YÜZEY SERTLEŞTİRME İŞLEMLERİ

YÜZEY SERTLEŞTİRME İŞLEMLERİ Yüzey Sertleştirme İşlemleri Yüzeyin sert ve aşınmaya dayanıklı olduğu, buna karşın sünek bir çekirdek istendiği durumda yüzey sertleştirme işlemi uygulanır. Yöntemde parçanın arzu edilen yüzey ya da yüzeylerinde, 1-2 mm derinliğinde veya büyük parçalarda istenirse 5 mm ye kadar çıkabilecek derinliklerde sert ve yarı kararlı martenzit tabakası oluşturulur. İşlemin amacı, aşınmaya maruz kalan yüzeylerin aşınma dayanımının arttırılmasının yanı sıra, parçanın yorulma ömrünü arttırma ve korozyon direncini iyileştirmektir. Sertleştirilmesi istenmeyen yüzeyler, özel bir macun, pasta ya da kille kapatılır. Dişli çark yüzeyi, cıvata, muylu, mil, perno yatakları gibi birçok makine elemanında, kalınlığı çoğunlukla 0,1-2 mm olmak üzere, sadece yüzey tabakasının sertleştirilmesiyle istenen aşınma ve ezilme dayanımına ulaşılırken, iç kısımlar tok kalır. 1

Yüzey Sertleştirme İşlemleri Yüzey sertleştirme işlemlerinin sınıflandırılması: 1. Sınırlı Isıtmanın Uygulandığı Yöntemler 1.1. Alevle Yüzey Sertleştirme 1.2. İndüksiyonla Yüzey Sertleştirme 1.3. Daldırma Yöntemi ile Yüzey Sertleştirme 1.4. Elektron bombardımanı ve Laser İle Sertleştirme 2. Kimyasal Bileşimin Değiştirildiği Yöntemler 2.1. Sementasyon (Karbonlama) 2.2. Nitrasyon (Nitrürasyon, Nitrürleme) 2.3. Sulfonitrasyon 2.4. Karbonitrasyon 2.5. Plazma Nitrasyon (İyon Nitrasyon) 2.6. Borlama 2.7. CVD (Kimyasal Buhar Biriktirme) 1. Sınırlı Isıtma İşleminin Uygulandığı Yöntemler 2

1.1. Alevle Yüzey Sertleştirme Özellikle büyük parçalara uygulanan bu yöntemde, parça yüzeyinin hızlı ısıtılmasında, O 2 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. 1.2. İndüksiyonla Yüzey Sertleştirme 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. ρ Sertleşen tabaka kalınlığı δ f. μ ρ : Malzemenin özgül elektrik direnci f : Uygulanan frekans : Malzemenin manyetik geçirgenliği μ 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. 3

1.2. İndüksiyonla Yüzey Sertleştirme 1.3. Daldırma Yöntemi ile Yüzey Sertleştirme 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. 4

1.4 Elektron Bombardımanı ve Laser Yöntemi ile Sertleştirme 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. Düşük alaşımlı ve alaşımsız çelikler için uygun olmayan bir yöntemdir. 2. Kimyasal Bileşimin Değiştirildiği Yöntemler 5

2.1. Sementasyon (Karbonlama) Yöntem, düşük karbonlu çeliklerden (%0,02<%C<%0,25) yapılan parçaların yüzeylerine atomsal karbon yayındırılması esasına dayanır. Yöntemde, belirli kalınlıktaki yüzey tabakasının karbon derişikliği %0,8 C a kadar ulaştırılırken, merkezdeki karbon oranı değişmez. Yüzeytabakasının 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. Karbonlanan tabakada (kabuk) ise öncelikle ötektoid bileşime ulaşma öngörülür. Bu noktanın aşılmasıyla tane sınırlarında oluşan sementit ağı vurma tokluğunun düşmesine neden olur. Ayrıca sertleştirme sırasında karbonlanan tabaka çatlayarak pul şeklinde kalkabilir. 2.1. Sementasyon (Karbonlama) Karbon Verici Ortamlar katı, sıvı ve gaz olabilir. a) Katı ortamda sementasyon: Karbon verici ortam, odundur. Odun kömürünün ısı iletiminin kötü olması nedeniyle, sıcaklığın istenilen düzeye getirilmesi uzun zaman alır.. Sementasyon kabı içerisine bazen odun kömürünün yanı sıra, 6

Karbon Monoksit Reaksiyonu CO2 + C ---> 2 CO 2 CO + 3 Fe --->Fe3C + CO2 Karbon Monoxide reaction: CO2 + C ---> 2 CO Reaction of Cementite to Carbon Monoxide: 2 CO + 3 Fe --->Fe3C + CO2 7

2.1. Sementasyon (Karbonlama) b) Sıvı (yaş) ortamda sementasyon: Karbon verici ortam olarak tuz banyoları örneğin sodyum siyanür, baryum siyanür tuzu vb. kullanılır. Yüksek banyo sıcaklıklarında (850-930 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 Fe + Ba( CN ) 2 14243 Fe( C) 123 + Ba( CN ) 2 erimiş tuz banyosu demirde çözünmüş karbon 2.1. Sementasyon (Karbonlama) c) Gaz ortamda sementasyon: İşlem; doğal gaz, metan, etan, propan gazlarının olduğu ortamda gerçekleşir. Gazın bileşimine göre, karbonlama etkisi değişir ve Fe + yüzeyde CH istenilen karbon 4 Fe( C) + 2H 2 derinliği elde edilir. CH 4 :metan, C 2 H 6 :etan, C 3 H 6 :propan Yöntemin tüm parametreleri çok iyi ayarlanabilir. Parçalar havada veya yağda direkt 8

2.1. Sementasyon (Karbonlama) Sementasyon işleminden sonra sertleştirme o C o C 2.1. Sementasyon (Karbonlama) ÖZET: Sert tabaka kalınlığı 0-0,2 mm Daktilo parçaları 0,5-1,5 mm Taşıt araçları parçaları 2-3 mm İş makineleri parçaları İşlem sonucunda elde edilen yüzey sertliği 900 HV dir. İşlem sıcaklığı yüksektir. Yüzeydeki sert tabaka Fe 3 C bileşimindedir. Karbonlama işleminden sonra doğrudan sertleştirme yapılır. Genel olarakparçalarda semente edilmesi gerekmeyen yerler başlangıçta kille kapatılır veya bakırla kaplanır. Diğer işlem görecek yüzeylerdeki pas, tufal ve varsa yağ özenle temizlenmelidir. 9

2.2. Nitrasyon (Nitrürasyon, Nitrürleme) Bu yöntemle sertleştirmede sertlik artışı, östenitin martenzite dönüşümünden değil, sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda (500-580 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. 2.2. Nitrasyon (Nitrürasyon, Nitrürleme) a) Sıvı (yaş) ortamda nitrasyon: 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 23.12.2008 edilebilmesi için Prof.Dr.Ayşegül yaklaşık AKDOĞAN 10 h işlem süresi gerekmektedir 10

2.2. Nitrasyon (Nitrürasyon, Nitrürleme) b) Gaz ortamda nitrasyon: İşlem amonyak gazı içerisinde gerçekleşir. İşlem sıcaklığı 510-550 C dir. Açığa çıkan atomsal azot, çelik içerisine yayınır. Nitrürleme derinliğinin 0,5 mm olması için gerekli olan nitrasyon süresi yaklaşık 50 h dir. 2 3 2 + NH 3H 2N 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. 2.2. Nitrasyon (Nitrürasyon, Nitrürleme) Nitrürleme Prosesi 11

2.2. Nitrasyon (Nitrürasyon, Nitrürleme) 2.2. Nitrasyon (Nitrürasyon, Nitrürleme) Farklı Çelik alaşımları İçin Nitrürleme Zamanları 12

Sementasyon ve Nitrasyon Yüzey Sertleştirme Yöntemleri Arasındaki Farklar: 2.3. Plazma (İyon) Nitrasyon Metal yüzeyine azot difüzyonu termokimyasal reaksiyonla olur. Gerekli azot, azot içeren gaz veya gaz karışımının yüksek gerilimli doğru akım gerilimi ile iyonlara ayrıştırılması ile elde edilir. Malzeme yüzeyi iyon bombardımanına tutularak sertleştirme işlemi yapılır. Başlıca uygulama alanları; Pompalar, hidrolik makine parçaları Hadde ve kuvvet taşıma dişlileri Otomotiv endüstrisinde motor yüzeylerinin sertleştirilmesi Sıcak, soğuk iş takım endüstrisi 13

2.3. Plazma (İyon) Nitrasyon Yöntemin işlem sıcaklığı daha düşük, elde edilen yüzey sertliği ise daha fazladır. Isıl işlem sonrası, yani yüzey sertleştirme işlemi sonrası boyut hassasiyetinin fazla olması nedeniyle, bu yöntemle sertleştirilen dişlilerde nitrasyon yöntemi ile sertleştirme yapılanlara kıyasla daha az gürültü olur. Yöntemin diğer nitrasyon yöntemlerine göre üstünlüğü şöyle özetlenebilir: Sertlik fazla İşlem sıcaklığı düşük İşlem süresi kısa Deformasyon riski az Otomasyona uyarlılığı fazla Büyük parçalar için ekonomik 2.4. Karbonitrasyon (Karbonitrürleme) Gaz nitrasyona göre düşük sıcaklıkta, örneğin 570 C de 1-3 h 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 (780-860 C) yapılan karbonitrasyon işleminde, yaklaşık olarak sementasyonla elde edilebilecek özellikler elde edilir. Sinter çelik malzemelere karbonitrasyon işlemi uygulanır. 14

2.4. Karbonitrasyon (Karbonitrürleme) 2.5.Sülfonitrasyon Değişik konsantrasyonlu banyoda çelik yüzeyine azot atomu yanı sıra kükürt atomu yayındırılması esasına dayanır. 15

2.5. Borlama Bugüne kadar katı ve sıvı borlama maddeleri uygulanmıştır. Sıvı borlama maddesi olarak, ergimiş boraks ya da ilaveler içeren tuzlarda, genellikle parça yüzeyinde intermedial bor karbür meydana getirilir. Doğru akımın kullanılmasıyla (elektrolitik borlama) borlama etkisi arttırılabilir. Daha çok boraks ve diğer katkılar içeren katı borlama maddeleri ile de öncelikle bor karbür oluşumu hedeflenir. Borlama maddelerinden bağımsız olarak borlama sıcaklığı 900-1000 C, borlama süresi ise 1h - 6 h dir. Borlama işlemi alaşımsız ve alaşımlı çeliklere, dökme demir, demir dışı metal ve alaşımları ile sert metallere uygulanır. Alaşımsız çeliklere yapılan borlama işlemi ile 1800 HV ye ulaşılır. Alaşımlı çelikler için ise 2500 HV ye ulaşılır. Borlanmış parçalar, sinterlenmiş parçalara kıyasla 4 kat daha fazla aşınma dayanımına sahiptirler. 2.6. CVD Yöntemi (Chemical Vapour Deposition) (Kimyasal Buhar Çöktürme) CVD yöntemi gaz formundaki bir kimyasal bağlantının, katı formda reaksiyon ürünü olarak çöktürülmesi ya da başka bir madde üzerinde ayrıştırılması nedeniyle, oldukça önemli bir prosestir. Özellikle konstrüksiyon elemanlarının ve takımların aşınmadan korunabilmesi için sert metal, karbür, nitrür ve borür gibi belirli metal olmayan ya da metal bağlantıların kaplama olarak malzemeye bağlanması önem taşır. 16

Yüzey Sertleştirme Metodu Seçim Kriterleri 1. Düşük karbonlu çelikler için sementasyon yöntemi ile yüzey sertleştirme en iyi yöntemdir. 2. Nitrürleme işlemi; krom-molibdenli çelikler ile nitrürlenebilir çeliklere uygulanır. Nitrürleme prosesinde parçanın çarpılma (distorsiyon) olama olasılığı düşüktür. 3. Alevle yüzey sertleştirme yöntemi, büyük ve ağır makine arçalarının yüzey sertleştirilmesi için uygundur. 4. İndüksiyon yöntemi, küçük parçaların yüzey sertleştirilmesi için uygun yöntemdir. 5.Elektron bombardımanı ve lazer ile sertleştirme yöntemi; alaşımsız çelikler ve düşük alaşımlı çelikler için uygundur. 17