Kimyasal Bileşimin Değiştirildiği Yöntemler

 

Sementasyon Yöntemi

Bu yöntem, düşük karbonlu çelikten üretilen parçaların yüzeyine dışardan atomsal karbon yayındırılmasına dayanır. Sementasyon veya karbonlama (karbürleme) olarak adlandırılan bu işlem sırasında belirli kalınlıktaki bir yüzey tabakasının karbon derişikliği artırılırken, sürekli sementit ağının oluşmaması için C < %0,8 oranı hedeflenir.

Bu mertebede karbon ancak ostenit kafesinde çözünebileceğinden, sementasyon A_c3'ün üzerinde gerçekleştirilir. öte yandan karbonun yayınma hızı y-KÇ'de a-KÇ'ye göre daha düşük, yani yüksek sıcaklıklara rağmen işlem süreleri çok uzundur. Ayrıca alaşım miktarının artması ile de karbon atomlarının hareketliliği çök azalır.

Alaşımsız karbon çeliklerinde teknik bakımdan anlamlı bir karbonlama derinliği olarak 2 mm (en çok 3 mm) elde etmek için ortalama 16 saatlik bir sementasyon süresini hesaba katmak gerekir. Parçanın içte (göbek, cekirdek) fazla sertleşmesi istenmediğinden, sementasyon çelikleri karbon miktarı yaklaşık %0,25 ile sınırlanmıştır. Karbonlanan tabakada (kabuk) ise genellikle ötektoid bileşime ulaşma öngörülür. Bu noktanın aşılmasıyla (C>%0,8) tane sınırlarında oluşan sementit ağı vurma tokluğunun çok düşmesine yol açar. Ayrıca sertleştirme sırasında söz konusu tabaka çatlayarak pul şeklinde kalkabilir. 

Karbonlayıcı ortamın katı, sıvı veya gaz durumunda bulunmasına bağlı olmaksızın, atomsal karbon gaz fazı (CO) üzerinden meydana gelir. Katı karbonlama ortamlarının temel bileşeni odun kömürüdür. Ayrıca baryum veya kalsiyum karbonat gibi, gaz oluşumunu kolaylaştıran aktivasyon maddeleri katılır. Karbonlanan parçayı her yandan sıkıca çevrelemesi gereken odun kömüründe ısı iletiminin kötü olması nedeniyle, sıcaklığın istenilen düzeye getirilmesi uzun zaman alır. 

Sıvı karbonlama ortama olarak tuz banyoları (siyanür tuzları, örneğin klorür katkılar içeren NaCN) kullanılır. Yüksek banyo sıcaklıklarında (850°C-930°C) siyanürün çeşitli reaksiyonları sonucu karbon iş parçası yüzeyine yayınır. Sıvı ortamın katıya göre önemli üstünlükleri vardır. Tuz eriyiğinin ısı iletimi daha iyi olduğu için, işlem süreci kısalarak çarpılma ve tane irileşmesi olasılığı azalır. Parçalar hızla banyo sıcaklığına eriştiğinden istenen sementasyon kalınlığı daha kesin olarak ayarlanabilir. Karbonlanan yüzey oldukça temiz kalır. Çok sayıda küçük parçaya, örneğin tel sepetler yardımıyla sementasyon banyosunda tutmadan sonra, kolayca su verilebilmesi ekonomik açıdan büyük yarar sağlar. Yöntemin sakıncaları ise yatırım masraflarının yüksek, siyanür tuzlarının çok zehirli olmasıdır. 

Katı maddelerde karbonlamada bile gaz fazın aracılığı söz konusu olduğundan, işlem doğrudan gaz ortamda (doğal gaz, propan katılmış havagazı vb.) gerçekleştirilebilir. Gazın bileşimine göre karbonlama etkisi değişir ve yüzeyde istenilen her karbon derişikliği elde edilebilir. Oysa katı ortamdaki sementasyonda karbon oranı çoğunlukla %0,8 değerine ulaşır. Yöntemin tüm parametreleri çok iyi ayarlanabilir. Sertleştirilen parçaların yüzey kalitesi hemen hemen karbonlama öncesindeki gibi kalır. Buna karşın yatırım masrafları çok yüksektir. 

Genel olarak, parçalarda semenite edilmesi gerekmeyen yerler başlangıçta kille kapatılır veya bakırla kaplanır; diğer işlem görecek yüzeyler ise özenle temizlenmelidir (pas, tufal, yağ vb.). 
 

Sementasyon terimi karbonlama (karbürleme) anlamını taşımakla birlikte, yöntem olarak iki aşamalıdır; yani karbonlamayı izlemek üzere sertleştirme işlemini de içerir. Böylece elde edilen martenzitik içyapı yüzeyin aşınmaya dayanıklılığını artırır. Karbon derişikliğinin kabuk (%0,8C) ile göbekte (%0,1-0,2C) farklı olması yanında, parçanın işletme sırasındaki zorlanma durumu da dikkate alınarak, aşağıda örnekleri verilen çeşitli sertleştirme programları uygulanabilir: 

a) Karbonlama sıcaklığından doğrudan suverme kolay ve ucuzdur. Ancak uzun ve aşırı ısıtma nedeniyle kabukta kaba martenzit ve çok miktarda artık ostenit, göbekte de tane irileşmesine bağlı tokluk düşüşü görülür. Dolayısıyla bu yöntem, aşırı ısınmaya duyarsız ince taneli çelikler ile Cr-Mo çeliklerinin seçilmesi durumunda, sadece az zorlanan parçaların üretimine elverişlidir. 

b) Karbonlanan parça önce yavaş olarak oda sıcaklığına soğutulur veya 500°C-550°C arasında bekletilip ostenitin izotermik dönüşümü sağlanarak göbekte ince lamelli perlitik bir içyapı da elde edilebilir. Daha sonra kabuğun karbon derişikliğine uygun sıcaklıkta yeniden ostenitleme tavını su verme izler. Kabukta ince martenzit meydana gelir. 

c) Çift sertleştirme sementasyon çeliklerinden (DIN 17210) özellikle Cr-Ni(-mo) alaşımlılara uygulandığı için, 1. Su verme kalın parçalarda bile göbek tokluğunun iyileşmesine yol açar. Yarattığı ısıl gerilmeler bir ara tav (650°-680°C) ile giderilebilir. Böylece parça bu aşamada talaş kaldırılarak işlenirse herhangi bir çarpılma göstermez. Ostenitleme ve 2. su verme, yalnız ostenitleme süresi göbeğin aşırı tavlanmaması için kısa tutulur.
 

Bu yöntemde sertliğin artışı martenzit dönüşümünden değil, Ac1’in altındaki sıcaklıklarda azotun atomsal olarak parça yüzeyinden içeri yayınıp nitrür oluşturmasından ileri gelir.

Alaşımsız çeliklerde ortaya çıkan iri demir nitrürlerin (Fe₄N , Fe₂N) gevrekleştirici etkisinden ötürü yüzey tabakası çatlayabilir. Bu nedenle nitrürasyon çelikleri (DIN 17211) azota kargı kimyasal ilgileri demirinkinden daha fazla olan alaşım elementleri içerir. Bunların kimyasal ve ısıl bakımından çok kararlı davranan nitrürleri, yapıya ince dağılma koşuluyla yüksek ve homojen sertlik yanında daha büyük nitrürleme derinliği de sağlar. Alüminyum, krom ve titanyum en uygun nitrür yapıcılardır. İşlem amonyak akımı içinde (gazlı nitrürleme) veya tuz banyolarında (banyolu nitrürleme) uygulanabilir. Oluşan nitrürlerin büyüklük ve dağılımı açısından en uygun olduğu için, 510°C-550°C arasındaki sıcaklıklarda gerçekleştirilen gazlı nitrürlemede, amonyağın

2 NH₃ ⇒ 3H₂ + 2N 

denklemine göre ayrışmasıyla açığa çıkan atomsal azot çeliğe yayınır. Nitrürleme derinliğinin 0,5 mm'ye erişmesi için yaklaşık 50 saatlik bir süre gerekir. Yüksek zorlama görecek parçalar nitrürlemeden önce genellikle ıslah edilir. Böylece mekanik özellikleri iyileştirilmiş bir göbek elde edildiği gibi, yüzeye azot girişi de kolaylaştırılır. Ancak nitrürleme süresinin uzun olması ıslah edilmiş içyapının aşırı temperlenmesine yol açabilir (dayanım düşer). 

Tuz banyosunda nitrürleme, 570°C ± 10°C sıcaklığındaki siyanür (CN) banyosunda yapılır. Yalnız burada azotla birlikte siyanürün bileşimindeki karbonun bir kısmı az da olsa çeliğe yayınır. Isınmanın hızlı oluşu işlem süresini çok kısaltır (10 saatte ulaşılan nitrürleme derinliği yaklaşık 0,5 midir). Dolayısıyla aşırı temperleme tehlikesini gazlı nitrürlemeye oranla çok azaltacağından, iç kısımlarında belirli bir ıslah durumunun korunması gereken takımlar ve parçalar için genellikle sıvı ortam kullanılır. Örneğin yüksek hız çeliğinden üretilmiş takımlarda, temperleme sıcaklığının altındaki banyolu nitrürasyon sonucu yaklaşık 0,02 mm kalınlığında bir tabaka oluşturulması, işletme sırasında ısı etkisiyle yumuşamaya karşı direnci ve kesme ömrünü belirgin olarak artırmaya yeterlidir.

Sementasyonla karşılaştırıldığında, daha sert (850-900 HV' ye karşı yaklaşık 1200 HV) ancak çoğunlukla daha ince bir t-baka oluşturan nitrürasyon, anılan özellikleriyle aşınmayı azaltmada üstün, yüksek yüzey basınçlarına yeterli dayanımı gerçekleştirmede ise sementasyonun etkinliğine varamayan bir yöntemdir. Bu eksiklik çeliğin ıslah edilmesiyle bir ölçüde giderilebilir. Nitrürleme sonrası parçaya su verme ve bundan kaynaklanan çarpılma söz konusu olmadığından, taslama vb. bir işlem çoğunlukla gerekmez. Yüzeyde azot miktarının fazlalığı yanında, sertliğin çok yüksek ve ısıl kararlı oluşu 550°C-600°C işletme sıcaklığına kadar olağanüstü aşınma dayanımı sağlar (örneğin matkap ucu, freze bıçağı, torna kalemi gibi takımlarda). Ayrıca yorulma ve korozyon dayanımı da belirgin olarak iyileşir. Ancak darbeli zorlamalar ince ve gevrek yüzey tabakasının kırılmasına yol açarak yorulma dayanımını çok düşürürler.