Malzeme yüzeyinin değişikliğine yol açan ısıl destekli difüzyon ile atom taşınmasında katı hal işlemlerinin iki sınıfı ortaya çıkmaktadır. Her iki işlem de termokimyasal işlemler olarak adlandırılırlar. Birincisinde, yüzeye gönderilen küçük çaplı atomların difüzyonu ile ana malzemede arayer katı çözelti oluşumu ortaya çıkar ve bu durumda bazen çok ince çökeltiler şeklinde kimyasal bileşiklerin oluşumu meydana gelir, Değişime uğramış bölge matris ile benzer yapıdadır. Karbürleme ve karbonitrürleme buna örnek olarak gösterilebilir. İkincisinde ise, ana malzemenin atomları ile difüzyona uğrayan atomlar arasında kimyasal reaksiyonlar meydana gelir ki bu da yüzeyde farklı bir tabakanın ortaya çıkışına neden olur. Bu işleme örnek olarak nitrürleme, nitrokarbürleme, borlama ve kromlama verilebilir. Termokimyasal işlem bir difüzyon prosesidir. Termokimyasal işlem metotları, difüze olan elementin sağladığı aktif fazın fızikokimyasal karakteristiklerine göre katı fazdan, sıvı fazdan, gaz fazından ve plazma fazından doyurma şeklinde sınıflandırılmaktadır. Termokimyasal işlemler veya difüzyonlu kaplamalar çöktürülen elementin metal ve ametal oluşuna göre iki gruba ayrılır.
1 - Ametallerle termokimyasal işlemler (karbürleme, nitrürleme, nitrokarbürleme ve borlama)
2 - Metallerle termokimyasal işlemler (alüminyumlama, kromlama, silisyumlama)
Ametallerle Termokimyasal İşlemler
Karbürleme
Karbürleme sağladığı üstün mekanik özellikler sebebiyle çeliklere uygulanan ısıl işlem tekniklerinden biridir. Yüzey sertleştirme prensipleri yüzyıllar önce sementasyon prosesiyle işlenmiş demirin çeliğe dönüşümünde kullanılmıştır. Genelde karbürleme prosesinde % 0,10-0,25
oC içeren düşük karbonlu çelikler 900-1100
oC arasında değişen yüksek sıcaklıklara ısıtılırlar. Demirin 910
oC üzerinde yüzey merkezli kübik (YMK) kafes yapısına sahip olması karbon atomlarının demire yayınmasını sağlar. Yeterli derinlikte karbonca zenginleştirilmiş tabaka meydana gelinceye kadar bu sıcaklıkta tutulur. Sonuçta demir yüzeyinde karbürlenmiş tabaka oluşturulur. Karbonca zengin tabaka daha sonra tekrar ısıtma ve su verme ya da karbürleme sıcaklığından direkt su verme ile sertleştirilebilir.
Karbürleme yöntemleri, çeliğin ostenit sıcaklığına kadar ısıtılması ve bu sıcaklıkta karbon verici bir ortamda tutulması ve sonradan da esas sertleştirme işleminin uygulanmasından meydana gelmektedir. Karbürleme yöntemleri :
a) Kutu karbürleme
b) Sıvı karbürleme
c) Gaz karbürleme
d) Plazma karbürleme
e) Vakum karbürleme olmak üzere beş çeşittir.
Bu yöntemler karbonu gazın (atmosferik gaz, plazma, ve vakum karbürleme), sıvıların (tuz banyosu karbürleme), veya katı bileşiklerin (kutu karbürleme) kullanılmasıyla açığa çıkarır. Bütün bu yöntemlerin avantajları ve kısıtlamaları vardır fakat gaz karbürleme doğru olarak kontrol edilebildiği ve az sayıda özel işleme içerdiğinden geniş ölçekte üretim için en çok kullanılan yöntemdir.
Önerilen Makale: Çelik boru malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için
hassas çelik boru nedir sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.
Karbonitrürleme
Karbonitrürleme kazandırdığı üstün mekanik özellikler nedeniyle çelikler için yaygın olarak kullanılan yüzey sertleştirme yöntemidir. Karbonitrürleme östenit fazında çeliğe azot ve karbon yayındırılmasına dayanan bir yüzey sertleştirme yöntemidir. Östenit kompozisyonunun değiştirilmesi ve su verme işlemiyle martensit oluşturularak yüksek yüzey sertliği elde edilmesi yönleriyle karbürlemeyle benzerlik gösterir. Buna rağmen; azotun sertleşebilirliği geliştirmesinden dolayı, önlemsiz su verme ve bunun sonucu daha az çarpılma ya da parçanın kırılma riskini azaltmaksızın yüksek alaşımlı karbürlenmiş çeliğin yüzey sertliğine eşit değerde düşük karbonlu çeliklerde yüzey sertliği elde edilir.
Karbonitrürleme prosesi gaz atmosferlerinde veya tuz banyolarında uygulanabilmesine rağmen karbonitrürleme terimi daha çok gaz atmosferi altında yapılan bir işlem olarak bilinir. Temel olarak tuz banyosunda karbonitrürleme siyanür banyosunda yüzey sertleştirme ile aynıdır. Her iki proseste, azot sertleşebilirliği ve yüzey sertliğini geliştirir fakat karbonun difüzyonunu engeller.
Nitrürleme
Nitrürleme; çelik ve demirlere yüzeye azot yayındırılarak sert nitrür tabakası oluşturmak suretiyle sertliği, aşınma ve korozyon direncini arttırmak için 500-550
oC arası yapılan bir termokimyasal yöntemdir. Nitrürleme sıcaklığında çelikler ferritik yapıdadır. Nitrürleme yüzeye bir element yayındırılması bakımından karbürlemeye benzerdir. Nitrürleme de karbon yerine azot, östenit bölgesinde değil ferrit bölgesinde yayındırılır. Nitrürleme östenit fazına ısıtılıp, ardından su vermek suretiyle martensit oluşumunu içermediği için minimum distorsiyon ve mükemmel boyutsal kontrol ile gerçekleştirilebilir. Nitrürleme yöntemleri :
a) Gaz Nitrürleme
b) Sıvı Nitrürleme
c) Plazma(iyon) Nitrürleme
olmak üzere üç çeşittir. Plazma nitrürleme, gaz nitrürlemeye oranla daha hızlı nitrürlemeye imkan vermektedir.
Nitrürlenmiş çelikler genelde orta karbonlu çeliklerdirler ve alüminyum, krom, vanadyum ve molibden gibi güçlü nitrür yapıcı elementler içerirler. En önemli sertleşme % 1 Al içeren alaşımlı çelikte elde edilmiştir. Bu çelikler nitrürlendiğinde, alüminyum AlN partikülleri oluşturur. Bu partiküller ferrit latisini gerer ve güçlendirilmiş dislokasyonları oluşturur. Ayrıca titanyum ve krom da kabuk sertliğini arttırmasına rağmen, kabuk derinliği alaşım elementi içeriğinin artmasıyla azalır. Mikroyapı da nitrürlenebilirliği etkiler çünkü ferrit azotun difüzyonunu kolaylaştırırken, düşük karbid içeriği hem difüzyonu hem kabuk sertliğini kolaylaştırır. Genellikle ısıl işlem görmüş (su verilmiş ve temperlenmiş) alaşım çelikleri nitrürlenir.
Nitrokarbürleme
Nitrokarbürleme ilk olarak 1950‟li yıllarda kullanılmaya başlanmıştır. Nitrokarbürleme alaşım çeliklerine, takım çeliklerine ve paslanmaz çeliklere; sertliği, aşınma ve korozyon direncini arttırmak için uygulanan; azot ve karbonun metalik alaşımlar içerisinde yüksek sıcaklıklarda difüzyonuna dayanan bir termokimyasal işlemdir.
Karbon ve azotun ferrit fazında difüze olmasıyla yüzeyde karbonitrürlerden oluşan ince bir beyaz tabaka meydana gelir. Azotun altlık malzemesine difüzyonu yorulma direci için gereklidir. Kabuk derinlikleri incedir fakat konvansiyonel nitrürleme ile kıyaslayınca kabarmaya karşı azalmış eğilimi vardır. Çeliklerin mekanik özelliklerini geliştirmek için yapılan ferritik nitrokarbürleme gaz veya plazma(iyon) yöntemleriyle uygulanabilir.
Borlama
Borlama, bor atomlarının iş parçasının yüzeyine difüze olmasıyla parçaların yüzeylerinde borür tabakası oluşturmak suretiyle, aşınma ve korozyon direncini arttırmak amacıyla yapılan yüzey reaksiyonları ve difüzyon kontrollü bir termokimyasal işlemdir.
Bor atomları altlık malzemenin yüzeyine kolayca difüze olarak yüzeyde; proses sıcaklığı, altlık malzemesinin kimyasal kompozisyonu ve borlama süresi gibi parametrelere bağlı olarak yüzeyde FeB, FeB
2 gibi borürler oluştururlar. Proses sıcaklığı 700-1000
oC arasındadır. Borlanmış çeliklerin sertlikleri 1650-2000 HV arasında değişir. İşlem süresi 1-12 saat arasında değişir. Karbon çeliklere, düşük alaşımlı çeliklere, takım çeliklerine, paslanmaz çeliklere ve nikel bazlı alaşımlara uygulanabilir.
Bor verici katı toz, pasta, sıvı veya gaz ortamlarda gerçekleştirilir. Ayrıca gaz ortam teknikleri altında da sıralayabileceğimiz plazma pasta borlama ve akışkan yataklı borlama, diğer termokimyasal yöntemlerdir. Borlama yöntemleri:
a) Katı Borlama
b) Pasta Borlama
c) Sıvı Borlama
d) Gaz Borlama
e) Plazma Borlama
olmak üzere beş çeşittir. Fiziksel buhar biriktirme (PVD) ve kimyasal buhar biriktirme (CVD), iyon implantasyonu veya plazma püskürtme gibi termokimyasal olmayan yöntemler ile de malzeme üzerinde bor tabakası oluşturulabilir.
Borlamanın Üstünlükleri
Yüksek sıcaklıklarda (nitrürlenmiş çeliklerin sertliğini koruyamadığı) bor tabakası sertliğini korur. Borlama, demir esaslı malzemelerin korozyon-erozyon dayanımını gerek alkali ortam gerekse seyreltik asit çözeltisi içerisinde korur ve bu özelliği sayesinde endüstride geniş bir uygulama alanı bulur. Borlanmış yüzey 850
oC‟ye kadar oksidasyona dayanıklıdır. Oksitleyici ve korozif ortamlarda çalışan parçaların yorulma dayanımlarını arttırır ve servis ömrünü uzatır.
Borlamanın Kısıtlamaları
Gaz sementasyonu ve plazma nitrürasyonu işlemlerinin, borlama işlemine göre işletme giderleri daha azdır ve uygulanmaları daha kolaydır. Karbürlenmiş veya nitrürlenmiş çeliklere göre, borlanmış alaşımlı çeliklerin temas yorulma dayanımı (Pullanma dayanımı) düşüktür. İşlem sonucunda parçanın ölçülerinde (borlama tabakasında % 5-25‟i kadar hacim genişlemesi olduğu için) değişmeler olur. Yüksek hız çeliklerinin sertleştirme sıcaklıkları genellikle 1150 °C‟den fazla olduğu için, borlamaya uygun değildir.
