Metal Enjeksiyon Kalıplama (MIM, Metal Injection Molding) yöntemi, metal tozlarının uygun oranlarda polimer bağlayıcılarla karıştırılarak homojen bir hamur haline getirilmesi, bu hamurun enjeksiyonla kalıplara basılması, ardından bağlayıcının uzaklaştırılması (debinding) ve son olarak sinterleme işlemleriyle yoğun, karmaşık geometrili parçaların elde edilmesini sağlayan ileri bir toz metalurjisi yöntemidir [1–3]. MIM yöntemi, yüksek boyutsal hassasiyet, düşük işleme gereksinimi ve yüksek malzeme verimliliği gibi avantajları nedeniyle özellikle otomotiv, elektronik, medikal ve savunma sanayilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır [4,5].
Fe–Ni esaslı alaşımlar, düşük genleşme katsayısı, yüksek manyetik geçirgenlik, mükemmel ısıl kararlılık ve iyi mekanik özellikleri sayesinde yapısal ve manyetik uygulamalarda geniş bir kullanım alanına sahiptir [6,7]. Bu nedenle, Fe–Ni alaşımlarının MIM yöntemiyle üretimi üzerine yapılan çalışmalar son yıllarda artış göstermiştir. Ancak bu alaşımlarda sinterleme sıcaklığı, atmosfer ve süre gibi parametrelerin yoğunluk, mikroyapı ve mekanik özellikler üzerindeki etkileri halen detaylı biçimde araştırılmaya ihtiyaç duymaktadır [8].
1. Sinterleme Sıcaklığının Etkisi
Sinterleme sıcaklığı, MIM parçalarının yoğunlaşma kinetiği, gözenek yapısı ve tane büyümesi üzerinde belirleyici bir parametredir. Sıcaklık arttıkça atomik difüzyon hızlanır, gözenek oranı azalır ve malzeme yoğunluğu artar. Ancak belirli bir sıcaklığın üzerinde aşırı tane büyümesi meydana gelir ve bu durum mekanik dayanımın düşmesine neden olur [9].
Hu ve ark. (2018), HK30 paslanmaz çeliğini MIM yöntemiyle üretip farklı sinterleme sıcaklıklarını (1270, 1280, 1300 °C) incelemişlerdir. Sonuç olarak, 1280 °C’de en yüksek yoğunluk (7,61 g/cm³), 570 MPa çekme dayanımı ve %31 uzama değerleri elde edilmiştir. Daha yüksek sıcaklıklarda ise tane büyümesi ve sınır zayıflaması nedeniyle mekanik özelliklerde düşüş gözlemlenmiştir [10]. Benzer şekilde, Zhang ve ark. (2011) Fe–Ni esaslı MIM numunelerde sinterleme sıcaklığının mikroyapı homojenliğini doğrudan etkilediğini; 1350 °C civarında tek fazlı austenitik yapı elde edildiğini bildirmiştir [11].
2. Sinterleme Atmosferinin Etkisi
Sinterleme atmosferi, malzemenin oksit giderimi, yüzey reaksiyonları ve kimyasal bileşimi üzerinde etkili olmaktadır. Özellikle Fe–Ni alaşımlarında oksitlerin varlığı difüzyon kinetiğini yavaşlatmakta ve gözeneklerin kapanmasını engellemektedir [12]. Kearns ve çalışma arkadaşları, N₂ atmosferinde yapılan sinterleme işlemlerinin HK30 tipi MIM parçalarında tam yoğunluğa yakın sonuçlar verdiğini, ayrıca atmosferdeki azotun mikrosertliği bir miktar artırdığını rapor etmiştir [13]. Diğer yandan, vakum veya H₂ atmosferinde yapılan sinterlemeler oksitleri daha etkin uzaklaştırdığı için daha yüksek yoğunluk ve daha temiz tane sınırları elde edilmiştir [14]. Fe–Ni alaşımlarında da benzer şekilde atmosfer seçimi kritik önemdedir; özellikle vakum altında yapılan sinterlemelerde Ni’nin yüzeyde oksit oluşturma eğiliminin azaldığı ve difüzyonun daha homojen gerçekleştiği belirtilmektedir [15].
3. Sinterleme Süresinin Etkisi
Sinterleme süresi, difüzyonun tamamlanma düzeyini belirler. Kısa sürelerde densifikasyon yeterli olmazken, uzun sürelerde tane büyümesi hızlanır. Hu ve ark. (2018), 1280 °C sıcaklıkta 7 saatlik bekletmenin optimum sonuçlar verdiğini; daha kısa sürede düşük yoğunluk, daha uzun sürede ise tane büyümesi ve gevrekleşme gözlendiğini belirtmiştir [10].
Fe–Ni sistemlerinde ise 1 – 2 saatlik sinterleme süresi genellikle yeterli görülmekte; özellikle H₂ atmosferinde 1350 °C’de 60 dakika bekletme sonucunda %97’ye varan göreli yoğunluk elde edilebildiği bildirilmektedir [16].
4. Fe–Ni Alaşımlarında MIM Sürecine Yönelik Önceki Çalışmalar
Fe–Ni alaşımlarının MIM yöntemiyle üretimine ilişkin literatürde çeşitli araştırmalar mevcuttur. Ma ve ark. (2013), Fe–50 % Ni alaşımının manyetik özelliklerini sinterleme sıcaklığına bağlı olarak incelemiş ve 1350 °C’de koersivitenin azaldığını, geçirgenliğin ise arttığını rapor etmiştir [17].
“Sintering MIM Fe–Ni alloys” başlıklı bir başka çalışmada ise Ni oranının sinterleme davranışına etkisi deneysel olarak araştırılmış, düşük Ni oranlarının erken evre densifikasyonu desteklediği, ancak geç evre difüzyonunu yavaşlattığı gözlemlenmiştir [18]. Ayrıca, pre-alloyed (ön alaşımlı) Fe–Ni tozlarının mixed elemental (karışık element) tozlara kıyasla daha homojen mikroyapı ve daha yüksek yoğunluk sunduğu da rapor edilmiştir [19].
5. Araştırma Boşluğu ve Bu Çalışmanın Amacı
Literatür incelendiğinde, Fe–Ni alaşımlarında MIM süreci kapsamında sinterleme sıcaklığı, atmosfer ve süre parametrelerinin tek tek incelendiği çalışmalar bulunmakla birlikte, bu üç parametrenin birlikte ele alındığı sistematik bir araştırmanın sınırlı olduğu görülmektedir.
Bu nedenle, bu çalışmada MIM yöntemiyle üretilen Fe–Ni esaslı numunelerde sinterleme sıcaklığı, atmosfer ve süre değişimlerinin malzemenin yoğunluğu, mikroyapısı ve mekanik özellikleri üzerindeki etkileri bütüncül bir yaklaşımla incelenecektir. Elde edilecek sonuçlar, Fe–Ni alaşımlarında optimum sinterleme koşullarının belirlenmesine ve MIM sürecinin daha verimli hale getirilmesine katkı sağlayacaktır.
Kaynaklar
[1] Xometry, “All About Metal Injection Molding (MIM),” 2024.
[2] Power-of-Powder Design Guide, ATW Companies, 2021.
[3] German, R. M., Powder Metallurgy and Particulate Materials Processing, MPIF, 2005.
[4] Upadhyaya, G. S., Powder Metallurgy Technology, Cambridge Int. Science, 2002.
[5] Ma, J. et al., Magnetic Properties of Fe–50% Ni Alloy Fabricated by MIM, JMMM, 2013. (Bu kaynak aynı zamanda Fe–Ni özellikleri kısmında da geçer.)
[6] Zhang, C., Luo, J., Xiang, R., An Investigation on a New Type of Fe–Ni Alloy in MIM Process, Adv. Mater. Res., 2011.
[7] Hu, Y., Li, Y., Lou, J., He, H., Zhang, X., Effects of Sintering Temperature and Holding Time on Densification and Mechanical Properties of MIM HK30 Stainless Steel, Int. J. Metall. Metal Phys., 2018.
[8] Kearns, M. A., Evaluation of Microstructure and Mechanical Properties of Metal Injection Molded HK30, Sandvik Report.
[9] German, R. M., aynı kaynak [3] MIM sinterleme prensipleri bölümü.
[10] Hu, Y. et al., Int. J. Metall. Metal Phys., 2018.
[11] Zhang, C. et al., Adv. Mater. Res., 2011.
[12] German, R. M., veya Upadhyaya, G. S. sinter atmosferi bölümü.
[13] Kearns, M. A., Sandvik Report, Metal Powder Report serisi.
[14] Davies, P. A., Metal Injection Moulding of Heat Treated Alloy 718, Sandvik.
[15] ATMSh, MIM of Soft Magnetic Materials (Fe–Ni), 2022.
[16] Sintering MIM Fe–Ni Alloys, ResearchGate Conference Paper, 2020.
[17] Ma, J. et al., Magnetic Properties of Fe–50% Ni Alloy Fabricated by MIM, JMMM, 2013.
[18] Sintering MIM Fe–Ni Alloys, ResearchGate Conference Paper, 2020.
[19] ATMSh, MIM of Soft Magnetic Materials (Fe–Ni), 2022.