Teknolojik Seramikler Ali Osman KURT Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, SAKARYA

Özet Giriş Sinterleme Sonuç Teknolojik seramikler Uygulama Örnekleri Titanyum nitrür (TiN) Sinterleme Katı Faz Sinterleme Sıvı Faz Sinterleme Sonuç

Teknolojik Seramikler Giriş Oksitler Borürler Nitrürler Karbürler Yalıtkanlar Magnetitler SiC, B4C Teknolojik Seramikler Si3N4, TiN, ZrN Al2O3, ZrO2 TiB2 Geleneksel seramikler ve teknik seramikler (teknoloji seramikleri) birçok yönden birbirinden farklı iki ayrı türü ifade eden kelimelerdir. Aralarındaki farklılık üretim teknolojilerinden kullanım alanlarına kadar hemen her açıdan bariz ve nettir. Son ürünün birim kütlesi esas alındığında teknoloji seramiklerin üretim maliyetinin çok yüksek olması nedeniyle geleneksel seramiklerle karşılaştırılamayacak kadar pahalıdırlar. Teknik seramikler – Teknolojik seramikler - ileri teknoloji seramikleri – mühendislik seramikleri (Yapısal seramikler, fonksiyonel seramikler, elektronik seramikler, bio-seramikler)

Giriş: Neden teknolojik seramikler? Yüksek sertlik Yüksek aşınma ve korozyon direnci Yüksek sıkıştırma dayanımı Yüksek ergime noktası Yüksek dayanım Dayanımlarını yüksek sıcaklıklarda da koruyabilme İyi elektrik yalıtkanlığı (dielektrik) İyi termal yalıtkanlık Malzemenin bazen bir özellik yeterli olurken bazı durumlarda birkaç özelliğinin bir arada bulunması istenir.

Malzemeler: Sıcaklık ve Mukavemet İlişkisi

Malzemelerin sıcaklığa bağlı mukavemet değişimi

Ref. CUTTING TOOL MATERIALS. (2004) Ref. CUTTING TOOL MATERIALS. (2004). In Manufacturing Engineering Handbook. Retrieved from http://www.credoreference.com/entry/mhmeh/cutting_tool_materials

Kullanımlarındaki kısıtlar Zor ve karmaşık proses parametreleri Yüksek saflıkta hammadde ihtiyacı Düşük dayanıklılık performansı Üretimde düşük tekrarIanabilirlik Standart referans materyallerinin yetersizliği Standart test prosedürlerinin yetersizliği Termal ve mekanik şoklara olan hassasiyet Tümünden daha önemlisi yüksek maliyet

Çözüm önerileri Mikro-yapısal tasarım iyileştirmeleri Üretim aşamalarının kontrolündeki hassasiyet, Kompozit yapıda lifsi dokular (SiC ve Al2O3 lif formunda üretilebilmektedir.) Lifli/çubuçsu monolitik seramikler – SiC, ZrC, Si3N4 Ara yüzey kimyasındaki geliştirmeler Yüksek saflık ve nano boyutta başlangıç tozları Sinterleme süreçlerindeki iyileştirmeler Basit ve ekonomik üretim proseslerinin geliştirilmesi

Uygulama Örnekleri Ref. Osterwalder(?) Valve parts

Ref. Kyocera Industrial Ceramics Corporation Uygulamaları Ref. Kyocera Industrial Ceramics Corporation Ref. BÖHLER Parts from Si3N4, valves, turbo-rotor assembles

Örnek Malz. Titanyum Nitrür TiN kaplanmış kesici takımlar1 TiN kaplı zımbalarNanoShield PVD2 TiN kaplanmış matkap ucu4 TiN kaplanmış makas3 1: http://www.titaniumexposed.com/titanium-nitride-coating.html 2 ,4 : http://en.wikipedia.org/wiki/Titanium_nitride 3 : http://www.fiskars.ca/Products/Hardware/Hardware-Scissors/9-Titanium-Nitride-Shop-Shears

Neden Titanyum Nitrür (TiN)? Yüksek dayanım Yüksek sertlik (2160 kg/mm2) Mükemmel korozyon ve aşınma direnci Yüksek ergime sıcaklığı (2950 oC) Yüksek kimyasal ve termal kararlılık Yüksek elektrik ve termal iletkenlik

Kullanım Alanları Ti, çelik, Al ve bazı karbürlerin yüzey özelliklerini iyileştirmek için, Mikro-elektronik uygulamalarda difüzyon bariyeri olarak, Metal ergitme potası ve optik kaplama uygulamalarında Zehirsiz olduğundan çok sayıda tıbbi (implantlar, cerrahi aletler) ve gıda işleme uygulamalarında kullanılmaktadır.

TiN tozu sentezlemek için çeşitli teknikler kullanılmıştır: TiN tozu üretimi TiN tozu sentezlemek için çeşitli teknikler kullanılmıştır: Ti metalinin çeşitli azot kaynaklarıyla doğrudan nitrürlenmesi Hidrometalurjik yöntemle sentez Sol-Jel yöntemi Karbotermal indirgeme-nitrürleme yöntemi Mekanik alaşımlama Yanma sentezleri (SHS yöntemi) Mikrodalga plazma ve termal plazma yöntemleri KTİN prosesi, düşük maliyeti, başlangıç hammaddesi olarak kullanılan oksit esaslı seramiklerin kolay ve ucuz, katı formda indirgeme elemanlarının (karbon karası gibi) kolayca bulunabilmesi nedeniyle ekonomik olarak uygun bir yöntemdir.

Toz Üretimi - Karbotermal İndirgeme - Nitrürleme TiN seramik tozu: Mikron altı titanyum dioksit ve karbon karasının katı-katı reaksiyonuyla üretim TiO2(k) + C(k) + 1/2N2(g)  TiN(k) + 2CO(g) Nihai ürünün safiyetini büyük oranda başlangıç hammaddelerinin(oksit fazın ve indirgeyicinin) saflık derecesi belirler.Ayrıca son ürünün (seramik tozun) niteliklerine başlangıç hammaddelerinin tane boyutu ve spesifik yüzey alanı gibi fiziksel özellikleri yanında sıcaklık ve gaz akışı gibi süreç değişkenlerinin de büyük oranda etkileri vardır.

Malzeme ve Metot - KTİN sistemi1 DKTİN sistemi2 KTİN düzeneğinde,herşey durağan (statik) konumdayken DKTİN’de numuneyi muhafaza eden grafit reaktör ve seramik tüp dönmektedir. Bu çalışmada dönme hızı 1,38 dev/dk olacak şekilde sabit tutulmuştur. Fırının ısıtma ve soğutma hızı sabit olup 5 oC/dk seçilmiştir. N2 akış hızı da sabit seçilmiş olup reaksiyon süresince 1,2 lt/dk olarak belirlenmiştir. 1 : Kurt, A.O. (2008) Seramik Türkiye, 25, 128-135. 2 : Kurt, A.O. ve Güzelvardar, Y. (2009) Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, Özel Sayı, s.125-130.

DKTİN Yöntemi DKTİN düzeneğinin şematik gösterimi* Çalışmaya konu olan KTİN yöntemi kısaca; eş zamanlı olarak oksit(ler)in indirgenmesine ve basit kimyasal tepkimelerle atmosfer kontrollü bir ortamda termal aktivasyon ile ince tozlar halinde seramik bileşimler (metal-nitrür) oluşturmak üzere azotun sistemdeki kalıntılar ile tepkimeye girmesine dayanmaktadır. Söz konusu bu sistemde KTİN işlemi dinamik bir ortamda gerçekleştiriliyor olması nedeniyle ismini DKTİN olarak almıştır. DKTİN düzeneğinin şematik gösterimi* * Kurt, A.O. ve Güzelvardar, Y. (2009) Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, Özel Sayı, s.125-130.

Üretilen Toz DKTİN ile 1400 ⁰C`de 4 saatte üretilen TiN tozuna ait SEM görünümleri. SEM görünümleri 900 oC de 1 saat karbon yakma işlemi sonrasında elde edilmiştir. TiO2 tozu

Sinterleme Mekanik veya elektriksel bağlarla form ve şekil kazanmış malzemelerin mukavemet kazanabilmesi için yüksek sıcaklıklarda bekletilmesi ve böylece toz taneleri arasında kimyasal bağ oluşturulması işlemine sinterleme denir. Geleneksel seramikler ve teknik seramikler (teknoloji seramikleri) birçok yönden birbirinden farklı iki ayrı türü ifade eden kelimelerdir. Aralarındaki farklılık üretim teknolojilerinden kullanım alanlarına kadar hemen her açıdan bariz ve nettir. Son ürünün birim kütlesi esas alındığında teknoloji seramiklerin üretim maliyetinin çok yüksek olması nedeniyle geleneksel seramiklerle karşılaştırılamayacak kadar pahalıdırlar. Teknik seramikler – Teknolojik seramikler - ileri teknoloji seramikleri – mühendislik seramikleri (Yapısal seramikler, fonksiyonel seramikler, elektronik seramikler, bio-seramikler)

Sinterleme Sinterleme basit olarak katı faz sinterleme ve sıvı faz sinterleme olarak iki gruba ayrılır. Katı faz sinterleme sıkıştırılmış ham parçanın sinterleme esnasında tamamıyla katı halde kalmasıyla olur. Sıvı faz sinterlemede ise sinterleme esnasında kompakt içinde sıvı faza geçen bileşenler bulunur.

Sinterleme Tek bileşenli parçanın sinterlenmesin de, sinterleme sıcaklığı parçayı oluşturan mazlemenin ergime derecesinin 2/3’ü veya 4/5’in gibi belirlenirken çok bileşenli sistemlerde karışım oranlarına bağlı olarak ergime derecesi düşük olan fazın ergime derecesinin üstünde ergime derecesi yüksek olan fazın ise ergime derecesinin altında sinterleme sıcaklığı seçilir.

Sinterleme Geleneksel seramikler ve teknik seramikler (teknoloji seramikleri) birçok yönden birbirinden farklı iki ayrı türü ifade eden kelimelerdir. Aralarındaki farklılık üretim teknolojilerinden kullanım alanlarına kadar hemen her açıdan bariz ve nettir. Son ürünün birim kütlesi esas alındığında teknoloji seramiklerin üretim maliyetinin çok yüksek olması nedeniyle geleneksel seramiklerle karşılaştırılamayacak kadar pahalıdırlar. Teknik seramikler – Teknolojik seramikler - ileri teknoloji seramikleri – mühendislik seramikleri (Yapısal seramikler, fonksiyonel seramikler, elektronik seramikler, bio-seramikler)

.

Sıvı ve Katı Faz Sinterleme

Sıvı ve Katı Faz Sinterleme

Tüp ve Kutu Tipi Fırın

Vakum ve Tünel Tipi Fırın

HP

HIP

HIP ile silindirik parça üretimi https://www.youtube.com/watch?v=DLRzf3H8V4Y

Sonuçlar Teknik seramikler bir çok alanda kullanılmaktadır. Özellikle yüksek sıcaklıklarda yüksek dayanım gerektiren uygulamalar için vazgeçilmez malzemelerdir. Teknik seramiklerin ekonomik ve yaygın kullanımı bu malzemelerin sentetik olarak elde edilen hammaddelerinin / tozlarının ucuz (ekonomik) ve nitelikli olarak üretilebilmelerine bağlıdır. Çok ince (mikron altı boyutlarda) ve yüksek saflıkta seramik tozlarının uygun şekillendirme teknikleri ile şekil verilerek form kazandırılmasına müteakip sinterlenmesi ile mukavim parçalar elde edilebilmektedir.