İÇİNDEKİLER DİZİNİ
İÇİNDEKİLER DİZİNİ ... 1
1. GİRİŞ ... 3
2. DÖNÜŞÜMLER ve DEMİRİN KRİSTAL YAPISI ... 4
2.1. Demir-Karbon Denge Diyagramı ... 6
2.1.1. Isıtma... 9 2.1.2. Soğutma ... 10 2.2. Zaman-Sıcaklık-Dönüşüm Eğrileri ... 10 2.2.1. Isıtma... 11 2.2.2. Soğutma ... 15 2.2.3. Perlit Oluşumu ... 16 2.2.4. Beynit Oluşumu... 17 2.2.5. Martenzit Oluşumu... 18 2.2.6. Kalıntı Ostenit ... 22 2.2.7. TTT Diyagramları ... 23
2.3. Martenzit ve Kalıntı Ostenitin Temperleme İşlemiyle Ayrışmaları ... 24
2.4. Difüzyon ... 28
2.4.1. Difüzyonun şekli ... 28
2.4.2. Difüzyon hızına etki eden faktörler ... 29
2.4.3. Difüzyon mesafesinin hesaplanması... 30
2.4.4. Katılarda Difüzyon-Yayınma ... 32
Katılardaki Difüzyon Çeşitleri ... 33
A. Kitle Difüzyonu... 33
B. Tane Sınırları Boyunca Difüzyon... 35
2.4.5. Difüzyona Etki Eden Faktörler... 36
3. YÜZEY SERTLEŞTİRME YÖNTEMLERİ... 38
3.1. Sementasyon ... 38
3.1.1. Kutu Sementasyonu... 40
3.1.2. Tuz Banyosunda Sementasyon ... 40
3.1.3. Gaz Sementasyonu ... 41
3.2. Sertleştirme Yöntemleri ... 42
Şekil 3.1: Direkt sertleştirme şeması ... 42
Şekil 3.2: Basit sertleştirme şeması ... 43
Çift Sertleştirme... 44
Şekil 3.5: Çift sertleştirme şeması ... 44
3.3. Sementasyon Derinliğine, Yüzey Sertliğine ve Çekirdek Sertliğine Etki Eden Faktörler ... 45
Sementasyon Derinliği ... 45
Şekil 3.6: Sertlik ve sementasyon derinliği arasındaki ilişki ... 45
Yüzey Sertliği ... 48
Çekirdek Sertliği ... 49
3.4. Nitrürasyon ... 50
3.4.1.Amonyakla Gaz Nitrürasyonu ... 53
3.4.2. Tuz Banyosunda Nitrürasyon ... 55
3.4.3.Toz Nitrürasyonu ... 56
3.4.4.Gaz ve Tuz banyosunda Nitrürasyonun Karşılaştırılması... 56
3.4.5. Nitrürlenebilirlik... 58
3.5. İndüksiyonla Yüzey Sertleştirme... 61
Şekil 3.22: İndüksiyonla sertleştirmede kullanılan bobin tipleri ... 64
3.6.Alevle Sertleştirme ... 67
4. SERTLEŞEBİLİRLİK ... 68
4.1. Grossmann Sertleşebilirlik Testi... 70
4.1.1. Çeliğin Kimyasal Bileşiminden Di Değerinin Hesaplanması... 71
4.2.Jominy-Uç Su Verme Sertleşebilirlik Deneyi ... 73
4.3.Jominy ve Grossmann Eğrilerinin Pratik Uygulamaları ... 75
5.ÇELİKTE ALAŞIM ELEMENTLERİ ... 90
5.1.Ostenit Oluşturucu Elementler... 90
5.2.Ferrit Oluşturan Elementler... 91
Şekil 5.2: Fe-Cr denge diyagramı ... 92
5.3.Karbür Oluşturan Elementler... 92
5.4.Karbürleri Kararlı Yapan Elementler ... 92
5.5.Nitrür Oluşturan Elementler ... 93
5.6.Alaşım Elementlerinin Ferritin Sertliğine Etkileri ... 94
Şekil 5.4: Alaşım elementlerinin ferritin sertliğine etkileri... 95
5.7.Alaşım Elementlerinin Tane Büyümesine Etkileri ... 95
6.GENEL ISIL İŞLEM ... 99
6.1.Tavlama ... 99
6.2.Maksimum yumuşaklık için tavlama ... 100
6.3. Soğuk Deformasyon ve Yeniden Kristalleşme Tavlaması... 102 6.4.Gerilim Giderme Tavlaması... Hata! Yer işareti tanımlanmamış. 6.5.İzotermal Tavlama ... Hata! Yer işareti tanımlanmamış. 6.5.1.Ostemperleme Isıl İşlemi ... Hata! Yer işareti tanımlanmamış. 6.5.2.Martemperleme ... Hata! Yer işareti tanımlanmamış.
1. GİRİŞ
Isıl İşlem kavram olarak metal malzemelerin iç yapılarını, o malzemenin özelliklerini iyileştirmek üzere değiştirmek için yapılan ısı temelli işlemlerin tümünü kapsayan bir deyimdir.
Bir metal parçanın ısıl işlemi, o metalin faz diyagramı göz önüne alınarak yapısının belli sıcaklıklar arasına malzemenin ısıtılması, bu sıcaklıklarda tutulması ve ardından ortam sıcaklığına belli soğutma hızlarıyla soğutulması anlamlarını bir arada içerir.
Metallerin ısıl işlemi dersi kapsamında, metal malzemelerin hangi ısıl işlem prosedürleri sonunda nasıl özellikler kazanacağı, bu ısıl işlem prosedürlerinin malzemelere nasıl uygulanacağı anlatılacaktır. Bunun yanı sıra bazı metal malzemeler için ısıl işlem uygulamaları yapılacak, elde edilen sonuçlar metalografik veya mekanik yöntemlerle kontrol edilecektir. Bu nedenle Metallerin ısıl işlemi dersini alan öğrencilerin, özellikle Metalografi, Faz Diyagramları ve Malzemelerin Mekanik Özellikleri derslerini almış olmaları gerekmektedir.
Metallerin ısıl işlemleri anlatılırken, şüphesiz, çelik malzemelerin ısıl işlemleri önemli bir yer tutacaktır. Bu nedenle ders notları hazırlanırken iki temel bölüm oluşturulmuştur. Bunlar; Demir ve demir alaşımlarının ısıl işlemleri ve demir dışı metal ve alaşımlarının ısıl işlemleri şeklindedir.
Demir ve demir alaşımlarının ısıl işlemleri bu dersin hem temel anlatım konularını hem de uygulama örneklerini oluşturacaktır. Demir dışı metallerin ısıl işlemleri konusu ise öğrencilerin hazırlayacağı dönem ödevlerinin konusu olacak ve dönem sonunda her öğrenci kendi konusunu sınıf huzurunda anlatacaktır.
Demir ve demir alaşımlarının ısıl işleminin daha iyi anlaşılabilmesi için öncelikle dönüşümler ve demirin kristal yapısı üzerinde durulmuştur.
2. DÖNÜŞÜMLER ve DEMİRİN KRİSTAL YAPISI
Bir saf demir parçası oda sıcaklığından ergime sıcaklığına kadar ısıtıldığında, çok sayıda kristalografik dönüşümlere uğrar ve iki farklı allotropik dönüşüm gösterir. Demirin allotropik değişim olayına karışan ısıya dönüşüm gizli ısısı adı verilir. Eğer bir demir numune kararlı bir hızla ısıtılırsa, sıcaklıktaki artış dönüşümün başlamasıyla kesilir ve sıcaklık dönüşüm tamamlanmasına kadar sabit olarak kalır. Ergimiş demirin oda sıcaklığına soğutulması sırasında, dönüşümler ısıtmadakine yakın bir sıcaklıkta ters olarak meydana gelir. Bu dönüşümler sırasında ısı serbest hale geçer ve soğuma hızının
azalmasına neden olur. Soğuma hızındaki bu değişiklik dönüşüm devam ettiği sürece devam eder.
Ferrit ve Ostenit adı verilen demire ait iki faz ile bunların ısıtma ve soğutma sırasındaki dönüşüm sıcaklıkları ve kararlılık bölgeleri, şekil 2.1’de gösterilmektedir. Bu şekilde A harfi Fransızca arreter (gecikme), C harfi chauffer (ısıtma), R harfi ise refroi (soğutma) anlamlarını ifade eder. Ferrit 1392°C ile ergime sıcaklıkları arasında olduğu gibi 911°C’nin altında da kararlıdır. Ferritin kararlı yapıda olduğu bu iki halinden ilkine δ demiri, ikincisine α demiri adı verilir. Ostenit adı verilen γ demiri 911°C ile 1392°C arasında kararlıdır. Demir, oda sıcaklığında ferro manyetik olup bu özelliği sıcaklık arttıkça azalır ve Curie sıcaklığı adı verilen 769°C’de tamamen yok olur.
Atomların metaller içerisinde oluşturdukları düzenli 3 boyutlu paterne kristal yapı adı verilir. Bu kristal yapı demir için küplerin yan yana veya üst üste dizilmeleri şeklindedir. Her bir kübün köşesinde yer alan 8 atom, 8 adet birim hücre tarafından paylaşılmaktadır. Köşe atomlarının yanı sıra, birim hücrede demirin allotropik durumuna bağlı olarak ilave atomlarda bulunabilir.
Hacim merkezli kübik yapıda (HMK) olan ferritin birim hücresinin köşelerinde birer atom ve köşegenlerinin kesim noktasında (yani merkezde) bir atom mevcuttur. Birim hücrenin kenar uzunluğu veya latis parametresi oda sıcaklığında (20°C) 2.87 °A’dır (Angström = 10-8 cm). Ostenit yüzey merkezli kübik yapıya sahip olup latis parametresi
3.57 °A’dır. α demiri ile γ demirinin birim hücreleri şekil 2.2’de gösterilmiştir. γ demirinin birim hücresinin latis parametresi, α demirine oranla daha yüksek yoğunluğa sahiptir. Örneğin 20°C’daki yoğunluklar, γ demiri için 8.14 gr/cm3, α demiri için 7.87 gr/cm3 olarak
gerçekleşir.
Şekil 2.2: Ferrit ve Ostenitin kristal yapıları.
2.1. Demir-Karbon Denge Diyagramı
Çelikteki alaşım elementlerinden en önemlisi karbondur. Karbonun varlığı, çeliği günlük yaşantının en yararlı bir unsuru yapan, elde edilebilir çok sayıda özelliklerinden büyük ölçüde sorumludur. Oda sıcaklığında karbonun α demiri içersindeki çözünürlüğü çok düşüktür ve bu nedenle karbon atomları tek tek demir atomları arasında çok seyrek olarak bulunurlar. Ferritte çözünmüş karbon miktarının düşük olması karbonun demir karbür bileşiğini oluşturduğunu gösterir. Karbonun demir ile yaptığı karbüre Sementit adı verilir. Demir karbür ferrit ile beraber “Lamel” şeklinde mevcut olabilir. Perlit adı verilen bu yapı %0.8 C içerir. Yapıdaki perlit oranı karbon miktarının %0.8 değerine kadar artış gösterir. Bu miktardan daha fazla karbon tane sınırları karbürü olarak ayrılır. %0.8 C’lu bu çeliğe ötektoid adı verilir. Şekil 2.3a-d’de bu yapılar şematik olarak verilmiştir.
Şekil 2.3: Farklı karbon içeriklerine sahip karbonlu çeliklerin mikroyapıları.
Demir karbon ile alaşımlandığında, dönüşüm, Fe-C denge diyagramında gösterildiği gibi, karbon miktarına bağlı olarak belli bir sıcaklık aralığında meydana gelir. Şekil 2.4’de Fe-C denge diyagramının çeliğin ısıl işlemi için kullanılan kısmına ait çeşitli mikroyapıları gösterilmektedir.
Şekil 2.4: Fe-C denge diyagramının sol alt kısmı.
Bu denge diyagramını %6 C içeriğine kadar tamamlanmış olarak verildiği şekil 2.5’den açıkça görüldüğü gibi, karbonun ostenitteki erirliği ferrittekinden daha fazladır.
Şekil 2.5: Fe-C denge diyagramı, ---: kararlı Fe-C sistemi, ⎯⎯⎯⎯: yarı kararlı Fe-Fe3C sistemi.
2.1.1. Isıtma
α demirinin 911°C’ye ısıtıldığında γ demirine dönüştüğüne daha önce değinilmişti. Bu dönüşüm şekil 2.4’deki diyagramın sol kısmının düşey eksenine bakılarak kolaylıkla görülebilir. %0.8 C içeren yani ötektoid bileşimindeki bir çelikte ostenitin dönüşümü 723°C’de başlar. α demiri γ demiri ve sementitin dengede olduğu sıcaklık A1 olarak gösterilir. Otektoid altı çelik adı verilen az karbon içerikli çelikler perlitik halden ostenite aynı sıcaklıkta yani 723°C’de dönüşürler. PS ve GS arasındaki dengeli bölgede perlitten oluşmuş ostenit ve dönüşmemiş ferrit mevcuttur. Isıtma durumunda dönüşüm GS hattı olarak verilen A3 sıcaklığına ulaşıncaya kadar tamamlanmaz. A3 sıcaklığı üzerinde ise sadece bir faz mevcuttur. Buna ostenit adı verilir. Eğer çeliğin karbon miktarı %0.8’den fazla ise bu çeliğe otektoid üstü çelik adı verilir. Bu çeliklerde de perlitin ostenite dönüşümü 723°C’de gerçekleşir. Fakat sementitin tamamen katı eriyik içine alınması için sıcaklığın SE olarak gösterilen Acm denge hattının üzerine çıkarılması gerekir.
Şimdi bir an için ısıtma sırasında meydana gelen olaylara dönelim. 723°C sıcaklıkta %0.025 C’dan daha fazla C içeren çeliklerde, ostenite dönüşüm başlar. Bu
kristal yapının ferritten, C atomlarının daha yüksek çözünürlüğe sahip oldukları ostenit fazına geçiş anlamına gelir. Ostenitteki C atomlarının pozisyonları şekil 2.6’da gösterilmektedir. G-S-E üzerindeki sıcaklıkta sadece ostenit mevcut olup, tüm karbon atomları ostenit katı eriyiği içinde düzenli bir şekilde dağılmış durumdadır.
Şekil 2.6: γ demirinde karbon atomlarının yerlerinin şematik gösterilişi. 2.1.2. Soğutma
Tamamen ostenitlenmiş sade karbonlu otektoid bir çelikte, eğer sıcaklık 723°C’nin altına hafifçe düşürülürse, γ demirinden α demirine dönüşüm başlar ve sonuçta γ demirinin kristal kafesinden karbonun atılmasıyla sementit oluşumu gerçekleşir. Soğuma oda sıcaklığında tamamlandığında çelik yine perlitik bir yapıya sahip olur.
2.2. Zaman-Sıcaklık-Dönüşüm Eğrileri
Demir-karbon denge diyagramının ısıl işlem proseslerinde tartışılmaz bir önemi vardır. Ancak bu diyagram sadece demir ile karbon arasında denge oluşumunun söz konusu olduğu koşulu tarif eder. Isıl işlemin büyük bir çoğunluğunda işlemi belirleyici faktörlerden zaman parametresinin etkisinin gösterildiği “zaman-sıcaklık-dönüşüm” adı verilen diyagramlardan yararlanılır. Bu diyagramlardan hem zamanın hem de sıcaklığın dönüşümlere olan etkilerini takip etmek mümkündür.
2.2.1. Isıtma
Zamanın etkisi en iyi bir şekilde şekil 2.7a-f’de gösterilen diyagramlardan açıklanabilir. Şekil 2.7a Fe-C diyagramının sol alt kısmına ait olup 0.8 C’lu bir çeliğin 723°C’ye ısıtılması sırasında ostenite dönüşümünü göstermektedir.
Şekil 2.7: Çeşitli karbon çeliklerinde ısıtma sırasındaki yapısal dönüşümlerin şematik gösterilişi.
a) %0.8 C, b) %0.8 C, c) %0.45 C, d) %0.45 C, e) %1.2 C, f) %1.2 C A: Ostenit, B: Beynit, C: Sementit, F: Ferrit, P: Perlit.
Bu diyagram bize dönüşümün nekadar süreceği hususundan başka hiçbir şey vermemektedir. Şekil 2.7b’den sıcaklığın 730°C’de tutulduğu durumda dönüşümün 30 saniyede başlayacağı tahmin edilebilir. Eğer çelik bunun yerine, aniden 750°C’ye ısıtılırsa dönüşüm 10 saniye içinde, 810°C’ye ısıtıldığında ise 1 saniyenin çok az üzerinde yani pratik olarak bu sıcaklıkta aniden başlar. Perlitin ostenit ve sementite dönüşümü 810°C’de yaklaşık 6 saniyede tamamlanır. Eğer çelik tamamen ostenit olacak ise, bu sıcaklıkta yaklaşık 5 saat tutulmalıdır. Pratikte, örneğin setleştirme için yapılan ısıtmada, sementitin nadiren tam olarak katı eriyik içine alınması (ostenit içinde çözünmesi) %100 ostenitik yapının elde edilmesini zorlaştırmaktadır.
%0.45 C içeren sade karbonlu bir çeliğe ait olan şekil 2.7 c ve d, 810°C’de aynı özellikleri, örneğin perlitin ostenite dönüşümünün ani oluşmasını göstermektedir. Burada perlitin dönüşümü 5 saniye içerisinde gerçekleşmiş olup yapı, ferrit, ostenit ve sementitten oluşmaktadır. Yaklaşık 1 dakika sonra karbon ferrite difüze olmuş ve dolayısıyla ferrit ostenite dönüşmüştür. Yapıda mevcut sementit partiküllerini tamamen çözündürebilmek (katı eriyik içine almak) için 10 saatlik bir süre gereklidir. %1.2 C içeren otektoid üstü bir çelik 810°C’ye ısıtıldığında 5 saniye içerisinde şekil 2.7 e ve f’den görüldüğü gibi ostenit ve sementit karışımı bir yapıya sahip olur. Bu sıcaklıkta sementitin tamamen çözünmesi mümkün değildir. Bu durum denge diyagramından açıkça görülebilir. Sementitin tam olarak çözünmesini etkilemek için sıcaklığın en azından 860°C’ye çıkarılması gereklidir.
Sementitin çözünme hızını incelemek için çelik önceden tespit edilen bir sıcaklığa kadar ısıtılır ve orada belirli bir süre tutulduktan sonra su verme sonucu önceki mevcut yapı dondurulmuş (dönüşmesi önlenmiş) olur, ancak bu işlemle ostenit martenzite dönüşür.
%0.45 C’lu çeliğe ait böyle bir deneyden elde edilen sonuç şekil 1.8’de gösterilmektedir. Burada tüm hallerde tutma süresi 5 dakikadır. Şekil 2.8 a, %50 ferrit %50 Perlitten oluşan orijinal yapıyı göstermektedir. Bu yapıda mevcut sementitin lamellerinin bir kısmı 725°C’de 5 dakika ısıtma sonucu küreler haline çevrilirler. Bu tür bir işleme küreleştirme adı verilir. Küreleştirme işlemi sonucu sertlikte azalma meydana gelir ve herhangi bir dönüşüm söz konusu değildir (Şekil 2.7 e). Eğer yukarıdaki bileşimdeki çelik 735°C’ye ısıtılırsa perlitin esas kısmı ostenite dönüşür ki bu yapıya su verilmesi sonucu bir miktar ferrit ve perlit dönüşmemiş olarak kalır. 750°C’de 5 dakika tutma süresi tüm perliti dönüştürmek için yeterli olmasına karşın ferritin %5’i yinede dönüşmemiş olarak kalabilir. Bununla beraber şekil 2.8 e’de görüldüğü gibi 775°C’de 5 dakika tutma süresi tüm ferriti dönüştürmek için kafi gelmemektedir. Ferrit kalıntıları şekil 2.8’de açıkça görülebilir. Sementitin varlığı ise şekil 2.7 ile uyumlu olarak yinede söz konusudur.
Sertleştirme sıcaklığına kadar olan ısıtmanın farklı hızlarda yapılmasının dönüşümün hızına ve bileşiklerin (faz veya partikül) çözünmesine etkisi olur. Şekil 2.9’da orijinal olarak ferrit ve perlitten oluşan hemen hemen otektoid bileşiminde bir çeliğin sürekli ısıtma diyagramı gösterilmektedir. Diyagramda sağdan 3. eğri 3°/dak.’lık bir ısıtma hızını temsil eder. Dönüşümün sıcaklığı ısıtma hızındaki artış ile yükselir. Kalıntı karbürlerin dilatometre (faz değişimiyle beraber meydana gelen boyut değişimini veren cihaz) ile bulunan çözünme sıcaklığı, metalografik yöntemle tespit edilen sıcaklıktan (şekil 2.7) bir miktar farklıdır.
Şekil 2.8: %0.45 C’lu bir çeliğin çeşitli ısıl işlemler sonrası mikro yapısı, a) İşlem görmemiş, sertlik 220 HV, b) Tuz banyosunda 725°C’ye kadar ısıtılmış tutma süresi 5 dk. Su verilmiş, sertlik 215 HV, c) Tuz banyosunda 735°C’ye kadar ısıtılmış, tutma süresi 5 dk., sertlik 376 HV, d) Tuz banyosunda 750°C’ye kadar ısıtılmış, tutma süresi 5 dk., sertlik 662 HV, e) Tuz banyosunda 775°C’ye kadar ısıtılmış, tutma süresi 5 dk., sertlik 738 HV, f) Tuz banyosunda 825°C’ye kadar ısıtılmış, tutma süresi 5 dk., sertlik 744 HV.
Çeşitli çelik gruplarına ait tamamlanmış sürekli ısıtma eğrilerinin ısıl işlemin pratik olarak uygulanmasında büyük katkısı vardır. Böyle diyagramlar genellikle hazır
olmadıkları için ısıtma ve soğutma sürelerinin basit olarak tahminleriyle yetinmemiz gerekir.
Şekil 2.9: Sürekli ısıtma için dönüşüm diyagramı. %0.7 C’lu çelikte ferrit ve lamelli perlitin çözünmesi (katı eriyik içine girmesi).
2.2.2. Soğutma
Soğutma veya soğuma sürecinde oluşan yapının genel görünümü, sıcaklığına ve dönüşümün başlaması için geçen süreye bağlıdır. Isıtma durumunda olduğu gibi Fe-C denge diyagramı bize bu husustan başka bir şey vermemektedir. Yukarda tarif edilen şekilde çeliğin belli bir sıcaklıktaki dönüşümü, çeliğin ostenitik halden ilgili sıcaklığa kadar soğutulduktan sonra dönüşümüne ve bu dönüşümü takiben oda sıcaklığında su verilmesine izin verilerek incelenebilir. Bu işlemler sonucunda elde edilen yapı mikroskopta gözlenir.
Şekil 2.10: Çeşitli çeliklerin çeşitli soğuma programlarından sonuçlanan yapısal dönüşümler. A) %0.8 C, b) %0.45 C, c) %0.1 C
A: Ostenit, B: Beynit, C: Sementit, F: Ferrit, P: Perlit, M: Martenzit, Ms: Martenzit başlama sıcaklığı.
Bir perlitik çelik ostenitleme sıcaklığından, örneğin 850°C’den 750°’ye oğutulduğunda, Fe-C denge diyagramına göre herhangi bir dönüşümün meydana gelmesi
Perlit oluşumu ostenit tane sınırlarında veya ostenit tanelerinin içersindeki diğer düzensiz bölgelerde başlar. Bu proses Hillert tarafından ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Hillert y
s
söz konusu değildir. Eğer sıcaklık 650°C’ye düşerse 1 saniye sonra perlit oluşur ve dönüşüm 10 saniye içinde tamamlanır (şekil 2.10’dan II eğrisi). Perlit oluşum sıcaklığı düştükçe, perlit lamelleri çok inceleşir ve tüm yapı sert olur. Şekil 2.10b’de gösterilen otektoid altı bir çeliğin 750°C’de dönüşümüne izin verilirse, sadece ferrit ayrışır ve ferrit ile ostenit arasında bir denge sağlanır (şekil 2.10’dan I nolu eğri). Eğer dönüşüm 650°C’de gerçekleşirse önce ferrit ayrışması ve bunu takiben kısa bir süre sonra perlit oluşumu meydana gelir. Şekil 2.10c’den görüldüğü gibi benzer olarak otektoid üstü çelikte de ilk önce sementit ayrışır ve bunu perlit oluşumu takip eder.
apmış olduğu çalışmalarda perlit teşekkülünün ya ferrit, ya da sementit üzerinde başladığını ve perlitin büyümesinin de dallanma şeklinde ilerlediğini saptamıştır. Ostenitten ince sementit plakalarının kenarlarına karbon iletimi, aynı zamanda ferrit plakalarının kenarlarının karbonca fakirleşmesine neden olduğundan sementit ve ferrit plakaları yan yana pozisyonda büyürler. Perlitin bu modele göre büyümesi şekil 2.11’de gösterilmektedir.
Şekil 2.11: Perlitin büyümesinin şematik olarak gösterilişi. .2.4. B
i sıcaklıklarda beynit perlitle beraber ayrışmaya başlar. Beynit luşumunun tane sınırlarından plakalar halinde büyüyen ferrit çekirdeklerinin üzerinde başladığ
2 eynit Oluşumu
550°C’nin altındak o
ı varsayılır. Beynit teşekkülü sırasında ostenitin çevresindeki karbon miktarı sürekli olarak artar. Bu artış belli bir sınıra geldiğinde ferrit plakaları ile yan yana pozisyonda sementit plakaları meydana gelir. Sıcaklık düştükçe beynitin oluşumu ostenit
tanelerinin içersinde de başlar; aynı zamanda beynitin meydana geliş şekli değişir. Metalurjik amaçlı mikroskopta beyniti diğer fazlardan ayırt etmek güçtür. Çünkü beynitin oluşum sıcaklığına ve çeliğin cinsine bağlı olarak görünümü de değişir. Şekil 2.12’de Cr-Mn çeliğine ait beynitik bir yapı görülmektedir.
Beynit; oluşum sıcaklığına bağlı olarak üst ve alt beynit olarak tanımlanır. Genellikle 370-500°C sıcaklıklar arasında elde edilen beynit türü, üst beynit olarak adlandırılır. Daha düşük sıcaklıklarda elde edilen beynit ise alt beynittir. Üst beynit alt beynite göre daha az mukavim fakat daha sünektir.
Şekil 2.12: Beynitik yapı, x500
2.2.5. Martenzit Oluşumu
ekil 2.10a-c’ye dönecek olursak, eğer soğuma çok hızlı bir şekilde ve Ms e uygulanırsa ostenitin dönüşümü sırasında çok az karbon hareketi
teori geliştirilmiştir. Şekil 2.13 martenzit oluşumu sırasında γ demirinden, α Ş
sıcaklığının altına gelecek şekild
olacak, böylece karbon atomları α demiri katı eriyiği içerisinde kalacaklardır. Karbon atomlarının yerleşebilecekleri mevcut boşluklar γ demirine oranla α demirinde daha az olduğu için, α demiri kafesinde bir genişleme söz konusu olacak ve böyle bir gerilmeli hal ise çeliğin sertleşmesine yol açacaktır. Sertleşme sonrası oluşan ve karbonun α demiri içerisinde aşırı doymuş bir eriyiği olan bu yeni faza martenzit adı verilir.
Çok sayıda zıt görüşlerin yer aldığı martenzit oluşum mekanizması hakkında birkaç
demirine geçişin şekil olarak gösterilişi sunulmaktadır. Martenzit birim hücresinin kenarlarında yerleşmiş karbon atomları birim hücrenin bir yönde uzamasına ve sonuçta tetragonal kafesin ortaya çıkmasına neden olurlar. Yüksek karbonlu çeliklerde bile, mümkün kafes yerlerinin çok az bir kısmı karbon atomları tarafından işgal edilirler. Martenzit miktarı karbon içeriğindeki artışa bağlı olarak artar.
Şekil 2.13: Ostenitten, martenzite dönüşüm için yapılmış basit bir modelin şematik olarak gösterilişi.
Dönüşüm diyagramlarından görüldüğü gibi, perlit ve beynit oluşması zamana bağlı olarak ilerlediği halde, martenzit teşekkülünde böyle bir durum söz konusu değildir. Ms’nin altındaki her bir sıcaklık belli bir martenzit oluşum yüzdesine tekabül eder. Ancak oluşan gerçek martenzit miktarı çeliğin cinsine, ostenitleme işleminin koşullarına ve sertleştirme için uygulanacak soğutma hızına bağlıdır. Sıcaklık düştükçe meydana gelen martenzitik dönüşüm, sıcaklık mikroskobu altında izlenebilir. Şekil 2.14a-f martenzit dönüşümünün adım adım ilerleyişini göstermektedir.
Şekil 2.14: Düşük sıcaklıklarda ostenitin martenzite ard arda dönüşmesi, a)280°C b)220°C c)200°C d)195°C e)180°C ve f)175°C
Bu şekle göre 220°C’de martenzit meydana gelecek ve 175°C’de ostenitin büyük bir kısmı martenzite dönüşmüş olacaktır.
Marder ve Krauss Fe-C alaşımlarında martenzitin yapısını incelemişler, masif martenzit ve iğnesel martenzit adı verilen iki çeşit martenzitin var olduğunu bulmuşlardır. Masif martenzit %0.6’ya kadar C içeren çeliklerde mevcuttur. Bu martenzit türü birbirine paralel olarak uzanmış ince plakalardan oluşur (Şekil 2.15a). Bu yapı ancak elektron mikroskobu ile ayırt edilebilir. Buna çok benzer görünümlü martenzit sadece %1 C’lu ve daha yüksek karbonlu çeliklerde görülmektedir. Yüksek karbonlu çeliklerin su verilmiş yapıları ostenit matrisi içinde düzensiz sıralanmış plakalardan oluşur (Şekil 2.15b). %0.6-1 C değerleri arasında hem masif martenzit hem de iğnesel martenzit bir arada meydana gelebilir.
Bir alaşımsız çelik için martenzit başlama ve bitiş sıcaklığı (Ms ve Mf), şekil 2.16’dan görüldüğü gibi karbon içeriğine bağlıdır.
Şekil 2.16: Alaşımsız bir çelikte ostenitik karbon (ostenit içerisinde çözünmüş) miktarının Ms ve Mf sıcaklığına etkisi.
2.2.6. Kalıntı Ostenit
Bir otektoid çelikte ostenitin büyük bir kısmı, oda sıcaklığına yapılan soğutma sırasında martenzite dönüşür. Soğutma sırasında ostenitin dönüşmemiş olarak yapıda kalan kısmına, kalıntı ostenit adı verilir. Şekil 2.17 bir alaşımsız çelikte kalıntı ostenit miktarının karbon miktarı ile değişimini göstermektedir. Eğer sıcaklık oda sıcaklığının altına düşürülürse ostenitten martenzite dönüşüm devam eder (Şekil 2.16). Martenziti artırmak için yapılan bu işleme sıfırın altına soğutma, “subzero-treatment”, adı verilir.
Şekil 2.17: Ostenit içerisinde çözünmüş halde bulunan karbon miktarına bağlı olarak kalıntı ostenitin değişimi.
2.2.7. TTT Diyagramları
Son yirmi yıl içerisinde yukarıda bahsedilen fazların oluşumu hakkında çok fazla araştırmalar yürütülmüş ve günümüzde kullanılan tüm çelik grupları için TTT (Zaman-Sıcaklık-Dönüşüm) diyagramları yardımıyla bilgi dolu diyagramlar çıkarılmıştır. TTT diyagramları aynı zamanda izotermal (eş ısıl) dönüşüm diyagramları olarak da adlandırılırlar. Bunlar sabit sıcaklıkta dönüşüme maruz bırakılan çelikler üzerinde yapılan deneylerden elde edilen verilerden oluşturulurlar. Diğer bir tür diyagram (CCT diyagramı) gerçek sertleştirme sırasında yer alan dönüşüme çok yakın bir dönüşümü tarif eder. Şekil 2.18a ve b dönüşümün başlamasının sürekli soğuma halinde izotermal işleme oranla daha uzun olduğunu göstermektedir.
Şekil 2.18: BS 708 A 37 çeliğinin a) İzotermal, b) Sürekli soğuma diyagramı.
TTT diyagramları çeliğin ısıl işleminde çok önemli rol oynarlar. Bu diyagramların tanıtılması konusuna daha sonra tekrar değinilecektir.
2.3. Martenzit ve Kalıntı Ostenitin Temperleme İşlemiyle Ayrışmaları
Sertleştirme sırasında oluşan martenzit genel olarak çok gevrektir. Bu yüzden martenzit halinde bir çeliğe temperleme işlemi uygulanmadan pratik olarak kullanmak doğru değildir. Temperleme genellikle toklukta artışa aynı zamanda sertlik düşüşüne neden olur. Temperleme işleminin mekanizmasının daha iyi anlaşılması amacıyla,
sertleştirilmiş bir karbon çeliğinde temperleme sıcaklığındaki sürekli bir artışla beraber meydana gelen üç adet temperleme kademesi aşağıda özetlenmektedir:
1. 80-160°C → ε karbür adı verilen karbonca zengin bir fazın çökelmesi. ε karbürün çökelmesi sonucunda martenzit içerisindeki karbon oranı %0.3 değerine iner.
2. 230-280°C → Kalıntı ostenitin beynite benzer bir yapıya dönüşmesi
3a. 160-400°C → Sementit (Fe3C) oluşumu ve bunun ε karbürün yerine
büyümesi.
3b. 400-700°C → Sementitin küreleşmesi ve sürekli olarak büyümesi
Yukarıdakilerden bir miktar farklı temperleme sıcaklıkları da ileri sürülmüştür. Bunların farklı oluşu esas olarak farklı ısıtma hızlarından ileri gelmektedir. Şekil 2.19 %1 C’lu çeliğin çeşitli temperlenme kademelerinin işaretlendiği temperleme eğrisini göstermektedir.
Yüksek alaşımlı Cr’lu çelikler, sıcak-iş çelikleri ve yüksek hız çeliklerinde, kalıntı ostenitin dönüşümünün meydana geldiği sıcaklık aralığı yüksek sıcaklıklara doğru kayma gösterir. Kalıntı ostenitin dönüşüm ürünü örneğin beynit veya martenzit, temperleme sıcaklığı ve temperleme süresine bağlıdır (Şekil 2.20). Beynit teşekkülü izotermal olarak meydana gelir. Örneğin beynit; temperleme sırasında sabit bir sıcaklıkta, martenzit ise çeliğin temperleme sıcaklığından soğutulmasıyla oluşur.
Şekil 2.20: A2 çeliğinde kalıntı ostenitin dönüşümünü gösteren TTT diyagramı. Yüksek alaşımlı çeliklerde çok ince dağılmış karışık karbürlerin çökelmesi 500°C civarında gerçekleşir. Bu işleme temperlemenin dördüncü kademesi adı verilir. Kalıntı ostenitten oluşan martenzit ile karbürün beraber çökelmesiyle yüksek hız çelikleri ve diğer alaşımlı çeliklerde karakteristik bir özellik olan maksimum sertliğe ulaşılır. Şekil 2.21’de farklı sıcaklıklarda 2 saat temperlenmiş günümüzde kullanılan bazı takım çeliklerinin sertliklerindeki değişimler gösterilmektedir.
Şekil 2.21: Günümüzde kullanılan bazı takım çelikleri için temperleme eğrileri. Sertlik, sıcaklık ve temperleme süresi arasındaki ilişki, Holloman ve Jaffe tarafından formüle edilmiştir. Bu bağıntı;
)
log
(
k
t
T
P
=
+
şeklinde verilir. Burada;P: Temperleme prosesine bağlı bir parametre T: Sıcaklık, °K
k: Bir sabit t: zaman, saat
Her bir P değeri, her bir çelik grubu için önceden çizilmesi gereken bir ana parametre eğrisinden okunabilen bir sertlik değerine tekabül eder. k sabiti alaşımlı çeliklerin çoğu için yaklaşık 20’dir. H13 çeliği için böyle bir eğri şekil 2.22’de verilmektedir. Bu tür eğrilerin pratik uygulamaları iler ki bölümlerde anlatılacaktır.
Şekil 2.22: H13 çeliği için ana parametre eğrisi. 2.4. Difüzyon
2.4.1. Difüzyonun şekli
Difüzyon malzemeler içindeki atomların hareket etmesi olayıdır. Bu olay gazlar, sıvılar, çelikler ve diğer metalik sistemlerde meydana gelir. Difüzyonun ısıl işlemlerin çoğunda büyük bir önemi vardır. Bu nedenle, difüzyon mekanizmasının ve difüzyon kanunlarının anlaşılması, karbürizasyon, dekarbürizasyon, nitrürasyon, borlama ve tavlama gibi ısıl işlemlerin kavranmasını kolaylaştırır.
Demir atomundaki misafir bir atom gibi aynı tür yerleri işgal eden yeralan bir katı eriyikteki yabancı veya alaşım atomları boşlukların yardımıyla hareket ederler. Çelik malzemelerde çok sayıda boş yerler mevcut olduğu için bu boşluklar yardımıyla atomların sürekli olarak hareketi söz konusudur. Demir atomlarına oranla çok küçük boyutta olan C ve N atomları demir atomlarının aralarına yerleşerek arayer katı eriyiği oluştururlar. Bu küçük atomlar boşlukların yardımı olmaksızın difüze olurlar ve difüzyon hızları yeralan atomlardan daha yüksektir.
Einstein tarafından yapılan araştırmalar sonucunda ortalama difüzyon mesafesi;
)
2
( Dt
x
=
bağıntısı ile ifade edilmektedir. Burada:
t: Zaman, sn’dir.
Bu bağıntı pratik olarak atomların bir yönde hareketleri sırasında belli bir süre içinde difüzyonun ne kadar ilerlediğini saptamak için uygulanır. Böyle bir amaç için bağıntı,
k
Dt
x
=
(
2
)
,
(2D)
=
t
k
x
=
olarak yazılır. Bu eşitlik difüzyon proseslerinin çoğu için temel kabul edilir. Eğer k=0.1 durumunu ele alacak olursak, şekil 2.23’deki grafiği elde ederiz.
Şekil 2.23: k=0.1 durumu için difüzyonun zamana bağlı değişimi.
Şekil 2.23’de difüzyon mesafeleri arasındaki farka dikkat edilmelidir. Difüzyonun başlangıcından itibaren zamanla lineer bir değişim göstermiyor olması dikkat edilmesi gereken durumdur.
2.4.2. Difüzyon hızına etki eden faktörler
Difüzyon bir konsantrasyon gradyanından ileri gelir (örneğin, malzemenin içerdiği C oranı ile, malzemenin içinde tutulduğu ortamın C oranı arasındaki fark). Bu gradyan
difüzyon olayının gerçekleşmesi için gerekli itici kuvveti oluşturur. Difüzyonun konsantrasyon gradyanına bağlılığı Fick’in birinci kanunu ile verilmiştir.
x
c
D
J
δ
δ
⋅
−
=
Bu bağıntıda;J: difüzyon yönüne dik bir düzlemin birim alanından birim zamanda geçen madde miktarı, gr/cm2.sn
D: difüzyon katsayısı, cm2/sn
c: Difüze olan maddenin konsantrasyonu, gr/cm3
x: Difüzyon mesafesi, cm
Difüzyon katsayısı sıcaklığa çok etkin bir şekilde bağlıdır. Kaba bir tahminle D, her bir 20°C’lik artışta çift değerine ulaşır. Farklı sıcaklıklar için, D aşağıdaki bağıntıyla verilir. ) ( 0 RT Q
e
D
D
=
− Burada, D0: Frekans faktörü, cm2/snQ: Aktivasyon enerjisi, cal/mol/°K T: Sıcaklık, °K
R: Gaz sabiti
Tablo 2.1’de bazı malzemeler için yaklaşık D0 ve Q değerleri verilmektedir. Bu
değerler çeşitli araştırmacılar tarafından biraz farklı olarak verilebilmektedir. Tablo 2.1: Bazı malzemeler için yaklaşık D0 ve Q değerleri.
Yayınan Element Difüzyon Ortamı D0, cm2/sn Q, cal/mol/°K
Karbon α-demiri 0.0079 18100 Karbon γ-demiri 0.21 33800 Nikel γ-demiri 0.5 66000 Manganez γ-demiri 0.35 67000 Krom α-demiri 30000 82000 Krom γ-demiri 18000 97000
2.4.3. Difüzyon mesafesinin hesaplanması
İkinci Fick kanunundan hareketle difüzyon mesafesi hesaplanabilir. Bu bağıntı;
2 2
x
c
D
t
c
δ
δ
=
δ
δ
şeklindedir.Bu bağıntının, karbürizasyon (sementasyon) ısıl işlemindeki uygulama şekli aşağıda anlatılmıştır.
Karbürizasyon sırasında çeliğin yüzeyinin sahip olabileceği karbon miktarının, karbürleştirici ortamın karbon potansiyeline eşdeğer olduğu ve yüzeyin en dış tabakasındaki karbon konsantrasyonunun tüm işlem sürecinde sabit kaldığı varsayılır. Çeliğin yüzeyinin dış tabakasında karbürizasyon sırasında genellikle %0.8-1.0 değerleri arasında karbon mevcuttur. Belirli bir karbürizasyon süresi sonunda belli bir mesafedeki karbon konsantrasyonu aşağıdaki bağıntı ile hesaplanır;
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
−
=
−
)
2
(
1
)
(
1 0 0Dt
x
erf
C
C
C
C
Burada,C: Yüzeyin altında x derinliğindeki gerekli (hedeflenen) karbon konsantrasyonu (Şekil 2.24)
C0: Çeliğin esas karbon miktarı
C1: Çelik yüzeyinin karbon miktarı
x: Difüzyon mesafesi (cm) D: Difüzyon katsayısı (cm2/sn)
t: zaman (sn)
erf: Hata fonksiyonu (Tablo 2.2)
Tablo 2.2: Bazı hata fonksiyonu değerleri. Y Erf(y) y Erf(y) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.000 0.112 0.223 0.329 0.428 0.521 0.604 0.678 0.8 0.9 1.0 1.2 1.4 1.6 2.0 2.4 0.742 0.797 0.843 0.910 0.952 0.976 0.995 0.999 Örnek 1.
%0.20 C’lu çeliğin 900°C’de karbürizasyonu sonucu yüzeyin 1 mm altında %0.4 C konsantrasyonu sağlamak için karbürizasyon süresi ne olmalıdır? Yüzeydeki C konsantrasyonu %1 olarak alınacaktır.
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−
=
−
)
)
(
2
(
1
)
2
.
0
0
.
1
(
2
.
0
4
.
0
Dt
x
erf
75
.
0
)
)
(
2
(
=
Dt
x
erf
814
.
0
)
(
2
Dt
=
x
)
(
63
.
1
Dt
x
=
7 ) 1173 987 . 1 33800 (10
1
.
1
21
.
0
− ××
=
=
D
e
D
Sonuç olarak; t=34200 saniye olarak bulunur. 2.4.4. Katılarda Difüzyon-Yayınma
Difüzyon, en geniş anlamda maddenin bir yerden diğer bir yere taşınmasıdır. Sıvı ve gazlarda, moleküllerin gelişigüzel hareketi sayesinde difüzyon çok kolaydır. Katılarda, atomların gelişigüzel hareketi çok zordur. Ancak; katı malzeme mutlak sıfır noktasının üzerine ısıtılırsa iki türlü hareket yapar. Bunlardan birincisi, atomların denge konumları etrafında (kristal kafesindeki) titreşmesidir (şekil1-a). İkinci atomsal hareket ise yayınmadır. Yayınmada atomlar kristal kafesi içindeki konumlarını komşu atomlara göre değiştirirler. Yayınma için temel şart titreşimdir. Atomsal titreşimin genliği sıcaklık arttıkça artar ki bu da yayınma hızını arttırır.
Şekil 2.25: Katılarda difüzyonun şematik gösterilişi Katılardaki Difüzyon Çeşitleri
A. Kitle Difüzyonu
Bu tip difüzyon, atomların çeşitli hareketleri sonucu meydana gelir. Örneğin; a) Arayer Mekanizması: Yayılan atom çapı, matris atomu çapından çok küçükse
arayer mekanizması gerçekleşir. Karbonun α veya γ demiri içinde yayınması bu mekanizma ile olur. Atom, denge konumundan ayrılarak arayer atomu durumuna gelir.
Yayınma Yönü E
b) Boş Köşe Mekanizması: Kafes köşelerinin her tarafı kafes hatasından dolayı işgal edilmiş olmayabilir. Bu durumda yayınmayı sağlayan etkenler varsa, atom bu boş köşeye doğru hareket edecektir. Çoğunlukla YMK sistemlerde görülür. Bazı HMK sistemlerde de olabilir.
Yayınma Yönü E
c) Arayerimsi Mekanizma: Arayere sıkışan atom çapı diğer atomların çapına yakın ise bu mekanizma meydana gelir. Örneğin Ag-Br alaşımında (∅Ag<∅Br).
d) Crowdion Mekanizması: Sıkı düzen yönünde yön değiştirme ile ekstra bir atomun araya girmesidir.
Ag
Br
f) Halka Mekanizması: Atomların birbirleri ile halka oluşturarak yer değiştirmesidir.
Dörtlü Halka Üçlü Halka
B. Tane Sınırları Boyunca Difüzyon
Tane sınırları, malzemenin diğer taraflarına göre atomik seviyede hatalı bir bölge olduğu için difüzyon bu bölgelerde daha kolaydır. (Malzemede hatalı bölgelerde difüzyon daha kolaydır). Kitle difüzyonu ile karşılaştırıldığında tane sınırları boyunca difüzyon için gerekli aktivasyon enerjisi, kitle difüzyonu için gerekli aktivasyon enerjisinin yarısı kadardır. yonu KitleDifüz ifüzyonu TaneSınırD
Q
Q
≈
∆
∆
2
1
C. Yüzey DifüzyonuYüzey difüzyonu için gerekli aktivasyon enerjisi kitle ve tane sınırı difüzyonu için gerekli aktivasyon enerjisinden daha az olduğundan diğer difüzyon çeşitlerine göre en kolay gerçekleşen difüzyon türüdür.
yonu KitleDifüz Difüzyonu TaneSınırı yonu YüzeyDifüz
Q
Q
Q
<
∆
<
∆
∆
Her ne kadar, yüzey ve tane sınırı difüzyonlarının özgül hızları kitle difüzyonunun hızından çok daha büyük iseler de toplam difüzyon üzerindeki etkileri, tane sınırı ve yüzey bölgelerinde atomların nispeten az sayıda olması dolayısıyla genel olarak küçüktür.
2.4.5. Difüzyona Etki Eden Faktörler
Yayınma katsayısı D genel olarak sabit değildir. Genellikle D, sıcaklık, yoğunluk ve kristal yapı gibi birçok değişkenin fonksiyonudur. Bu değişkenlerin belirli bir değere sahip olduğu kabul edilirse yayınma katsayısı belirli bir sayı olarak alınabilir.
Yayınma katsayısının bileşim ile değişimi konusunda bilgi azdır. Ancak, bileşimin değişimi ile yayınma katsayısının değerinde büyük değişmeler görülür. Şekil 2’de karbonun 925°C’de demir içinde arayer yayınması halinde, bileşim ile yayınma katsayısının değişimi gösterilmiştir.
Şekil 2.26: Karbon oranının yayınma hızına etkisini gösteren diyagram.
Kristal yapının yayınma katsayısı üzerine etkisini Tablo 2’den anlayabiliriz. Demirin demir kafesi içinde yayınmasına dikkat edilirse, Fe atomunun KHM’li kristal yapısındaki yayınma katsayısı aynı şartlarda KYM’li kristal yapısındakinden yaklaşık 100 defa daha fazladır.
Malzeme içindeki safsızlıkların veya başka bir deyişle az miktardaki yabancı atomların varlığı, eriyen atomların eriten metal içinde yayınması üzerinde önemsiz bir etkiye sahiptir.
Tane büyüklüğünün yayınma üzerine etkisi: Tane sınırı yayınması, tane içi yayınmasından daha süratli olduğundan küçük taneli metalde yayınma hızının artması beklenir. Ancak genellikle yayınma hesaplarında tane büyüklüğünün etkisi göz önüne alınmaz.
3. YÜZEY SERTLEŞTİRME YÖNTEMLERİ
3.1. Sementasyon
Sementasyon ısıl işlemini anlatmadan önce Sementasyon Çeliği nedir? Sorusunu cevaplamak gerekmektedir. Sementaston çelikleri, yüzeyde sert ve aşınmaya dayanıklı, çekirdekte ise daha yumuşak ve tok özelliklerin istendiği, değişken ve darbeli zorlamalara dayanıklı parçaların imalinde kullanılan, düşük karbonlu, alaşımlı veya alaşımsız çeliklerdir.
Parçaya bu özelliklerin kazandırılması, çelik yüzeyine karbon emdirilmesi suretiyle olur.
Sementasyon çelikleri; dişliler miller piston pimleri, zincir baklaları, zincir dişlileri ve makaraları, diskler, kılavuz yatakları, rulmanlı yataklar, merdaneler, kesici takımlar gibi parçaların imalinde kullanılırlar.
Sementasyon çeliklerinin kullanımı yüzeyde aynı sertliği verebilecek yüksek karbonlu çeliklerin kullanımına nazaran şu avantajları sağlar:
a. Sementasyon işlemi, parça kısmen veya tamamen son şeklini aldıktan sonra uygulandığı için, parçanın işlenmesi oldukça kolaydır.
b. Parçanın üzerinde sonradan işlenecek, sertleşmesi istenmeyen kısımlar var ise bu bölgeler özel pasta ile veya elektrolitik bakır ile kaplanarak örtülebilir. Sementasyon işlemi bu kısımlara etki edemeyeceği için sonradan kolayca işlenebilir.
c. Sementasyon işleminden sonra, çekirdek bölgesi yumuşaklığını koruyacağından, sertleştirme sırasında ortaya çıkacak çarpılmalar oldukça azdır.
d. Semente edilmiş çelikler, yüzeyde aynı sertliği verebilecek çoğu zaman takım çeliği durumundaki yüksek karbonlu çeliklerden daha ucuzdur.
Sementasyon işlemi, yüzey sertleştirme yöntemlerinden birisi olup, en eski ve en yaygın olarak kullanılanıdır. Esas itibarıyla düşük karbonlu çelik parçanın yüzeyine, karbon emdirilmesi işlemidir. Karbon emdirilmesi işlemi, çelik parçanın karbonmonoksit (CO) içeren bir ortamda ostenit faz sıcaklığına kadar ısıtılmasıyla, gaz-metal reaksiyonu sonucu oluşur. Genellikle 850-950°C sıcaklıklar arasındaki bir sıcaklık tercih edilir. Bu sıcaklığa Sementasyon Sıcaklığı adı verilir.
Aşağıdaki reaksiyona göre;
CO
C
CO
2+
⇔
2
oluşan CO, kullanılan sementasyon sıcaklığında, ostenit faza getirilmiş olan çelik parçasının yüzeyinde parçalanır ve açığa çıkan atomik karbon ( C ) çelik bünyesine emilerek çözünür.
Aşağıdaki reaksiyon bu durumu ifade etmektedir;
[ ] 2
2
CO
Fe
CO
Fe
+
⇔
C+
Yukarıda verilen her iki olayda geri dönmelidir. I. reaksiyon sıcaklığın azalmasıyla, sağdan sola doğru ilerleyerek karbondioksitçe zengin bir gaz atmosferi meydana getirir. Eğer çelik parça böyle bir ortamda kalacak olursa II. reaksiyonda sağdan sola doğru Fe ilerleyerek, çelik parçanın yüzeyinden karbon kaybetmesine neden olur. Bu duruma Dekarbürizasyon olayı denir. Diğer bazı dekarbürizasyon reaksiyonlarıda şunlardır: [ ] [ ] 2 2 2 2
CO
Fe
O
Fe
H
CO
Fe
O
H
Fe
C C+
⇔
+
+
+
⇔
+
Kullanılan sementasyon sıcaklığında ostenit fazda çözünebilen maksimum karbon miktarı demir karbon denge diyagramında Acm eğrisinden bulunabilir.
Çelik parça, sementasyon sıcaklığında karbon difüzyonunun arzu edilen derinliğe kadar ilerlemesi için yeterli süre tutulur. Bu süreye sementasyon zamanı adı verilir. Sementasyon zamanı boyunca, çelik parçanın yüzeyinden içeriye doğru yayınan karbonun ilerleme derinliğine Sementasyon Derinliği denir.
Sementasyon sonrasında, çelik parça bir sertleştirme işlemine tabi tutularak yüzeyde yüksek sertlik elde edilir. Bu işlemlere Sementasyon Sonrası Sertleştirme Yöntemleri denir.
Sementasyon işlemi değişik karbon verici ortamlarda yapılabilir. Bunlar; a. Kutu sementasyonu (katı ortamda sementasyon)
b. Tuz banyosunda sementasyon (sıvı ortamda sementasyon) c. Gaz sementasyonu
3.1.1. Kutu Sementasyonu
Kutuda yapılan sementasyon işlemi için karbon verici olarak genellikle odun kömürü kullanılır. Semente edilecek parçalar çelik veya dökme demirden yapılmış kutu içerisindeki odun kömürüne gömülür ve kutunun ağzı sıkıca kapatılarak fırına yerleştirilir. Sıcaklığın yükselmesiyle odun kömürü kutu içerisindeki havanın oksijeni ile reaksiyona girerek CO2 oluşturur. CO2’de tekrar odun kömürü ile reaksiyona girerek CO meydana
getirir.
CO
C
CO
2+
⇔
2
Sıcaklığın artmasıyla, yukarıdaki reaksiyona göre CO oluşumu artar. Ortaya çıkan CO, çelik yüzeyinde ayrışarak CO2 ve atomik karbon meydana gelir. CO2 tekrar odun
kömürü ile reaksiyona girerek CO meydana getirir. Reaksiyon bu şekilde devam eder. Kutudaki oksijen miktarı giderek azalacağından ve sementasyon için gerekli CO oluşumu yetersiz kalacağından odun kömürüne yaklaşık %20 oranında bazı reaksiyon hızlandırıcılar ilave edilir. Bu amaçla alkali metal karbonatları kullanılır. Bu ise çoğunlukla BaCO3’dır. Bazen de ilave maddelerin %30’u civarında CaCO3 ve NaCO3 ilave edilir.
Bu metot genellikle büyük parçaların sementasyonunda kullanılır. Ancak çelik parçasında ince sementasyon derinliği istendiği takdirde pek uygun bir metot değildir. Bu yöntemin bir diğer dezavantajı da ısıtma ve soğutma için her defasında fazladan zamana ihtiyaç olmasıdır.
3.1.2. Tuz Banyosunda Sementasyon
Tuz banyosunda sementasyon için karbon verici olarak sodyumsiyanür (NaCN) veya potasyum siyanür (KCN) tuzları kullanılır. Ancak, tuz seçimi istenilen sementasyon sıcaklığına göre yapılmalıdır. İki tür tuz vardır:
a. İnce sementasyon derinliği veren tuzlar. Bunlarla düşük sementasyon sıcaklıklarında çalışılır. Bu durumda, tuz banyosundaki siyanür miktarı %20 civarındadır ve çalışma sıcaklığı 843-899°C olmalıdır. Böyle bir sementasyon tuz banyosunda 0.9 mm’ye kadar sementasyon derinliği elde edilir.
b. Sementasyon derinliğini artıran tuzlar (yüksek sementasyon sıcaklığında çalışılan tuzlar). Bu durumda ise tuz banyosundaki siyanür miktarı %10’dur ve kullanılan sementasyon sıcaklığı 899-954°C arasındadır. Bu tip sementasyon banyosunda 3 mm’ye kadar sementasyon derinliği elde edilebilir. Hatta bazen 6 mm’ye kadar ilerlemek mümkündür.
Bu metotla sementasyon işlemi aşağıdaki reaksiyonlara göre gaz fazında cereyan eder. 2 3 2 2
)
(
2
2
2
4
2
2
CO
C
CO
N
CO
CO
Na
NaCN
NaCNO
NaCNO
O
NaCN
+
→
+
+
+
→
→
+
850-950°C’de ostenit fazındaki çelik, CO ile reaksiyona girerek karbonu bünyesine alır. Bu arada bir miktar azot da çelik tarafından emilir. Çeliğin karbon ve azot emme miktarı önemli ölçüde banyodaki siyanür miktarına ve sementasyon sıcaklığına bağlıdır.
Tuz banyosunda arzu edilen kabuk derinliği küçüldükçe, elde edilen ekonomi büyür. Buna sebep ise, tuz banyosundaki çelik parçaların ısınma hızının kutu sementasyonundakinden daha yüksek olmasıdır.
Parçalar tuz banyosuna daldırılmadan önce 100-400°C arasında ön ısıtma yapılmalıdır. Böylece parçaların üzerindeki nem alınmış ve tuz banyosu daha verimli olarak kullanılmış olur.
Tuz banyolarının avantajları:
• Parça yüzeyinde homojen sementasyon derinliği verir,
• Çelik parçalar, banyonun yüksek ısı iletimi nedeniyle daha çabuk sementasyon sıcaklığına ulaşır.
Dezavantajları ise;
• Homojen sementasyon derinliğinin sağlanması için, banyo kompozisyonunun sık sık kontrol edilerek ayarlanması gerekir. Ayrıca siyanür tuzları zehirli olduklarından kullanırken önlemler almak gereklidir.
3.1.3. Gaz Sementasyonu
Gaz sementasyonu son yıllarda yüzey sertleştirme metotlarının en popüler olanı haline gelmiştir. Karbon verici olarak metan (CH4), etan (C2H6), propan (C3H8) gibi
hidrokarbonlar kullanılır. Sementasyon sıcaklığında çeşitli reaksiyonlar oluşur. Aşağıdaki reaksiyonların soldan sağa doğru ilerlemesi sonucu ortaya çıkan atomik karbon, ostenit fazındaki çelik bünyesine girerek yüzeyde karbonca zengin kabuk bölgesini meydana getirir. Başlıca karbon sağlayan reaksiyonlar:
2 4
C
2H
CH
⇔
+
2 4 6 2H
C
xCH
yH
C
⇔
+
+
2 4 6 2 8 3
H
C
xC
H
yCH
zH
C
⇔
+
+
+
22
CO
⇔
C
+
CO
O
H
C
H
CO
+
2⇔
+
2Gaz ortamda sementasyon belirli bir basınç altında yapılır. Yüksek basınç reaksiyonu hızlandırır. Ancak fırın dizaynını zorlaştırır. Pratikte atmosfer basıncının biraz üzerinde çalışılır. İşlem sıcaklığı 890-950°C arasındadır.
İşlem sonunda elde edilecek sementasyon derinliği çelik parçanın fırında kalış süresine bağlıdır. İşlem tamamlandıktan sonra kullanılan çelik çeşidine bağlı olarak uygun sertleştirme yöntemi seçilir.
Bu yöntem, hassas toleranslı sementasyon derinliği istendiği haller için çok elverişlidir. Sementasyon sıcaklığından direkt sertleştirme için, hızlı hareket kolaylığı ve temiz çalışma ortamı sağlaması gaz sementasyonunun diğer avantajları olarak sayılabilir.
3.2. Sertleştirme Yöntemleri
Sementasyon sonrasında çelik parçalar bir sertleştirme işlemine tabi tutulurlar. Sertleştirme işlemi parçanın yüzeyine veya çekirdeğine veya beraberce her iki bölgesinde elde edilmesi istenen sertlik değerine bağlı olarak çeşitli şekillerde yapılır.
Direkt Sertleştirme:
Şekil 3.1: Direkt sertleştirme şeması
Sementasyon sonrası çelik parça, sementasyon sıcaklığından direkt olarak uygun ortamda (yağ, su, sıcak banyo) soğutularak sertleştirilir ve menevişlenir. Bu yöntem, ince taneli yapıdaki çelikler için uygulanır. Oldukça pratik ve ekonomik bir yöntemdir. Cidarda ince taneli martenzit ve artık karbür vardır. İç kısım ise iri taneli, yumuşaktır, kolay işlenir.
Basit Sertleştirme:
Şekil 3.2: Basit sertleştirme şeması
Sementasyon sonrası parça sementasyon fırınında veya havada soğumaya bırakılır. Daha sonra, isteğe bağlı olarak parçanın yüzeyinin sertleştirilmesi için, yüzey, dönüşüm sıcaklığına veya yüzey ve çekirdeğin beraberce sertleştirilmesi için çekirdek dönüşüm sıcaklığına ısıtılır. Uygun ortamda (yağ, su veya sıcak banyo) soğutulur ve menevişlenir.
Bu yöntem değişik kesitli parçalarda, çarpılmaların istenmediği durumlarda uygulanır.
Basit Sertleştirme (Ara tavından sonra)
Şekil 3.3: Ara tavı yapılarak uygulanan basit sertleştirme şeması.
Çelik parçalar semente edildikten sonra sementasyon kutusu veya havada soğumaya bırakılır. Sonra, ötektoid sıcaklığı altında, genellikle 630-650°C’de ara tavı yapılır. Bunu takiben yüzey veya beraberce yüzey-çekirdek sertleşmesi için gerekli sıcaklığa ısıtılır, uygun ortamda soğutulur ve menevişlenir.
Basit Sertleştirme (İzotermik dönüşümden sonra)
Şekil 3.4: İzotermik dönüşümden sonra basit sertleştirme şeması.
Sementasyon sonrası parçalar yüzey dönüşüm sıcaklığı altında (500-600°C) perlit yapının izotermik dönüşümü tamamlanıncaya kadar bekletilir. Tekrar, yüzey veya yüzey-çekirdek sertleştirilmesi için gerekli sıcaklığa kadar ısıtılır. Uygun ortamda soğutularak menevişlenir.
Çift Sertleştirme
Şekil 3.5: Çift sertleştirme şeması
Sementasyon fırınından çıkan malzeme, direkt sertleştirilir. Daha sonra yüzey dönüşüm sıcaklığına kadar ısıtılarak tekrar sertleştirilir ve menevişlenir. Bu yöntemle oldukça iyi yüzey sertleşmesi, sağlanır. Ancak ard arda yapılan sertleştirme işlemi sırasında parçada çarpılmalar olabilir.
3.3. Sementasyon Derinliğine, Yüzey Sertliğine ve Çekirdek Sertliğine Etki Eden Faktörler
Sementasyon derinliğine, yüzey sertliğine, çekirdek sertliğine etki eden faktörler:
a. Semente edilecek çeliğin cinsi b. Parça boyutu
c. Sementasyon sıcaklığı ve zamanı
d. Sementasyon sonrası sertleştirme metodu e. Sertleştirme sıcaklığı, soğutma ortamı
Sementasyon Derinliği
Sementasyon işlemi sonunda çelik parçanın yüzeyinden belli bir derinliğe kadar
karbon yayındırılma işlemi tamamlanmış olur. Bu derinliğe sementasyon derinliği denir.
Etkili sementasyon derinliği, yüzeyden 550 HV sertliğe kadar olan bölge olarak tarif
edilebilir.
Ayrıca sementasyon derinliği, parçanın boyutuna ve sementasyon sonrası sertleştirme sıcaklığı ile soğutma ortamına da yakından bağlıdır. Aşağıdaki şekillerde, değişen boyutlu aynı kalitedeki çelik parçaların sementasyon derinliğinin sertleştirme sıcaklığına ve soğutma ortamına bağlı olarak değişimi görülmektedir.
Şekil 3.7: Değişik ebatlı 13NiCr6 sementasyon çeliğinin, 900°C’de kutu sementasyonu yapıldıktan sonra 780°C’den suda basit sertleştirme ile elde edilen yüzey sertlik değişimi eğrileri
Şekil 3.8: Değişik ebatlı 13NiCr6 sementasyon çeliğinin, 900°C’de kutu sementasyonu yapıldıktan sonra 820°C’den yağda basit sertleştirme ile elde edilen yüzey sertlik değişimi eğrileri
Sementasyon derinliği bir dereceye kadar, çelik kalitesine de bağlıdır. İnce kesitli parçalarda bu önemli değilse de büyük kesitli parçalar için derin sertlik istendiğinde, sementasyon zamanı açısından önem kazanır. Aşağıda 100 mm çaplı, değişik kaliteli çelik parçalarda, 1.5 mm’lik sementasyon derinliğinin sağlanabilmesi için gerekli sementasyon zamanları verilmiştir.
Çelik Kalitesi 21 NiCrMo2 13 NiCr 6 17 CrNiMo 6 Sementasyon zamanı
(saat)
Yüzey Sertliği
Ostenit fazda çözünen karbon miktarı yüzey sertliğini belirleyen kesin faktördür. Yüzeydeki karbon miktarı %0.8 ile %1 arasında olabilecek şekilde kontrol edilmelidir. Yüzeyde karbon miktarının fazla olmasının (ötektoid üstü bölgede) iki önemli nedenden sakıncaları vardır:
a. Eğer çelik parça sementasyon sıcaklığından yavaşça soğutulursa, perlit tane sınırlarında sementit ağı teşekkül eder. Sonra yapılacak sertleştirme işleminde, yapıdaki sementit ağı olduğu gibi kalacak ve bazı olumsuz neticeler verecektir.
b. Yüzeydeki karbon miktarı %0.7’yi geçerse, sertleştirme sonrasında martenzit yapıda artık ostenit kalmasına ve sertliğin azalmasına sebep olacaktır.
Sementasyon zamanı ve karbon verici ortamın aktivitesi, sıcaklık da yüzeydeki karbon konsantrasyonuna etki eder.
Şekil 3.9: 13 NiCr 6 sementasyon çeliğinin 925°C’de değişik sürelerde kutuda semente edildikten sonra yağda direkt sertleştirme sonrası sertlik değişim eğrileri.
Şekil 3.10: 13 NiCr 6 sementasyon çeliğinin 925°C’de değişik sürelerde kutuda semente edildikten sonra 830°C’den yağda basit sertleştirme sonrası sertlik değişim eğrileri.
Çekirdek Sertliği
Çekirdek sertliğine, parça boyutunun ve sementasyon sonrası yapılan sertleştirme sıcaklığının önemli etkileri vardır. Şekil 3.11’de çapları 10-50 mm arasında değişen Ck15 kaliteli çelik parçaları için bu faktörlerin çekirdek sertliğine etkileri incelenmiştir. Parçalar, 925°C’de sementasyon derinliği 1 mm olacak şekilde semente edilmiştir. Sementasyon sonrası değişik sertleştirme sıcaklıkları kullanılmıştır.
Şekil 3.11: Sertlik ve sementasyon derinliği arasındaki ilişki (boyuta bağlı)
3.4. Nitrürasyon
Nitrürasyon ısıl işleminde nitrürasyona tabi tutulan çeliğin bünyesindeki nitrür yapıcı elementler, azot verici ortamda, azotun difüzyonu ile nitrürler meydana getirirler. Bu nitrürler kendi başlarına serttirler ve ayrıca bir sertleştirme işlemi gerektirmezler. Aslında nitrürasyon bir çok çelik cinsine uygulanabilen bir ısıl işlemdir. Fakat nitrürasyon çelikleri adı verilen çeliklerde elde edilen sertleştirilmiş tabakanın daha üstün özelliklere sahip olduğu bilinmektedir.
Nitrürasyon işlemiyle elde edilen sertlik derinliği 0.1-0.9 mm arasında kalmaktadır. Bunun temel nedenleri, nitrürasyonu etkileyen parametrelerdir. Bunlar, işlem sıcaklığı, işlem süresi, ortamın azot konsantrasyonu ve çeliğin bileşimidir.
Nitrürasyon ısıl işlemi 500-570°C sıcaklıklar arasında yapılan düşük sıcaklıklı bir işlemdir. Bu nedenle, ferritik-termokimyasal bir ısıl işlem olarak yorumlanabilir. Nitrürasyon ısıl işlemi sonunda çelik malzemenin kazandığı özellikler şöyle sıralanabilir;
a. Yüksek yüzey sertliği ve aşınma mukavemeti
b. Temperlemeye karşı yüksek direnç ve yüksek sıcaklık sertliği c. Yüksek yorulma mukavemeti ve düşük yorulma çentik hassasiyeti d. Çeliklerde korozyon direnci
e. Yüksek boyutsal kararlılık
Nitrürasyon işlemi sonunda parçada bir miktar hacim artışı görülecektir. Aşırı hassas parçaların nitrürasyonla yüzeyinin sertleştirilmesi söz konusu olduğunda boyutsal kontrolle bu durumun etkileri giderilebilir. Bunun yanı sıra, düşük sıcaklıklı bir ısıl işlem olduğu için işleme tabi tutulan parçalarda çatlamalar ve distorsiyon yoktur.
Nitrürasyon ısıl işlemi çalışılırken, Fe-N denge diyagramından yararlanılır (şekil 3.12). Alışılmış olarak kullanılan nitrürasyon sıcaklıklarında, azot demir içinde çözünür, ancak bu değer %0.1 gibi çok küçük bir yüzdedir. Bu orandan daha fazla azot içeriği, kimyasal formülü Fe4N olan γ′ nitrürlerini oluşturur. Eğer azot oranı %6’yı aşarsa γ nitrür ε
nitrüre dönüşmeye başlar. 500°C’nin altında ε nitrür oluşabilir. Bu fazın azot oranı yaklaşık %11 ve kimyasal formülü de Fe2N’dir.
Metalurjik mikroskopta γ ve ε nitrürler “beyaz tabaka” adı verilen beyaz bir yüzey tabakası olarak görülürler (şekil 3.13). Nitrürasyon sırasında beyaz tabakanın kalınlığındaki artışla, azotun çeliğe daha fazla yayınması aynı anda yürür. Erirlilik (çözünebilirlik) sınırı azaldığında, nitrürler tane sınırlarında ve belli kristalografik düzlemler boyunca çökelirler. Alaşım elementlerinden Al, Cr ve Mo nitrür oluşturucu olarak kullanılırlar.
Şekil 3.13: %0.15 C’lu çeliğin 500°C’de 10 saat gaz nitrürasyonu sonucu beyaz tabaka ve iğnesel demir nitrürün çökeldiği difüzyon tabakasının görünümü, x500.
Nitrürasyon gaz, tuz banyosu (sıvı) veya toz ortamda yapılabilir. Bu yöntemler kendi içlerinde farklılıklar gösterebileceği gibi, birbirleri arasında da işlem farklılıkları içerirler.
3.4.1.Amonyakla Gaz Nitrürasyonu
Orijinal gaz nitrürasyon yönteminde, amonyağın sertleştirilecek parçanın üzerinden takriben 510°C’de akmasına izin verilir. Amonyak,
2
3
2
3
2
NH
→
N
Fe+
H
reaksiyonuna göre ayrışır. Reaksiyon sonucu atomik olarak ayrışan azot çelik tarafından absorbe edilir. Şekil 3.14 amonyağın ayrışma reaksiyonunu ve azotun çelik tarafından bünyeye alınışını şematik olarak göstermektedir.
Gaz nitrürasyonu, 0.2 ve 0.7 mm arasında bir sertleşme derinliği gerektiren parçalar için kullanılır. Nitrürleme, hassas sıcaklık kontrollü bir elektrik fırınında uygulanır.
Şekil 3.14: Gaz nitrürasyonu sırasında amonyağın ayrışması ve azotun çeliğin bünyesine alınmasının şematik gösterilişi.
Büyük çapta nitrürleme için çok iyi sızdırmaz kapaklı yer ocakları kullanılır. Küçük çapta nitrürleme işlemleri için ayrı bir nitrürleme kutusu olan alışılagelmiş MUFL fırınlar kullanılır. Nitrürasyon için kullanılan kutular gazla reaksiyona girmeyecek malzemeden yapılırlar. Nikel, Inconel ve benzer alaşımlar idealdir, ancak %25 Cr, %20 Ni’li ısıya karşı dirençli çeliklerin de özellikle bu amaç için uygun oldukları kanıtlanmıştır. Eğer sadece birkaç adet nitrürleme işlemi yapılacaksa, nitrürasyon kutuları çelik sacdan da yapılabilir. Bununla beraber, demir gazla reaksiyona gireceği için bu tarz sacdan yapılmış kutularda gazın bir kısmı kutu tarafında alınacağından, bu tip kutularda ilk nitrürasyon işlemlerini kontrol etmek zordur.
Gaz daima çok az miktarda su buharı içerir. Gazın neminin, nitrürasyon kutusuna girmeden önce alınması gereklidir. Aksi halde su buharı nitrürlenmiş parçada oksidasyona neden olacaktır. Gazın nemini gidermek için, yüksek sıcaklıkta bulunan sönmemiş kireç filtreler kullanılır.
Amonyakla gaz nitrürasyonu dışında, farklı gaz ortamlarda mevcuttur. Amonyak ve azot karışımından oluşan gaz ortamlar, amonyak ve hidrokarbonla gaz nitrürasyonu ve iyon nitrürasyonu bu tarz gaz ortamlardan bazılarıdır. Her gaz ortam sahip olduğu gazın özelliklerine göre, nitrürlenen çelik malzemenin yüzeyinde oluşacak tabakaya etki eder.
3.4.2. Tuz Banyosunda Nitrürasyon
Çeliğin bir tuz banyosu içinde nitrürasyonu hemen hemen gaz ortamda nitrürasyon kadar eski bir yöntemdir ve günümüzde de hala yaygın olarak kullanılmaktadır. Tuz banyosunda nitrürasyon, gaz nitrürasyondaki gibi 510-570°C sıcaklıklar arasında yapılır. Oldukça düşük sıcaklıkta yapılan bu ısıl işlemin banyosu siyanat ve siyanürlerin her ikisini de içerir. Fakat tuz banyosunda nitrürasyon, aynı tür banyo ile yapılan siyanatlama işlemi ile karıştırılmamalıdır. Siyanatlama ve tuz banyosunda nitrürasyonun en önemli farkı işlem sıcaklıklarıdır.
Tuz banyosunda nitrürasyon için kullanılan tuz karışımları genellikle (ağırlıkça) %60-70 NaCN ve ağırlıkça %30-40 KCN içermektedir. Bu karışıma ilave olarak %1-5 Na2CO3 gibi karbonatlar ve NaCNO gibi siyanatlar da katılmaktadır. Banyo karışımı ilk
hazırlıktan sonra 575°C’de 12 saat yaşlandırılır ve bu süre içinde banyodaki siyanat miktarı artarak banyonun %45’ine ulaşır. Bu süre içinde nitrürleme amacıyla banyoya çelik malzeme konmamalıdır. Tuz banyosunda nitrürasyon işleminde işlem sıcaklıkları 550-570°C arasında değişir ve tutma süreleri nadiren 2 saati aşar.
Tuz banyosunda nitrürasyon başlangıçta 10-30 dakika sürelerde yapılan bir işlemdi. Genellikle demir pota kullanılarak yapılan nitrürasyon işleminde potadan demirin çözünmesi nedeniyle nitrürlenen parçalarda (uzun süreli nitrürasyonlarda) gözenekler oluşabilmekteydi. Bunu önlemek için nitrürasyon süresi kısa tutulmaktaydı. Kısa süreler gerekli nitrür tabakası kalınlığı için yeterli olamamaktaydı. Bu nedenle Titanyum potalar kullanılmaya başlandı. DEGUSSA tarafından geliştirilen bu yönteme “Tuffride Prosesi” denilmektedir.
Tuz banyosunda nitrürasyonun diğer bir çeşidi de “Sulfinuz” işlemidir. Bu işlemde banyodaki NaCN ve NaCNO’den başka aktif olarak sodyum sülfür (Na2S) mevcuttur.
Alışılagelmiş tuz banyosu nitrürasyonunda azot ve karbon çeliğin yüzeyi tarafından absorblanır. Sulfinuz işlemi süresinde ise ortamdaki kükürt nedeniyle nitrürlenmiş tabakanın aşınmaya karşı iyi olan özellikleri daha da mükemmelleştirilmiş olur. Şekil 3.15’de %0.2 C içeren bir karbonlu çeliğin 570°C’de 2 saat sulfinuz işleminden sonraki yüzey bileşimi gösterilmektedir.
Şekil 3.15: %0.2 C içeren çeliğin 570°C’de 2 saat sulfinuz işleminden sonra yüzey tabakasındaki kükürt, azot ve karbon miktarları.
Tuffride ve Sulfinuz işlemleri sonrası en iyi yüzey parçaların ılık suda soğutulmasıyla elde edilir. Bu şekilde hızlı soğuma α demirini azotça aşırı doymuş bir katı eriyik haline getirir. Bu katı eriyik nitrürlemenin bir karakteristiği olan yorulma mukavemetindeki artışa ilave bir katkıda bulunur. Bununla beraber, aşırı doymuş α katı eriyiğinin oluşması sırasında meydana gelen iç gerilmeler tokluğu azaltırlar. Sade karbonlu ve düşük alaşımlı çelikler eğer 200°C’de temperlenirse oluşan nitrür çökelmesi yorulma mukavemetini azaltır ve tokluğu artırır. Gaz nitrürasyonunda olduğu gibi yavaş soğuma sırasında, bu tür çökelme otomatik olarak elde edilir.
3.4.3.Toz Nitrürasyonu
Toz nitrürasyonunda parçalar tıpkı kutu sementasyonunda olduğu gibi kutular içine yerleştirilirler. Kutunun alt kısmına yaklaşık ağırlıkça %15 nitrürasyonu hızlandırıcı malzeme konduktan sonra, nitrürlenecek parçalar yerleştirilir. Parçaların üzerine nitrürasyon tozları konarak kutu sıkıca kapatılır ve 520-570°C sıcaklıklar arasındaki fırına konur. Tutma süresinin 12 saati geçmemesi tavsiye edilir.
3.4.4.Gaz ve Tuz banyosunda Nitrürasyonun Karşılaştırılması
Gaz ve tuz banyosunda nitrürasyon en yaygın kullanılan nitrürasyon metotlarıdır. Bu işlemler yukarıda bir karşılaştırılma yapılmaksızın anlatılmıştır. Bu iki yöntemin karşılaştırılmasında aşağıdaki hususlar dikkate alınmaktadır:
Gaz nitrürasyonunun 12-120 saatlik nitrürleme zamanına karşılık, tuz banyosunda nitrürasyon için bu süre 1-4 saat arasındadır.
