Genel Bakış
Metal tozları eklemeli üretim, metal enjeksiyon kalıplama ve toz metalurjisi presleme ve sinterleme gibi üretim teknikleri için hammadde olarak kullanılan ince metal parçacıklardır. Kimya, partikül boyutu dağılımı, morfoloji ve mikro yapının hassas kontrolü ile gelişmiş özel metal tozları üretmek, bitmiş bileşenlerin özellikleri için kritik öneme sahiptir.
Farklı alaşım sistemlerinden büyük ölçekli metal tozu üretimi için kullanılan çeşitli yöntemler vardır:
- Gaz atomizasyonu
- Su atomizasyonu
- Plazma atomizasyonu
- Elektrot indüksiyonlu eritme gazı atomizasyonu
- Dönen elektrot işlemi
- Karbonil süreci
- Elektrolitik süreç
- Metal indirgeme süreçleri
Her proses, belirli uygulamalara uygun farklı özelliklere sahip tozlarla sonuçlanır.
Metal Tozu Üretim Yöntemleri
| Yöntem | Kullanılan Metaller | Temel Özellikler | Ana Uygulamalar |
|---|---|---|---|
| Gaz Atomizasyonu | Titanyum, alüminyum, paslanmaz çelik, takım çeliği, süper alaşımlar | Küresel tozlar, orta üretim hızı | Metal enjeksiyon kalıplama, Sıcak izostatik presleme |
| Su Atomizasyonu | Düşük alaşımlı çelik, demir, bakır | Düzensiz toz şekilleri, daha yüksek oksijen içeriği | Pres ve sinter işlemi |
| Plazma Atomizasyonu | Titanyum alaşımları, süper alaşımlar | Çok ince küresel tozlar | Katmanlı üretim |
| Dönen Elektrot | Tungsten, molibden, tantal | Kontrollü tane yapısı | Filamentler, kesici aletler |
| Karbonil Süreci | Demir, nikel, kobalt | Ultra ince yüksek saflıkta tozlar | Elektronik bileşenler, mıknatıslar |
| Elektrolitik | Bakır, nikel | Dendritik pul morfolojisi | Yüzey kaplamaları |
Metal Tozu Üretim Yöntemleri
Farklı alaşım sistemlerinden metalik tozlar üretmek için kullanılan çeşitli ticari yöntemler vardır. Üretim yönteminin seçimi aşağıdaki gibi faktörlere bağlıdır:
- Alaşım malzemesinin türü
- Saflık gereksinimleri
- Partikül boyutu, şekli, tane yapısı gibi istenen toz özellikleri
- Yıllık ton cinsinden üretim ölçeği
- Toz son kullanım uygulaması
İşte metal tozu üretimi için en yaygın endüstriyel proseslerden bazıları:
Gaz Atomizasyon Süreci
Gaz atomizasyon işleminde, erimiş metal alaşımı akışı, genellikle nitrojen veya argon olmak üzere yüksek basınçlı gaz jetleri ile parçalanır. Metal akışı ince damlacıklara ayrılır ve bu damlacıklar katılaşarak toz parçacıklarına dönüşür.
Gaz atomize tozlar küresel bir şekle ve pürüzsüz yüzey morfolojisine sahiptir. Parçacık boyutu dağılımı, proses parametreleri ayarlanarak kontrol edilebilir. Bu, titanyum, alüminyum, magnezyum alaşımları gibi reaktif malzemelerin yanı sıra paslanmaz çelikler, takım çelikleri ve nikel süper alaşımları için yaygın olarak kullanılan bir tekniktir.
| Parametre | Açıklama |
|---|---|
| Kullanılan metaller | Titanyum alaşımları, alüminyum, magnezyum, paslanmaz çelik, takım çeliği, süper alaşımlar |
| Parçacık şekli | Küresel morfoloji |
| Parçacık boyutu | 50 - 150 μm tipik |
| Saflık | Yüksek, inert gaz kontaminasyonu önler |
| Oksijen toplama | Sıvı metal atomizasyonuna kıyasla minimum |
| Üretim ölçeği | Yılda 10.000 metrik tona kadar |
Su Atomizasyonu
Su atomizasyonunda, erimiş metal akışına yüksek hızlı su jetleri çarpmaktadır. Ani soğutma, metali ince parçacıklara ayıran bir patlamaya neden olur. Tozlar düzensiz şekillere sahiptir ve su teması nedeniyle daha yüksek oksijen içeriği içerir.
Su atomizasyonu, presleme ve sinterleme tipi uygulamalar için büyük hacimlerde paslanmaz çelik, alaşımlı çelik, demir ve bakır tozları üretmek için kullanılan daha düşük maliyetli bir işlemdir.
| Parametre | Açıklama |
|---|---|
| Kullanılan metaller | Karbon çelikleri, düşük alaşımlı çelikler, paslanmaz çelikler, bakır, demir tozları |
| Parçacık şekli | Patlayıcı su parçalanmasından kaynaklanan düzensiz morfoloji |
| Parçacık boyutu | 10 - 300 μm tipik |
| Saflık | Daha düşük, su teması oksijen seviyelerini 200-500 ppm artırır |
| Üretim ölçeği | Çok yüksek, yılda 50.000 tonun üzerinde |
Plazma Atomizasyon Süreci
Plazma atomizasyon işleminde, gaz jetleri aracılığıyla ince damlacıklar halinde parçalanmadan önce metal alaşımı eritmek için bir plazma torcu kullanılır. Ultra yüksek sıcaklıklar, titanyum alüminitler gibi yüksek reaktif elementlerin başarılı bir şekilde atomize edilmesini sağlar.
Tozlar çok küresel bir şekle ve lazer eritme ve elektron ışını eritme gibi eklemeli üretim yöntemleri için uygun dar bir boyut dağılımına sahiptir.
| Parametre | Açıklama |
|---|---|
| Kullanılan metaller | Titanyum alaşımları, nikel süper alaşımları, titanyum alüminitler |
| Parçacık şekli | Son derece küresel |
| Parçacık boyutu | 15 - 45 μm tipik |
| Saflık | İnert atmosfer altında erime sayesinde çok yüksek saflık |
| Üretim ölçeği | Daha düşük, yılda yaklaşık 100 - 1000 ton |
Dönen Elektrot Prosesi (REP)
Dönen elektrot prosesinde, silindirik bir metalik elektrot boşaltılmış bir odada yüksek hızlarda döndürülür. Bir elektrik arkı kullanılarak eritilir ve merkezkaç kuvvetleriyle fırlatılan erimiş metal damlacıkları soğuyarak toz haline gelir.
REP tozları, tungsten, molibden, tantal gibi havacılık alaşımları için ince tellere ve çubuklara sıcak ekstrüzyon için ideal bir tane yapısına ve morfolojisine sahiptir.
| Parametre | Açıklama |
|---|---|
| Kullanılan metaller | Tungsten, molibden, tantal |
| Parçacık şekli | Düzensiz, kontrollü mikroyapı |
| Parçacık boyutu | 45 - 150 μm tipik |
| Saflık | Vakum altında işlemeden dolayı çok yüksek |
| Üretim ölçeği | Küçük hacimli yüksek değerli tozlar |
Elektrot İndüksiyonlu Gaz Atomizasyonu (EIGA)
EIGA prosesi, sarf malzemesi elektrot uçlarını inert gaz atmosferinde eritmek için indüksiyonlu ısıtma kullanır. Damlacıklar argon jetleri tarafından ince küresel tozlar halinde ikincil gaz atomizasyonuna tabi tutulur.
EIGA, kontrollü eritme ve kirlenmeyi en aza indirme yoluyla kritik havacılık ve uzay bileşenleri için çok yüksek saflıkta reaktif nikel süper alaşımları sağlar.
| Parametre | Açıklama |
|---|---|
| Kullanılan metaller | Nikel süper alaşımları, titanyum alüminitler |
| Parçacık şekli | Küresel |
| Parçacık boyutu | 15 - 53 μm tipik |
| Saflık | Son derece yüksek, kritik alaşımlar için özelleştirilmiş |
| Üretim ölçeği | Ar-Ge/prototiplemeden orta hacme kadar |
Karbonil Süreci
Karbonil prosesinde metal, kontrollü koşullar altında ayrışarak tek tip, ultra ince metalik parçacıklar üreten uçucu bir karbonile dönüştürülür. Bu yaklaşım son derece saf demir, nikel ve kobalt tozları üretmek için uygundur.
| Parametre | Açıklama |
|---|---|
| Kullanılan metaller | Demir, nikel, kobalt |
| Parçacık şekli | Küreselden çok yüzlüye |
| Parçacık boyutu | 1 - 10 μm tipik |
| Saflık | Son derece yüksek 99,9%+ saflık |
| Üretim ölçeği | Yılda 30.000 tona kadar |
Diğer Toz Üretim Yöntemleri
Özel metal tozu üretimi için kullanılan diğer bazı teknikler şunlardır:
- Elektrolitik Süreç: Elektro-depozisyon işlemi ile dendritik morfolojiye sahip düzensiz şekilli bakır ve nikel tozları üretmek için kullanılır
- Metal İndirgeme Prosesleri: Titanyum, zirkonyum, tungsten, molibden tozları üretmek için metal oksitlerin hidrojen veya karbon kullanılarak indirgenmesi
- Mekanik Alaşımlama: Kompozit ve nano yapılı alaşımları sentezlemek için yüksek enerjili bilyalı öğütme
Metal Tozu Teknik Özellikler
Metal tozları için test edilen kritik kalite özellikleri ve spesifikasyonlar üretim yöntemine ve son kullanım uygulamasına bağlıdır, ancak tipik olarak şunları içerir:
Toz Kimyası
- Optik emisyon veya X-ışını floresan spektroskopisi kullanılarak alaşım bileşimi
- Minör alaşım elementleri
- Oksijen, nitrojen, hidrojen gibi safsızlık elementleri
- Yüksek sıcaklıkta ateşleme kaybı testi
Parçacık Boyutu Dağılımı
- Hacim ortalama partikül boyutu
- D10, D50, D90 gibi dağıtım genişlikleri
Parçacık Şekli Karakterizasyonu
- Morfoloji için taramalı elektron mikroskobu
- En boy oranı ve form faktörü gibi şekil faktörleri
Mikroyapı
- X-ışını kırınımı kullanılarak mevcut fazlar
- Görüntülemeden elde edilen tane özellikleri
Toz Özellikleri
- Görünür/tap yoğunluğu
- Hall akış ölçer huni testlerinden geçen akış hızları
- Sıkıştırılabilirlik seviyeleri
Tozlar için spesifikasyon gereksinimleri, farklı uygulamalardaki son kullanıma bağlı olarak büyük ölçüde değişir:
| Parametre | Metal Enjeksiyon Kalıplama (MIM) | Katmanlı Üretim | Pres & Sinter |
|---|---|---|---|
| Parçacık boyutu aralığı | 3 - 25 μm | 15 - 45 μm | 150 - 300 μm |
| En boy oranı | 1 - 1,25 tercih edilir | <1,5 küresel | Kritik değil |
| Oksijen seviyeleri | <1000 ppm | <500 ppm | 2000 - 4000 ppm |
| Görünür yoğunluk | >2,5 g/cm3 | >2,8 g/cm3 | 2 - 3 g/cm3 |
| Salon akış hızı | 15 - 35 sn/50g | 25 - 35 sn/50g | >12 sn/50g |
Karakterizasyon Yöntemleri
Ürün performansı için gerekli olan metal tozlarının özelliklerini karakterize etmek için kullanılan çeşitli analitik yöntemler vardır:
Partikül Boyutu Analizi
Parçacık boyutu dağılımını karakterize etmek için en yaygın olarak lazer difraksiyon yöntemleri kullanılır. Bu teknik, ışığı partikül boyutlarına bağlı bir açıyla dağıtan dağınık bir toz numunesinden bir lazer ışını geçirir. Kırınım deseninin bilgisayar analizi, saniyeler içinde istatistiksel olarak ilgili ayrıntılı boyut dağılımı verileri sağlar.
Morfoloji ve Yüzey Görüntüleme
Taramalı elektron mikroskobu (SEM), optik mikroskopiye kıyasla çok daha yüksek büyütme ve odak derinliğinde toz partikül şekli, yüzey topografileri ve özelliklerinin yüksek çözünürlüklü görüntülerini sağlar.
SEM görüntüleme, parçacık yuvarlama, uydu oluşumu, yüzey düzgünlüğü ve gözeneklilik gibi kusurları incelemek için kullanılır.
Yoğunluk ve Akış Özelliği Ölçümü
Yığın davranışını ölçmek için standart test yöntemleri oluşturulmuştur:
- Bir orifisten geçen toz akış hızlarını ölçmek için Hall akış ölçer hunisi
- Akışkanlığı yatış açısına göre değerlendirmek için Carney hunisi
- Musluk yoğunluğunu ve sıkıştırılabilirliği belirlemek için Scott volümetre
Bu yöntemler, bileşen üretimi sırasında taşıma, harmanlama, kalıp doldurma ve yayma kolaylığının öngörülmesine yardımcı olur.
Bileşim ve Kristal Yapı için X-ray Yöntemleri
- X-ışını floresan spektroskopisi metallerin elementel bileşimini doğru bir şekilde tanımlar ve miktarını belirler
- X-ışını kırınımı, kırınım pik desenleri ile mevcut atomik düzenlemeleri ve fazları analiz eder
Metal Tozlarının Uygulamaları
Mühendislik metal tozlarının bazı önemli son kullanım alanları şunlardır:
Katmanlı Üretim
Titanyum, alüminyum, paslanmaz çelik, süper alaşım, kobalt krom tozlarından karmaşık geometriler oluşturmak için seçici lazer eritme (SLM), doğrudan metal lazer sinterleme (DMLS) ve elektron ışını eritme (EBM) gibi 3D baskı teknikleri olarak da bilinir.
Metal Enjeksiyon Kalıplama (MIM)
Paslanmaz çelikler, titanyum alaşımları ve takım çelikleri gibi tozlar bir bağlayıcı ile birleştirilir, enjeksiyonla kalıplanır ve daha düşük maliyetlerle yüksek hacimlerde küçük, karmaşık parçalar üretmek için sinterlenir.
Toz Metalurjisi Pres ve Sinter
Demir, bakır ve alaşımlı çelik tozlarının dişliler, burçlar ve mıknatıslar gibi yüksek hacimli bileşenlere sıkıştırılması ve sinterlenmesi.
| Uygulama | Kullanılan Metaller | Temel Mülkiyet İhtiyaçları |
|---|---|---|
| Katmanlı üretim | Titanyum alaşımları, nikel süper alaşımları, alüminyum, takım çeliği, paslanmaz çelik, kobalt krom | Küresel morfoloji İyi akışkanlık Yüksek saflık |
| Metal enjeksiyon kalıplama | Paslanmaz çelik, titanyum, takım çeliği, tungsten ağır alaşımlar | İnce <25 μm toz İyi paketlenmiş yoğunluk |
| Pres ve sinter | Demir, çelik, paslanmaz çelik, bakır | Uygun maliyetli toz yağlayıcı kaplamalar |
Kaynak, elmas aletler, elektronik ve yüzey kaplamaları gibi alanlarda özel metal tozları kullanan niş uygulamalar da vardır.
Tedarikçiler ve Fiyatlandırma
Çeşitli metal tozlarının önde gelen küresel tedarikçilerinden bazıları şunlardır:
| Şirket | Üretim Yöntemleri | Malzemeler |
|---|---|---|
| Sandvik Osprey | Gaz atomizasyonu | Titanyum, alüminyum, nikel alaşımları |
| AP&C | Plazma atomizasyonu | Titanyum alüminitler, süper alaşımlar |
| Marangoz Teknolojisi | Gaz, su atomizasyonu | Takım çelikleri, paslanmaz çelikler, alaşımlar |
| Höganäs | Su atomizasyonu | Demir, paslanmaz çelikler |
| JFE Çelik | Su atomizasyonu | Paslanmaz çelik tozları |
| Rio Tinto | Alüminyum tozu | Karbonil nikel ve demir |
Metal tozları için fiyatlandırma büyük ölçüde değişir:
- Alaşım malzemesi ve bileşimi
- Kullanılan üretim yöntemi
- Parçacık özelliklerine ulaşmak için işleme
- Saflık seviyeleri ve kirlenme derecesi
- Satın alma hacimleri - çok yüksek hacimli sözleşmeler daha düşük fiyatlandırma getirir
Kilogram başına tipik baz fiyatlar şunlardır:
| Malzeme | Fiyatlandırma Tahmini |
|---|---|
| Paslanmaz çelik 316L | $12 - $30 kg başına |
| Alüminyum AlSi10Mg | $15 - $45 kg başına |
| Titanyum Ti-6Al-4V | $80 - $220 kg başına |
| Nikel süper alaşım Inconel 718 | $90 - $250 kg başına |
| AM için özel alaşımlar | $250 - $1000 kg başına |
Son derece özelleştirilmiş partikül boyutu dağılımları, 100 ppm'nin altındaki kontrollü oksijen ve nitrojen seviyeleri ve küçük parti alımları için fiyatlar önemli ölçüde artar.
Toz Metalurjisinin Avantajları ve Sınırlamaları
Toz Metalurjisinin Faydaları
- Döküm veya talaşlı imalatla mümkün olmayan karmaşık geometriler üretebilme
- Ağ şekline yakın üretim malzeme israfını azaltır
- Daha yüksek performanslı metaller ve alaşımlar kullanılabilir
- Külçe metalürjisinde mümkün olmayan tutarlı gözeneklilik yapıları
- Bileşenler toplu olarak özelleştirilebilir
Toz Üretimi ve İşlemenin Sınırlamaları
- Üretim ve taşıma ekipmanları için sermaye yatırımı çok yüksektir
- Artan yüzey alanı, piroforik reaktif tozların taşınmasını riskli hale getirir
- Yüksek sıkıştırma yoğunluklarına ulaşmak için yüksek basınçlar gerekebilir
- Döküm ile karşılaştırıldığında ilave proses adımları
- Tozun LO/NO olması nedeniyle AM makinelerinin taşınabilirliği
İşte toz metalürjisinin geleneksel döküm süreciyle hızlı bir karşılaştırması:
| Parametre | Toz Metalurjisi | Döküm |
|---|---|---|
| Karmaşık şekiller | ✅ Katmanlı AM yapıları için mükemmel | Tipik dökümler için sınırlıdır |
| Mekanik özellikler | Sıcak İzostatik Presleme sonrası döküm özelliklerine yaklaşabilir | ✅ Öngörülebilir özellikler |
| Çevrim süresi | AM yöntemleri için daha yavaş süreç | ✅ Hacimli üretim için daha hızlı |
| Boyutsal doğruluk | Değişir, son işlemeye bağlıdır | Hassas yatırım dökümleri için çok iyi |
| Ekipman maliyetleri | Endüstriyel AM makineleri için çok yüksek | ✅ Daha düşük sermaye maliyetleri |
| Metal türleri | Sürekli genişleyen seçenekler | ✅ En geniş seçim |
SSS
S: Metal 3D baskı tozlarında kullanılan tipik partikül boyutu aralığı nedir?
C: Seçici lazer eritme (SLM) ve elektron ışını eritme (EBM) gibi toz yatağı teknolojilerinde optimum partikül boyutu aralığı 15-45 mikrondur. Daha ince tozlar çözünürlüğü artırır ancak kullanımı ve işlenmesi zor olabilir.
S: Farklı yöntemlerle elde edilen metal tozlarının morfolojisini ne belirler?
C: Gaz jetleri veya su darbelerinden kaynaklanan eriyik akışı parçalama kuvvetlerinin yoğunluğu ve sonraki soğutma hızları gibi üretim faktörleri partikül şekillerini belirler. Daha hızlı soğutma düzensiz, dendritik partiküller üretirken, daha yavaş katılaşma (küresel atomizasyon) pürüzsüz yuvarlak yapılar sağlar.
S: Katmanlı üretimde metal tozları için yüksek saflık neden önemlidir?
C: Safsızlıklar kusurlara, gözeneklilik sorunlarına neden olabilir, alaşım mikro yapılarını değiştirebilir, yoğunluğu azaltabilir, yükler ve sıcaklıklar altındaki performansı etkileyebilir - mekanik özellikleri olumsuz yönde etkiler. Hedef oksijen seviyeleri 500 ppm'in altında ve nitrojen seviyeleri 100 ppm'in altında tipik hale gelmiştir.
S: Metal tozları nakliye ve depolama sırasında nasıl güvenli bir şekilde kullanılır?
C: Reaktif metal tozları oksitlenmiş yüzeyler oluşturmak için pasifleştirilerek tutuşabilirlik riski en aza indirilir. Tozlar, tutuşmayı önlemek için sevkiyat sırasında hava yerine argon gibi inert gazlar altında variller içinde kapatılır. Depolama kapları uygun şekilde topraklanmalıdır. Personel taşıma sırasında özel KKD giyer.
S: Yaygın toz karakterizasyon yöntemleri nelerdir?
C: Hall akış ölçümü, kademe yoğunluğu testleri, piknometri, LOI testi, spektrografik analiz, metalografi ve lazer veya elek teknikleri kullanılarak partikül boyutu dağılımı, davranışı ölçmek, metal tozu üretimi için kalite proses kontrolü oluşturmak ve belirli uygulamalar için parti uygunluğunu değerlendirmek için hayati öneme sahiptir.
