Sert metal üretimi, toz metalurjisinin en sofistike alanlarından biridir. Nihai ürünün performansı, büyük ölçüde hammaddenin kimyasına, tane boyutuna ve sinterleme sürecine bağlıdır. İşte üretim hattındaki kader anlarını belirleyen 5 ana parametre:
1. WC Tane Boyutu (Grain Size): Sertliğin Temeli
Sert metalin karakterini belirleyen en temel faktör, Tungsten Karbür (WC) taneciklerinin boyutudur.
-
İnce Taneler (Sub-mikron / Nano): Tane boyutu küçüldükçe (0.5 mikron ve altı), malzemenin sertliği ve aşınma direnci artar. Hall-Petch ilişkisine göre, taneler ne kadar küçükse, dislokasyon hareketi o kadar zorlaşır. Bu, parmak frezeler ve hassas işleme uçları için idealdir.
-
Kaba Taneler (Coarse): Tane boyutu büyüdükçe (3-5 mikron ve üzeri), sertlik düşer ancak “kırılma tokluğu” (fracture toughness) artar. Darbeli çalışan maden uçları ve yol kazıma dişleri için kaba taneler tercih edilir.
Kritik Nokta: Sinterleme sırasında taneler büyümeye (grain growth) meyillidir. Eğer kontrol edilmezse, başlangıçta ince olan toz, fırından kaba yapılı ve düşük performanslı olarak çıkabilir.
2. Kobalt (Co) Bağlayıcı Oranı: Metalik Tutkal
Tungsten karbür seramik gibi serttir ama kırılgandır. Onu bir arada tutan ve darbe direncini sağlayan metalik matris Kobalttır.
-
Düşük Kobalt (%3 – %6): Çok yüksek sertlik ve aşınma direnci sağlar, ancak malzeme cam gibi kırılgan olur. Tel çekme haddeleri gibi uygulamalarda kullanılır.
-
Yüksek Kobalt (%10 – %30): Metalik faz arttıkça tokluk ve darbe direnci artar, ancak sertlik ve aşınma direnci düşer.
Mühendislik sanatı, doğru tane boyutu ile doğru kobalt oranını eşleştirerek hem sert hem de tok bir malzeme (örneğin %10 Co + Sub-mikron WC) yaratmaktır.
3. Karbon Dengesi (Stoichiometry): En Tehlikeli Parametre
WC-Co üretiminde “ölümcül hata” genellikle karbon dengesinden gelir. Karbon oranı çok dar bir pencerede (Stoichiometric window) tutulmalıdır.
-
Karbon Eksikliği (Eta Fazı): Eğer karışımda yeterince karbon yoksa, W-Co-C arasında Eta Fazı (M6C veya M12C) adı verilen, aşırı sert ve gevrek bir yapı oluşur. Bu faz, malzemenin tokluğunu “öldürür” ve parça en ufak yükte kırılır.
-
Karbon Fazlalığı (Serbest Grafit): Karbon çok fazlaysa, yapı içerisinde birleşmeyen siyah grafit noktacıkları (C-porozitesi) oluşur. Bu noktalar, malzemenin içinde boşluk varmış gibi davranarak mukavemeti düşürür.
Bu dengeyi kontrol etmek için genellikle “Manyetik Doygunluk” (Magnetic Saturation) testleri uygulanır.
4. Büyüme İnhibitörleri (Grain Growth Inhibitors)
Özellikle ince taneli sert metaller üretilirken, sinterleme sıcaklığında (1400 derece civarı) WC taneleri birleşerek büyümek ister. Bunu engellemek için karışıma “büyüme engelleyici” katkılar eklenir.
-
Vanadyum Karbür (VC): En etkili inhibitördür. Çok ince taneli yapılar için kullanılır ancak tokluğu bir miktar düşürebilir.
-
Krom Karbür (Cr3C2): Hem korozyon direncini artırır hem de tane büyümesini engeller. Genellikle VC ile kombinasyon halinde kullanılır.
Bu katkıların binde birlik oranları bile (örneğin %0.5) mikroyapıyı tamamen değiştirebilir.
5. Sinterleme Sıcaklığı ve Süresi
Sıvı Faz Sinterlemesi (Liquid Phase Sintering) sırasında kobalt erir ve WC tanelerini ıslatır.
-
Yetersiz Sinterleme: Gözenekli (poroz) bir yapı kalır. Yoğunluk düşüktür, parça zayıftır.
-
Aşırı Sinterleme: “Kobalt göllenmesi” (Cobalt lakes) oluşabilir ve tane büyümesi (Grain growth) kontrol edilemez hale gelir.
-
HIP (Hot Isostatic Pressing): Modern üretimde, sinterleme sırasında yüksek basınç (Argon gazı ile) uygulanarak, malzeme içindeki mikroskobik boşluklar kapatılır ve %100’e yakın yoğunluk elde edilir.
Sonuç: Hataya Yer Yok
WC-Co sert metal üretimi, metalurjinin en hassas terazisidir. Bir yanda elmas sertliğine yaklaşma arzusu, diğer yanda çekiç darbesine dayanma ihtiyacı… Bu özelliklerin hepsi; tane boyutu, karbon dengesi ve kobalt miktarının mikron düzeyindeki yönetimine bağlıdır.
Başarılı bir sert metal, sadece sert olan değil, kullanım amacına göre bu parametrelerin “optimize edildiği” metaldir.
