayıcı uzaklaştırmada önceleri sadece ısısal etkiyle gaz fazından yapılan
uzaklaştırma işleminde 300 saat gibi uzun süreler gerekirken, yeni geliştirilen kolay
çözünebilen ve zincirleri kolay kırılan bağlayıcılarla aynı 2 saat'e kadar
indirilebilecek kısa sürede yapılabilmektedir .
Sinterleme, bir tozun veya şekillendirilmiş bir parçanın uygun bir atmosferde ana
bileşenin ergime noktasının altındaki bir sıcaklıkta belli bir süre tutulmasıyla
meydana gelen fiziksel bir olaydır. Bu fiziksel olayda toz partikülleri birbirlerine
yapışarak kuvvetli bir bağ oluştururlar. Sinterleme, daha önceki kademelerde
![Page 22: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/22.jpg)
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
22
meydana gelen hataları gideremez. Sinterlemeyi ve sinterleme hızını kontrol eden
başlıca değişkenler: şekillendirilmiş parçanın yoğunluğu, malzeme bileşimi, partikül
boyutu, sinterleme atmosferi, maksimum sıcaklık, zaman ve ısıtma hızıdır. Bu
değişkenler malzemenin nihai yoğunluğunu mikroyapısını ve tane boyutunu belirler.
Enjeksiyon kalıplanmış parçanın mekanik özellikleri, başlangıç toz kimyası ile
birlikte sinterleme sıcaklığı, süresi ve atmosferine bağlıdır.
Enjeksiyonla kalıplama, uygulamada seramiklerin şekillendirilmesinde başvurulan en
son yöntem olmasına rağmen ufak boyutlu parçaların büyük miktarlarda üretimleri
söz konusu olduğunda, ham halde bir çok mekanik işlemlerle şekillendirilmenin
yapıldığı karışık şekillerin üretiminde kuru presleme gibi geleneksel şekillendirme
yöntemi yerine kullanılmaktadır. Ayrıca yapıda oluşan homojen yoğunluk dağılımı
sayesinde sinterleme sonucunda ortaya çıkabilecek şekilsel bozuklukların önlenmesi
açısından da kullanılması tercih edilen bir yöntemdir.
Yöntemin temel avantajları; hızlı ve otomatik kütlesel üretim ile hassas boyutlu ve
kompleks şekilli parça üretiminin mümkün olmasıdır. Üretilebilecek parça
boyutlarının sınırlı olması ve sinterleme öncesi bağlayıcı giderme işleminin uzun
süre alması, kalıp ve makine maliyetlerinin çok yüksek olması, işlemin kontrolü için
pahalı elektronik sistemlerin gerekliliği, bu sistemlerin çevre şartlarına olan
hassasiyeti ve tamirleri için uzman personel gerektirmeleri yöntemin
dezavantajlarıdır.
4.2.7. Plazma Sprey Kaplama Teknolojisi ile Üretim
Plazma püskürtme tekniği, yüksek proses sıcaklığı ile geniş aralıkta malzeme
seçimine ve bunların geniş endüstri alanlarında kullanılmasına imkan vermesi
dolayısıyla üzerinde en çok araştırma yapılan bir tekniktir. Bu tekniğe adını veren
plazma, malzemenin buharının normal gaz halinden daha yüksek bir enerji
seviyesine yükseldiği hali ifade etmektedir. Atomik seviyede, plazma çekirdeğinde 2
pozitif iyon ve yörüngesinde 2 negatif elektron olan nötr bir atomun elektronlarından
birinin yeterince yüksek bir enerji ile yörüngeden atılıp atomun pozitif yüklü bir
iyon haline geçmesi ile ilgili olup; bu işlem için gerekli enerji ise iyonizasyon
![Page 23: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/23.jpg)
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
23
enerjisi olarak bilinir. Yani plazma, içerisinde pozitif iyon, uyarılmış ve nötral atom,
molekül, serbest elektron ve foton bulunan, gaz durumundan daha yüksek enerji
düzeyine yükseltilmiş malzemenin buharıdır.
Plazma püskürtme tekniği, yüksek proses sıcaklığı ile geniş aralıkta malzeme
seçimine ve bunların geniş endüstri alanlarında kullanılmasına imkan vermesi
dolayısıyla üzerinde en çok araştırma yapılan bir tekniktir. Plazma püskürtme tekniği
bir çok alt gruptan meydana gelmiştir. Bu gruplandırma; atmosfer şartlarına (hava,
inert gaz, vakum ve su), plazma üflecinin dizaynına ve kullanılan plazma
parametrelerine bağlı olarak değişir. En yaygın ve endüstriyel çapta uygulanan
yöntem, seramik ve metalik kaplamalar için kullanılabilen “Atmosferik Plazma
Püskürtme” tekniğidir. Bu yöntemde kaplama havada gerçekleşir ve pulvarize
partiküller plazma üflecinden çıkıp kaplanacak malzeme yüzeyine ulaşıncaya kadar
erir ve hedefe süpersonik hızla çarparak kaplanır.
Plazma püskürtmede anodik polarize edilmiş (genellikle Cu) silindirik formda su ile
soğutulan plazma üfleci ile toryumlu tungstenden imal edilmiş konik formda bir
katod arasında ark oluşturulur. Bu arkın içinden Ar, He, N2, H2 veya bunların
karışımlarını içeren gaz geçirilir. Proseste, katottan yayılan serbest elektronlar,
anoda doğru hızla ilerlerken plazma gazlarının atomları veya molekülleri ile
çarpışmaktadır. Bu çarpma momenti etkisiyle plazma gazları iyonize olarak pozitif
iyon ve negatif elektronlara ayrılmaktadır. Genişleyen gaz alev şeklinde üfleçten
çıkar ve plazma çekirdeğinde kaplama tekniğine bağlı olarak yaklaşık 10.000-
25.000oC sıcaklıklara ulaşılır.
Plazma püskürtme tekniğinde ulaşılabilen yüksek kaplama sıcaklıkları sayesinde;
metaller, alaşımlar, intermetalik bileşenler ve seramik malzemelerden aşınmaya ve
korozyona dayanıklı yüzeyler elde edilir. Plazma püskürtme tekniğinin en büyük
pazar alanı uçak ve uzay endüstrisi olup; otuz yıldan daha fazla bir süredir plazma
püskürtme havacılık teknolojisinde kullanılmaktadır. Plazma püskürtme konusundaki
mevcut uygulamalar vakum altında kaplama ile önemli ölçüde gelişmiştir. Türbin
kanatçıklarının ve aktarma dişlilerinin kaplanması yanında piston yüzeyleri, subap
![Page 24: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/24.jpg)
başları, silindir kapaklarında termal bariyer amaçlı kaplamalar da yapılmaktadır.
Tekstil endüstrisi, kağıt endüstrisi, tıbbi uygulamalar, toz metalurjisi, otomobil
endüstrisi plazma püskürtme tekniğinin diğer uygulama alanıdır.
Temelde metalik ve metalik olmayan altlık malzemelerin seramik esaslı bir malzeme
ile kaplanmasında kullanılan plazma püskürtme, bir yüzey tekniği olmakla birlikte;
tüp, boru, pota, sensör gibi seramik esaslı şekilli parçaların istenilen boyutlarda
üretilmesini de mümkün kılar. Laboratuar için yalıtım tüpleri, sanayi tipi fırınlarda,
ısıtma ünitelerinde, yatay, dikey ve döner tüp fırınlarında, demir dışı metal ergitme
potalarında, enjeksiyon tüplerinde, rulman yataklarında, döküm potalarında ve baca
gazı iletim boruları diğer örneklerdir. Geleneksel üretim metodlarından farklı olarak
plazma ile şekillendirmede kalıp tasarımı, presleme-döküm ve yüzey işlemlerine
ihtiyaç duyulmamaktadır.
Plazma kaplama yönteminin şematik gösterimi.
5. TANE BÜYÜMESİ, SİNTERLEME VE VİTRİFİKASYON
Seramik malzemeler genellikle kristal yapıda olan toz şeklindeki maddelerin
karıştırılıp preslenmesi veya başka bir yöntemle şekillendirilmesi ve yüksek
sıcaklıkta pişirilmesiyle üretilir. Başlangıçta gözenekli yapı içeren malzeme yüksek
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
24
![Page 25: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/25.jpg)
sıcaklığa ısıtıldığında bünyede çeşitli değişiklikler olur. Bunlar; gözeneklerin şekil ve
boyutlarında olan değişiklikler, tane büyümesi, yeni fazların oluşumu ve polimorfik
olaylardır.
5.1. Yeniden Kristalleşme (Birincil-Primer)
Bu olay plastik deformasyona uğramış bir matriste deformasyondan arınmış gibi
kristallerin oluşumu ve bu tanelerin büyümesidir. Prosesin itici gücünü,
deformasyona uğrayan matrisin artan enerjisi sağlar. Böyle bir ortamda depolanan
enerji ≈ 0.5-1 kcal/gr’dır. Bu enerji, örneğin erime enerjisine göre çok düşük
olmasına rağmen tane sınır hareketleri için yeterlidir. Seramik malzemeler, metaller
gibi plastik deformasyona uğramadığı için bu tür kristalleşmeler görülmez.
5.2. Tane Büyümesi:
Bu proses bir ısıl işlem sırasında deformasyondan arınmış tanelerin yüksek sıcaklıkta
artması olayıdır.
Bu proses, hem seramik hem de metallerde görülür. Yüksek sıcaklıkta ortamda bazı
taneler büyürken diğerleri küçülür hatta kaybolur.
Proses itici gücünü, iri ve ince tanelerin yüzey alan enerji farkından alır.
Büyük tanelerin yüzey enerjisi daha küçüktür. 1μm ile 1 cm boyutundaki tanelerin
yüzey enerji farkı ≈0.5 – 1 cal/gr gibi küçük bir değerde olmasına rağmen yüksek
sıcaklıkta bu proses için yeterlidir. Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
25
![Page 26: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/26.jpg)
Proses esas itici gücünü, yüzey enerji farkının önemli bir bölümünü oluşturan tane
sınırlarındaki yüzeylerin eğiklik farkının oluşturduğu serbest enerji değişiminden
alır. Bu fark;
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=Δ
21
11 rr
VF γ ile ifade edilir. Formülde ΔF “Eğik yüzeyler arasındaki serbest
enerji farkını (Aktivasyon enerjisi)”, γ “sınır enerjisini”, V “molar hacmi” ve r1,r2
“iki yüzeyin eğikli yarıçapını ifade etmektedir.
Bu enerji farkı eğik yüzeylerin merkeze doğru hareketini sağlar. Bu da; A kristalinde,
ara yüzeyde bulunan atomlar B kristalinin kafesi içine diffüzyonu ile oluşur.
Atomların hareketi, sıcaklığa bağlı ve aktivasyon enerjisi içeren bir olaydır ve
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⋅Δ
−⋅⋅
=∫TR
FhNTR
BA exp, ile ifade edilir. Formülde N “Avagadro sayısını”, h
“Plankt sabitini”, R “Gaz sabitini” ve T “Sıcaklığını oK” göstermektedir.
Eğer, tüm tane sınır enerjileri eşitse tane sınır açıları 120o olur.
İki boyutta bu açı 6 köşeli tanelerde olur . Eğer taneler iki boyutta 6’dan az kenar
içeriyorsa tane yüzeyleri konkav’dı ve bu taneler küçülür. 6 kenardar fazla kenarı
olan taneler ise büyür.
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
26
![Page 27: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/27.jpg)
Bir tanenin yüzey eğim çapı tane boyutu ile orantılıdır. Bu nedenle tane büyümesinde
itici güç veya tane büyüme hızı tane çapı ile ters orantılıdır ve
( ) n tDGGG ⋅=−=Δ 0 ile ifade edilir. Burada; D “Diffizyon Sabitini”, G “Averaj
tane boyutunu), Go “to anındaki tane boyutunu” ve n ise “tane boyutu kinetik üssünü”
göstermektedir. Başlangıç anındaki tane boyutu ihmal edilecek kadar küçük olduğu
için ihmal edildiğinde formül şeklini alır. tDGn ⋅=
Yukarıdaki formülde “D” sabiti yerine ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⋅−=
TRQDD o exp. yazarsak aşağıdaki
formülü elde etmiş oluruz.
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⋅−⋅⋅=
TRQtDG o
n exp
Formülde G “averaj tane boyutunu (μm)”, n “tane boyutu kinetik üssünü”, Do “oran
sabiti”, t “sinterleme süresini (saat)” ,Q “aktivasyon enerjisini (kJ/mol)”, R “Gaz
sabitini(0.00831 k.J/mol.oK” ve T “sinterleme sıcaklığı (oK)” ifade etmektedir.
Örneğin; ZnO-SrO seramik sistemi için yapılan deneyler sonuçu aşağıda izlenen yol
yardımıyla tane büyümesi için gerekli aktivasyon enerjisi hesaplanmıştır. Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
27
![Page 28: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/28.jpg)
exp ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⋅−⋅⋅=
TRQtDG o
n ifadesinin logaritmasını alırsak;
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⋅−++=
TRQtDoGn 434.0logloglog ifadesini bulmuş oluruz.
Bu ifade de logDo ve ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⋅−
TRQ434.0 değerleri sabit olduğuna göre;
( )( ) ntd
Gd 1loglog
≈ dir.
Dolayısıyla tane boyutu kinetik üssü (logG)-(logt) eğrisinin eğimiyle ters orantılıdır.
log t
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
log
G
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1100oC
1200oC
1300oC
Aktivasyon enerjisi ise aşağıdaki gibi hesaplanır;
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⋅−⋅⋅=⇒⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⋅−⋅⋅=
TRQtDo
tGn
TRQtDG o
n expexp ifadesinin
logaritmasını alırsak
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⋅−++=⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
TRQtD
tG
on
434.0logloglog ifadesi elde edilir.
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
28
![Page 29: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/29.jpg)
Dolayısıyla ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
tGn
log - ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
)(104
KT o arasında çizilecek erinin eğimi de
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ⎟
⎠⎞⎜
⎝⎛− RQ434.0 değerine eşit olacaktır ve buradan sistemin aktivasyon enerjisi
kJ/mol olarak hesaplanabilir.
104/T
6,2 6,4 6,6 6,8 7,0 7,2 7,4
log(
G5 /t)
2
3
4
5
6
7
Q=728 kJ/mol
Seramik sistemlerde bu bağıntı kullanılarak yapılan deneylerde elde edilen logG ve
logt eğrileri 0.1 ve 0.5 arasında eğimler vermişlerdir. Teoride 0.5 olarak öngörülen
eğimin düşük olması genellikle tane sınırı hareketini engelleyen empüritelere
bağlanmıştır.
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
29
![Page 30: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/30.jpg)
Gerçekte de, tane sınırındaki empürüteler sınır hareketlerini engellerler ve sınırlanan
tane çapı d
s fdD ≈ şeklinde ifade edilir. Burada; d “Empürite çapını” ve ƒd
“ortamdaki empüritelerin hacimsel oranını” göstermektedir.
5.3. İkincil Kristalleşme
Seramik malzemelerde sık görülen bu proses polykristal ortamdaki bazı tanelerin
aşırı büyümesi olayıdır. İnce taneli ortamda bulunan bazı iri taneler çok sayıda
konveks yüzey içerdiğinden, diğer tanelere nazaran hızlı büyürler. Ayrıca ortamda
ikinci bir fazın bulunması ve gözeneklerin olması bu tür tane büyümesine kaynak
olabilir.
Oksit, titanat gibi seramiklerde bu tür aşırı tane büyümelerine sık rastlanır ve ince
taneli matriks içerisinde aşırı büyümüş taneler görülür. Aşırı tane büyümesi seramik
malzemede mukavemet ve diğer özellikleri etkilediğinden genellikle istenmez. Olay
ortama katılan kontrollü ikincil katılar ve tane sınırlarında ince bir film
oluşturulmasıyla önlenebilir.
Ancak bu olaydan seramik üretiminde yararlanılabilir. Örneğin; Sert manyetik
baryum ferrit (BaFe12O19) üretiminde magnetik özellik hegzagonal tanelerin c apsisi
yönünde fazladır. Ve böyle bir malzeme magnetik alan içinde preslenir ve ortamda
iri tane bulunursa bunlar incelere göre daha kolay yönlenir. Pişirme işlemi sırasında
bu iri taneler aşırı büyüyerek tercihli yönlenmiş bir malzeme elde edilmiş olur. Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
30
![Page 31: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/31.jpg)
5.4. Sinterleme:
Şekillendirilmiş seramik malzemeler %25-60 arasında gözenek içerirler. Malzemenin
mukavemetini ve diğer özelliklerini geliştirmek için bu gözeneklerin azaltılması
gereklidir. Bu da malzemeyi yüksek sıcaklığa pişirmekle elde edilir. Sinterleme,
şekillendirilmiş malzemede birbirine değen tanelerin yüksek sıcaklıkta aralarındaki
gözeneklerin azalması ve malzemenin yoğunluğunun artması olayını tanımlar. Sinter
prosesi üç aşamada gerçekleşir;
I. Aşamada birbirine değen taneler boyun oluşturur. Oluşan boyunun çapının tane
çapına oranı ≈1/5’dir.Aşağıdaki şekilde boyun oluşumunun SEM fotografı
görülmektedir.
II. Aşamada malzemenin yoğunluğu teorik yoğunluğun %90-95’ine ulaşır. Bu
aşamada gözenekler hala birbirleri ile bağlantılıdır. Eğer tane büyümesi yoksa
gözenek miktarının azalması zamanla doğru orantılıdır.
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
31
![Page 32: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/32.jpg)
III. Aşama, taneler arasında kapalı olarak kalan gözeneklerin tane sınırlarından yine
diffüzyonla uzaklaştırılması olayıdır. Bu proses oldukça yavaştır. Bu nedenle klasik
sinterlemede %100 teorik yoğunluğa ulaşmak zordur. Eğer sinterleme de hızlı tane
büyümesi görülürse gözenekler tane içerisinde kalabilir. Bu durumda seramiği
gözeneklerden arındırmak hemen hemen imkansızdır.
5.4.1. Sinterlemede Kullanılan Temel Kavramlar:
Tamman sıcaklığı: İki tozun bir araya gelerek birleşmesi için gerekli olan en düşük
sıcaklık sinterlenmenin gerçekleşme sıcaklığı olup bu sıcaklığa tamman sıcaklığı
denir. Bu sıcaklık maddenin ergime sıcaklığının 0.53*TErg’sine tekabül etmektedir.
TErg>TSin>TTam ilişkisine göre sınterleme sıcaklığı ergime sıcaklığı ile tamman
sıcaklığının arasındadır. Bu nedenle tamman sıcaklığı atomlarda hareketliliğin
başladığı sıcaklıktır.
İtici Güç: İtici güç, yoğun toz sinterlemesi için ara yüzey enerjisinin azaltılmasıdır.
Eğer, sistemde ikinci bir faz yoksa aşağıdaki eşitlik geçerlidir.
ssAsssvAsvssGsvGsyG Δ⋅+Δ⋅=Δ+Δ=Δ γγ (4)
ΔGsy , ΔGsv, ΔGss
= Sırasıyla tüm sistemin (serbest, yüzey ve tane sınırı) serbest enerji değişimleri
γsv ve γss = Sırasıyla spesifik yüzey ve spesifik tane sınırı enerjisi ΔAsv ve ΔAss = Sırasıyla yüzey alanlarındaki ve tane sınırlarındaki değişimler
Eğer ΔGsv <0 ise sinterleme meydana gelir. Genelde ΔGsv (yüzeyin serbest
enerjisi)’nin azalması ΔGss (tane sınırı serbest enerjisi)’nin artmasından daha
yüksektir. Bu olay sinterlemenin başlangıcında olur ve partikül yüzey alanı azalırken
temas sınırı artar.
Tane Büyümesi: Bu proses, bir ısıl işlem sırasında deformasyondan arınmış tanelerin
yüksek sıcaklıklarda ortalama tane boyutunun artmasıdır. Bu olay hem metallerde
hem de seramiklerde görülür. Yüksek sıcaklıkta ortamda bazı taneler büyürken
diğerleri küçülür veya yok olurlar. Proses itici gücü iri ve ince tanelerin yüzey enerji
farkından alır.
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
32
![Page 33: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/33.jpg)
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
33
5.4.2. Sinterleme İşlemini Etkileyen Parametreler: 1.Toz Karakteristikleri: Başlangıç toz özellikleri (toz boyutu, boyut dağılımı, tane şekli, tane aglomerasyonu, aglomerasyon derecesi ve kimyasal homojenlik), yoğunlaşma ve mikroyapısal gelişim üzerinde önemli etkilere sahiptir. İdeal bir toz, küçük tane boyutlu aglomerasyonsuz, eş tane şekilli, dar tane boyut dağılımı ve yüksek safiyet veya kontrollü katkı içeriğine sahip olması gerekmektedir.
a) Toz Boyutu; Toz boyutu, her bir taşınım mekanizmasında boyun büyümesinde etkili bir parametredir. Yüzey difüzyonu ve tane sınırı difüzyonu toz boyutuna çok duyarlıdır. Düşük tane boyutlarında ara yüzey difüzyon mekanizmaları çok etkilidir çünkü küçük tane boyutlu tozlar yüksek yüzey alanı nedeniyle birim hacim başına yüksek ara yüzey içeriğine sahiptirler bu ise yüksek itici güç sağlar. Bu faktörler ise sinterlemeyi hızlandırmaktadır. Katı hal sinterlemede, toz boyutunu azaltmakla sinterleme sıcaklığını düşürmek de mümkündür. Çok küçük tozlarla (mikron altı) düşük sinterleme sıcaklıklarında yüksek yoğunluklara ulaşmak mümkündür. İnce başlangıç tozları ile yüksek sinter yoğunlularına ulaşmak veya sinterleme sıcaklığını ve süresini düşürmek mümkündür. Ancak ince tozların sinterlenmesindeki başarı, aglomerasyonların (kümeleşmenin) ve agregaların (kümelerin) giderilmesine bağlıdır. Toz parçacık içindeki tane boyutuda önemlidir. Çok kristalli tanecikler çok sayıda tane sınırı içerirler ve bunlar da kütle akışına yardım eder ve sonuçta hızlı bir sinterleme verir.
b) Toz Boyut Dağılımı; Toz karakteristiği ile ilgili diğer önemli bir etken ise toz boyut dağılımıdır. Geniş toz boyut dağılım aralığı, sinterlemenin son adımında önemli bir etkiye sahiptir ve bu kademede tane boyut dağılımı başlangıç tozlarındaki partikül boyut dağılımı ile benzer davranış gösterir. Sinterlemenin son adımında. dar bir tane boyut dağılımı yüksek sinter yoğunlukları için gereklidir. Dar tane boyut dağılımları yüksek homojenlik verir bu ise sinterleme esnasında yoğunluğu artırır . İlave olarak, homojen (üniform) tane boyut dağılımı, tozların paketlenmesini de homojen yapar ve sinterleme işleminden sonraki büzülme oranını azaltır.
c) Toz Şekli; Küresel olmayan tozlar, birim hacimde yüksek yüzey alanına sahiptir, bu ise sinterlemeyi hızlandırır. Ancak küresel olmayan şekilli tanecikler düşük ham yoğunluğa sahiptir. İstenilen yoğunluğa ulaşmak için tozlar eş tane şekilli olmalıdır.
d) Aglomerasyon; Yığınlar (aglomerate), küçük kütlelerdeki taneciklerin yüzey kuvvetleri ve/veya katı köprülerle birbirlerine bağlanmasıdır. Topaklaşma (aggregate) ise kaba bileşenlerin kuvvetlice bağlanması ve/veya reaksiyona girerek
![Page 34: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/34.jpg)
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
34
küme oluşturmuş taneciklere verilen isimdir. Aglomerasyon ve agregalar arasındaki boşluklar toz bileşenleri arasındaki boşluklardan daha büyüktür ve büyük boşluklar daha uzun sinterleme süreleri gerektirir. Ayrıca aglomerasyonların ve agregaların yoğunlaşması onların büzülmelerine yol açar ve bu da onlar arasındaki boşlukların daha da büyümesine neden olur. Ayrıca, yüksek aglomerasyona sahip tozların şekillendirilmesi esnasında da büyük poroziteler oluşur bu ise düşük sinter yoğunluğuna neden olur. Aglomerasyon olarak isimlendirilen her iki kısımda da, toz bileşenleri zayıf yüzey kuvvetleriyle bağlanır. Birim ağırlık başına yüzey kuvveti partikül boyutuyla ters orantılıdır. Bu nedenle küçük tane boyutlu tozlarda (genellikle mikron altı tozlarda) bir dezavantaj teşkil etmektedir. Bu problemin giderilmesi için düşük sıcaklıkta kalsinasyon gibi toz üretim yöntemlerinde çeşitli uygulamalar yapılmakla birlikte üretilen tozların bir değirmende öğütülmesi de bu aglomerasyonların kırılmasında faydalı olmaktadır. 2.Katkı maddeleri: Katkı madde ilavesinin bir çok amacı vardır. Toz işlem esnasında yoğunlaşmayı artırmak için katkı maddeleri yaygın olarak kullanılır. Genel olarak katkı maddelerinin yoğunlaşma üzerine ve diğer amaçlı etkileri aşağıda sıralanmıştır. ♦ Sıvı faz oluşturmak, ♦ İkinci bir faz oluşturarak tane sınırları hareketini engelleyerek tane büyümesini önlemek, ♦Tane sınırlarını ayırmak. ♦Malzemenin katı çözeltisindeki katışığın difüzyon katsayısını etkilemek. Eğer tane büyümesinin por hapsedilmesi ile önlendiği düşünülürse katkı maddeleri de difüzyon katsayısını değiştirerek tane büyümesini önleyebilir. ♦Tane sınır enerjisi ile serbest yüzey enerji oranını değiştirir. Katkı maddelerinin sinterleme esnasında tane büyümesinin (kabalaşması) üzerine önemli etkisi vardır. Katkı maddeleri ilavesiyle tane büyümesi önlenmekte ve yoğunlaşma için ideal toz karakteristikleri korunmaktadır. Örneğin, partikül boyutu azaldıkça tane kabalaşma hızı da artmaktadır bu nedenle çok küçük taneler için tane büyümesini engellemek amacıyla katkı maddeleri ilavesi gerekmektedir. Büyük taneli metal tozlarında tane kabalaşması olmadığından tane küçültücü katkı ilavesi gerekmemektedir . Katkı madde ilavesinin bir diğer amacı ise sinterlemeyi aktifleştirmektir.
![Page 35: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/35.jpg)
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
35
3. Sıcaklık ve Pişirme Çevrimi: Seramiklerin veya metallerin sinterleme (veya pişirme) çevriminde genellikle maksimum sıcaklığa sabit ısıtma hızı ile çıkılır ve optimum sonuçlar elde edilinceye kadar bu sıcaklıkta beklenir. Bazı metal tozları sinterlenmesinde ısıtma periyodu esnasında yüksek yoğunlaşma hızları göstermektedir. Geleneksel sinterleme yöntemi ile birlikte farklı yöntemlerde geliştirilmektedir. "Hız Kontrollü Sinterleme" ile ısıtma hızlarının kontrolü ile sinterleme çevrimi ve yoğunlaşma profili de kontrol edilmiştir . Hız kontrollü profil gaz sıkışmasını azaltmakta ve aşırı tane büyümesini önlemektedir. Her iki yöntemde de teorik yoğunluğa ulaşmak mümkün ama hız kontrolü ile daha küçük taneli bir mikroyapı elde edilmektedir. Diğer bir yöntem olan Hızlı Pişirme Bölgesi işlemi, bir çok malzeme için başarılı bir şekilde kullanılmaktadır. Toz kompaktlar çok yüksek sıcaklıklarda kısa süreli tutularak pişirilmektedir. Bu işlem yüksek aktivasyon enerjisi ile sınırlı tane büyümesini sağlamaktadır. Son yıllarda geliştirilen diğer bir teknik ise "Kontrollü Kısa Süreli Katı İkinci Faz Sinterlemesi"'dir. Bu yöntem, tane büyümesini yavaşlatıcı ikinci katı bir fazın düşük sıcaklıkta ısıl işlem ile giderilmesi esasına dayanmaktadır. 4. Sinterleme Atmosferi: Sinterleme atmosferinin yoğunlaşma ve mikroyapı üzerine etkisi gaz çözünürlüğü, katkı ve toz ile reaksiyon ile ilgilidir. Sinterleme atmosferinin ilk etkisi seramiklerde veya metallerde gaz çözünürlüğü ile ilgilidir. Örneğin, Al2O3 sinterlenmesinde O veya H2 kullanıldığında teorik yoğunluğa ulaşılırken N2, He ve Ar gazları kullanıldığında yoğunluk düşük kalmaktadır çünkü bu gazlar Al2O3 içerisinde sınırlı bir çözünürlüğe sahiptir. Eğer gazlar malzeme içinde çözünemezlerse kapalı porlar ile hapsolur ve yoğunlaşmayı engeller . Sinterleme atmosferi katkı maddeleri ile seçici olarak reaksiyona girebilir bu ise yoğunlaşma işlemi için çok önem taşımaktadır. 5.4.3. Sinterleme Mekanizmaları:
Sinterleme mekanizmaları tamamen malzemenin taşınımına bağlıdır. Başlıca,
atomların yayınması (yüzeysel ve hacimsel) ile viskoz akışı kapsar. Malzemenin
taşınımını kolaylaştırmak için işlem ancak yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilir.
![Page 36: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/36.jpg)
Sinterlemeyi sağlayan itici güç, serbest yüzey enerjisindeki azalmadır. Sinterleme ile
yoğunlaşmanın sağlanması aşağıdaki tablo da verildiği gibi değişik şekillerde
yapılabilir.
Sinterleme Mekanizmaları SİNTERLEME TİPİ
TAŞINIM MEKNİZMASI İTİCİ GÜÇ
Katı Hal Yayınma Serbest enerjideki fark Sıvı Faz Viskoz akış, yayınma Yüzey gerilmesi, kapiler basınç Reaktif Sıvı Viskoz akış, yayınma Yüzey gerilmesi, kapiler basınç Buhar Fazı Buharlaşma/Süblimasyon Buhar basıncındaki fark
1. Katı Hal Sinterlemesi:
Katı hal sinterleme, yayınma ile malzeme taşınımını içerir. Bu proses için gerekli
itici güç, boyun bölgesi ile tanenin yüzeyi arasında meydana gelen serbest enerji
farkıdır.
2. Sıvı Faz sinterlemesi:
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
36
![Page 37: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/37.jpg)
Bu proseste, sinterleme sıcaklığında fazlardan biri viskoz haldedir. Bu durum,
özellikle ergime noktaları birbirinden çok farklı malzemelerin sinterleşmesinde
görülmektedir. Sıvı faz katı haldeki taneleri ıslatmakta ve taneler arasındaki ince
kanallarda yüksek basınç meydana gelmektedir. Küçük tane boyutlarında, kapiler
basınç miktarı daha fazla olup sinterleşme kolaylaşmaktadır. Sıvı faz sinterleşmesi
silikat sistemlerin çoğunda görülmektedir.
Sıvı-faz sinterlemesinde, preslenen toz karışımı sıvı fazın oluştuğu sıcaklıkta
sinterlenir. Sıvı fazın oluşumu ile ani bir büzülme meydana gelir. Bu esnada, katı
partiküller sıvı faz içerisinde yeni bir düzene girer. Sıvı-faz sinterlemesinde sıvı fazın
miktarı %20’yi geçmez. Sıvı-faz sinterlemesinde, seramik tozlarının düşük sıcaklıkta
ve kısa sürede sinterlenmesi mümkündür. Buna karşın; sıvı faz sinterlenmesi ile
üretilmiş malzemeler, yüksek sıcaklıkta kullanılmaya elverişli değildir. Dolayısıyla,
refrakter özellik aranmayan örneğin elektronik seramiklerin üretimi için uygun bir
yöntemdir.
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
37
![Page 38: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/38.jpg)
Sıvı faz sinterlemesine örnek ZnO-Bi2O3
sistemi
3.Reaktif-Sıvı sinterlemesi
Sıvı faz sinterlemesine benzerdir. Fakat, sıvı ya bileşimini değiştirir veya ayrışarak
kaybolur. Bu proses, sinterleme sıcaklığında, katı fazın sıvı içerisinde sınırlı
miktarlarda çözünebildiği sistemlere uygulanabilir.
Vitrifikasyon:
Seramik malzemelerin sıvı faz ortamında sinterlenmesi vitrifikasyon olarak
tanımlanır. Bu proses genellikle birden fazla bileşik içeren seramiklerde görülür.
Prosesin teorik olarak açıklanması katı hal reaksiyon içeren prosesinkinden daha
zordur. Bunu nedeni sıvı-katı reaksiyonlarının birçok ara fazların oluşumunu
içermesinden kaynaklanır.
Vitrifikasyon bölgesi: Bu deyim malzeme boyut küçülmesinin başladığı sıcaklıkla
malzeme bünyesinde oluşan aşırı miktarda sıvı nedeniyle kendi ağırlığı altında
deformasyonun oluştuğu sıcaklık arasındaki fark olarak tanımlanır. Bazı seramikler
örneğin sert porselen’de bu bölge 200-250oC gibi geniş bir aralık iken, kemik
porseleni ve kordielik gibi bazılarında ise <50oC gibi dar bir aralıktadır.
Sıvı faz ortamında sinterleme de iki mekanizma rol oynar;
a) Sıvı fazın taneler arasında kapiler etkiyle emilmesi ve buna bağlı olarak
boyutsal küçülme. Bu proseste sıvının yüzey gerilimi de rol oynar.
b) Küçük taneler sıvı faz ortamında erimeleri ve büyük taneler üzerine
çökmeleri veya yeniden kritalleşmeleri
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
38
![Page 39: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/39.jpg)
Vitrifikasyonda ayrıca sıvı faz ile katı taneler arasındaki Dihedral arayüzey açısı
önemli oynar. Eğer açı küçükse sıvı faz taneleri ıslatır ve katı taneler birbirine
değmez. Eğer açı büyükse taneler birbirine değer ve tane büyümesi hem sıvı hem de
hacimsel diffüzyonla olur.
Genellikle hacimsel diffüzyon daha yavaş bir proses olduğundan küçük dihedral
açılar veren vitrifikasyon büyük tanelerin oluşumuna ve büyük dihedral açı veren
vitrifikasyon da küçük taneli yapıların oluşumuna neden olur.
4. Buhar-Faz Sinterlemesi:
Buhar fazı sinterlemesi sadece birkaç sistem için önem taşır. Bu proseste itci güç, yüzey eğriliği nedeniyle buhar basıncında meydana gelen farktır. Tozların yüzeyi pozitif eğrilik yarıçapına sahip olup, buhar basıncı yüksektir. Diğer taraftan, iki tanenin birbirine temas ettiği boyun bölgesinde ise eğrilik çapı negatif olup, buhar basıncı düşüktür. Bu proseste, porların morfolojisi değişebilir ama yoğunlaşma meydana gelmez.
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
39
![Page 40: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/40.jpg)
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
40
6. OKSİT SERAMİKLER
Oksit seramikler, yüksek sıcaklıklarda kullanılmaya müsait metallerin oksijenle
yaptıkları bileşiklerdir. Bir çok oksit seramik iyonik bağlı olup, iyonik bağlı
malzemelerin genel karakteristiklerine sahiptir. Bu özellikler; saydamlık, elektrik ve
ısı iletiminde direnç, diamayetizma ve kimyasal kararlılık. Bu özeliklerin yanı sıra
oksit seramikler yüksek elastik modülü ve sertlik, gevreklik, refrakterlik, düşük
termal genleşme ve korozyona karşı direnç göstermektedirler.
A- Alumina (Al2O3)
İleri teknoloji seramikler için en çok kullanılan hammadde Aluminadır. Mukavemet
ve ergime sıcaklığının yüksek, elektrik iletkenliğinin düşük oluşu Alumina’nın:
refrakterler, elektrik yalıtkanları, elektronik devrelerde altlık olarak, kesici uçlarda,
ısı motorlarında ve enerji santrallerinda, aşınmaya maruz parçalarda, aşındırıcılarda
ve kompozit malzemeler gibi çok geniş bir alanda kullanılmasını sağlar.
Alümina basit olarak Al2O3 kimyasal formülü ile gösterildiği halde, kristal şekli,
içindeki katışkılar, tane boyutu gibi parametrelerle özellikleri değişir. Ergime
sıcaklığı 2000± 30°C’dir. Kullanım için istenilen fiziksel özellikler değiştiğinden pek
çok ticari alümina çeşiti vardır.
Doğal alumina, korundum halinde fakat, feldispat ve killerde olduğu gibi genellikle
silikatlarla birlikte bulunur. Alumina aynı zamanda boksit, diaspor, kriyolit, nefelin
ve diğer pek çok mineralin bileşiminde bulunur.
Alumina anfoter bir oksittir. Saf alumina düşük sıcaklıkta birkaç formda bulunur.
Fakat bütün bu formlar zaman, kristal boyutu ve atmosfere bağlı olarak 750-1200oC
arasında α-aluminaya dönüşür. 1600oC’nin üzerinde yapılan ısıtma bu dönüşümü
hızlandırır. Aluminanın, α fazına dönüşümü tersinir değildir.
Aluminadan poroz ve yoğun ürünler yapılabilir. Poroz ürünler genellikle ergimiş
aluminadan yapılır ve bunlar, 1900oC’ye kadar çıkan, yüksek sıcaklık fırınlarının
![Page 41: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/41.jpg)
astarı olarak kullanılırlar. Ergimiş alumina %99.8 Al2O3 ihtiva eder. Safiyet
yükseldikçe, sıcak mukavemet, elektrik ve aşınma direncinde artış sağlanır.
Yeniden kristallendirilmiş poroz olmayan alumina ergimiş aluminadan daha saftır.
Yüksek sertliğe ve aşınmaya karşı direnç nedeniyle, iptik mekiklerinde, öğütme
bilyesi ve laboratuar malzemesi olarak kullanılmaktadır. Yoğun alumina buji
üretimin de kullanılmaktadır.
Alumina Üretim
Mikron altı alumina üretimi için başlıca iki yöntem kullanılmaktadır. Bunlar;
1-) Sol-Jel Prosesi: Bu yöntem hava kirliliği kontrolünde, seperasyon teknolojisinde
ve mikro elektronikte kullanılan asydam aluminanın üretiminde başarı ile
uygulanmaktadır. Hammadde olarak Al-alkoksitler, Al-nitrat ve Al-sülfat hammadde
olarak kullanılır.
Soljel yöntemi ile saydam alumina başlıca dört aşamada gerçekleşmektedir. Bunlar:
1. Al-alkoksitin hidrolizi
2. Saydam bir sol eldesi için peptizasyon
3. Jel oluşumu
4. Aluminanın pirolizi
1. Hidroliz: Alüminyum isporopoksit [Al(OC3H7)3] ve alüminyum sekonder butoksit
[Al(OC4H9)] kullanılmaktadır. Hidroliz alkoksitlerin bol su içerisinde şiddetli
karıştırılmaları ile gerçekleşir.
Hidroliz aşamasında soğuk su kullanıldığında istenmeyen reaksiyon:
xROHOHAlOHxOROHAlOBayerit
xx +→−+− 321 )()1()()(
ile amorf bayerit oluşumu meydana gelir. Bayerit oluşumu yaklaşık olarak 3-4 saat
içerisinde gerçekleşmektedir.
Hidroliz aşamasında sıcak su kullanıldığında:
ROHOHORAlOHCOHAlO alkolo +⎯⎯→⎯+ )()()80()( 223
reaksiyonu sonucu kristal halde hidrolize alkoksit meydana gelir.
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
41
![Page 42: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/42.jpg)
2. Peptizasyon: Asit miktarı/hidroliz karışımı, kritik miktarda asit gerektirmektedir.
Peptizasyon aşamasında karışım sıcaklığı 80oC’tın üzerinde olmalıdır. Asit ilavesi
pH cinsinden ifade edilir. Bununla birlikte asidin cinsinin pH değerinden daha
önemli olduğu saptanmıştır. Asit/alkoksit oranı önemli olup sonucu etkilemektedir.
Peptizasyon sırasında;
ROHORAlOAlOROHOHORAl 2
OHI
OHI
2).(2)(2 +−−−−→+
reaksiyonu gerçekleşir.
Peptize sol polietilen tepsiye konur ve 90oC’deki fırına sürülür. Bu durumda sol, jel
haline gelir. Jel 300oC’ye kadar kararlıdır, fakat 140oC’ta molekül suyunu kaybeder.
Bu jelin farklı sıcaklılarda pirolizi ile γ-Al2O3 (≤475oC), θ- Al2O3 (≤1100oC) ve α-
Al2O3 (≤1300oC) elde edilir.
2-) Metalurjik Aluminanın Seramik Hammaddesi Olarak Kullanılması
Bayer yöntemi ile elde edilen, özel kalsinasyon ve öğütme işlemine tabi tutulan
kalsine aluminalar teknik seramik ürünlerin elde edilmesinde en fazla kullanılan
hammaddelerdir.
Kalsine edilmiş alumina üç ana grupta incelenir. Sınıflandırmada aluminanın soda
içeriği ve toplam saflık derecesi esas alınmıştır. Isı ile reaktive edilen norma yada
düşük soda içerikli alumina Bayer prosesi ile gerçekleştirilirken, yüksek saflıktaki
alumina, alumina maden tuzlarının ayrıştırılmasından elde edilir.
Bayer prosesinde kullanılan hammadde Boksittir. Kostik soda içerisindeki ısıtma
işleminden sonra alumina ayrılır. Fe2O3, TiO2, SiO2 ve diğer çözünmeyen kalıntıların
ayrılmasından sonra tohum kristalleri eklenerek soğutulur ve karıştırılır. Böylece
alüminyum hidroksitin çökmesi sağlanır. Alüminyum hidroksit bir döner fırında
kavrulduktan sonra ortalama 40-100 μm tane boyutuna sahip alumina elde edilir.
Normal olarak kristal şekli α-aluminadır. Bu şekilde üretilen alumina yaklaşık 5 0.3
Na2O ve % 0.01 SiO2 katışkıları içerir ve % 99.6 veya daha yüksek saflıkta elde
edilir. Elde edilen alumina yıkanarak soda içeriği % 0.1’e kadar indirilebilir. Bubunla Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
42
![Page 43: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/43.jpg)
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
43
birlikte yüksek derecede elektrik yalıtımı gerektiren elektronik malzeme ve bujiler
gibi uygulamalarda % 0.01 Na2O içeren düşük sodalı aluminalar kullanılır.
Kullanım Alanları
Alumina esaslı seramikler, belki mühendislik seramiklerinin en iyi bilinen grubudur.
Malzemeler önemli uygulamalar için uygun tipte, çok geniş bir aralıkta üretilmekte-
dir.
Aluminadan poroz ve yoğun ürünler yapılır. Poroz ürünler genellikle ergimiş
aluminadan yapılır. Bu malzemeler 1900oC’ta kadar çıkan yüksek sıcaklık
fırınlarının astarı olarak kullanılırlar. Ayrıca saf alumina, tamamen saydam olarak
bazı cihazlarda kullanılmaktadır. Yeniden kristalleşmiş poroz olmayan alumina,
ergimiş aluminadan daha saftır. Yüksek saflığı ve aşınmaya karşı direnci nedeniyle
iplik mekiklerinde kullanılır. Yoğun alumina buji üretiminde de kullanılmaktadır.
Tablo da Aluminanın çeşitli endüstriyel uygulama alanları verilmiştir
![Page 44: ileri_teknolojik_Seramikler-1](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081721/557211d1497959fc0b8f8a3e/html5/thumbnails/44.jpg)
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan TOPLAN /
44
Aluminanın kullanım alanları ve kullanım alanı-maliyet-avantajlı özellik ilişkisi
Uygulama Alanı Avantajlı Özellik ↘Elektriksel İzolasyon ► Buji İzolatörleri Yüksek mukavemet, termal genleşme
direnci ► Gözler, kablo askıları, ana çubuk destekleri
Yüksek mukavemet
► Kovanlar Termal şok direnci, daha yüksek kullanım sıcaklığı için yüksek elektrik direnci
► Anten izolatörleri Yüksek mukavemet ► Altlıklar Yüksek termal iletkenlik, yüksek
mukavemet ↘Mekanik Uygulamalar ► Değirmen astarları Sertlik, mukavemet, iyi aşınma direnci ► Zirai aletler İyi aşınma direnci ► Aşındırıcı toz Sertlik ve aşınma direnci ► Balistik şapkalar Sert ve güçlü ► İplik kılavuzları Sert ve aşınmaya karşı dirençli ► Suni kemik Korozyon direnci ↘Termomekanik Uygulamalar ► Termokupl izolatörleri ► Lamba elementleri için izolatörler
Sert, refrakter
► Kaynak jigleri Daha iyi termal şok ► Döküm tüpleri, uçları Refkakter ► Sıcak pres kalıpları Güçlü refrakter ► Katalizör destekleri Genellikle poroz ► Laboratuar cihazları Saf, refrakter ↘Kimyasal Uygulamalar ► Kimyasal tesis bileşenleri (Tüpler, yataklar vb)
Aside karşı dirençli, korozyon direnci yüksek