Yüzey Sertleştirme 1

Yüzey Sertleştirme 1

Yüzey sertleştirme Sünek yapıya sahip çeliklerden imal edilmiş makine parçalarında sert ve aşınmaya dayanıklı bir yüzey istenir. Örneğin yatak muylusu, kavrama tırnağı ve diğer temas bölgelerinde sünek çelikler düşük karbonlu çelikler düşük karbonlu olduklarından yeterli derece sertleştirilemezler. Bu nedenle malzemeden istenen özellikler zıt karakterlidir. Dış yüzeylerde yüksek sertlik ve iç kısımlarda ise en yüksek süneklik gibi. Yüzey sertleştirme işlemeleri, malzemenin şekline, boyutuna, adetine ve çeşidine göre değişir. Yüzey sertleştirmenin uygulandığı tipik parçalar; krank milleri, kam milleri, kamalı miller, dişli çarklar, saplamalar, kavrama parçaları, zincir parçaları gibi makine elemanlarıdır. Yüzey sertleştirme işlemleri: Mikroyapısal işlemler Termokimyasal işlemler Mekanik işlemler olmak üzere üç ana başlığa ayrılır. Malzeme Bilimi Slaytları 2/13

Mikroyapısal işlemler Mikroyapısal işlemlerde, demir esaslı malzemenin kafes yapısı değişecek şekilde ısıtma işlemi yapılır. 723 C nin üzerinde malzemenin kafes yapısı değişerek, hacim merkezli yapıdan yüzey merkezli kübik yapıya dönüşür. Daha sonra hızlı soğutma yapılarak, martenzit (hacim merkezli tetragonal) veya yavaş soğutma ile ferrit-perlit ten oluşan yapı elde edilir. Mikroyapısal işlemler, temel olarak termal ve mekanik olmak üzere iki yöntemle gerçekleştirilir. 1. Termal İşlemler 1.1. İndüksiyon ile Yüzey Sertleştirme Yüksek frekanslı indüktif akımdan faydalanarak parça yüzeyinde çok ince tabaka ani olarak kritik sıcaklık üzerine çıkarılıp, hızlı soğutma ile yüzey sertleştirilir. En büyük avantajı, yüzeyde sertleşen bölge derinliğinin çok iyi bir şekilde kontrol edilmesidir. Ayrıca, çabuk, temiz, seri imalata uygundur. Uygulana frekansa göre ısınma derinliği değişmektedir. İndüksiyonla sertleştirmede malzemenin mikroyapısının iyi seçilmesi gerekir. Bu yöntemde, süre çok az olduğu için karbürlerin veya grafitin ostenit içerisinde yeterince çözünerek sertleşme için gerekli karbürün çözünmesi gerekir. En kolay sertleşen çelikler, karbürlerin çelik içerisinde küçük tanecikler halinde dağılmış yapılardır. Alaşımsız çeliklerde % 0.4-0.5 C içeren ve tane boyutu pek büyük olmayan ferritik yapıya sahip çelikler de sertleştirilebilir. Şematik olarak indüksiyonla sertleştirme işlemi Şekilde verilmiştir. Malzeme Bilimi Slaytları 3/13

Mikroyapısal işlemler Avantajları ve dezavantajları: Sınırlandırılmış bölgesel sertleştirme Kısa ısıtma süreleri En az yüzey dekarbürizasyonu ve oksidasyonu Hafif deformasyon Yorulma mukavemetinde artış Üretim hattı ile birleştirilebilme Düşük işlem maliyeti Çevreye gaz yayılmaz İlk yatırım maliyeti yüksektir İndüksiyonla sertleştirme işlemi, orta karbonlu çeliklere, Cr-Mo çeliklere, gri dökme demirler ve nodüler dökme demirlere uygulanır. Tam olarak tavlanmış çelikler indüksiyonla sertleştirme işlemi için uygun değildir. Çünkü karbürlerin çözünmesi için gerekli süre ısıtma zamanından daha uzundur. İndüksiyon sertleştirme yöntemleri; tek su darbesiyle sertleştirme ve kademeli sertleştirme olarak ikiye ayrılır. Malzeme Bilimi Slaytları 4/13

Mikroyapısal işlemler 1.2. Alevle Yüzey Sertleştirme Alevle yüzey sertleştirme yönteminin ilk yatırım maliyeti indüksiyonla sertleştirmeye göre düşüktür, fakat işlem maliyeti daha yüksektir. Bu yöntemde sertleştirme, oksiasetilenle malzeme üfleç yardımıyla ısıtılıp ani olarak su veya yağ verilerek soğutulması sonucunda elde edilir. Bu yöntem için özel sertleştirme otomatlarına ihtiyaç vardır. Üfleç alevi sertleştirilmesi gereken yüzeyi kaplar veya salının yaparak bütün yüzey üzerinde gezer. Silindirik yüzeyler, üfleç alevinin önünde döndürülür. Bütün yüzey su verme sıcaklığına ulaştığı zaman üfleç çekilir ve su püskürten duş yüzeye tutulur. İndüksiyonla sertleştirme yöntemi için önerilen çelikler bu yöntemler içinde uygundur. Bu çelikler Ck35, Ck45 gibi alaşımsız ıslah çelikleridir. Ayrıca Cf35, Cf53, Cf70 gibi alevle sertleştirmeye uygun çeliklerde üretilmiştir. Şematik olarak alevle sertleştirme yöntemi Şekil 3 de verilmiştir. Alevle sertleştirme yöntemleri; el ile uygulanan alevle sertleştirme, spin sertleştirme ve kademeli sertleştirme olarak alt bölümlere ayrılır. Gaz Su Duş Üfleç Martenzit Ostenit Çekirdek bölgesi değişmez Malzeme Bilimi Slaytları 5/13

Termokimyasal işlemler 2. Termokimyasal İşlemler 2.1. Sementasyon %0.2 den az karbon içeren çeliklere uygulanır. Bu işlemde temel amaç çelik yüzeyine C difüze ederek, yüzeyin C miktarını yeterli düzeye çıkarıp ardından su vermektir. Düşük karbonlu çeliklere uygulanır, ve işlem ostenitik sıcaklıkta gerçekleştirilir. Fe- Fe3C diyagramına bakıldığı zaman ferrit fazı içerisinde maksimum %0.02 C çözünürken, ostenit içerisinde %2 çözünür. Bu nedenle malzeme ostenitik sıcaklıkta (825-925 ), C verici ortamda bekletilir. Karbon verici ortamlar katı, sıvı,gaz ve plazma olabilir. Katı ortam olarak: Odun kömürü ile baryum karbonat karışımı Sıvı ortam olarak: Erimiş siyanür banyosu Gaz ortam olarak: Hidrojen veya azot ile karıştırılmış karbon monoksit, metan, propan gibi gazlar. Plazma atmosferi: CO2 + H2, CH4 gibi gaz karışımları İstenen sertleştirme kalınlığı için işlem sıcaklığı, süresi ve gaz miktarını ayarlamak gerekir. Bilinen en eski ve en yaygın yüzey sertleştirme yöntemidir. İşlem sonucu yüzey sertliği, aşınma direnci ve yorulma dayanımı artar. Malzeme Bilimi Slaytları 6/13

Termokimyasal işlemler Sıvı ortam ısı iletim katsayısının yüksek olması ve parçaların hızla banyo sıcaklığına ulaşabilmesi bakımından katı ortama göre daha avantajlıdır. Çok sayıda küçük parça tel sepetler yardımıyla sementasyon ortamında tutulabilir ve ardından kolayca su verilebilir. Bu nedenle ekonomiktir. Yöntemin dezavantajı yatırım masraflarının yüksek ve siyanürün zehirli olmasıdır. Gazın bileşimine göre karbürleme etkisi değişir. Karbürleme kalınlığı çok iyi ayarlanabilir. Sertleştirilen parçaların yüzey kalitesi hemen hemen karbürleme öncesi ile aynı kalır. Dezavantajı yatırım masrafları çok yüksektir. Parçalarda semente edilmesi istenmeyen yerler sementasyon öncesi ya kille ya da bakırla kaplanır. Semente edilecek yüzeylerin pas, tufal, yağdan vb. temizlenmesi gereklidir. Malzeme Bilimi Slaytları 7/13

Termokimyasal işlemler 2.2. Nitrürasyon Nitrür oluşumuna eğilimli alaşım elementleri içeren (Cr, N, Ti, Mn Mo, Al) çeliklere uygulanır. İşlem söz konusu çeliğin 550-590 C arasındaki sıcaklıklarda azot verici ortamda tutularak yüzeye azotun difüzyonunu içerir. Gaz, tuz, toz ve plazma ortamında gerçekleştirilir. Kimyasal reaksiyon; 2NH3 2N2 + 3H2 0.9 mm ye kadar sertleşme derinliği elde edilebilir. İşlem süresi uzundur. Yüzeyde beyaz tabaka (FeN) ve onun altında difüzyon tabakası (CrN gibi) oluşur. İstenen sertleştirme kalınlığı için işlem sıcaklığı, süresi ve gaz miktarını ayarlamak gerekir. İşlem sonucu yüzey sertliği, aşınma direnci ve yorulma dayanımı artar. İşlem sonrası malzemede çarpılma görülmez. Malzeme Bilimi Slaytları 8/13

Termokimyasal işlemler Malzeme Bilimi Slaytları 9/13

Termokimyasal işlemler 2.3. Borlama Çelik yüzeyine Bor verilmesi işlemidir. Her türlü karbon oranına sahip çeliklere uygulanabilir. Kullanılan bor (gaz olmalı) Borakstan elde edilir. Bu yöntemin uygulanması esnasında yüksek sıcaklıklara çıkılması gerekir (950 C gibi) Borlama işlemi esnasında iki tür demir borür oluşur. Fe2B çelik yüzeyinde bası gerilmesi oluşturduğu için istenir. FeB yüzeyde çeki gerilmesi oluşturduğu için istenmez. Malzeme Bilimi Slaytları 10/13

Mekanik işlemler 3. Mekanik İŞlemler 3.1. Soğuk İşlem Sünek bir malzemeyi rekristalizasyon sıcaklığının altında soğuk çekme ile plastik deformasyona uğratılırsa deformasyon derecesi ile orantılı olarak dislokasyon yoğunluğu artar. Birbiri ile kilitlenen dislokasyonlar, dislokasyon hareketini engeller. Bu engellemeden dolayı malzemenin de mukavemeti artar. Bu olaya soğuk sertleşme denir. Dislokasyonlar çok ince olarak dağıldığından sertleşme daha çok olacaktır. Böylece akma mukavemeti ve sertlik artacak, aynı anda tokluk ve süneklilik azalacaktır. Isıtma ve soğuk işlem sıcaklığı aralığı 100-300 C arasındadır. Dislokasyon hareketini engelleyen karbürler ve nitrürlerdir. Bu işlem yüksek karbonlu martenzitik çeliklere, karbürizasyon çeliklerine ve takım çeliklerine uygulanır. 3.2. Metal Şekillendirme Metal şekillendirme işleminde sıcaklık ve şekil değişimine bağlı olarak, metalin büyük plastik deformasyona uğramasıdır. Bu işlem son plastik şekil verme olarak adlandırılabilir. Metal şekil değişimi yüksek sıcaklıkta olursa sıcak şekil verme, oda sıcaklığında yapılırsa soğuk şekil verme adını alır. Soğuk tel çekme, ekstrüzyon, dövme, şekillendirme gibi çeşitli şekil değiştirme yöntemleri vardır. Aluminyum ve alaşımları, düşük ve orta karbonlu çelikler, paslanmaz çelikler bu yöntemle sertleştirilebilir. Malzeme Bilimi Slaytları 11/13

Mekanik işlemler 3.3. Bilye Püskürtme Soğuk şekillendirme yöntemlerinden biridir. Yüksek hızda parçacık bombardımanı sonucu, bası artık gerilmeleri yüzeyde oluşturulur. Yüzeyde oluşan bası gerilmelerinin, çeki gerilmelerimden fazla olması yorulma mukavemetini artırır. Sertleştirme işlemi, püskürtmenin şiddetine, hızına, bilyenin büyüklüğüne ve ağırlığına bağlıdır. Bu yöntem genellikle yorulma mukavemetini yükseltmek için kullanılır. Isıl işlem sıcaklığı 1000 C den düşüktür. Malzeme Bilimi Slaytları 12/12