Kapat

Camsı (amorf) metal nedir? Nasıl üretilir? Nerelerde kullanılır?

Metaller kristal yapılardan oluşurlar. Kristal yapıları sayesinde çeşitli özelliklere sahip olurlar. Sıvı halden katı hale geçerken metaller kristal düzenler halinde katılaşırlar. Eğer yüksek hızda soğutursanız, sıvı halden katı hale geçerken kristal düzeni sağlayacak yeterli zamanı bulamazlar ve camsı (amorf) yani kristal düzenden yoksun metaller elde edersiniz. Peki bu neden önemlidir? Amorf metaller ilginç yapıları sebebiyle çeşitli üstün özelliklere sahiptirler. Bu yazımızda amorf metalleri inceleyeceğiz.

Camsı (Amorf) Metal Nedir?

Camsı (Amorf) metaller, bir alaşımın sıvı halden katı hale geçerken kristal düzeni oluşturamayacak kadar hızlı soğutulması ile elde edilen, kristal düzenden yoksun, 200-700 atom içeren kümeler halinde kısa düzene sahip metallerdir.

Tarihçe

Tarihe dönüp bakarsak amorf bir metal ilk kez 1960 yılında Pol Duwez tarafından Kaliforniya teknoloji Enstitüsü’nde (Caltech), Au-Si%25 alaşımını ani soğutması ile elde edilmiştir. Bu devrim niteliğindeki çalışmaya başta Duwez inanmadı fakat yanındaki iki doktora öğrencisi X-ray analizlerinde gördükleri sonuçların amorf yapıda bir metali işaret ettiğine inanmışlardı. Tekrarlanan deneylerin ardından sonuçlar doğrulandı. Amorf bir metal elde edilmişti. Soğuk bir yüzeye buhar biriktirme yöntemi ile kristal yapıya sahip olmayan metaller elde edilebileceği biliniyordu ancak bir camsı metalin oluşması tam bir sürpriz olmuştu. Nature dergisinde yayınlanan kısa bir makalenin ardından camsı metaller literatüre girmiş ve bu konuda araştırmalar başlamıştır.

1970’li yıllardan itibaren ticari hamleler başlamıştır. Metalik şeritler üretilmiştir. Başlarda çok yüksek soğuma hızları gerektiği için (yaklaşık 104-106 K/s) üretilen malzemenin boyutlarından birisi küçük oluyordu (aksi durumda yeterince soğuma hızı yeterli olmuyordu). Camsı metallerin endüstriyel uygulamalarda kullanılabilmesi için boyutlarının arttırılması gerekiyordu. Bu sebeple kalınlığın arttırılması ve yığın camsı metaller (Bulk Metallic Glasses) üretilmesi için araştırmalar başlamıştır. İlk kez yığın camsı metal 1974 yılında Pd-Si-Cu alaşımıdır. Bu alaşım 103 K/s soğutma hızında emme dökme yöntemiyle üretilmiştir. Ardından Pd-Ni-P alaşımı ise 1 cm kalınlıkta üretildi. Paladyum pahalı bir alaşım olduğu için bu çalışma akademik olarak kalmıştır. 1988-2006 yılları arasında en az 3’lü veya daha fazla element içeren 40’dan fazla yığın camsı metal üretilmiştir.

İlk olarak iki element içeren bir alaşımda fark edilen camsı metal, daha sonra element sayısı arttırılarak 3’lü, 4’lü, 5’li element içeren alaşımlarda denenmiş ve daha düşük soğuma hızlarında camsı metaller elde edilebilmiştir. 1993 yılında Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’nde (Caltech) araştırmacılar Peker ve Johnson yığın camsı metal (birkaç santim kalınlığa sahip) Vitreloy-1 alaşımını üretmişlerdir. Bu alaşım çeşitli ticari kullanımlar bulmuştur.

Camsı (Amorf) Metallerin Özellikleri

Çok yüksek çekme ve basma dayanımına sahiptirler. Kristal düzene sahip alaşımlardan daha dayanıklıdırlar. Kuvvet altında uzamaları yüksektir (%2). Kristal düzene sahip alaşımlarda uzama %0.65 civarındadır. Sertlikleri çok yüksektir. Korozyon dayanımları mükemmeldir. Manyetik özellikleri çeşitli uygulamalar için idealdir. Biyouyumlu malzemelerdir. Yüksek sertliklerinden dolayı aşınmaya çok dayanıklıdırlar.

Camsı metaller

Camsı Metallerin Oluşum Kriterleri

Amorf metallerin oluşması kritik soğuma hızından daha hızlı soğutulma ile mümkün olmaktadır. Aksi durumda atomlar kristal düzen oluşturabilmek için yeterli zamanı bulurlar ve kristal yapıda metal üretilmiş olur. İlk zamanlarda ikili alaşım sistemleri araştırılmış ve çok yüksek soğuma hızları gerekmiştir (yaklaşık 104-106 K/s). Daha sonra alaşım elementlerinin sayısı arttırılmış ve hem yığın halde hem de daha düşük soğuma hızlarında üretim yapılmıştır (Pd40-Ni40-P20 Alaşımının soğuma hızı 1.4 K/s).

Inoue camsı metal oluşumu için 3 tane ampirik kural koymuştur:

  1. Kompozisyon 3 veya daha fazla bileşenden oluşmalı.
  2. Ana 3 bileşen arasındaki atomik boyut farkı yüksek olmalıdır. (>%12)
  3. Ana 3 bileşen arasında negatif karışım entalpisi olmalıdır.

Kinetik ve termodinamik hesaplamalar yapılarak, camlaşmaya uygun alaşım elemanları seçilerek daha düşük soğuma hızında üretim yapılmak istenir. Bu sayede yığın halde camsı metaller üretilebilir ve endüstriyel uygulamalarda kullanılabilirler.

Soğuma hızının düşmesi ile döküm yöntemleri ile üretimde ilerleme sağlanmıştır. Yığın camsı metallerin eriyik durumda viskozite değerleri yaklaşık 2-5 Pa.s’dır. Bu değer saf metallerinkinden yaklaşık 1000 daha fazladır. Bu sebeple ancak soğuma hızının düşük olması ile girift şekillerde döküm yapılabilir ve kalıp içerisinde yüksek viskoziteye sahip eriyik alaşım kalıbı doldurmak için yeterli zamanı bulabilir.

Turnbull ve arkadaşları geleneksel cam oluşturan seramik yapılarda gözlenen cam geçiş sıcaklığının hızlı soğutulan metal alaşımlarında da görüldüğünü raporlamışlardır. Turnbull daha sonra cam geçiş sıcaklığının ergime sıcaklığına oranına (Tg/Tm) indirgenmiş cam sıcaklığı demiştir ve bu değeri amorf yapı oluşturma da bir kriter olarak kabul etmiştir. Daha sonra yapılan çalışmalarda bu kriterin doğru olduğu görülmüştür. Bu oran yüksek ise metal zor kristallenir. Daha düşük soğuma hızlarında da amorf yapı elde edilebilir ve döküm yöntemiyle üretimin yapılması sağlanır. Bu sebeple bu değerin yüksek olacağı alaşımların üretilmesine odaklanılmıştır. Yığın camsı metallerin üretimi bu şekilde başlamıştır.

Camsı metallerin soğuma grafiği

Amorf Metallerin Üretim Yöntemleri

Melt spinning Yöntemi

Uzun ve ince şerit üretiminde kullanılır. Ani olarak soğutma yüzünden kalınlık incedir. Potaya konulan metal indüksiyon ergitme yöntemiyle eritilir. Ardından ağız kısmından dönen bir bakır diskin üzerine dökülür. Diske temas eden eriyik anında katılaşır ve şerit halinde uzamaya başlar. Soğuma hızları 105-106 K/s civarındadır. Üretilen şeritler 2-5 mm genişliğinde ve 20-50 μm kalınlığındadır.

Melt spinning yöntemi

High-Pressure Die Casting

Bu yöntemde metal kalıp kullanıldığı için ısı daha çabuk uzaklaştırabilir. Araştırmacılar bu sebeple camsı metalleri üretmek için bu yöntemi seçmişlerdir. Alaşımı eriten bir bölüm ve alaşımı kalıba iten bir piston vardır. Kalıp bakırdan yapılmıştır. Tüm sistemde gaz kontrolü vardır. İnert bir atmosfer için argon gazı kullanılır. Ani soğutma yöntemlerinden istenilen tüm kriterleri sağlayabilen bir yöntemdir. İşlem birkaç milisaniyede tamamlanır. Basınç sayesinde eriyik ve bakır kalıp teması artar ve ısı daha hızlı uzaklaştırılır.

High pressure die casting method

Bakır Kalıp Döküm Yöntemi

En yaygın ve popüler yöntemdir. Alaşım eritilir ve bakır kalıba dökülür. Bakır kalıp sayesinde hızlı soğuma sağlanır. Kuartz potada ergitme yapılarak alaşım hazırlanır. İndüksiyon ergitme yöntemi kullanılır. Viskozite yüksek olduğundan eriyiğin kalıba girmesi için düşük bir basınç uygulanır (0.05 MPa).

Copper Mold Casting

Arc-Ergitme Yöntemi

Düşük soğuma hızı ile amorf yapı elde edilebilen alaşım sistemlerine uygulanır. Bakır altlık üzerinde arc ile ergitilen alaşım katılaşırken bakır altlık ısıyı uzaklaştırır ve amorf metal elde edilmiş olur.

Arc-Ergitme Yöntemi

Camsı Metallerin Uygulamaları

Yığın camsı metallerin yapısal uygulamalarına örnek olarak spor malzemelerinde kullanılması verilebilir. Golf sopalarının ucundaki metal kısım yığın camsı metaldendir. Bu sayede verilen enerji direkt olarak topa yansıtabilir ve bu malzemeden yapılmayan sopalara göre 12 metre daha fazla menzile sahip olabilirsiniz. Tenis raketlerinde, baseball sopalarında, snowboard tahtalarında, bisiklet parçalarında, dalış ekipmanlarında, balıkçılık ekipmanlarında ve denizcilik ekipmanlarında kullanılır.

Golf Sopasında camsı metal

Dişli takımlarında (Precision gears) kullanılırlar. Nano boyutta bile homojen olmaları sayesinde küçük geometriler için elverişlidirler. Yüzey kalitesinin yüksek olması sayesinde Micro Electro Mechanic Systems (MEMs) uygulamalarında kullanılırlar. Çok sert oldukları için yağlamaya ihtiyaç olmadan çalışabilirler.

Camsı metalden bir dişli

Otomobil valf kapakçıklarında da kullanımları vardır. Yüksek dayanım ve düşük Young modülü sayesinde bu uygulamalar için idealdirler. Ek olarak, ağırlıkları günümüzde kullanılan yaylara göre daha düşük olduğu için ağırlıktan yaklaşık 4 kilogram kazanılabilir.

Optik ayna parçalarında mükemmel yansıtıcı özellikleri ve dayanımları sayesinde kullanılabilirler. Ayna yüzeye sahip oldukları ve yapılarında tane sınırları bulunmadığı için ışığı mükemmele yakın yansıtabilirler. 500 nanometre civarında sapma tespit edilmiştir.

Uçaklarda kanat önündeki koruyucu parçalarda, içeri sıvı sızmaması ve korozyon dayanımının yüksek olması istendiğinden camsı metaller bu uygulama için aday malzemelerden birisidirler. Daha ince olmasına karşın istenilen dayanımı gösterdikleri için de hacimden tasarruf sağlanır.

Kimyasal uygulamaları da vardır. Yakıt hücrelerinde yüksek akım çıkışı ve ısınma sorunun yaşanmaması için yığın camsı metaller aday malzemelerdir. Ağırlıktan %60 ve maliyetten %30 tasarruf edilebilir. Yığın camsı metallerin manyetik uygulamaları da vardır. Yumuşak manyetik özellikleri sayesinde güç dağıtımında kullanılabilirler. Yüksek gerçirgenlikleri önemlidir.

Kuyumculukta platinin yüksek sıcaklıkta işlem görmesi (1800°C), üretim sırasındaki oksidasyon sorunu, kalıp ile reaksiyon sorunu ve katılaşırken küçülme sorunlarının önlenmesi için değerli metal katkılı yığın camsı metallerin kullanılması düşünülmektedir.

Biyomedikal uygulamaları da vardır. Biyomalzemelerin yüksek dayanıma ve düşük Young modülüne sahip olması gerekmektedir. Düşük Young modülü en önemli kriterlerden birisidir. Kemiğe yakın olması gereken bu değer çok fazla olursa kemiğe yük binmeyecek ve zamanla doku ölümü gerçekleşecektir. Biyouyumlu olan yığın camsı metallerin düşük Young modülü sayesinde mükemmel biyomalzemeler üretilebilir. Titanyum katkılı yığın camsı metaller bu konuda kullanılmaya adaydırlar.

“Kırılamaz” olarak nitelendirilen bu malzemeler akıllı telefon kasalarında, harici bellek kasalarında (SanDisk U3 Cruzer titanium harici bellek) ve daha birçok elektronik uygulamalarında hem kasa olarak hem de manyetik etkilerden elektronik cihazların korunmasında kullanılırlar.

SanDisk U3 Cruzer titanium harici bellek

2001 Nasa Genesis uzay aracının güneş parçacığı toplayıcılarından birisi de camsı metalden üretilmiştir. Amorf metallerin ticari olarak kullanımını araştıran ve üretimini yapan 2 şirket vardır: Liquidmetal Technologies (Amerika Birleşik Devletleri) ve BMG Corporation (Japonya).

Sonuç

Amorf metallerin üstün özellikleri onları birçok alanda aday malzeme yapmıştır. Bazı endüstriyel uygulamalarda ise kullanılmaya başlamıştır. Camsı metallerin üretim yöntemleri ve camsı yapıyı oluşturabilecek alaşım sistemleri üzerine araştırmalar devam etmektedir. Daha düşük soğuma hızı ile camsı yapıyı oluşturabilen alaşımlar daha kolay, daha girift ve daha ekonomik üretilebilir. Bu sayede daha çok uygulama alanında camsı metallerden yararlanabiliriz. Metalurjinin yeni devrimine doğru yaklaşmaktayız. Yakın zamanda camsı metaller ile daha çok karşılaşacağız.

Kaynakça

Sizin için önerdiklerimiz:

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir