SEMENTASYON

Transkript

1 SEMENTASYON Amaç: Düşük karbonlu (%C<0,2) çeliklerin yüzeylerinde karbon oranını yükselterek sertleşebilir bir bileşime çekmek ve ardından malzemenin sadece yüzeyine sertleştirme işlemi uygulamaktır. Elde edilen özellik: Yüzeyi sert (aşınmaya dayanıklı) iç kısımları ise sünek bir malzeme elde edilir. Ayrıca yüzey katmanı sayesinde yorulma dayanımı da iyi bir malzeme elde edilir. En önemli kullanım yeri: Dişliler

2 Sementasyon işlemine uygun çelikler: Sementasyon Çelikleri Karbon oranı %0,2 değerinin altındadır. Dolayısıyla su verme ve meneviş işlemleriyle bu çeliklerde kayda değer bir dayanç ve sertlik artışı elde edilemez. Asal ve kalite çeliği grubuna girerler. Đnce taneli malzemelerdir.

3

4 SEMENTASYON ĐŞLEMĐ (Karbonlama, Karbürizasyon) Düşük karbonlu çeliklerin yüzey bölgesinin difüzyonla karbonca zenginleştirilmesi ve sertleşebilir hale gelen malzemenin suverme+meneviş ile sertleştirilmesi Sementasyon= Yüzeyden C Yayındırma+Suverme+Meneviş Ferrit içerisinde karbonun çözünürlüğü azdır. Ayrıca düşük sıcaklıklarda difüzyon hızı çok düşük olduğundan karbonun kolayca nüfuz edebileceği östenitik sahaya kadar çelik ısıtılır.

5 DĐFÜZYON (YAYINMA) Metal ya da alaşımları, ısıtıldıklarında iki tarz atomsal hareket görülür. Bunlardan ilki, atomların yerleri değişmeksizin yaptıkları titreşim; ikincisi ise atomların yerlerinin değişmesiyle meydana gelen difüzyon olayıdır. Difüzyon için önce atomun çevresi ile bağları kopar,sonra atomlararası boşluklardan geçer (en az bir kafes parametresi kadar yol alması gerekir) ve yeni konumda çevresi ile tekrar bağ kurar. Difüzyon tek tip atom içeren arı metallerde de olur, buna öz difüzyon yada özyayınım denir.

6 DĐFÜZYON Đki nokta arasında difüzyon oluşabilmesi için genel olarak itici güç, bu iki nokta arasındaki konsantrasyon farkıdır. Eğer konsantrasyon farkı (dc/dx) sıfırdan farklı bir değerde ise, bir difüzyon hızı mevcuttur ve bir noktadan diğerine madde transferinden söz edilebilir. Sıfıra eşit ise konsantrasyon değişmesi yoktur, bu durumda her iki yöne de aynı hızda difüzyon gerçekleşir yani denge durumu söz konusudur.. J= - q D ( c/ x) J: yayınan madde miktarı(atom/m 2 ) q: kesit alanı (m 2 ) D: yayınma katsayısı (m 2 /s) c: konsantrasyon (g/m 2 ) x: uzunluk (m)

7 FICK Kanunu Đkinci Fick Kanunu söz konusu malzemedeki yayınma katsayısı ve konsantrasyon gradyentinin değişim hızı bilindiğinde malzemedeki konsantrasyon değişiminin zamana göre nasıl azaldığını gösterir. t: zaman ( c/ t) = D ( 2 c/ x 2 ) Bu bağıntılar içerisindeki D (yayınma katsayısını) hesaplamak için de: D=D 0 e -Q/RT Formülünden yararlanılabilir. (D 0 :yayınım sabiti,q:aktivasyon enerjisi, R:gaz sabiti, T:Sıcaklık)

8 Yayınma Derinliğinin inin Hesaplanması Karbon dağılımı ise sementasyon süresine bağlı olarak değişir. Đkinci Fick kanununun geliştirilmesiyle: C(x,t)=Co+(Cs -Co)(1-erf (x/2 Dt)) Bu formüllerdeki erf (x/2 Dt) ifadesi Gauss hata integralidir ve değerleri bir tabloyla verilmiştir. Bu tablodan yararlanılarak ulaşılan sonuçlar bize belirli bir C konsantrasyonuna ulaşmak için mesafe ve zaman arasında bir bağıntının olduğunu ve örneğin iki kat nüfuz derinliğine ulaşmamız için dört kat sementasyon süresine ihtiyaç olduğunu gösterir.

9 KARBON VERĐCĐ ORTAMLAR Katı Ortam (Kutu Sementasyonu) Sıvı Ortam (Tuz Banyoları) Gaz Ortam

10 KATI KARBON VERĐCĐ ORTAMDA SEMENTASYON Katı karbon verici maddeler meşe kömürü, kok ve linyit, deri, kösele, tırnak ve boynuz taşlarıdır. Bu maddelerin daha etkili karbon verebilmeleri için gaz oluşumunu teşvik eden baryumkarbonat (BaCO 3 ) veya sodyumkarbonat (Na 2 CO 3 ) ile karıştırılmaları gerekir. Semente edilecek parçalar karbon verici maddelerle özel olarak hazırlanmış çelik kutuların içine konulur. Sementasyon kutusuna yerleştirilen parçaların, kutuya ve eğer birden fazla parça mevcutsa diğer parçalara temas etmemesine özen gösterilmelidir.

11 Đşlem C arasında gerçekleştirilir. Ortamda Aktifleştirici Yoksa CO 2 +C 2CO 2CO CO 2 +C (boudouard reaksiyonu) Ortamda Aktifleştirici Varsa BaCO 3 BaO + CO 2 CO 2 + C 2CO

12 SIVI ORTAMDA SEMENTASYON Sıvı sementasyon işlemi tuz banyoları (sodyum siyanür (NaCN),potasyum siyanür (KCN), kalsiyum siyanür (Ca(CN) 2 ))içerisinde,katı ortama göre daha kısa sürelerde, fakat aynı derecede yüksek sıcaklıklarda gerçekleştirilir. Aktifleştirilmiş banyolarda, aktifleştirici olarak genellikle baryumklorür kullanılır.

13 Bu yöntemde sementasyon reaksiyonları: 2NaCN+ O 2 2NaCNO 4NaCNO 2NaCN+ Na 2 CO 3 + CO+ 2N 3Fe+ 2CO Fe 3 C+ CO 2 Đlk reaksiyon siyanür tuzu ile havanın ara yüzeyinde oluşur. Diğer iki reaksiyon ise, tuz banyosu ile çelik arasında meydana gelir C banyo sıcaklığında ve nispeten düşük siyanür oranı içeren banyo uygulamalarında hedef sementasyon iken, daha yüksek siyanür oranlarında ve C banyo sıcaklığında gerçekleşen işlemler, sonuçları bakımından karbonitrürasyon olarak nitelendirilir.

14 GAZ ORTAMDA SEMENTASYONU Gaz sementasyonu işlemleri, yüzey kalitesinin korunabilmesi ve işlem temizliği yanında, hem kontrol edilebilirliği hem de tekrarlanabilirliği bakımından büyük endüstriyel uygulamalarda tercih edilir. Karbon verici gaz ortamı doğalgaz, metan, etan, propan, havagazı, azot vb. olabilir. Prensip olarak 4 farklı gaz üretme yöntemi vardır: 1. Sementasyon sıvısının fırın içine damlatılması:sıvı fırın içinde buharlaşabileceği bir tabaka üzerine damlatılır. 2. Gaz üreten bir cihaz yardımıyla fırına gaz gönderilmesi:gaz ekzotermik yanma ile üretilir. 3. Gaz ve havanın doğrudan girişi:sementasyonu gerçekleştirecek gaz,ortamdaki hava+gaz reaksiyonuyla oluşur. 4. Bir vakum fırınında sementasyon:ortama sadece hidrokarbon girişine izin verilir.

15 Đşleme hidrokarbon girdiği için, aynı anda birkaç reaksiyon cereyan eder: 2CO C+ CO 2 Reaksiyona ilave olarak, örneğin metanın ayrışma reaksiyonu: CH 4 C+ 2H 2 Ve su-gaz reaksiyonu : CO+ H 2 C+ H 2 O

16 Sementasyon Sonrası Sertleştirme Teknikleri

17 Nitrasyon

18 Nitrasyon Metalin uygun bir sıcaklık ( ferritik çelikler için AC 1 ) altında tutarak katı metal yüzeyine azotun geçirilmesidir. Gaz nitrasyonunda sıcak metal yüzeyine üflenen amonyak gazı ayrışır ve azot atomları yüzeyden içeriye doğru difüze olurlar. 2NH 3 2 [N] Fe + 3H 2 Nitrasyon sıcaklığı bütün çelikler için C arasındadır.

19

20 Amaç Yüksek yüzey sertliği kazanmak Aşınma dayanımını arttırmak Yorulma dayanımını arttırmak Korozyona dayanımı arttırmak Nitrasyon sıcaklığına kadar olan sıcaklıklarda yüzey dayancı

21 Nitrasyona uygun çelikler Al içeren düşük alaşımlı Orta karbonlu, Cr içeren düşük alaşımlı çelikler (4100, 4300, 5100, 6100, 8600, 8700 ve 9800) % 5 Cr içeren sıcak-iş kalıp çelikleri. (H11, H12, H13) Düşük karbonlu Cr içeren düşük alaşımlı çelikler (3300, 8600 ve 9300) Havada sertleştirilmiş takım çelikleri.(a-2, A-6, D-2, D-3 ve S-7) Hız çelikleri ( M-2 ve M-4 ) Nitronik paslanmaz çelikler (30, 40, 50 ve 60) Ferritik ve martenzitik paslanmaz çelikler ( 400 ve 500) 200 ve 300 serilerinin östenitik paslanmaz çelikleri Çökeltme sertleştirmesi yapılmış paslanmaz çelikler. (13-8 PH, 15-5 PH, 17-4 PH, 17-7 PH, AM350)

22 Tuz Banyosunda Nitrasyon Ticari olarak kullanılan nitrasyon banyoları, potasyum ve sodyum tuzlarının karışımından oluşmaktadır. Karışım içerisinde ağırlıkça %60-70 oranında bulunan sodyum tuzlarının %96,5 i NaCN, %2,5 Na 2 CO 3 ve %0,5 NaCNO içerir. Potasyum tuzu ise %96KCN, %0.6 K 2 CO 3, %0,75 K 2 CNO ve %0,5 KCl den oluşur. Bu tuz banyosu için banyo sıcaklığı 565 C dir.

23 Su verilmiş ve menevişlenmiş 4140 çeliğinin nitrasyon işlemlerinden sonraki mikroyapısı a) Yoğun nitrür tabaka (beyaz tabaka) difüzyon az. b) Difüzyon bölgesi geniş. Beyaz tabaka yok.

24