YÜZEY SERTLEŞTİRME YÖNTEMLERİ

Transkript

1 YÜZEY SERTLEŞTİRME YÖNTEMLERİ

2 Pek çok mühendislik malzemesi tok bir iç yapı ve çok sert bir yüzey gerektiren alanlarda çalışır. Bu durumlarda «yüzey sertleştirme» yöntemlerinin uygulanması gerekir. Yüzey sertleştirme uygulama sebepleri; Aşınma direncinin artırmak, Yüksek temas gerilmelerine direnci artırmak, Kırılma tokluğunu artırmak, Yorulma direncini artırmak, Korozyon direncini artırmak

3 Yüzey sertleştirme uygulanması gereken komponentler; Dişliler, Yataklar, Valfler Şaftlar, Makine takımları Kamlar, Hadde merdaneleri Cıvata Muylu, Mil, Perno Yatakları Vb.

4 Yüzey sertleştirme teknikleri 2 ana kategoride sınıflandırılabilir; 1. Yüzeyin kimyasal kompozisyonun değiştirildiği prosesler (Tüm yüzeyin sertleştirilmesi veya termomekanik prosesler) 2. Yüzeyin kimyasal kompozisyonun değiştirilmediği prosesler (yüzeye sınırlı ısıtmanın uygulandığı sertleştirme yöntemi, lokal termal yüzey sertleştirme)

5

6 Yüzeyin kimyasal kompozisyonun değiştirildiği prosesler (Tüm yüzeyin sertleştirilmesi veya termomekanik prosesler); 1. Karbürizasyon (Karbonlama, Sementasyon) 2. Nitrasyon (Nitrürazyon, Nitrüzasyon, Nitrürleme) 3. Karbo-nitrasyon

7 KARBÜRİZASYON (SEMENTASYON) KARBÜRİZASYON PROSESLERİ KATI KARBÜRİZASYON SIVI KARBÜRİZASYON GAZ KARBÜRİZASYON

8 KARBÜRİZASYON (SEMENTASYON) Karbürizasyon düşük karbonlu çeliklerden (%0,02<%C<%0,25) yapılan parçalara yapılır. Karbürizasyon süresi 4-70 saat arasında değişir. yüzeylerine atomsal karbon yayındırılması esasına dayanır. Karbürizasyon süresi «karbürizasyon derinliğini» etkiler. Sertleştirilen tabaka kalınlığı üründen beklenen özelliklere göre 0,08-6,4 mm aralığında olabilir. Karbürizasyon çeliğin tamamını sertleştirmez, yalnızca istenen tabaka kalınlığı kadar kısmı sertleştirilir. Yöntemde, belirli kalınlıktaki yüzey tabakasının karbon derişikliği %0,8 C a kadar ulaştırılırken, merkezdeki karbon oranı değişmez. Yüzey tabakasının karbon derişikliği, sürekli sementit ağının oluşmaması için %C<%0,8 oranı hedeflenir. Alaşımsız karbon çeliklerinde, teknik bakımdan anlamlı bir karbonlama derinliği olarak 2 mm. ya da en fazla 3 mm. lik elde etmek için, ortalama 16 h lik bir sementasyon süresi gerekir. Parçanın içte yani göbekte (çekirdek) fazla sertleşmesi istenmediğinden, sementasyon çeliklerinin karbon oranı yaklaşık %0.25 ile sınırlandırılmıştır.

9 KARBÜRİZASYON (SEMENTASYON) İşlem sonucunda elde edilen yüzey sertliği 900 HV dir. İşlem sıcaklığı yüksektir. Yüzeydeki sert tabaka Fe 3C bileşimindedir. Karbonlama işleminden sonra doğrudan sertleştirme yapılır. Genel olarak parçalarda semente edilmesi gerekmeyen yerler başlangıçta kille kapatılır veya bakırla kaplanır. Diğer işlem görecek yüzeylerdeki pas, tufal ve varsa yağ özenle temizlenmelidir.

10 KATI KARBÜRİZASYON Karbon verici ortam, odundur. Odun kömürünün ısı iletiminin kötü olması nedeniyle, sıcaklığın istenilen düzeye getirilmesi uzun zaman alır.

11 SIVI KARBÜRİZASYON Karbon verici ortam olarak tuz banyoları örneğin sodyum siyanür, baryum siyanür tuzu vb. kullanılır. Yüksek banyo sıcaklıklarında ( C), siyanürün çeşitli reaksiyonları sonucunda, karbon atomu yüzeye yayınır (siyanür oranına bağlı olarak bir miktar da azot yayınır). Tuz eriyiğinin ısı iletimi daha iyi olduğu için işlem süresi daha kısadır; parçanın çarpılması ve tane yapısının irileşme olasılığı azalır. İstenen hızda parça yüzeyi ısıtılabildiğinden, istenen sementasyon kalınlığı daha kesin olarak ayarlanabilir. Karbonlanan yüzey temizdir. Çok sayıda küçük parça, tel sepetler yardımıyla sementasyon banyosundan tutmadan sonra, kolayca su verilebilmesi ekonomik açıdan büyük yarar sağlamaktadır. Yöntemin başlıca sakıncaları ise, yatırım masrafının yüksek olması ve özellikle siyanür tozlarının zehirli olmasıdır

12 GAZ KARBÜRİZASYON İşlem; doğal gaz, metan, etan, propan gazlarının olduğu ortamda gerçekleşir. Gazın bileşimine göre, karbonlama etkisi değişir ve yüzeyde istenilen karbon derinliği elde edilir. Yöntemin tüm parametreleri çok iyi ayarlanabilir.

13 NİTRASYON Bu yöntemle sertleştirmede sertlik artışı, östenitin martenzite dönüşümünden değil, sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda ( C) azot atomunun parça yüzeyine yayınarak, yüzeyde nitrür tabakası oluşturmasıdır. Yöntemin uygulanabilmesi için, çeliğin yaklaşık %1 oranında Al, Cr ve Ti gibi uygun nitrür yapıcılarla alaşımlandırılması gerekir. Alüminyum, krom ve titanyumun azot a karşı ilgisi demire kıyasla daha fazla olduğundan yüzeyde, yaklaşık 1200 HV sertliğinde AlN, TiN, CrN tabakası oluşur. Nitrürlemede östenit sıcaklığına kadar çıkılmadığından, soğuma sırasında martenzit oluşmaz. Daha düşük sıcaklıklarda gerçekleştirildiğinden distorsiyon veya deformasyon oluşmaz/çok az oluşur.

14 NİTRASYON

15 NİTRASYON NİTRASYON PROSESLERİ SIVI NİTRASYON GAZ NİTRASYON PLAZMA NİTRASYON

16 NİTRASYON

17 NİTRASYON

18 SIVI NİTRASYON İşlem tuz banyosunda gerçekleşir. Siyanürlü tuzda 570±10 C de gerçekleşen işlemde, yüzeye azot atomu yayındırılır. Tuzun ısı iletiminin yüksek olması nedeniyle, parça yüzeyi kısa sürede ısınır. 0,5 mm lik nitrürleme derinliği elde edilebilmesi için yaklaşık 10 h işlem süresi gerekmektedir

19 GAZ NİTRASYON İşlem amonyak gazı içerisinde gerçekleşir. İşlem sıcaklığı C dir. Açığa çıkan atomsal azot, çelik içerisine yayınır. Nitrürleme derinliğinin 0,5 mm olması için gerekli olan nitrasyon süresi yaklaşık 50 h dir. Yüksek hız çeliği takımlarda temperleme sıcaklığı altındaki banyoda nitrasyon sonucu yaklaşık 0,02 mm kalınlığında bir tabaka oluşturulması, işletme sırasında ısı etkisiyle yumuşamaya karşı direnci ve takım ömrünü belirgin olarak arttırmaya yeterlidir.

20 PLAZMA NİTRÜRLEME Plazma Nitrürleme vakum fırınında, başlangıç için 0,2 mbar düzeyi yeterli, iş parçaları ve fırın cidarı elektriksel olarak ters kutuplanmıştır. Negatif kutuplanan iş parçaları ile fırın cidarı arasına gerilim farkı uygulanır. Fırın içerisine verilen azot içeren gaz iyonize olur ve pozitif iyonlar iş parçalarına doğru ivmelenirler. İyon bombardımanı parça yüzeyini temizler, aktifleştirir ve nihayetinde ısıtır. Gerisi, bildiğimiz difüzyon sürecidir. İşlem sıcaklığı ve süresine bağlı olarak nitrür tabakası oluşur.

21 PLAZMA NİTRÜRLEME Plazma nitrürasyon yönteminin, diğer nitrürasyon yöntemlerine göre sağladığı üstünlükler şöyle sıralanabilir: işlemin kolay olması, nitrürleme hızının yüksek oluşu, beyaz tabakanın kontrolü, yüksek yorulma mukavemeti, düşük gevreklik, yüksek süneklilik, yüksek aşınma direnci, noktalı yüklere yüksek mukavemet, üretim maliyetinin düşük olması ve çevreyi kirletmemesi en önemli avantajlarındandı

22 PLAZMA NİTRÜRLEME Plazma nitrürasyon yönteminin avantajları olmasına rağmen birtakım dezavantajları da mevcuttur. Bu dezavantajlar şöyle sıralanabilir: a- İlk yatırım maliyetleri yüksektir. Bu nedenle sadece seri üretimde ekonomiktir. b- Nitrürlenecek parçanın hacmine, dolayısıyla reaksiyon fırının hacmine bağlı olarak 40 kw ila 1000 kw arasında enerji gereksinimine ihtiyaç vardır. c- Aynı şarjda; sadece aynı boyut ve kesitteki parçalara nitrürasyon uygulanabilir

23 PLAZMA NİTRÜRLEME Nitrürlemenin uygulanma amaçları şunlardır: malzeme yüzeylerinin aşınma direncinin arttırılması, korozyon dayanımının artırılması, yorulma dayanımının yükseltilmesi, yüksek hız çeliğinden imal edilmiş kesme takımlarında, soğuk ve sıcak iş çeliklerinde kullanım (servis) ömrünün uzatılması. Nitrürleme ve nitrokarbürleme bir çok gelişmiş ülkede endüstriyel anlamda kullanılan bir termokimyasal işlemdir. Otomobillerde dişli kutuları, takım elemanlarında (kesme kalıp takımları, kalıplar), basınçlı döküm parçaları, pres parçalan, hidrolik parçalar, plastik üreten ve işleyen parçalar, kamera ve projektör parçaları gibi küçük parçaların aşınmaya korunmasında kullanılmaktadır.

24 PLAZMA NİTRÜRLEME Makine İmalat Genel Makine Parçaları Malzeme Dişliler, İç Dişliler, Dişli Parçalar 16MnCr5 42CrMo4, 31CrMoV9 Şaftlar 16MnCr5 50CrV4 42CrMo4 Kılavuz şeritler 31CrAlNi7 X10CrNiS18-9 X90CrCoMoV17 Gri dökme demir makine gövdeleri GG 25 GGG 40 GGG 60 Helis dişli ve karşılık dişlileri ETG100 42CrMo4 31CrMo4-9 25CrMo4 Ekstrüder milleri, Hidrolik silindirler 31CrMoV9 34CrAlNi7 X35CrMo17, 16MnCr5 42CrMo4 İğler, Kam diskleri 31CrMoV9 30CrMoV9 42CrMo4, GGG 70 31CrMoV9 34CrAlNi7 Takım ve Kalıp İmalat Malzeme Form kalıpları GG 25 CrMo GGG 60 GGG 70L GGGJ Derin çekme, Kıvırma kalıpları, Kalıp plakaları X45NiCrMo4, X100CrMoV5-1, X155CrVMo12-1 Enjeksiyon kalıpları 14CrMnMo7 Kılavuz miller 16MnCr5 30CrMoV9 Alüminyum döküm kalıpları X38CrMoV5-1, X38CrMoV5-3, 40CrMnMoS8-6 Otomotiv Endüstrisi Malzeme Krank milleri, Kam milleri GG 25-42CrMo4 - C45, C15 C53G 42CrMo4 Sinter metalden mamül dişliler ve aparatlar Sint D 30, Astaloy Mo Amortisör parçaları C45 16MnCr5 Menteşeler, bağlantılar, eklemler... 31CrMo12 Enjeksiyon jetleri (nozullar) X155CrVMo12-1

25

26 KARBONİTRASYON (KARBONİTRÜRLEME) Gaz nitrasyona göre düşük sıcaklıkta, örneğin 570 C de 1-3 saat süreyle alaşımsız çeliklere uygulandığında, çok iyi aşınma direnci elde edilir. Bu işlem, siyanatın (CNO) parçalanmasıyla serbest kalan karbonun, kısmen bağlantı tabakasına yerleşerek (karbonitrür oluşumu) ve bu tabakanın dayanım ve sertliği yükseltmesiyle tamamlanır. Alaşımsız çelikler, banyo nitrasyon sonrası mümkün olduğu kadar su içinde ani soğutulurlar. Böylece, azotça aşırı doymuş difüzyon bölgesi oda sıcaklığında sertleşir. Yüksek sıcaklıklarda ( C) yapılan karbonitrasyon işleminde, yaklaşık olarak sementasyonla elde edilebilecek özellikler

27 2. Yüzeyin kimyasal kompozisyonun değiştirilmediği prosesler (yüzeye sınırlı ısıtmanın uygulandığı sertleştirme yöntemi, lokal termal yüzey sertleştirme) Malzeme yüzeyinde belirli bölgelerin östenit fazına ulaşıncaya kadar ısıtılması ve müteakiben hızlı soğutulması sonucu yüzeyde martenzit tabakası oluşturarak yüzeyin sertleştirildiği prosesleridir. Malzemenin iç kısımları östenit fazına ulaşmadığından hızlı soğuma sonrası martenzit oluşmayacaktır ve iç kısımlar tok kalacaktır. Sınırlı Isıtmanın Uygulandığı Yöntemler 1. Alevle Yüzey Sertleştirme 2. İndüksiyonla Yüzey Sertleştirme 3. Daldırma Yöntemi ile Yüzey Sertleştirme 4. Elektron bombardımanı ve Laser İle Sertleştirme

28 ALEVLE YÜZEY SERTLEŞTİRME Özellikle büyük parçalara uygulanan bu yöntemde, parça yüzeyinin hızlı ısıtılmasında, O2 nin yakıcı gaz olarak kullanıldığı üfleçlerden yararlanılır. Yanıcı gaz olarak asetilen ya da doğalgaz kullanılır. Parça yüzeyinin hızlı ısıtılması sonucunda, yüzey ostenitleme sıcaklığına getirilir ve parça şekline uygun olarak su püskürtülerek soğutulur. Böylece, yüzeyde yarı kararlı martenzit tabakası oluşturulur. Basit ve ucuz bir yöntemdir. Tam otomatik olarak da gerçekleştirilebilir. Büyük boyutlu parçalarda, diğer sertleştirme yöntemleri ile kıyaslandığında, teknik ve ekonomik bakımdan elverişlidir. Yüzeyde sertleşen tabaka kalınlığı, üflecin gücü ve diğer parametrelere bağlı olarak, 1-6 mm arasında değişir.

29 İNDÜKSİYONLA YÜZEY SERTLEŞTİRME Sertleştirilecek parçanın çevresine, yüksek frekanslı akımla beslenen bir indüksiyon bobini yerleştirilir ve parçada indüklenen frekans arttıkça yüzeye yakın kısımlarda yoğunlaşan girdap akımlarına malzemenin gösterdiği direnç nedeniyle bu bölgeler ısınır. Yöntemde ısıtma süresinin kısalığı, çarpılma, çatlama ve tane irileşmesi olasılıklarını azaltır. Yöntem kolay ve kesin olarak kontrol edilebilir, otomasyona çok elverişlidir. Ancak, yatırım masrafı yüksektir. Ekonomik bir üretim için, parça sayısının fazla olması gerekir.

30 DALDIRMA YÖNTEMİ İLE YÜZEY SERTLEŞTİRME Özellikle karmaşık şekilli parçaların yüzey sertleştirilmesi için kullanılan yöntemdir. Parça, çok yüksek sıcaklıktaki sıvı banyosuna daldırılarak, öngörülen kalınlıktaki yüzey tabakası ostenitleme sıcaklığına gelinceye (ostenitleninceye) kadar uygun bir süreyle bekletilir. Isının yüzeye yığılmamasını sağlamak amacıyla, ısı iletim katsayısı yüksek olan sıvılar kullanılır (örneğin Sn bronzu banyosu). Sıcak banyodan çıkarılan parçaya su verilerek, yüzey sertleştirilir. Sıvı banyosu, metal banyosu yanı sıra, erimiş tuz banyosu da olabilir. Yöntemin alev ya da indüksiyonla yüzey sertleştirmeye göre önemli üstünlükleri : Girintili-çıkıntılı, karmaşık biçimli parçalar için uygun olması, Ek donanıma ihtiyaç duyulmaması, Yatırım maliyetinin düşük olması, Üretim hızının yüksek, bu nedenle ekonomik olması. Dezavantajları: Sertleşen tabaka kalınlığının ayarlanması ve özellikle yeter ölçüde küçük tutulmasının zorluğu, Metal banyolarının parça yüzeyine yapışması, Tuz banyoları kullanımında ise yüzeyde karbon azalmasının meydana gelmesi.

31 ELEKTRON BOMBARDIMANI VE LASER YÖNTEMİ İLE SERTLEŞTİRME Elektron bombardımanı ve lazer yöntemi ile sertleştirme ; yeterli karbon içeren çelikler ile alaşımlı çeliklere uygulanır. Diğer bir deyişle sertleşebilir çeliklerin sertleştirilmesi için uygun yöntemlerdir. Elektron bombardımanı ile sertleştirmede vakuma gereksinim vardır. Lazer ile sertleştirme yönteminde ise vakuma ihtiyaç yoktur ve sertleştirme işlemi kullanılan gaz ile yapılabilir. Yöntemin sakıncaları: Cihaz ve ekipmanlar pahalıdır. Yüksek alaşımlı çelikler için uygulanabilir.

32

33 ÖZET Düşük karbonlu çelikler için sementasyon yöntemi ile yüzey sertleştirme en iyi yöntemdir. Nitrürleme işlemi; krom-molibdenli çelikler ile nitrürlenebilir çeliklere uygulanır. Nitrürleme prosesinde parçanın çarpılma (distorsiyon) oluşma olasılığı düşüktür. Alevle yüzey sertleştirme yöntemi, büyük ve ağır makine parçalarının yüzey sertleştirilmesi için uygundur. Daldırma ile yüzey sertleştirme karmaşık ve büyük parçaların yüzey sertleştirilmesi için uygundur. İndüksiyon yöntemi, küçük parçaların yüzey sertleştirilmesi için uygun yöntemdir.