Toz metalürjisi, metal parçacıklarının üretilmesi, işlenmesi ve birleştirilmesi yoluyla katı bir metal oluşturma sürecidir. Temel olarak, toz metalürjisi süreci, tozların üretilmesi, homojen bir şekilde karıştırılması, kalıplarda sıkıştırılması ve sinterleme adı verilen bir işlemle birleştirilmesi gibi aşamalardan oluşur. Toz metalürjisinin temel amacı, çeşitli özelliklere sahip tozların istenen şekle dönüştürülerek yoğunluk kazandırılması ve sonrasında mukavemet ve yoğunluklarının arttırılmasıdır. Bu süreç, modern endüstrinin ihtiyaç duyduğu karmaşık parçaların üretiminde kritik bir rol oynamaktadır.

Toz metalürjisinin başlıca avantajları arasında, diğer imalat yöntemlerine göre daha esnek şekil verme yeteneği ve malzemenin daha etkin kullanılması bulunmaktadır. Ayrıca, bu yöntemle üretilen parçalar genellikle yüksek mukavemet ve yoğunluk özelliklerine sahiptir, bu da endüstriyel uygulamalarda önemli bir avantaj sağlar.

Toz metalürjisi, geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir. Çünkü diğer geleneksel yöntemlerde üretimi zor olan veya mümkün olmayan malzemelerin işlenmesine olanak tanır. Örneğin, alüminyum, bakır, titanyum gibi metallerin yanı sıra refrakter malzemeler ve süper alaşımlar da bu yöntemle işlenebilir. Bu nedenle, otomotiv, uzay ve savunma, biyomalzeme ve kesici takım endüstrisi gibi alanlarda sıkça bu yöntem kullanılmaktadır. Bu sektörlerde, karmaşık parçaların üretimi için toz metalürjisinin sağladığı esneklik ve mükemmel mukavemet özellikleri büyük bir avantaj sağlar.

Toz Metalürjisinin Aşamaları

Toz metalürjisinin yöntem basamakları; metal tozlarının üretimi, tozların karıştırılması, toz karışımlarının preslenmesi, sinterleme ve isteğe bağlı olarak son işlemler olmak üzere 5 adımdan oluşmaktadır.

Tozun Hazırlanması

Toz metalürjisi teknolojileri parçacıkların bir araya gelmesiyle oluşan tozlarla başlar. Yoğunlaştırma işleminde önemli bir girdi olması nedeniyle tozun iyi anlaşılması gerekir. Teknik detaylar oluşturulurken işlem kontrolünün sürdürülmesinde toz özelliklerinin belirlenmesi ve bu özelliklerin ürün performansını nasıl etkilediğinin bilinmesi önemlidir. Toz özelliklerini ise tozların kimyası, saflığı, partikül boyutu ve dağılımı, partiküllerin yüzey alanı ve partikül şekli gibi özetlenebilmektedir.

Harmanlama ve Karıştırma

Karıştırma işlemi, homojen bir bileşim elde etmek için metalik tozlar, yağlayıcılar ve isteğe bağlı alaşım elementlerinin karıştırılması işlemidir. Toz metalürjisi yöntemiyle parça üretiminde iyi karıştırılmanın önemi büyüktür çünkü homojen bir karışım, parçanın preslenmesi, kalıptan çıkarılması ve sinterleme işlemi sırasında gereken mukavemetin kazanılması için gereklidir.

Karıştırma işlemi, ürünün bileşimine göre ağırlık hesaplamalarıyla gerçekleştirilir ve genellikle çeşitli yağlayıcılarla takviye edilir. Tozların kalıptan kolayca çıkması ve sürtünmenin azaltılması için yağlayıcılar kullanılırken, yağlayıcı miktarının artması karmaşık parçaların kalıptan çıkarılmasını kolaylaştırır ancak sinterleme sırasında ayrışma riskini artırır. Bu riskin önlenmesi için ayrışma işlemi genellikle ön ısıtma ile gerçekleştirilir. 

Presleme

Kalıpta sıkıştırma yöntemi toz karışımlarının şekillendirilmesi ve yoğunluk kazandırılmasında kullanılan en yaygın yöntemdir. Tozlara uygulanan basınç neticesinde; ilk aşamada partiküller birbirleri üzerinden kayarak ve daha sonra ise yüksek basınçlarda şekil değiştirmesiyle yoğunlaştırılırlar. Presleme işleminin ardından parça elle tutulabilecek seviyede bir mukavemet kazanmış olmaktadır. Presleme işleminin bir başka görevi ise istenilen gözenek miktarını vermektir. 

Preslemede pek çok seçenek bulunmaktadır; sert ya da yumuşak kalıplar, kalıbın ya da tozun ısıtılması, tozun ya da yalnız kalıbın yağlanması ve uygulanacak üst basıncın, gerinim hızının ya da basınçta bekleme zamanının değiştirilmesidir. Genel olarak tercih edilen uygulamaysa sert kalıplarda kullanılarak tozun oda sıcaklığında ve tek eksen yönünde preslenmesidir. 

Sinterleme

Sinterleme, termal enerji uygulayarak metal ve/veya seramik tozlarından yoğunluk kontrollü malzeme ve bileşenler üretmek için kullanılan bir işleme tekniğidir.

Metalürjik anlamda sinterleme işlemi, altı adımda gerçekleşir. Bunlar, başlangıç toz tane bağların oluşması, taneler arası boyun olarak adlandırılan köprü bağlarının oluşması, gözeneklerin küresel hale gelmesi, gözenek kanallarının kapanması, gözeneklerin daralması ile hacmin küçülmesi ve yoğunluk artışının sağlanması şeklinde sıralanabilir.

Preslenmiş toz parçalarının arasındaki bağlantı, mekanik kilitlenme, yapışma ve benzeri türden zayıf bağlar olup, kristal kafes sistemi içerisindeki bağ dayanımına nazaran zayıftır. Sıkıştırılmış toz taneleri birbirine temas veya nüfuz etmiş durumda olsa bile her bir tane diğerinden bağımsızdır. Sinterleme ile, tane temas noktalarının büyümesi sonucu özgül yüzey alanının küçülmesine, gözenek hacminin azalması veya küreselleşmesi, yapıda oluşabilecek atom boşlukları, dislokasyon gibi kristal hataların azaltılması sağlanır. Bu sayede, atomlar ve iyonlar arasında fiziksel bir bağ oluşmaktadır. Oluşan bu bağ, kristal kafes sistemindeki bağla benzeştir.

Temel olarak sinterleme işlemleri iki türe ayrılabilir: katı hal sinterleme ve sıvı faz sinterleme. Katı hal sinterlemesi, toz kompaktın sinterleme sıcaklığında tamamen katı halde yoğunlaştırılmasıyla meydana gelirken; sıvı faz sinterlemesi, sinterleme sırasında toz kompaktın içinde bir sıvı faz mevcut olduğunda meydana gelir. Genel olarak katı hal sinterlemesi ile karşılaştırıldığında, sıvı faz sinterlemesi mikro yapının kolay kontrol edilmesini ve işlem maliyetinin azaltılmasını sağlar ancak mekanik özellikler gibi bazı önemli özellikleri düşürür. Buna karşılık, pek çok özel ürün tane sınırı fazının özelliklerini kullanır ve dolayısıyla sıvı fazın varlığında sinterlenmesi gerekir.

Sinterlemenin itici gücü toplam ara yüzey enerjisinin azaltılmasıdır. Toplam ara yüzey enerjisindeki azalma, sinterlemenin temel olgusu olan yoğunlaşma ve tane büyümesi yoluyla gerçekleşir. Bir toz kompaktın sinterlenebilirliğini ve sinterlenmiş mikro yapısını belirleyen ana değişkenler iki kategoriye ayrılabilir: malzeme değişkenleri ve proses değişkenleri. Hammaddelerle ilgili değişkenler (malzeme değişkenleri), toz kompaktının kimyasal bileşimini, toz boyutunu, toz şeklini, toz boyutu dağılımını, toz aglomerasyon derecesini vb. içerir. Bu değişkenler, tozun sıkıştırılabilirliğini ve sinterlenebilirliğini (yoğunlaşma ve tane büyümesi) etkiler. Özellikle ikiden fazla toz çeşidi içeren kompaktlar için toz karışımının homojenliği büyük önem taşımaktadır. Sinterlemede yer alan diğer değişkenler çoğunlukla sıcaklık, zaman, atmosfer, basınç, ısıtma ve soğutma hızı gibi termodinamik değişkenlerdir.