Sinterleme - Sintering

Sinterleme veya fritaj , katı bir malzeme kütlesini sıvılaşma noktasına kadar eritmeden ısı veya basınçla sıkıştırma ve oluşturma işlemidir .

Sinterleme, metaller , seramikler , plastikler ve diğer malzemelerle kullanılan bir üretim sürecinin parçası olarak gerçekleşir . Malzemelerdeki atomlar, parçacıkların sınırları boyunca dağılır, parçacıkları birleştirir ve tek bir katı parça oluşturur. Sinterleme sıcaklığının malzemenin erime noktasına ulaşması gerekmediğinden, tungsten ve molibden gibi aşırı yüksek erime noktalarına sahip malzemeler için şekillendirme işlemi olarak genellikle sinterleme seçilir . Metalurji tozuyla ilgili işlemlerde sinterleme çalışması, toz metalurjisi olarak bilinir . Sinterleme örneği, bir bardak sudaki buz küplerinin, su ile buz arasındaki sıcaklık farkı tarafından yönlendirilen birbirine yapışmasıyla gözlemlenebilir. Basınçla çalışan sinterleme örnekleri, kar yağışının bir buzul halinde sıkıştırılması veya gevşek karı birlikte bastırarak sert bir kartopunun oluşturulmasıdır.

Kelime "sinter" dan gelmektedir Orta Yüksek Almanca sinter , bir soydaş İngilizce "nin kül ".

Genel sinterleme

Sinterleme, işlem gözenekliliği azalttığında ve mukavemet, elektriksel iletkenlik , yarı saydamlık ve termal iletkenlik gibi özellikleri geliştirdiğinde etkilidir ; yine de, diğer durumlarda, gücünü artırmak, ancak filtrelerde veya katalizörlerde olduğu gibi gaz emiciliğini sabit tutmak faydalı olabilir. Pişirme işlemi sırasında, atomik difüzyon, tozlar arasında boyun oluşumundan işlemin sonunda küçük gözeneklerin nihai olarak ortadan kaldırılmasına kadar farklı aşamalarda toz yüzeyinin giderilmesini sağlar.

Yoğunlaştırmanın itici gücü, yüzey alanındaki azalmadan serbest enerjideki değişim ve katı-buhar arayüzlerinin değiştirilmesiyle yüzey serbest enerjisinin azalmasıdır. Serbest enerji oluşumunda toplam bir azalma ile yeni fakat daha düşük enerjili katı-katı arayüzleri oluşturur. Mikroskobik ölçekte malzeme transferi, basınçtaki değişimden ve eğri yüzey boyunca serbest enerjideki farklılıklardan etkilenir. Parçacığın boyutu küçükse (ve eğriliği yüksekse), bu etkilerin büyüklüğü çok büyük olur. Eğrilik yarıçapı birkaç mikrometreden daha az olduğunda enerjideki değişim çok daha yüksektir, bu da çoğu seramik teknolojisinin ince parçacıklı malzemelerin kullanımına dayanmasının ana nedenlerinden biridir.

Mukavemet ve iletkenlik gibi özellikler için, partikül boyutuna göre bağ alanı belirleyici faktördür. Buhar basıncı sıcaklığa bağlı olduğundan, herhangi bir malzeme için kontrol edilebilen değişkenler sıcaklık ve ilk tane boyutudur. Zamanla, partikül yarıçapı ve buhar basıncı sırasıyla (p ₀ ) ^2/3 ve (p ₀ ) ^1/3 ile orantılıdır .

Katı hal süreçleri için güç kaynağı, parçacığın boynu ile yüzeyi arasındaki serbest veya kimyasal potansiyel enerjideki değişimdir. Bu enerji, mümkün olan en hızlı yollarla bir malzeme transferi yaratır; transfer partikül hacminden veya partiküller arasındaki tane sınırından gerçekleşecek olsaydı, partikül azalması ve gözenek yıkımı olurdu. Sınır difüzyon mesafesinin daha küçük olduğu, tek tip boyutta ve daha yüksek gözenekliliğe sahip birçok gözenekli bir deneme için gözenek giderme daha hızlı gerçekleşir. Sürecin sonraki kısımları için sınır ve sınırdan kafes difüzyonu önemli hale gelir.

Tane sınırı difüzyonu ve hacim difüzyonu büyük ölçüde sıcaklığa, malzemenin parçacıklarının boyutuna ve dağılımına, malzeme bileşimine ve genellikle kontrol edilecek sinterleme ortamına bağlı olduğundan, sıcaklığın kontrolü sinterleme işlemi için çok önemlidir.

Seramik sinterleme

Sinterleme, çanak çömlek ve diğer seramik nesnelerin üretiminde kullanılan fırınlama işleminin bir parçasıdır . Bu nesneler cam , alümina , zirkonya , silika , magnezya , kireç , berilyum oksit ve demir oksit gibi maddelerden yapılmıştır . Bazı seramik hammadde bir düşük olması, afinite su ve daha düşük bir plastisite indeksi daha kil sinterleme önce aşamada organik katkı gerektiren. Tozların sinterlenmesi yoluyla seramik nesneler yaratmanın genel prosedürü şunları içerir:

• bir bulamaç oluşturmak için su, bağlayıcı , deflokülant ve pişmemiş seramik tozu karıştırma
• bulamacı püskürterek kurutma
• spreyle kurutulmuş tozu bir kalıba koymak ve yeşil bir gövde (sinterlenmemiş bir seramik ürün) oluşturmak için preslemek
• bağlayıcıyı yakmak için yeşil gövdeyi düşük sıcaklıkta ısıtmak
• seramik partikülleri birbirine kaynaştırmak için yüksek sıcaklıkta sinterleme.

Belirli bir seramik formülasyonunun (yani, kuyruklar ve fritler) bir sinterizasyon döngüsü sırasında meydana gelen faz dönüşümü, cam geçişleri ve erime noktaları ile ilişkili tüm karakteristik sıcaklıklar, optik dilatometre termal analizi sırasında genleşme-sıcaklık eğrileri gözlemlenerek kolayca elde edilebilir . Aslında, sinterizasyon malzemenin dikkate değer bir büzülmesiyle ilişkilidir, çünkü cam fazlar geçiş sıcaklığına ulaşıldığında akar ve toz yapıyı sağlamlaştırmaya başlar ve malzemenin gözenekliliğini önemli ölçüde azaltır.

Sinterleme yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilir. Ek olarak, ikinci ve/veya üçüncü bir dış kuvvet (basınç, elektrik akımı gibi) kullanılabilir. Yaygın olarak kullanılan ikinci bir dış kuvvet basınçtır. Bu nedenle sadece sıcaklık kullanılarak yapılan sinterleme genellikle "basınçsız sinterleme" olarak adlandırılır. Bir nanoparçacık sinterleme yardımcısı ve toplu kalıplama teknolojisi ile dereceli metal-seramik kompozitlerle basınçsız sinterleme mümkündür. 3B şekiller için kullanılan bir türe sıcak izostatik presleme denir .

Sinterleme sırasında ürünün fırında verimli bir şekilde istiflenmesini sağlamak ve parçaların birbirine yapışmasını önlemek için birçok üretici seramik tozu ayırıcı levhalar kullanarak ürünleri ayırır. Bu levhalar alümina, zirkonya ve magnezya gibi çeşitli malzemelerde mevcuttur. Ayrıca ince, orta ve kaba partikül boyutlarına göre sınıflandırılırlar. Malzemeyi ve partikül boyutunu sinterlenen malla eşleştirerek, fırın yüklemesini en üst düzeye çıkarırken yüzey hasarı ve kontaminasyon azaltılabilir.

Metalik tozların sinterlenmesi

Hepsi olmasa da çoğu metal sinterlenebilir. Bu, özellikle vakumda üretilen ve yüzey kontaminasyonu olmayan saf metaller için geçerlidir. Atmosferik basınç altında sinterleme, genellikle endotermik gaz olan koruyucu bir gazın kullanılmasını gerektirir . Sinterleme, sonraki yeniden işleme ile birlikte çok çeşitli malzeme özellikleri üretebilir. Yoğunluk, alaşımlama ve ısıl işlemlerdeki değişiklikler, çeşitli ürünlerin fiziksel özelliklerini değiştirebilir. Örneğin , sinterlenmiş demir tozlarının Young modülü E _n , daha düşük sinterleme sıcaklıkları için orijinal tozdaki sinterleme süresi, alaşımlama veya parçacık boyutuna karşı biraz duyarsız kalır, ancak nihai ürünün yoğunluğuna bağlıdır:

burada D yoğunluk, E Young modülü ve d demirin maksimum yoğunluğudur.

Sinterleme, belirli dış koşullar altında bir metal tozu birleşme sergileyebildiğinde statiktir ve bu koşullar kaldırıldığında normal davranışına geri döner. Çoğu durumda, malzeme boşluklara aktıkça tane koleksiyonunun yoğunluğu artar ve toplam hacimde bir azalmaya neden olur. Nedeniyle malzeme taşıma ve ardından yeniden paketleme toplam gözeneklilik azaltılması ve sinterleme sırasında meydana Kitle hareketleri, buharlaştırma ve yoğunlaşma gelen difüzyon . Son aşamalarda, metal atomları kristal sınırları boyunca iç gözeneklerin duvarlarına doğru hareket eder, kütleyi nesnenin iç kütlesinden yeniden dağıtır ve gözenek duvarlarını yumuşatır. Yüzey gerilimi bu hareketin itici gücüdür.

Sinterlemenin özel bir biçimi (hala toz metalurjisinin bir parçası olarak kabul edilir), tüm elementlerin olmasa da en az birinin sıvı halde olduğu sıvı haldeki sinterlemedir. Semente karbür ve tungsten karbür yapmak için sıvı halde sinterleme gereklidir .

Özellikle sinterlenmiş bronz , gözenekliliği yağlayıcıların içinden akmasına veya içinde kalmasına izin verdiğinden, rulmanlar için bir malzeme olarak sıklıkla kullanılır . Sinterlenmiş bakır , gözenekliliğin bir sıvı maddenin kılcal hareket yoluyla gözenekli malzeme içinde hareket etmesine izin verdiği bazı ısı borusu yapımında bir fitilleme yapısı olarak kullanılabilir . Molibden , tungsten , renyum , tantal , osmiyum ve karbon gibi yüksek erime noktalarına sahip malzemeler için sinterleme, birkaç uygulanabilir üretim sürecinden biridir. Bu durumlarda, çok düşük gözeneklilik arzu edilir ve çoğu zaman elde edilebilir.

Sinterlenmiş metal tozu, askeri ve SWAT ekipleri tarafından hızlı bir şekilde kilitli bir odaya girmeye zorlamak için kullanıldığı gibi, kırma mermi denilen kırılabilir av tüfeği mermileri yapmak için kullanılır . Bu av tüfeği mermileri, kapı sürgülerini, kilitleri ve menteşeleri, kapıdan sekerek veya ölümcül bir hızla uçarak hayatları riske atmadan imha etmek için tasarlanmıştır. Vurdukları nesneyi yok ederek ve daha sonra nispeten zararsız bir toz halinde dağılarak çalışırlar.

Sinterlenmiş bronz ve paslanmaz çelik, filtre elemanını yenileme yeteneğini korurken yüksek sıcaklık direnci gerektiren uygulamalarda filtre malzemesi olarak kullanılır. Örneğin, gıda ve ilaç uygulamalarında buharı filtrelemek için sinterlenmiş paslanmaz çelik elemanlar ve uçak hidrolik sistemlerinde sinterlenmiş bronz kullanılır.

Gümüş ve altın gibi değerli metaller içeren tozların sinterlenmesi, küçük takıların yapımında kullanılır.

Avantajlar

Toz teknolojisinin belirli avantajları şunları içerir:

1. Başlangıç ​​malzemelerinde çok yüksek seviyede saflık ve homojenlik
2. Mümkün kıldığı daha basit sonraki üretim süreci (daha az adım) nedeniyle saflığın korunması
3. Giriş aşamaları sırasında tane boyutunun kontrolü ile tekrarlayan operasyonların detaylarının stabilizasyonu
4. Eritme işlemlerinde sıklıkla meydana geldiği gibi, ayrılmış toz partikülleri veya "inklüzyonlar" (sıralama olarak adlandırılır) arasında bağlayıcı temasın olmaması
5. Resim deformasyon tanelerinin yönlü uzama elde etmek için gerekli olan
6. Kontrollü, tek tip gözenekli malzemeler üretme yeteneği.
7. Neredeyse net şekilli nesneler üretme yeteneği.
8. Başka hiçbir teknoloji ile üretilemeyen malzemeleri üretme yeteneği.
9. Türbin kanatları gibi yüksek mukavemetli malzeme üretme yeteneği.
10. Sinterlemeden sonra elleçleme için mekanik mukavemet artar.

Literatür, işleme aşamasında katı/katı fazlı bileşikler veya katı/eriyik karışımları üretmek için farklı malzemelerin sinterlenmesine ilişkin birçok referans içermektedir. Hemen hemen her madde, kimyasal, mekanik veya fiziksel işlemlerle toz halinde elde edilebilir, dolayısıyla temelde herhangi bir malzeme sinterleme yoluyla elde edilebilir. Saf elementler sinterlendiğinde, kalan toz hala saftır, bu nedenle geri dönüştürülebilir.

Dezavantajları

Toz teknolojisinin özel dezavantajları şunları içerir:

1. %100 sinterlenmiş (demir cevheri) yüksek fırında şarj edilemez
2. sinterleme tek tip boyutlar oluşturamaz
3. sinterlemeden önce üretilen mikro ve nano yapılar genellikle yok edilir.

Plastik sinterleme

Plastik malzemeler, belirli gözenekliliğe sahip malzemeler gerektiren uygulamalar için sinterleme ile oluşturulur. Sinterlenmiş plastik gözenekli bileşenler, filtrasyonda ve sıvı ve gaz akışlarını kontrol etmek için kullanılır. Sinterlenmiş plastikler, beyaz tahta kalemlerindeki uçlar, inhaler filtreler ve ambalaj malzemeleri üzerindeki kapaklar ve astarlar için havalandırmalar gibi kostik sıvı ayırma işlemlerini gerektiren uygulamalarda kullanılır. Kayak ve snowboard taban malzemeleri olarak sinterlenmiş ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen malzemeler kullanılmaktadır. Gözenekli doku, mumun temel malzemenin yapısı içinde tutulmasına izin vererek daha dayanıklı bir mum kaplama sağlar.

Sıvı faz sinterleme

Sinterlenmesi zor olan malzemeler için yaygın olarak sıvı faz sinterleme adı verilen bir işlem kullanılır. Sıvı faz sinterlemesinin yaygın olduğu malzemeler Si ₃ N ₄ , WC , SiC ve daha fazlasıdır . Sıvı faz sinterleme, matris fazından önce eriyecek olan toza bir katkı maddesinin eklenmesi işlemidir. Sıvı faz sinterleme işleminin üç aşaması vardır:

• yeniden düzenleme – Sıvı eridikçe kılcal hareket, sıvıyı gözeneklere çekecek ve ayrıca tanelerin daha uygun bir paketleme düzenine yeniden düzenlenmesine neden olacaktır.
• çözelti-çökelme – Kılcal basınçların yüksek olduğu (parçacıkların birbirine yakın olduğu) alanlarda atomlar tercihen çözeltiye girecek ve daha sonra parçacıkların yakın veya temas halinde olmadığı düşük kimyasal potansiyelli alanlarda çökecektir. Buna kontak düzleştirme denir. Bu, katı hal sinterlemesindeki tane sınırı difüzyonuna benzer şekilde sistemi yoğunlaştırır. Ostwald olgunlaşması , daha küçük parçacıkların tercihen çözeltiye gireceği ve yoğunlaşmaya yol açan daha büyük parçacıklar üzerinde çökeleceği durumlarda da meydana gelecektir.
• nihai yoğunlaştırma – katı iskelet ağının yoğunlaştırılması, verimli bir şekilde paketlenmiş bölgelerden gözeneklere sıvı hareketi.

Sıvı faz sinterlemesinin pratik olması için ana fazın sıvı fazda en azından az çözünür olması ve katkı maddesinin katı partikül ağının herhangi bir büyük sinterlenmesi meydana gelmeden önce erimesi gerekir, aksi takdirde tanelerin yeniden düzenlenmesi gerçekleşmez. Nanoparçacık öncü filmlerinden ince yarı iletken tabakaların tane büyümesini iyileştirmek için sıvı faz sinterleme başarıyla uygulandı .

Elektrik akımı destekli sinterleme

Bu teknikler, sinterlemeyi sürdürmek veya geliştirmek için elektrik akımlarını kullanır. İngiliz mühendis AG Bloxam 1906 yılında ilk tescilli patent kullanarak tozları sinterleme üzerine doğru akım içinde vakum . Buluşlarının birincil amacı, akkor lambalar için tungsten veya molibden partiküllerini sıkıştırarak endüstriyel ölçekte filament üretimiydi . Uygulanan akım, filamentlerin emisyonunu artıran yüzey oksitlerini azaltmada özellikle etkiliydi .

1913'te Weintraub ve Rush, elektrik akımını basınçla birleştiren değiştirilmiş bir sinterleme yönteminin patentini aldı . Bu yöntemin faydaları, refrakter metallerin yanı sıra iletken karbür veya nitrür tozlarının sinterlenmesi için kanıtlanmıştır . Başlangıç ​​boru - karbon veya silikon - karbon tozları, elektriksel olarak yalıtkan bir tüpe yerleştirildi ve akım için elektrot görevi gören iki çubuk tarafından sıkıştırıldı . Tahmini sinterleme sıcaklığı 2000 °C idi.

Amerika Birleşik Devletleri'nde, sinterleme ilk gibi oksit malzemelerden ısıya dayanıklı blokları üretme amaçlı 1922 Onun üç aşamalı bir işlemde Duval d'Adrian patenti zirkonya , torya veya tantalia . Adımlar şunlardı: (i) tozun kalıplanması ; (ii) iletken hale getirmek için yaklaşık 2500 °C'de tavlama ; (iii) Weintraub ve Rush'ın yönteminde olduğu gibi akım basınçlı sinterleme uygulamak.

Doğru akım ısıtmasından önce oksitleri ortadan kaldırmak için kapasitans deşarjı yoluyla üretilen bir ark kullanan sinterleme, 1932'de GF Taylor tarafından patentlendi. Bu , darbeli veya alternatif akım kullanan sinterleme yöntemlerinden kaynaklandı ve sonunda bir doğru akıma bindirildi. Bu teknikler on yıllar boyunca geliştirilmiş ve 640'tan fazla patentte özetlenmiştir.

Bu teknolojilerden en iyi bilineni dirençli sinterleme ( sıcak presleme olarak da adlandırılır ) ve kıvılcım plazma sinterleme iken, elektro sinter dövme bu alandaki en son gelişmedir.

Kıvılcım plazma sinterleme

Olarak kıvılcım plazma sinterleme (SPS) ve dış basınçtan bir elektrik alanı / metalik seramik tozu kompaktlarının yoğunlaştırma arttırmak için eş zamanlı olarak uygulanır. Ancak ticarileştirmeden sonra plazmanın olmadığı belirlendi, bu nedenle doğru isim Lenel tarafından ortaya atıldığı şekliyle kıvılcım sinterlemedir. Elektrik alanı tahrikli yoğunlaştırma, daha düşük sıcaklıkları sağlamak ve tipik sinterlemeden daha az zaman almak için sinterlemeyi bir tür sıcak presleme ile tamamlar. Birkaç yıl boyunca partiküller arasında kıvılcım veya plazmanın varlığının sinterlemeye yardımcı olabileceği düşünüldü; bununla birlikte, Hulbert ve çalışma arkadaşları, kıvılcım plazma sinterleme sırasında kullanılan elektrik parametrelerinin bunu (büyük ölçüde) olası kılmadığını sistematik olarak kanıtladılar. Bunun ışığında, "kıvılcım plazma sinterleme" adı geçersiz kılınmıştır. "Saha Destekli Sinterleme Tekniği" (FAST), "Elektrikli Saha Destekli Sinterleme" (EFAS) ve Doğru Akım Sinterleme (DCS) gibi terimler sinterleme topluluğu tarafından uygulanmaktadır. Elektrik akımı olarak bir DC darbesi kullanarak, kıvılcım plazması, kıvılcım darbe basıncı, joule ısıtması ve bir elektrik alanı difüzyon etkisi yaratılacaktır. Grafit kalıp tasarımını ve montajını değiştirerek, kıvılcım plazma sinterleme tesisinde basınçsız sinterleme koşulu oluşturduğu gösterilmiştir . Bu modifiye edilmiş kalıp tasarımı kurulumunun, hem geleneksel basınçsız sinterleme hem de kıvılcım plazma sinterleme tekniklerinin avantajlarını sinerji haline getirdiği bildirilmektedir.

Elektro sinter dövme

Elektro sinter dövme , kapasitör deşarj sinterlemesinden kaynaklanan elektrik akımı destekli bir sinterleme (ECAS) teknolojisidir . Elmas metal matrisli kompozitlerin üretimi için kullanılır ve sert metaller, nitinol ve diğer metaller ile intermetaliklerin üretimi için değerlendirme aşamasındadır. Çok düşük bir sinterleme süresi ile karakterize edilir ve makinelerin bir sıkıştırma presiyle aynı hızda sinterlenmesine izin verir.

Basınçsız sinterleme

Basınçsız sinterleme, bir toz kompaktının (bazen toza bağlı olarak çok yüksek sıcaklıklarda) basınç uygulanmadan sinterlenmesidir. Bu, daha geleneksel sıcak presleme yöntemleriyle ortaya çıkan son bileşendeki yoğunluk değişimlerini önler.

Toz kompakt (bir seramik ise) kayar döküm , enjeksiyon kalıplama ve soğuk izostatik presleme ile oluşturulabilir . Ön interleme işleminden sonra, nihai yeşil kompakt, sinterlenmeden önce son şekline kadar işlenebilir.

Basınçsız sinterleme ile üç farklı ısıtma programı gerçekleştirilebilir: sabit hızlı ısıtma (CRH), hız kontrollü sinterleme (RCS) ve iki aşamalı sinterleme (TSS). Seramiklerin mikro yapısı ve tane boyutu kullanılan malzeme ve yönteme göre değişiklik gösterebilir.

Sıcaklık kontrollü sinterleme olarak da bilinen sabit ısıtma hızı (CRH), yeşil kompaktın sinterleme sıcaklığına kadar sabit bir hızda ısıtılmasından oluşur. CRH yöntemi için sinterleme sıcaklığını ve sinterleme hızını optimize etmek için zirkonya ile deneyler yapılmıştır. Sonuçlar, numuneler aynı yoğunluğa sinterlendiğinde tane boyutlarının aynı olduğunu gösterdi ve tane boyutunun CRH sıcaklık modundan ziyade numune yoğunluğunun bir fonksiyonu olduğunu kanıtladı.

Hız kontrollü sinterlemede (RCS), açık gözenekli fazdaki yoğunlaşma oranı CRH yönteminden daha düşüktür. Tanım olarak, açık gözeneklilik fazındaki bağıl yoğunluk, ρ _rel , %90'dan düşüktür. Bu, gözeneklerin tane sınırlarından ayrılmasını engellemesine rağmen, alümina, zirkonya ve seryum numuneleri için RCS'nin CRH'den daha küçük tane boyutları üretmediği istatistiksel olarak kanıtlanmıştır.

İki aşamalı sinterleme (TSS), iki farklı sinterleme sıcaklığı kullanır. İlk sinterleme sıcaklığı, teorik numune yoğunluğunun %75'inden daha yüksek bir bağıl yoğunluğu garanti etmelidir. Bu, süper kritik gözenekleri vücuttan çıkaracaktır. Numune daha sonra soğutulacak ve yoğunlaştırma tamamlanana kadar ikinci sinterleme sıcaklığında tutulacaktır. Kübik zirkonya ve kübik stronsiyum titanat taneleri, CRH'ye kıyasla TSS tarafından önemli ölçüde rafine edildi. Bununla birlikte, tetragonal zirkonya ve altıgen alümina gibi diğer seramik malzemelerdeki tane boyutu değişiklikleri istatistiksel olarak anlamlı değildi.

mikrodalga sinterleme

İçinde mikrodalga sinterleme, ısı bazen yerine bir dış ısı kaynağından yüzey ışınım ısı transferi sureti ile daha malzemesi içinde dahili olarak üretilir. Bazı malzemeler birleşemez ve diğerleri kaçma davranışı sergiler, bu nedenle kullanışlılığı sınırlıdır. Mikrodalga sinterlemenin bir yararı, küçük yükler için daha hızlı ısıtmadır, yani sinterleme sıcaklığına ulaşmak için daha az zaman gerekir, daha az ısıtma enerjisi gereklidir ve ürün özelliklerinde iyileştirmeler vardır.

Mikrodalga sinterlemenin bir başarısızlığı, genellikle bir seferde yalnızca bir kompakt sinterlemesidir, bu nedenle sanatçılar gibi bir tür sinterlemeyi içeren durumlar dışında genel üretkenlik zayıf olur. Mikrodalgalar, yüksek iletkenliğe ve yüksek geçirgenliğe sahip malzemelerde yalnızca kısa bir mesafeye nüfuz edebildiğinden , mikrodalga sinterleme, numunenin belirli bir malzemede mikrodalgaların nüfuz etme derinliği civarında bir parçacık boyutuna sahip tozlar halinde verilmesini gerektirir. Sinterleme işlemi ve yan reaksiyonlar, aynı sıcaklıkta mikrodalga sinterleme sırasında birkaç kat daha hızlı çalışır, bu da sinterlenmiş ürün için farklı özelliklerle sonuçlanır.

Bu tekniğin, sinterlenmiş biyoseramiklerde ince tanelerin/nano boyutlu tanelerin korunmasında oldukça etkili olduğu kabul edilmektedir . Magnezyum fosfatlar ve kalsiyum fosfatlar mikrodalga sinterleme tekniği ile işlenmiş örneklerdir.

Yoğunlaştırma, vitrifikasyon ve tane büyümesi

Pratikte sinterleme, hem yoğunlaştırmanın hem de tane büyümesinin kontrolüdür . Yoğunlaştırma, bir numunedeki gözenekliliği azaltarak daha yoğun hale getirme eylemidir. Tane büyümesi, ortalama tane boyutunu artırmak için tane sınırı hareketi ve Ostwald olgunlaşması sürecidir . Pek çok özellik ( mekanik mukavemet , elektriksel kırılma mukavemeti, vb.) hem yüksek nispi yoğunluktan hem de küçük tane boyutundan yararlanır. Bu nedenle, işleme sırasında bu özellikleri kontrol edebilmek yüksek teknik öneme sahiptir. Tozların yoğunlaştırılması yüksek sıcaklıklar gerektirdiğinden, sinterleme sırasında tane büyümesi doğal olarak gerçekleşir. Bu işlemin azaltılması birçok mühendislik seramiği için anahtardır. Belirli kimya ve oryantasyon koşulları altında, bazı taneler sinterleme sırasında komşuları pahasına hızla büyüyebilir. Anormal tane büyümesi (AGG) olarak bilinen bu fenomen, sinterlenmiş nesnenin mekanik performansı için sonuçları olan iki modlu bir tane boyutu dağılımı ile sonuçlanır.

Yoğunlaşmanın hızlı bir şekilde gerçekleşmesi için, (1) boyut olarak büyük miktarda sıvı faza, (2) katının sıvı içinde tama yakın çözünürlüğüne ve (3) katının ıslanması gerekir. sıvı. Yoğunlaştırmanın arkasındaki güç, ince katı parçacıklar arasında bulunan sıvı fazın kılcal basıncından elde edilir. Sıvı faz katı parçacıkları ıslattığında, parçacıklar arasındaki her boşluk, içinde önemli bir kılcal basıncın geliştiği bir kılcal damar haline gelir. Mikrometre altı partikül boyutları için, 0,1 ila 1 mikrometre aralığında çapa sahip kılcal damarlar, silikat sıvılar için inç kare başına 175 pound (1,210 kPa) ila 1,750 pound/inç kare (12,100 kPa) aralığında ve 975 aralığında basınçlar geliştirir. sıvı kobalt gibi bir metal için inç kare başına pound (6.720 kPa) ila 9.750 pound/inç kare (67.200 kPa) arasında.

Yoğunlaştırma, yalnızca çözelti-çökeltme malzeme transferinin yoğunlaşma üretmeyeceği sabit kılcal basınç gerektirir . Daha fazla yoğunlaştırma için, parçacık tane büyümesine ve tane şekli değişikliklerine maruz kalırken ek parçacık hareketi meydana gelir. Büzülme, sıvının tanecikler arasında kaymasıyla ve temas noktalarındaki basıncın artmasıyla, malzemenin temas alanlarından uzaklaşmasına neden olarak, tanecik merkezlerini birbirine yaklaşmaya zorladığında ortaya çıkar.

Sıvı fazlı malzemelerin sinterlenmesi, çapıyla orantılı olarak gerekli kılcal basınçları yaratmak için ince taneli bir katı fazı içerir ve sıvı konsantrasyonu, aralık içinde gerekli kılcal basıncı da yaratmalıdır, aksi takdirde işlem durur. Vitrifikasyon hızı, gözenek boyutuna, genel bileşimin viskozitesine yol açan mevcut sıvı fazın viskozitesine ve miktarına ve yüzey gerilimine bağlıdır. Yoğunlaştırma için sıcaklığa bağımlılık, süreci kontrol eder çünkü daha yüksek sıcaklıklarda viskozite azalır ve sıvı içeriği artar. Bu nedenle, bileşimde ve işlemede değişiklikler yapıldığında, vitrifikasyon sürecini etkileyecektir.

sinterleme mekanizmaları

Sinterleme, atomların mikro yapı boyunca difüzyonu ile gerçekleşir. Bu difüzyon, bir kimyasal potansiyel gradyanından kaynaklanır - atomlar, daha yüksek kimyasal potansiyele sahip bir alandan daha düşük bir kimyasal potansiyele sahip bir alana doğru hareket eder. Atomların bir noktadan diğerine gitmek için izledikleri farklı yollar sinterleme mekanizmalarıdır. Altı ortak mekanizma şunlardır:

• yüzey difüzyonu - bir parçacığın yüzeyi boyunca atomların difüzyonu
• buhar taşıma - farklı bir yüzeyde yoğunlaşan atomların buharlaşması
• yüzeyden kafes difüzyonu - yüzeyden atomlar kafes boyunca yayılır
• tane sınırından kafes difüzyonu - tane sınırından atom kafes boyunca yayılır
• tane sınırı difüzyonu - atomlar tane sınırı boyunca yayılır
• plastik deformasyon - çıkık hareketi maddenin akışına neden olur.

Ayrıca, yoğunlaştırıcı ve yoğunlaştırıcı olmayan mekanizmalar arasında ayrım yapılmalıdır. Yukarıdaki 1-3 yoğunlaştırıcı değildir - yüzeyden atomları alır ve onları başka bir yüzeye veya aynı yüzeyin bir kısmına yeniden düzenlerler. Bu mekanizmalar, gözenekliliğin içindeki maddeyi basitçe yeniden düzenler ve gözeneklerin küçülmesine neden olmaz. Mekanizmalar 4-6, yoğunlaştırıcı mekanizmalardır - atomlar yığından gözeneklerin yüzeyine taşınır, böylece gözenekliliği ortadan kaldırır ve numunenin yoğunluğunu arttırır.

tane büyümesi

Bir tane sınırı (GB), bir faz sınırı ile karıştırılmaması gereken, aynı kimyasal ve kafes bileşiminin bitişik kristalitleri (veya taneleri) arasındaki geçiş alanı veya arayüzdür . Bitişik taneler, kafesin aynı yönelimine sahip değildir, bu nedenle, GB'deki atomlara kristallerdeki kafese göre kaydırılmış konumlar verir . GB'deki atomların kaydırılmış konumlarından dolayı, tanelerin kristal kafesindeki atomlarla karşılaştırıldığında daha yüksek bir enerji durumuna sahiptirler. Mikro yapının görünür olmasını istediğinizde GB'leri seçici olarak kazımayı mümkün kılan bu kusurdur.

Enerjisini en aza indirmeye çalışmak , numune içinde yarı kararlı bir duruma ulaşmak için mikro yapının kabalaşmasına yol açar . Bu, GB alanını en aza indirmeyi ve enerjisini en aza indirmek için topolojik yapısını değiştirmeyi içerir . Bu tane büyümesi normal veya anormal olabilir , normal bir tane büyümesi, numunedeki tüm tanelerin tek tip büyümesi ve boyutu ile karakterize edilir. Anormal tane büyümesi , birkaç tanenin kalan çoğunluktan çok daha fazla büyüdüğü zamandır.

Tane sınırı enerjisi/gerilimi

GB'deki atomlar normalde dökme malzemedeki eşdeğerlerinden daha yüksek bir enerji durumundadır. Bunun nedeni, GB gerilimine yol açan daha gergin bağlarıdır . Atomların sahip olduğu bu ekstra enerjiye tane sınırı enerjisi denir . Tahıl bu ekstra enerjiyi en aza indirmek isteyecek, böylece tane sınır alanını küçültmeye çalışacak ve bu değişim enerji gerektirmektedir. ${\displaystyle \sigma _{GB}}$${\displaystyle \gama _{GB}}$

“Ya da başka bir deyişle, tane sınırı alanını kuvvet yönünde genişletmek için tane sınırı düzleminde ve tane sınırı alanında bir çizgi boyunca hareket eden bir kuvvet uygulanmalıdır. Belirtilen hat boyunca birim uzunluk başına kuvvet, yani gerilim/stres σGB'dir. Bu muhakeme temelinde şu sonuç çıkacaktır:

dA, dikkate alınan tane sınırı alanındaki hat boyunca birim uzunluk başına tane sınırı alanındaki artış olarak." ^{[sf 478]}

GB gerilimi, yüzeydeki atomlar arasındaki çekici kuvvetler olarak da düşünülebilir ve bu atomlar arasındaki gerilim, kütleye kıyasla yüzeyde aralarında daha büyük bir atomlar arası mesafe bulunmasından kaynaklanmaktadır (yani yüzey gerilimi ) . Yüzey alanı büyüdüğünde bağlar daha fazla gerilir ve GB gerilimi artar. Gerilimdeki bu artışa karşı koymak için GB gerilimini sabit tutarak yüzeye atomların taşınması gerekir. Atomların bu difüzyonu, sıvılardaki sabit yüzey gerilimini açıklar. Sonra argüman,

doğrudur. Katılar için ise atomların yüzeye difüzyonu yeterli olmayabilir ve yüzey alanındaki artışla yüzey gerilimi değişebilir.

Bir katı için, GB alanının, dA'nın değişmesi üzerine Gibbs serbest enerjisindeki (dG) değişim için bir ifade türetilebilir. dG tarafından verilir

hangi verir

${\displaystyle \sigma _{GB}}$normalde while birimleriyle ifade edilir, çünkü bunlar farklı fiziksel özellikler olduğundan normal olarak birimleriyle ifade edilir . ${\displaystyle {\frac {N}{m}}}$${\displaystyle \gama _{GB}}$${\displaystyle {\frac {J}{m^{2}}}}$ ${\görüntüleme stili (J=Nm)}$

mekanik denge

İki boyutlu izotropik bir malzemede tane sınırı gerilimi taneler için aynı olacaktır. Bu, üç tanenin birleştiği GB kavşağında 120°'lik bir açı verecektir. Bu, yapıya 2B numunenin yarı kararlı durumu (veya mekanik denge ) olan altıgen bir model verecektir . Bunun bir sonucu olarak, dengeye mümkün olduğunca yakın olmaya çalışmak için, altıdan daha az kenarı olan taneler, aralarında 120°'lik açıyı korumaya çalışmak için GB'yi bükecektir. Bu, eğriliği kendisine doğru olan eğri bir sınırla sonuçlanır . Altı kenarı olan bir tane, bahsedildiği gibi, düz sınırlara sahip olurken, altıdan fazla kenarı olan bir tane, eğriliği kendisinden uzakta olan kavisli sınırlara sahip olacaktır. Altı sınırı olan bir tane (yani altıgen yapı), 2B yapı içinde yarı kararlı bir durumdadır (yani yerel denge). Üç boyutta yapısal detaylar benzerdir ancak çok daha karmaşıktır ve bir tane için yarı kararlı yapı , çift kavisli yüzleri olan, düzenli olmayan 14 kenarlı bir çokyüzlüdür . Uygulamada, tüm tahıl dizileri her zaman kararsızdır ve bu nedenle, bir karşı güç tarafından engelleninceye kadar her zaman büyür.

Taneler enerjilerini en aza indirmeye çalışır ve eğri bir sınır, düz bir sınırdan daha yüksek bir enerjiye sahiptir. Bu, tane sınırının eğriliğe doğru hareket edeceği anlamına gelir. Bunun sonucu olarak 6 kenardan küçük tanelerin boyutu küçülürken 6 kenardan büyük tanelerin boyutu artacaktır.

Tane büyümesi, atomların bir tane sınırı boyunca hareketi nedeniyle oluşur. Dışbükey yüzeyler, içbükey yüzeylerden daha yüksek bir kimyasal potansiyele sahiptir, bu nedenle tane sınırları eğrilik merkezlerine doğru hareket edecektir. Daha küçük parçacıklar daha yüksek bir eğrilik yarıçapına sahip olma eğiliminde olduğundan ve bu, daha küçük tanelerin atomlarını daha büyük tanelere kaybetmesine ve büzülmesine neden olur. Bu, Ostwald olgunlaşması adı verilen bir süreçtir. Büyük taneler, küçük taneler pahasına büyür.

Basit bir modelde tane büyümesinin takip ettiği bulunmuştur:

Burada G nihai ortalama tane boyutudur, G ₀ başlangıç ​​ortalama tane boyutudur, t zamandır, m 2 ile 4 arasında bir faktördür ve K şu şekilde verilen bir faktördür:

Burada Q molar aktivasyon enerjisidir, R ideal gaz sabitidir, T mutlak sıcaklıktır ve K ₀ malzemeye bağlı bir faktördür. Çoğu malzemede sinterlenmiş tane boyutu, fraksiyonel gözenekliliğin ters karekökü ile orantılıdır, bu da gözeneklerin sinterleme sırasında tane büyümesi için en etkili geciktirici olduğu anlamına gelir.

Tahıl büyümesinin azaltılması

çözünen iyonlar

Malzemeye bir katkı maddesi eklenirse (örnek: BaTiO _3'te Nd ), safsızlık, tane sınırlarına yapışma eğiliminde olacaktır. Tane sınırı hareket etmeye çalışırken (atomlar dışbükey yüzeyden içbükey yüzeye atlarken) tane sınırındaki katkı maddesinin konsantrasyonundaki değişiklik sınırda bir sürüklenme yaratacaktır. Tane sınırı etrafındaki orijinal çözünen konsantrasyonu çoğu durumda asimetrik olacaktır. Tane sınırı hareket etmeye çalıştığında, hareketin karşı tarafındaki konsantrasyon daha yüksek bir konsantrasyona sahip olacak ve bu nedenle daha yüksek bir kimyasal potansiyele sahip olacaktır. Bu artan kimyasal potansiyel, tane sınırı hareketinin nedeni olan orijinal kimyasal potansiyel gradyanına karşı bir geri kuvvet görevi görecektir. Net kimyasal potansiyeldeki bu azalma, tane sınırı hızını ve dolayısıyla tane büyümesini azaltacaktır.

İnce ikinci faz parçacıkları

Matris fazında çözünmeyen ikinci bir fazın parçacıkları çok daha ince bir toz halinde toza eklenirse, bu durum tane sınırı hareketini azaltacaktır. Tane sınırı, atomların bir taneden diğerine geçiş difüzyonunu geçmeye çalıştığında, çözünmeyen parçacık tarafından engellenecektir. Bunun nedeni parçacıkların tane sınırları içinde kalmalarının faydalı olması ve tane sınırı göçüne kıyasla zıt yönde bir kuvvet uygulamalarıdır. Bu etkiye, bu sürükleme kuvvetini tahmin eden adamdan dolayı Zener etkisi denir.

Burada r, parçacığın yarıçapı ve λ, sınırın arayüzey enerjisidir, eğer birim hacim başına N parçacık varsa, bunların hacim kesri f'dir.

rastgele dağıtıldığını varsayarsak. Birim alan sınırı, 2Nr parçacık olan 2r hacmindeki tüm parçacıkları kesecektir. Yani tane sınırının birim alanını kesen parçacıkların sayısı n:

Şimdi, tanelerin yalnızca eğriliğin etkisiyle büyüdüğünü varsayarsak, büyümenin itici gücü (homojen tane yapısı için) R'nin tanelerin ortalama çapına yaklaştığı yerdir. Bununla, tanelerin büyümesi durmadan önce ulaşılması gereken kritik çap: ${\displaystyle {\frac {2\lambda }{R}}}$

Bu azaltılabilir

dolayısıyla tanelerin kritik çapı tane sınırlarındaki taneciklerin boyutuna ve hacim fraksiyonuna bağlıdır.

Ayrıca küçük kabarcıkların veya boşlukların inklüzyon görevi görebileceği de gösterilmiştir.

Tane sınırı hareketini yavaşlatan daha karmaşık etkileşimler, iki tanenin yüzey enerjilerinin etkileşimlerini ve içermeyi içerir ve CS Smith tarafından ayrıntılı olarak tartışılmıştır.

Katalizörlerin sinterlenmesi

Sinterleme , özellikle destekli metal katalizörlerde katalizör aktivitesinin kaybının önemli bir nedenidir . Katalizörün yüzey alanını azaltır ve yüzey yapısını değiştirir. Gözenekli bir katalitik yüzey için, sinterleme nedeniyle gözenekler çökebilir ve bu da yüzey alanı kaybına neden olabilir. Sinterleme genel olarak geri dönüşü olmayan bir işlemdir.

Küçük katalizör parçacıkları, mümkün olan en yüksek nispi yüzey alanına ve yüksek reaksiyon sıcaklığına sahiptir, her ikisi de genellikle bir katalizörün reaktivitesini artıran faktörlerdir. Ancak, bu faktörler aynı zamanda sinterlemenin meydana geldiği koşullardır. Spesifik malzemeler de sinterleme oranını artırabilir. Öte yandan, katalizörleri diğer malzemelerle alaşımlandırarak sinterleme azaltılabilir. Özellikle nadir toprak metallerinin , alaşımlandığında metal katalizörlerin sinterlenmesini azalttığı gösterilmiştir.

Desteklenen birçok metal katalizör için sinterleme, 500 °C'nin (932 °F) üzerindeki sıcaklıklarda önemli bir etki olmaya başlar. Araba katalizörü gibi daha yüksek sıcaklıklarda çalışan katalizörler , sinterlemeyi azaltmak veya önlemek için yapısal iyileştirmeler kullanır. Bu gelişmeler genel olarak silika , karbon veya alümina gibi atıl ve termal olarak kararlı bir malzemeden yapılmış bir destek biçimindedir .

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

• Çan, Yet-Ming; Birnie, Dunbar P.; Kingery, W. David (Mayıs 1996). Fiziksel Seramik: Seramik Bilimi ve Mühendisliğinin İlkeleri . John Wiley ve Oğulları. ISBN'si 0-471-59873-9.
• Yeşil, DJ; Hannink, R.; Swain, MV (1989). Seramiklerin Dönüşümle Sertleştirilmesi . Boca Raton: CRC Basın. ISBN'si 0-8493-6594-5.
• Almanca, RM (1996). Sinterleme Teorisi ve Uygulaması . John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-05786-X.
• Kang, Suk-Joong L. (2005). Sinterleme (1. baskı). Oxford: Elsevier , Butterworth Heinemann. ISBN'si 0-7506-6385-5.

Dış bağlantılar

• Parçacık-Parçacık-Sinterleme – 3B kafes kinetik Monte Carlo simülasyonu
• Sphere-Plate-Sintering – 3B kafes kinetik Monte Carlo simülasyonu