Karbürizasyon

Martensitik Dönüşüm Kullanım şartlarında çeliklerin belirli bir sertlik değerine sahip olmaları istenir. Genel olarak bir çeliğin ısıl işlem sonrası su verme işlemi ile sertleştirilmesi üç aşamayı içerir. Bunlar; Östenitleme, Östenitleme sıcaklığında bekletme, Su verme.

Östenitleme, çeliğin γ-Fe (östenit) faz bölgesine ısıtılması işlemidir Östenitleme, çeliğin γ-Fe (östenit) faz bölgesine ısıtılması işlemidir. Bu işlemle çeliğin bünyesindeki sementitin parçalanarak, karbonun YMK östenit yapı içerisinde tamamen çözülmesi işlemidir. Çeliklerde östenitleme sıcaklığı çeliğin ötektoid altı, ötektoid veya ötektoid üstü olmasına göre değişmektedir. Östenitleme sıcaklığında bekletme, çelik yapısının tamamen östenit olması yani sementitin parçalanarak karbonun yapı içerisinde tamamen çözünmesi için gereken süredir. Su verme, östenitleme bölgesinde belirli bir süre bekletilerek yapısı tamamen östenitleştirilmiş bir çeliğin soğutulması olayıdır. Buna göre çelik östenitleştirme sıcaklığında tutulduktan sonra, su içerisine daldırılarak, yağ banyosu içerisine daldırılarak, havada bırakılarak sertleştirilebilir.

Çelikler ister suda, ister yağda veya havada sertleştirilsin, sertleşmeyi sağlayan mekanizma, östenitleme sıcaklığında beklemeyle oluşan ostenitin soğuma sonrası hacim merkezli tetragonal (HMT) kristal kafes yapısına sahip martensite dönüşmesidir. HMT yapının oluşması, karbon atomlarının YMK yapısındaki östenitin ara yer pozisyonlarına girerek yapıyı deforme etmesiyle açıklanabilir. Aşağıda farklı karbon bileşimlerine bağlı olarak oluşan martensit mikroyapılarını göstermektedir.

Borlama Demir ve demir dışı birçok alaşım malzemelerine uygulanabilen termo kimyasal bir yüzey sertleştirme işlemidir. Bu işlemde borlanacak malzemeler, özelliklerine göre 700–1000 oC sıcaklık aralığında, yaklaşık 1-12 saat süre ile genellikle katı olmak üzere sıvı veya gaz fazındaki bor verici ortamlarda bekletmek suretiyle yapılır. Demirli malzemelerin borlanmasın da, malzeme yüzeyinde FeB ve Fe2B ile bu bileşiklerin karışımından oluşan tek veya çift fazlı borür tabakaları elde edilir. Alaşımlı çeliklerde ve diğer malzemelerde kendi alaşım elementlerinin borürleri oluşur. Tablo 1’de çeşitli malzemelerde borlama ile elde edilen borürler ve mikrosertlik değerleri verilmiştir. Özellikle demir ve çelik türü malzemelerde, borlama işlemi sonucunda ana yapının dışında borür tabakası ve geçiş bölgesinden oluşan iki farklı yapı ortaya çıkmaktadır.

Tablo 1. Çeşitli metallerde elde edilen borür fazları ve mikro sertlikleri

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. Bu FeB ve Fe2B çift fazlı tabakanın oluşmasından daha fazla istenir. Bu 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.

Geçiş Bölgesi Bu bölge, borür tabakası ile ana yapı (matris) arasında kalan bölgeye verilen isimdir. Borlama işlemi esnasında, çelik bileşiminde bulunan elementler bu bölgede yeniden dağılarak şekillenirler. Bu bölgede bulunan bor, borür oluşturamayacak miktardadır. Bunun neticesiyle de bu geçiş bölgesinin meydana geldiği bilinmektedir. Bu bölgenin kalınlığı, borür tabakasının kalınlığının 10-15 katı kadardır. Bor tane irileşmesine sebep olduğundan geçiş bölgesinde malzemenin taneleri irileşmekte ve sertliği de artmaktadır.

Deneysel Yöntem Bu çalışmada kullanılan düşük karbonlu çelik malzemenin kompozisyonu Tablo 1 de verilmiştir. Bor tozları ile dolu potalara yerleştirilen numuneler kül fırınlara konularak 1123 K sıcaklık ve 2, 4, 6 ve 8 saatlik süreler için termokimyasal olarak borlama işlemine tabi tutulmuşlar ve süreler sonunda numuneler soğumaya terk edilmişlerdir. Daha sonra bu numuneler, fazların durumunu ve yüzeylerden sertlik deneylerinin yapılabilmesi için bakalit kalıplara alınmıştır. Bakalite alınan numuneler zımpara ile parlatılmış ve %10 nital solüsyonu kullanılarak dağlanmıştır.

Borlanan ve yüzeyleri parlatılıp dağlanan numunelerin yüzeylerinden Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile fazların dağılımı, borür ve geçiş tabakasının kalınlığı tespit edilmiştir. Parlatılan ve dağlanan numunelerin mikro sertlikleri Vickers sertlik testi ile ölçülmüştür.

Matrisin yani bor atomlarından etkilenmeyen bölgenin sertlik değeri yaklaşık 150 HV iken borlama işlemi ile yüzey iyileştirmesi yapılan bu malzemenin yüzey sertliği yaklaşık 1300 HV’lere ulaşmıştır. Bu sertlik artışına yüzeydeki bor tabakasında oluşan FeB ve Fe2B şeklindeki fazların neden olduğu düşünülebilir. Diğer taraftan, borür tabakası ile ana matris arasındaki geçiş bölgesinde de sertlik artışı meydana gelmektedir. Bunun nedeni, bor elementinin metalde alaşım elementi etkisi yaparak tane irileşmesine sebep olduğundan geçiş bölgesinde malzemenin taneleri irileşmekte ve sertliğinin de artması sağlanmaktadır. Borlama süresi Bor tabaka kalınlığı Sertlik