Karbürleme Nedir

Karbürler ilk yapay refrakterler olması ve doğada çok az miktarda bulunmaları sebebiyle oksitler ve silikatlara benzemeksizin çok özel bileşikler grubuna girerler. Fe3C ve daha sonra TiC ve WC önemli karbürler olup 1800'lerin ortalarında elde edilmişlerdir. 1900'lerde Fransız kimyacı Moisson ark ocağında birçok refrakter karbürü sentezlemiş fakat karbürler hakkında en iyi derleme 1952 yılında Schwarzkoff ve Kieff tarafından yapılmıştır.

Karbürler genelde metal veya ametallerin, nispeten yüksek sıcaklıklarda karbonla birleşmesinden meydana gelir.

Demir Alaşımlarında Karbürler 

Çeliklerdeki alaşım elementleri karbonla etkileşimlerine göre iki grupta toplanabilir. 

a) Grafit yapıcı alaşım elementleri; Si, Ni, Cu ve Al çelikteki sementiti Fe ve grafite ayrıştırır. 

b) Karbür yapıcı alaşım elementleri; bunlara örnek olarak Fe, Mn, Cr, Mo, W, V, Ti, Nb, Zr verilebilir.

Eğer çelikteki karbür yapıcı element miktarı az ise, sementit içinde demirle birlikte bulunur. En önemli karbür yapıcı elementler Cr, Mo, W, Ti ve V'dur. Bu karbürler, 1000°C'ın üzerinde ostenit içerisinde çözünürler. Çözünmeden kalabilen karbürler, aşınma dayanımı, kesme kabiliyeti ve sıcaklıkta sertliklerini koruduklarından çeliğin kullanım ömrünü artırırlar.

Önerilen Makale: Paslanmaz çelik mil malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için transmisyon mili fiyatları sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.
 

Metal yüzey işlemleri sert, aşınma ve korozyona dayanıklı yüzeyler elde etmek için uygulanmaktadır. Bu amaca yönelik yöntemlerden bazıları eskiden beri uygulandıkları halde birçoğunun geçmişi kısadır. Elde edilen sert kaplamaların, malzemenin elastik deformasyonuna müsaade edecek kadar ince ve aşınmayacak kadar kalın olması gerekir. Karbürlemenin esası; katı, gaz veya sıvı bir ortamda karbür yapıcı elementin çeliğe difüze olmasına dayanan bir termokimyasal işlemdir. 

Katı Ortamda Karbürleme 

Bu yöntemle genellikle, Cr, Nb, V, Ta, Ti ve Si karbürler çelikler üzerine kaplanır. Yüzeyi karbürlenecek malzemenin toz halindeki karbür verici ortam içinde genellikle 950-1100°C sıcaklıklarda 10-30 saat bekletilmesiyle yapılır. Kutu sementasyonuna benzeyen bu metot soy gaz atmosferinde yapılabileceği gibi, sıkı kapatılmış kutularda normal atmosferde de yapılabilir. 

Karbürleme ortamının ana bileşenleri; toz halinde ve oda sıcaklığında katı olan, aynı zamanda kaynama veya süblimasyon sıcaklıkları 180-750°C arasında olan, karbon ihtiva eden bir bileşiğin yanı sıra, karbür oluşturucu element, aktivatör ve dolgu malzemesinden oluşur. 

Örnegin; Cr karbür kaplamalarda, %10 Cr, %89 Al203 ve geri kalanı da amonyum klorür (NH4Cl) kullanılmaktadır. Bu işlemde, malzemeler 980 °C'de 10 saat hidrojen atmosferinde tutulduktan sonra 45 pm kalınlıkta Cr-karbür ta-bakası oluşmaktadır.
 
Bazı araştırmacılar Cr-karbür tozu kullanarak kaplama yapmışlardır. Örneğin; %45-65 Cr-karbür, %25-50 FeO ve % 7-10 NH₄Cl bileşimi kullanılarak koruyucu atmosfer gerektirmeden kaplama yapılabilmiştir. Yeni geliştirilen bileşimlerde hidrokarbonlar, dolgu maddesi, aktivatör ve karbür yapıcı elementler kullanılmaktadır. Bu metodun en önemli özelliği ise gaz ve vakum sistemlerine ihtiyaç duyulmamasıdır. 

Karbon içeren hidrokarbonlar, naftalin, antrasin ve difenil gibi malzemelerdir. Karbür yapıcı elementler ise; Cr, Mo, W, Nb, Zr, Ta, Ti, V ve Si'dir. 

Aktivatörler (NH₄Cl, NH₄F, NH₄Br, NH₄I) parçalandığında ve karbür yapıcı elementle reaksiyona girdiğinde aktif bir gaz ortamı meydana getirmektedir. 

Dolgu maddesi olarak kullanılan malzemeler Al, Mg ve Si oksitler, kaolen ve refrakter killerdir. Bunların görevi; karbür yapıcı element parçacıklarının topaklaş-maması ve malzeme yüzeyine yapışmamasını sağlamaktır. 

Kaplama ortamların genel bileşimlerininin ağırlık yüzdeleri; 

Karbür yapıcı element   % 40 - 70 
Karbon ihtiva eden bileşik   % 0.5 - 2.5 
Aktivatör   % 0.2 - 5 
Dolgu maddesi   Geri kalanı 

Bu malzemelerin her biri kurutulur ve nem oranının %5-6'yı geçmemesine dikkat edilir ve kutu sementasyonuna benzer şekilde yerleştirilir. Örneğin; Cr tozu, difenil, NH₄F ve Al₂O₃'den oluşan bir karbür yapıcı karışımda aşağıdaki reaksiyonlar cereyan eder. Al₂O₃ ise reaksiyona girmez. Difenil 256°C civarında ayrışır. 

Gaz Fazından Çökeltme ile Karbürleme 

Vakum teknolojisindeki gelişmelerle birlikte gaz fazından çökeltme tekniklerinde ilerlemeler olmuştur. Bu yeniliklere CVD ve PVD tekniklerini örnek olarak gösterebiliriz. 

CVD (Kimyasal Buhar Fazından Çöktürme) Yöntemi 

Saf karbür ve nitrürlerin oluşturulması için ilk çalışmalar 1920'lerde başladı. TiC, TiN ve bunların yanı sıra diğer karbürler ve nitrürler ilk defa CVD yöntemi ile Von Arkel (1924) tarafından gerçekleştirildi ama kaplamalarda metal ve grafit inklüzyonlarını önlemek çok zordu. Bu problem Moers (1931) tarafından metal klorürlerin kullanımı ve 2000°C'ın üzerinde karbürleme ile giderildi.

TiC ve TiN çökeltilerinin çeliklere uygulanması ilk defa Münster ve Ruppert tarafından geliştirilmiştir.

CVD yöntemi; çöktürülmek istenen maddenin buharının malzeme yüzeyinde kimyasal bir reaksiyon oluşturmasıyla uçucu olmayan bir çökelti yapması şeklinde açıklanabilir. Kimyasal reaksiyon; gaz bileşikleriyle sıcak malzeme yüzeyinde gaz-katı dönüşümü şeklinde gerçekleşir. Proses genellikle yüksek sıcaklıklarda 500°C'ın üstünde ve 10- 760 Torr basınçta yapılır. CVD yöntemiyle vakuma alınan sistem içerisinde; ısı yardımıyla oluşturulan buhar fazı (kaynak malzemesi), farklı kimyasal reaksiyonlar sonucu malzeme üzerinde istenilen kaplamayı oluşturur. 

CVD yöntemiyle ince film kaplanmasında yararlanılan temel kimyasal reaksiyonlar ise: 

- Termal ayrışma: Yeteri kadar yüksek sıcaklığa çıkılırsa, geride kaplamayı oluşturan uçucu olmayan bir bileşen bırakacak şekilde ayrışır. Uygulanan sıcaklık dağılımı oda sıcaklığından 3000°C'a kadar değişebilir. 
- Hidrojenle redüksiyon 
- Metalik halojen bileşiklerinin gazlarla reaksiyonu sonucu metaller arası bileşik oluşur. 

Yukarıdaki reaksiyonların sonucunda, malzeme yüzeyine karbürleri, nitrürleri, borürleri, silikatları ve oksitleri kaplamak mümkündür.

PVD (Fiziksel Buhar Fazından Kaplama) Yöntemi 

Buharlaştırmayla elde edilen ince filmler muhtemelen ilk kez Faraday tarafından 1857'de metal teller kullanarak vakumda elde edilmiştir. İnce filmlerin kaplanması 1887'de Nahrwold tarafından bulunmuştur. Bu yeni tekniklerin endüstriyel alanda kullanılışı vakum teknolojisindeki gelişimi beklemiştir.
 
PVD yöntemiyle TiC, TiN, Al₂O₃ ve MoN kaplamaları birçok malzemeye uygulanmaktadır. PVD işlemi CVD yöntemine benzer şekilde gaz fazından fiziki olarak çöktürmektir. Bu yöntemle metaller ve alaşımları üzerinde nitrür, oksit, karbür gibi bileşikler, vakum altında ısı enerjisi veya parçacık bombardımanı yardımıyla çöktürülür. İşlem sıcaklığı, 500-550°C arasında olup aşağıdaki yöntemleri gösterebiliriz. 

- Ergimiş metalin buharından çöktürme 
- iyon kaplama 
- Katot atomizasyonu 

Ergimiş Metalin Buharından Çöktürme 

Kaplama malzemesi, ısıtılmak suretiyle (buharlaştırma kabında veya elektron bombardımanı ile) vakumda buharlaştırılarak oluşan metal buharı, şerare etkisi ile iyonize edilir. Kaplanacak malzemeye uygulanan negatif potansiyel reaksiyonları hızlandırır. 

İyon Kaplama 

Buharlaştırılmış malzeme, taşıyıcı gazın plazmasında kısmen iyonlaştırılmış olur. Kaplanacak parçalara bağlanan negatif yüksek gerilimle, reaktif gaz atomları (azot) tekrar iyonlaştırılır. Metal iyonları kaplanacak malzeme yüzeyine hızlandırılır ve gaz atomlarıyla reaksiyona girmeleri sağlanır.

Katot Atomizasyonu
 
Metalin buhar fazına geçişi yüksek enerjili gaz iyonları (Ar) bombardımanı ile gerçekleştirilir. Atomik olarak gaz fazında bulunan metal, plazma etkisi ile iyonize edilir ve uygulanan negatif potansiyel etkisi ile kaplanacak malzeme yüzeyine gönderilir. 

CVD ile PVD'nin Kıyaslanması 

Bu iki yöntem karşılaştırıldığında PVD'nin sağladığı avantajlar şöyle sıralanabilir: 

- Kaplamanın yüksek sıcaklıkta yapılma zorunluluğu yoktur. 
- Malzemenin ısıl işlemle sağlanan özelliklerinin bozulmaması sağlanır. 
- Malzemede soğuma sırasında oluşan iç gerilmeler ve distorsiyon azdır. 
- Düşük ergime sıcaklığına sahip malzemeler kaplanabilir. 
- Bu yöntem çevre kirliliğine yol açmazken, CVD yönteminde gaz ve sıvı atık problemleri vardır. 
- CVD'nin yatırım masrafları PVD'den düşüktür. 
- PVD yöntemiyle elde edilen kaplamalar daha kalitelidir ve birim maliyeti CVD'den daha düşüktür. 

Sıvı Ortamda Karbürleme
 
Tuz banyosunda karbürleme sistemi, normal tuz banyosu ısıl işlemine benzemekte, CVD ve PVD'ye kıyasla çok daha basit araç ve gereç gerektirmektedir. Bu yöntemle karbürlenmiş malzemelerin sertlik ve dayanım ömürleri her iki yöntemle mukayese edilebilir. Bu yöntemde karbürleme ortamı sıvıdır. Sıvı banyo bileşenleri olarak klorür, florür, bor oksit, boraks tuzu ve karbür tabakası oluşumu için saf V, Nb, Cr tozları, demirle yaptığı bileşikleri, oksitleri ve halojenleri kullanılmaktadır. Karbürlenecek malzeme, 800-1200 °C'da 1-10 saat bekletilerek karbür oluşumu gerçekleştirilmektedir. 

Normal Sıvı Ortamda Karbürleme 

Ulrich Baudis ve arkadaşları klorür ve florür tuzu karışımına %1-30 vanadyum veya ferro-vanadyum tozu ilâve ederek karbürleme çalışmaları yapmışlardır. 

Demir grubu malzemeleri karbürlemek için kullanılan bazı banyo bileşimleri aşağıdadır. 

a) %90 BaC12 + %5 NaCl + %5 Fe-V 
b) %87 BaC12 + %13 Fe-V 
c) %84 BaC12 + %9 NaC1 + %7 Fe-V 
d) %48 BaC12 + %24 KF + %7 NaF + %11 Fe-V 

Ergimiş Boraks Banyosunda Karbürleme 

1971'de Japonya'da, Arai ve arkadaşları tarafından Toyota Araştırma Geliştirme Merkezinde, çelikler, dökme demirler ve semente karbürlerin yüzeyinde gözeneksiz (makro), düzgün bir karbür tabakası 800-1200°C sıcaklığında ergimiş boraks banyosuna daldırmayla elde edilmiştir.