Rıdvan GECÜ Öğretim Üyesi: Prof. Dr. Ahmet KARAASLAN YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Rıdvan GECÜ Öğretim Üyesi: Prof. Dr. Ahmet KARAASLAN Çeliklere Uygulanan Yüzey Sertleştirme İşlemleri

Genel Bilgiler Bazı uygulamalarda kullanılan çelik parçaların hem aşınma dirençlerinin, hem de darbe dayanımlarının yüksek olması istenir. Bunun için parçaların yüzeylerinin sert, merkezlerinin olabildiğince yumuşak olması gerekir. Bunu sağlamak için parçalara yüzey sertleştirme işlemleri uygulanır. Yüzeyin kimyasal bileşiminin değiştirilmediği yöntemler: Alevle yüzey sertleştirme b) İndüksiyonla yüzey sertleştirme c) Laser ile yüzey sertleştirme Bu yöntemler, yüzeyde ısı birikimi esasına dayanırlar. Yüzeyin kimyasal bileşiminin değiştirildiği yöntemler: a) Sementasyon b) Nitrürleme c) Borlama vb.

Alevle Yüzey Sertleştirme Orta karbonlu çeliklere uygulanan bu yüzey sertleştirme işleminde, parçanın yüzeyi alevle hızla ısıtılıp östenitlendikten sonra, su verilerek sertleştirilir. Su verme genellikle parçaya su püskürtülmesiyle sağlanır. Hızlı ısıtma, bir oksi-asetilen kaynağı ile sağlanır. Bu hızlı ısıtma esnasında yüzey tabakası östenit sıcaklığına ısınırken, iç kısımların A1 sıcaklığının altında kalması gerekir. Bu yöntemle elde edilen sertleşme derinliği 3-6 mm arasındadır. 1.5 mm ’den daha ince derinlik elde etmek mümkün değildir.

İndüksiyon Akımı ile Yüzey Sertleştirme İşlem yapılacak parçayı saran bobinlerin içerisinden alternatif akım geçirilerek, yüksek frekanslı bir manyetik alan elde edilir. Oluşan yüksek frekanslı akımlar metalin yüzeyinde hareket eder. Metalin bu akımlara karşı gösterdiği direnç nedeniyle parça yüzeyi ısınır. Burada elektrik direkt olarak parçaya verilmez. Parçayı saran yük sargısına (bobine) verilir. Bu sayede indüksiyon yolu ile parçanın yüzeyinde elektrik akımı meydana gelir ve yüzey birkaç saniye içerisinde sertleşme sıcaklığına ulaşır. Böylece bir metal parçanın iç kısmı ısıtılmadan yüzeyi ısıtılabilir.

İndüksiyon Akımı ile Yüzey Sertleştirme       Avantajları:  Sınırlandırılmış bölgesel sertleştirme, Kısa ısıtma süreleri, Minimum yüzey dekarbürizasyonu ve oksidasyon, Sadece hafif deformasyon, Artan yorulma dayanımı, Düşük proses maliyeti. *Bu proses bir üretim hattıyla birleştirilebilir        Dezavantajları: Yüksek kalitede cihaz kullanım gereksiniminden ötürü, yüksek yatırım maliyetleri. Yöntem, indüksiyon sertleştirilmesi için uygun şekle sahip parçalar için sınırlıdır. Sadece belli çelik tipleri indüksiyonla sertleştirilebilir.

Laser ile Yüzey Sertleştirme Lazer ile prosesleme diğer yöntemlere göre bazı önemli avantajlar sunmaktadır. Bu avantajlardan en önemlileri yüksek seviye kontrol sağlaması, otomasyon imkanı verebilmesi, parçada düşük bir çarpılmaya yol açmasıdır. Proseste, işlenen malzemenin yüzeyine lazer demetinin çarpmasıyla oluşan ısı kullanılır. Açığa çıkan ısı malzeme yüzeyinde ısı tesiri altındaki bölgenin östenitlenmesini sağlar. İş parçasının soğuk olan ana gövdesine doğru meydana gelen çok hızlı ısı iletimi nedeniyle östenitlenen tabakalar martenzite dönüşür. Bu etki kendi kendine su verme olarak bilinir. Elde edilen soğutma hızları, oldukça düşük sertleşebilirliğe sahip çeliklerde bile martenzit oluşumuna izin verecek kadar yüksektir. 

Laser ile Yüzey Sertleştirme Homojen ısı dağılımı sonucu aynı zamanda homojen iç yapı da elde edilir. İç yapının düzenli, homojen ve küçük taneli oluşu, yüksek sertliklerde oluşan gevreklik problemini de ortadan kaldırır. İşlem sonucu ulaşılacak sertlik değeri malzemenin karbon içeriği ile doğrudan ilgilidir. Lazerin temas ettiği yüzeyde sıcaklık artış hızı çok yüksek olduğu için malzemenin geneline etki eden ısıl yük düşüktür. Bu nedenle şekil deformasyonu minimum düzeydedir. Ürünün sadece sertlik alması istenen bölgelerine işlem yapılmasına olanak sağladığı için lazer yüzey sertleştirme, parçanın geri kalan kısmının gereksiz yere işleme dahil olmasının önüne geçer. Lokal sertleştirme sayesinde, büyük parçalar için işlemin ekonomik olması anlamına da gelir. Çok küçük boyutlara ve küçük kütleye sahip değilse, çalışacak ölçülere getirilmiş bir ürün, lazer ısıl işlem sonrası herhangi bir işleme gerek duyulmadan çalıştırılabilir. Bu da üretim süresince önemli bir zaman ve işçilik tasarrufu anlamına gelir.

Kimyasal Bileşim Değiştirerek Yapılan Sertleştirme İşlemleri Karbürleme (870-1065oC) Plazma Gaz Tuz banyosu İyon Karbonitrürleme (845-900oC) Nitrokarbürleme (565-700oC) Borlama (760-1095oC) Nitrürleme (315-590oC) Yüzey Modifikasyon Yöntemlerinin Karşılaştırılması

Sementasyon Çeliklerin yüzey sertleştirmesinde en çok kullanılan termokimyasal işlem karbürlemedir. Karbürleme, çelik yüzeyinin karbonla doyurulması işlemidir. Bu şekilde, yorulma dayanımı yüksek, aşınmaya karşı dirençli, çekirdek kısmı tok ve yüzey sertliği yüksek olan parçalar üretilir. Karbürleme işlemi, en fazla %0,22 C içeren sade karbonlu ya da düşük alaşımlı çeliklere uygulanmaktadır. İşlem, 900°C ya da daha yüksek sıcaklıklarda östenit faz bölgesinde gerçekleştirilir. Karbürleme ile elde edilen yüzey tabakasındaki karbon konsantrasyonu %0,7-1,0 C, sertleştirilmiş haldeki maksimum sertlik ise ~ 900 HV’dir. Yüzeyin karbon içeriği, yüzeye karbon atomlarını sağlayan ortamın aktivitesine, çeliğin kompozisyonuna, tutma süresine ve işlem sıcaklığına bağlıdır. Yüzey tabakasındaki karbon konsantrasyonu %0.8-1.0’i aşmamalıdır. Daha yüksek konsantrasyon, karbürleme sıcaklığında, sürekli karbür (sementit) ağının oluşumuna neden olur. Bu ağ oluşumu ısıl işlemle elimine edilemez ve ürünün kalitesini düşürür.

Sementasyon

Katı Ortamda Sementasyon

Sıvı Ortamda Sementasyon

Gaz Ortamda Sementasyon Sementasyon için karbon verici olarak metan (CH4), etan (C2H6) ve propan (C3H8) gibi hidrokarbonlar kullanılır. Sementasyon sıcaklığında aşağıdaki reaksiyonlar gerçekleşir: 2CO = C + CO2 CH4 = C + H2 CO + H2 = C + H2O Avantajları: Doğrudan ısı iletimi neticesinde daha kısa işlem süresi. Parça büyüklüğü ve karbürleme derinliği sebebi ile uygulama alanı sınırlanmaz. Dezavantajları: Karbon verici gazın üretilmesi ve ayarlanması için gerekli ekipmanlar pahalıdır.

Sementasyon Sonrası İşlemler

Sementasyon Sonucu Mikroyapı Seyreltik nitrik asit çözeltisi (Nital)

Nitrürleme Azotun ferrit fazındaki demir içine difüzyonu ile mikroyapı içinde metal-nitrür bileşiklerinin bulunduğu sert bir yüzey tabakası elde etme yöntemidir. 2NH3 N2 + 3H2 http://www.ecnm.si/e-gradivo/SPREM/nitridiranje.html

Nitrürleme

Nitrürleme Yüksek yüzey sertliği ve işlem sonrası minimum çarpılma için çeliğin; Cr, Mo, Al ve V gibi kuvvetli nitrür yapıcı alaşım elementlerini içermesi gerekir. http://www.tezproje.8m.com/fatih_bayraktaroglu1/2_3_2_karbunitrarasyon.htm

Nitrürleme Avantajları Yüksek Yüzey Sertliği Artan Aşınma Direnci Yorulma Ömründe Artış Daha İyi Korozyon Direnci Clauss, A. R., Bischoff, E., Schacherl, R.E. & Mittemeijer, E. J., 2009. Metallurgical And Materials Transactions A, 40a, 1923.

Nitrürleme Greßmann, T., 2007. Fe-C and Fe-N compound layers: Growth kinetics and microstructure, Doktora Tezi, Stuttgart University-Max-Plank Institute, Stuttgart.

Gaz Nitrürleme Gaz nitrürleme, termodinamik açıdan kontrollü olan tek nitrürleme yöntemidir. Çalışma sıcaklığında faz dönüşümü olmadığından, boyutsal kararlılık sağlanır. http://resource.npl.co.uk/mtdata/phdiagrams/fen.htm

Çalışma Prensibi Azot verici ortam olarak amonyak gazı kullanılır. Amonyak (NH3) gazı, iş parçasına çarparak katalitik olarak ayrışır. Hidrojen çelik içerisine nüfuz etmez, sadece nitrürleme potansiyelini azaltıcı gaz (seyreltici gaz) olarak sistemde görev yapar. Nitrürleme Potansiyeli

Kalıntı Gerilme Malzemeye uygulanmış tüm yük giderildikten sonra malzemede arta kalan gerilmedir. Diaz, V. N., 2007. Nitriding of iron-based alloys; residual stresses and internal strain fields. Doktora Tezi, Universität Stuttgart, Stuttgart. Kalıntı gerilmesinin temel oluşma nedenleri Termal etkiler Hacim değişikliği Kaplama ve altlık arasındaki genleşme farkı Ferritte çözünen azot Demir nitrür oluşumu

Nitrasyon Sonucu Mikroyapı Nital çözeltisi

Nitrasyon Sonucu Mikroyapı Adler çözeltisi

Sementasyon vs. Nitrasyon

Borlama Çeliklerde bor yayındırma işlemidir. Katı, sıvı veya gaz ortamlarda bor yayındırılabilir. Bor yayındırılan çelik alaşımlı veya alaşımsız olabilir. Bor, çelikteki demirle borür (FeB veya Fe2B) oluşturur. Borürler, nitrürlemede olduğu gibi işlem esnasında oluşurlar, çok sert ve gevrektirler. İşlem, 850-900 oC civarında 6-8 saat süre ile yapılır. Elde edilen sert tabaka kalınlığı 0.1-0.2 mm, sertliği ise 1600-2000 HV civarındadır. Bor verici ortam olarak boraks, ferro-bor, borkarbür (B4C) gibi bor bileşikleri kullanılır. Çoğu zaman diğer yüzey sertleştirme yöntemlerine kıyasla daha yüksek sertlik seviyelerine ulaşılır. Yüksek sertlik ve düşük sürtünme katsayısı birleşince malzemenin aşınma ve yorulma özellikleri iyileşir. Borlamanın diğer faydaları, yüksek sıcaklıklarda sertliğin muhafazası ve asidik ortamda korozyon direncini artırıp, yağlayıcı kullanım ihtiyacını düşürmesi ve soğuk kaynağa olan eğilimi azaltmasıdır.

Borlama

Borlama Dezavantajları: • Bu proses çok hassas bir işlem ve işçilik gerektirmektedir. Bu nedenle borlama, gaz karbürleme ve plazma nitrürleme gibi termokimyasal yüzey sertleştirme işlemlerine oranla daha pahalıdır. • Borlama sonucunda, taban malzemesinin komposizyonuna bağlı olarak borlanmış tabaka kalınlığının % 5-25 oranında boyutsal artış gerçekleşir. • Yüzeyin geleneksel yollarla işlenmesi kaplama tabakasında kırılmalara neden olmaktadır. • Yüksek temas yüklerinde (>2000 N) nitrürlenmişve karbürlenmiş çeliklerin döner sistemlerde yorulma özellikleri, borlanmış çeliklere oranla oldukça yüksektir. Bu nedenle dişli imalatında bir sınırlama söz konusudur. • Takımlar malzemeleri borlandıktan sonra sertleştirme ve temperlemeye tabi tutulacaksa bu işlemler borür tabakasının özelliğinin korunması açısından inert ortamda veya vakum altında yapılmalıdır.

Borlama Borür Tabakası Bu tabaka malzemenin en dış yüzeyi ile yüzeyin altındaki parmaksı (dişli) kısım arasına verilen addır. Bu bölgeye difüzyon bölgesi de denmektedir. Bu tabaka da FeB veya Fe2B oluşur. Borür tabakasının kalınlığı malzemenin kimyasal bileşiminin yanı sıra işlem sıcaklığı, işlem yöntemi ve süresine bağlıdır. Genellikle, bor tabakasında testere dişi şeklinde tek bir Fe2B fazının oluşumu istenir. FeB ve Fe2B fazları birbirlerine çekme ve basma gerilmeleri uygulamakta ve fazlar arasında yüzeye paralel ve dik çatlaklar oluşturmaktadır. Dolayısıyla borür tabakasında mümkün olduğunca çok az oranda FeB fazının oluşturulmasına çalışılmalıdır.

Borlama Sonrası Mikroyapı Nital çözeltisi

avesis.yildiz.edu.tr/gecur/dokumanlar