Karbon birçok farklı bileşikte bulunur ve birçok malzemenin temelidir. Yediğiniz yemek, giydiğiniz kıyafetler, kullandığınız kozmetikler ve arabanızı besleyen benzin içindedir. Ayrıca, karbon çok özel bir elementtir çünkü yaşam kimyasında baskın bir rol oynar. Tarih öncesi çağlardan beri kömür, kurum ve kömür olarak karbon kullanılmıştır. Elmas olarak karbon da çok eski zamanlardan beri bilinmektedir. Modern zamanlarda, kurumun (şekilsiz karbon), grafitin (başka bir karbon şekli) ve elmasın tümünün karbon formları olduğu belirlenmiştir. Bu bölümde karbon grafitin en önemli formlarından birinin özellik ve özelliklerine odaklanacağız.
Karbon, Element Karbon, Periyodik Tablodaki 6. elementtir ve güneş, yıldızlar, kuyruklu yıldızlar ve çoğu gezegenin atmosferinde bolca bulunur. Karbon, Silikon, Germanyum, Kalay ve Kurşun ile birlikte Grup 14 elemanıdır (eski Periyodik Tablolarda, Grup IVA’da). (Şekil 1) Karbon doğada çok yaygın bir şekilde dağılmıştır.
Şekil 1; periyodik tablodaki karbon
Karbon atmosferde karbondioksit olarak bulunur ve tüm doğal sularda çözülür. Kalsiyum (kalker), magnezyum ve demir karbonatları olarak kayaların bir bileşenidir. Kömür, petrol ve doğal gaz başlıca hidrokarbonlardır. Karbon, oluşturabileceği çok çeşitli bileşiklerdeki elementler arasında benzersizdir. Organik kimya, karbon ve bileşiklerinin incelenmesidir.
Karbon Formları;
Karbon, doğada üç allotropik formda serbest bulunur: amorf karbon, grafit ve elmas. Daha yakın bir zamanda, karbonun dördüncü bir şekli olan buckminster fullerene, C60 keşfedilmiştir. Bu yeni karbon şekli, günümüzde araştırma laboratuvarlarına büyük ilgi duyuyor.
Tek başına karbon, bilinen maddeleri grafit ve elmas halinde oluşturur. Her ikisi de sadece karbon atomlarından yapılır. Grafit çok yumuşak ve kaygandır, elmas ise insan tarafından bilinen en zor maddelerden biridir. Mikroskobik elmas olarak karbon bazı meteorlarda bulunur. Doğal elmaslar, Güney Afrika’dakiler gibi eski volkanik “borularda” bulunur. Hem grafit hem de elmas yalnızca karbon atomlarından yapılmışsa, onlara farklı özellikler veren nedir? Cevap, karbon atomlarının birbirleriyle bağlanma biçiminde yatmaktadır.
Üretilen grafitin tarihi 19. yüzyılın sonunda karbon üretim teknolojilerindeki bir değişiklikle, yüksek sıcaklıktaki elektrikli fırınların geliştirilmesiyle başladı. Sentetik grafit üretmek için elektrik dirençli fırının kullanılması, 20. yüzyılın başlarında üretilen karbon formlarının gelişmesine yol açtı. Daha yakın bir zamanda, karbon elyafları ve kompozitler gibi çok çeşitli yüksek performanslı malzemeler bu yöntemlerle üretilmektedir ve EG Acheson’a 1896’da böyle bir fırında grafit üretimi için bir patent verildiğinden beri çok az değişmiştir.
Şekil 2; grafitin hammaddeden başlayarak işlenmeye hazır kütükler haline geçişi. Fotoğraf www.mersen.com’dan alınmıştır.
Üretilen çoğu grafit için hammadde kalsine edilmiş petrol kokudur (amorf karbon). Kalsine edilmiş kok daha sonra çeşitli parçacık boyutlarına öğütülür. Arzu edilen kok parçacıkları karışımları daha sonra kömür katranı ziftiyle karıştırılır. Bu karışım daha sonra preslenir veya kütüklere preslenir. Kütükler uçucuları ziftten uzaklaştırmak için oksijensiz bir ortamda pişirilir. Sonuç, karbonlu zift artıkları ile bir arada tutulan amorf bir karbon ürünüdür. Bu karbon, aşırı yüksek sıcaklıklarda daha fazla ısıl işlemle grafite (grafitlenir) dönüştürülür.
Grafitin kalitesi de, aynı takım çeliğinin demirin üzerinde olduğu gibi geliştirilmiş bir grafit ile sonuçlanan tescilli bir işlemle yapılır. Grafit, 1960’larda insanlı uzay aracı için bir ısı kalkanı malzemesi olarak geliştirildi. Bugün grafitler, deneysel füzyon reaktörlerinde, yapay kalp kapakçıklarında, uzay aracında, bilgisayar endüstrisinde ve bazı aşırı üst teknolojik ciddi uygulamalar da dahil olmak üzere diğer ileri ve deneysel teknolojilerde kullanılmaktadır.
Grafitlerin Ayarlanması;
Tüm grafitler birbirine benziyor gibi göründüğü için, EDM operatörünün grafit özelliklerinin önemini ve bu özelliklerin EDM sürecini nasıl etkilediğini anlaması gerekir.
Sıradan Grafit Yapısı;
Üretilen birçok grafitin bir özelliği, ağaç gibi kesin bir tane yönelimlerine sahip olmalarıdır. Bu, Şekil 3’de görülebilir. Kristal yapının katmanlarda oluştuğunu unutmayınız. Bu kristaller parçacıkları veya ana yapıyı oluşturan kristalitleri oluşturur. Mukavemet, ağaç yapısındaki (ve grafit) “tane ile” “tane boyunca” olduğundan daha fazladır. Ayrıca, elektriksel iletkenlik ve grafit içindeki diğer özellikler, tanecik yapısıyla karşılaştırıldığında, yapı boyunca olduğundan daha büyüktür.
Şekil 3; Sıradan üretilen grafitin düzlemsel yapısı yağlama özelliklerinden ve güç, elektriksel direnç ve tanecik yönü ile ilgili diğer niteliklerden farklılıklardan sorumludur. Özel işleme adımları, tanecik farklılıkları ve ürünler arasındaki farkları neredeyse tamamen ortadan kaldırır. Fotoğraf www.edmtechman.com’dan alınmıştır.
Sentetik grafit üretim süreci aşağıdaki ana aşamalardan oluşur;
Toz hazırlama
Şekillendirme
Fırında pişirme
Grafitleştirme
Pirolitik grafit
Toz hazırlama;
Sentetik grafit üretimi için petrol koku, zift kok için hammaddeler, karbon siyahı, doğal grafit ve ikincil grafit hurdası ve hammadde silolarında depolanır. İlk adımda hammaddeler kırıcılarda ve bilyalı değirmenlerde toz haline getirilir (öğütülür). Sonuçta toz parçacıkları büyüklüğü istenilen boyuta uygun hale getirilir. Toz hazırlama işleminin son adımı tozu bir bağlayıcı ile harmanlamaktır. Bağlayıcı olarak kömür katranı, petrol sahası veya sentetik reçineler kullanılır.
Şekil 4; Toz hazırlama işlemi iş akışı. Resim http://www.substech.com sitesinden alınmıştır.
Şekillendirme;
Bir bağlayıcı ile karıştırılmış olan karbon tozu, şekillendirme tekniklerinden biri ile sıkıştırılabilir: soğuk izostatik presleme, ekstrüzyon veya bir kalıpla kalıplama.
Soğuk izostatik presleme;
Soğuk izostatik presleme, oda sıcaklığında gerçekleştirilen ve sıkıştırılmış kısmı çevreleyen bir sıvı ortam boyunca birçok yönden basınç uygulanmasını içeren toz sıkıştırma yöntemidir. Soğuk izostatik presleme yönteminde basınçlı bir sıvı ortamına (genellikle su) batırılmış esnek (genellikle poliüretan) bir kalıp kullanılır. Eşit anizotropik yapıya sahip malzemeler izostatik presleme yöntemiyle hazırlanır.
Şekil 5; soğuk isostatik presleme ve ekstrüzyon yöntemleri. Resim http://www.substech.com sitesinden alınmıştır.
Ekstrüzyon;
Ekstrüzyon, belirli bir formda bir açıklığı olan bir kalıp içinden zorlayarak bir toz karışımını biçimlendirmektir.
Ekstrüzyon, normal kesitli uzun bir üründe (çubuklar, çubuklar, uzun plakalar, borular) gerekli uzunlukta parçalar halinde kesilebilir.
Ekstrüde grafit malzemeleri izotropiktir (ekstrüzyon yönündeki özellikler, diğer yönlerdeki özelliklerden farklıdır).
Kalıplama;
Kalıpla kalıplama (presleme), iki sert zımba arasında bir kalıba yerleştirilen toza uygulanan tek eksenli basıncı içeren toz sıkıştırma yöntemidir.
Tek eksenli kalıp kalıplama, basit parçaların seri üretimi için etkili bir şekilde kullanılır (alternatif yöntem izostatik preslemedir).
Şekil 6; kalıplama yöntemi. Resim http://www.substech.com sitesinden alınmıştır.
Kalıplamanın iş akışı;
Kalıp dolumu aşaması, kontrollü bir toz miktarı kalıp boşluğuna beslenir.
Sıkıştırma, üst tokmak aşağı hareket eder ve önceden belirlenmiş bir basınç ile oda veya yüksek sıcaklıkta toz presler. Basınç 10,000 psi ila 120,000 psi arasında değişir (69 MPa ila 830 MPa).
“Green” kompakt parça çıkarma ve çıkarma (“yeşil” kompakt şekilli toz).
Presleme döngüsü, pres tipine, toz doldurma özelliklerine ve parça boyutuna ve geometrisine bağlı olarak 400 ila 5000 kez/saat tekrarlar. Toz kalıp presleme için 750 tona kadar yük ile hidrolik ve mekanik presler kullanılır.
Fırınlama;
Sıkıştırılmış parçalar (”yeşil kompaktlar”), hava yokluğunda 1840-2200°F(1000-1200ºC) ‘ de bir fırın fırında ısıl işlemden geçirilir (pişirilir). Karbonizasyon olarak adlandırılan pişirme işlemi, bağlayıcının termal ayrışmasına (piroliz) temel karbon ve uçucu bileşenlere neden olur.
Karbonizasyon işleminde oluşan karbon, toz parçacıklarını bağlar. Bağlayıcının hacmi, oluşan karbonun hacminden daha yüksektir, bu nedenle karbonizasyon, gözeneklerin oluşumuyla sonuçlanır, toplam nispi hacmi (gözeneklilik) bağlayıcı miktarı ile belirlenir.
Grafitizasyon;
Bu aşamada, şekillendirilmiş ve pişmiş parçalar, son derece yüksek sıcaklıkta 4530-5430°F (2500-3000°C) oksijensiz (havasız) ortamda ısıl işlemden geçirilir.
Kristalleşme denilen süreç sonucunda amorf yapıdaki karbon hammaddesi grafitleşmeye başlar ve en sonunda kristalin grafit oluşur. Bu yüksek sıcaklıkta işlem sırasında grafit de saflaştırılır, çünkü çoğu yabancı madde (bağlayıcı kalıntıları, gazlar, oksitler, kükürt) buharlaşır. Grafitizasyon fırınları, grafitizasyon malzemesinden geçen elektrik akımı veya indüksiyonlu Isıtma ile üretilen ısıyı kullanır.
Pirolitik grafit;
Pirolitik grafit, vakumda hidrokarbon gazlarının yüksek sıcaklık ayrışmasıyla üretilen bir grafit formudur ve ardından karbon atomlarının substrat yüzeyine çökelmesidir. İşlem kimyasal buhar birikimi (CVD) olarak adlandırılır .
Elde edilen malzeme, teorik yoğunluğa (gözeneksiz), mükemmel ısı iletkenliğine ve yüksek mukavemete sahip ultra saf anizotropik grafittir.
Pirolitik grafit, sinterlenmiş grafit üzerinde geçirgen olmayan bir kaplama olarak kullanılır.
Anizotropik yapılarda parçacıklar, ayrı ayrı parçacık içinde tercih edilen bir kristalit oryantasyonuna sahip olabilir, ayrıca kütük, içindeki parçacıklar tercih edilen bir oryantasyona sahip olabilir. Bu parçacıklar, homojen olmayan bir yapı oluşturan, şekil ve büyüklükte büyük ve düzensiz olabilir (Şekil 7).
Şekil 7; anizotropik yapı. Fotoğraf www.edmtechman.com’dan alınmıştır.
Ne yazık ki, grafit içindeki tane yapısı, ahşapta olduğu gibi, çıplak gözle görülemez. Bu nedenle elektrot imalatçısı, kontrollü tanecik yapısıyla çalışma avantajından yararlanamaz. Bu yapı normal grafitin anizotropisinden sorumludur.
EDM Grafitlerinin Yapısı;
EDM grafitlerinin yapısı benzersizdir. Parçacıkların hepsi aynı küçük boyuttadır ve yuvarlatılmıştır. Gözenekler ayrıca küçüktür, tipik olarak 1 mikrondan küçüktür. Parçacıklar yuvarlak olma eğiliminde olduklarından, ana eksenleri yoktur. Oryantasyon etkisi mümkün değildir (Şekil 8); bu nedenle EDM grafitinin tercih edilen tane yönelimi yoktur ve malzemelere izotropik denir. Mukavemet ve elektrik direnci gibi özellikler her yönde aynıdır. Malzemelerin izotropik yapısı, bir kütüğün herhangi bir kısmından veya yönünden veya farklı kütüklerden işlenen elektrotların aynı performans özelliklerini sunması anlamına gelir.
Şekil 8; izotropik yapı. Fotoğraf www.edmtechman.com’dan alınmıştır.
Geleneksel grafit, birçok uygulamada kullanımını sınırlayan cins olan anizotropiktir. Bununla birlikte, aynı kesit yönündeki İzotropik grafit, özelliklerinde farklılık göstermez, tasarımı ve kullanımı kolay bir malzemedir. İzotropik grafit, mikro partikül yapısından dolayı geleneksel grafitten daha güçlüdür. Bu, küçük bir karakteristik değişime sahip oldukça güvenilir bir malzeme üretilmesi anlamına gelir.
EDM işlemlerinde izotropik grafit kullanılmasının gerekleri aşağıda sıralanmaktadır.
İşlenebilirliği yüksektir ve kolaydır.
Termal şoka karşı çok dayanıklıdır.
EDM sırasında elektrot geometrisinin stabilitesini garanti eden düşük bir termal genleşme katsayısına (bakırdan 3 kat daha düşük) sahiptir.
Erimez, ancak doğrudan katı halden 3400 ° C’de gaz halindeyken aşınmayı azaltır.
Yoğunluğu bakırdan 5 kat daha düşüktür ve bu da daha hafif elektrotlara neden olur.
Daha az aşınma ile bakırdan daha yüksek metal kaldırma oranı sağlar.
En yüksek akım arttıkça aşınma oranının düşme eğiliminde olması eşsiz bir özelliğe sahiptir.
Bu konuyu grafit seçimi başlığı altında daha detaylı olarak inceleyebilirsiniz.
©️ Her hakkı Sırmacı Makina’ ya aittir. Sitedeki paylaşımların izinsiz kullanılması yasaktır.
