Buhar ĠĢlemi

Buhar işlemi, aşınmaya maruz kalan parçaların yüzey sertliğini arttırmak için kullanılan, sinter endüstrisinin ikincil operasyonlardan biridir. Buhar işlemi 400-600°C sıcaklıklarda ve atmosferik basıncın biraz üzerindeki basınçlarda, önceden ısıtılmış parçalar üzerine uygulanır. İşlem süresi 2 saat kadardır [21]. Sinter malzemelerde birbirine bağlı gözenek ağları bulunduğundan, buhar malzeme içerisinden rahatlıkla geçmektedir. Böylece yüksek sıcaklıkta buhar geçişi ile sadece dış yüzeyde değil, birbirine bağlanmış bu ağ yapısının tüm yüzeylerinde de demir

oksit filmi oluşur. Buhar işleminde kullanılan sıcaklığa ve atmosfer şartlarına bağlı olarak hematit (Fe₂O₃), magnetit (Fe₃O₄), wüstit (FeOx) olmak üzere 3 farklı demir oksit türü elde edilebilir. Buhar işlemi sonucunda magnetit filmi (Fe3O4) oluşması, tabakanın yüzeye iyi yapışması ve yoğun bir yapıya sahip istenir [22].

İşlem 3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2 reaksiyonu gereğince gerçekleşir. Magnetit oluşumu yalnızca PH2O / PH2 oranı 0,1 ve 1, sıcaklık ise 400-600°C arasında olduğunda gerçekleşir. Düşük sıcaklıklarda (25°C) demir buharla reaksiyona girdiğinde oluşacak ürün Fe(OH)2 olacaktır. Sıcaklık 60°C ye yükselirse Fe3O4 elde edilir. 570°C nin altındaki sıcaklıklarda FeO oluşumuna rastlanmaz. 570-700°C arasında hem FeO hem de Fe3O4 elde edilir ve sıcaklık arttıkça FeO miktarı artar. Fe/O2 ikili faz diyagramına bakıldığında (şekil 4.1) FeO in 570°C nin üstündeki sıcaklıklarda ötektik olarak α-Fe ve Fe3O4 ye ayrıştığı görülmektedir [23].

ġekil 4.1 Fe/O2 ikili faz diyagramı [23].

Buhar işleminin başlangıç hızı oldukça yüksektir, ağırlık artışından hesaplanan değerlere göre toplam ağırlığın %50 si ilk 10 dakika içinde kazanılmaktadır. İlk bir saatin sonunda reaksiyon hızı oldukça düşmektedir [23].

Buhar işleminin avantajları ;

 Yüzeyde, sertliği 50 HRC civarında olan magnetit tabakası oluşumu ile malzemenin abrasif aşınmaya karşı direncini arttırır. Oksit yalnızca yüzeyde

aşınma etkisi ile yüzeyde bulunan oksit tabakası zarar görse de gözeneklerdeki oksit, aşınma direncine katkıda bulunacaktır. İşlem şartlarına bağlı olarak malzeme sertliğinde de % 40-100 civarında bir artış olacaktır.

 Oksit tabakası yüzeye oldukça iyi yapıştığından çatlak, boşluk gibi yüzey hataları oluşumuna daha az eğilimlidir.

 İşlem şartlarına bağlı olarak basma mukavemetinde yaklaşık %25 artış görülür.

 Yüzeyde 5 mikron civarında bulunan oksit tabakası geçirgen olmadığından malzemenin korozyona karşı direncini de arttırmaktadır.

 Yüksek yoğunluğa sahip sinter malzemelere buhar işlemi uygulandığında yüzeyde bulunan gözenekler tamamen kapanır, sıvı ve gaz geçişi engellenir. Böylece malzemeye elektrolitik kaplama yapılacaksa, gözeneklere elektrolit doluşu engellenmiş olur. Gözeneklerin tamamen kapanması sayesinde parçalar yüksek basınçlı gazlardan da korunmuş olur.

 Boyutsal olarak çok küçük bir değişiklik meydana geldiği için (en fazla 10 mikron) herhangi bir boyutsal probleme yol açmaz.

 Ekonomik bir işlemdir.

Buhar işlemi sonucunda çekme mukavemetinde, darbe direncinde ve süneklik değerlerinde düşüşün görülmesi de bu işlemin dezavantajlarıdır. [23]

Buhar işlemi yapılacak sinter malzemelerde; yüzeyin yağlayıcı ve diğer istenmeyen maddelerden tamamen arındırılmış olması, Fe₂O₃ oluşumunu engellemek amacıyla fırındaki havanın buhar verilmeden önce atılması, fırının tüm noktalarının buhar verilmeden önce 100°C ye kadar ısıtılması, böylece 2 Fe(OH)3 → Fe₂O₃ + 3H₂O reaksiyonunun engellenmesi gerekmektedir. [24]

Bu yüzey işlemini etkileyen başlıca proses parametreleri sıcaklık, süre, oksit atmosferinin bileşimi, malzemenin kimyasal bileşimi, yoğunluğu ve malzemenin toz tipidir [22].

4.1.1.1. Malzemenin kimyasal bileĢiminin etkisi

Kimyasal bileşimin ve alaşım elementlerinin; ana malzemenin mekanik özellikleri ile demirin oksidasyonuna etkisi bulunmaktadır.

Bakır, parçaların mekanik özellikleri geliştirdiği için demr esaslı sinter malzemelerde alaşım elementi olarak kullanılmaktadır. Molinari ve arkadaşları yaptıkları çalışmalarda [24,25], bakırın demir esaslı sinter malzeme içinde homojen olarak dağılmadığını, metalik formda ya da ana malzeme ile katı çözelti oluşturmuş şeklinde tane sınırlarında biriktiğini görmüşlerdir. Ayrıca bakırın demir katı çözeltisindeki aktivitesinin de düşük oluşu, oksitleyici atmosferde reaktivitesini düşürmektedir. Bu nedenle de buhar işleminde sadece demir oksitlenirken, bakır metal-oksit ara yüzeyinde kalmaktadır. Seçici oksitlenme nedeniyle yüzeyde mikro hatalar ve iç gerilmeler oluşmaktadır. Bakırın mikro yapıda yarattığı homojensizlik ve demirle bakırın oksidasyona karşı farklı davranışları, yüzeyde farklı kalınlıkta oksit tabakasına neden olmaktadır. Bu homojensizlikler nedeniyle oksit tabakasının yapışması kötü olmakta ve yoğun bir yapı sağlanamamaktadır.

Razavizadeh ve Davies yaptıkları çalışma sonucunda [26], bakır içeren demir esaslı sinter malzemelerde, bakır miktarı arttıkça abrasif aşınmaya karşı direncin de arttığını, fakat bakır içeren demir esaslı sinter malzemeye buhar işlemi uygulanmasının aşınma direncine negatif etkide bulunduğunu görmüşlerdir. Bu negatif etkinin sebebi bakırın oksitle dolan gözenekler etrafında çökelti oluşturması ve bu çökeltilerin çatlak ve boşluk oluşumunu kolaylaştırmasıdır.

Karbon katkısı ise demirin sertliğini arttırıcı etkisi bulunmaktadır. Fakat sertliği arttırıcı etkisinin dışında buhar işlemi sırasında karbonun malzemeye pozitif etkisi bulunmaktadır [26].

Sonuç olarak kimyasal bileşim malzemelerin aşınma davranışını belirgin şekilde etkilemektedir. Bu nedenle toz metalurjisi ile üretilmiş malzemelere buhar işlemi uygulanması tasarlanırken kimyasal bileşim önemli bir proses parametresidir. Bileşimde bakır katkısından mümkün olduğunca kaçınılması gerekirken, karbonun pozitif etkisi göz önünde bulundurulmalıdır [25].

4.1.1.2. Malzeme Yoğunluğunun Etkisi

Yapılan çalışmalar sonucunda, düşük yoğunluğa sahip parçalarda yüzeyde oluşan oksit kalınlığının daha fazla, boşlukların daha büyük, pürüzlülük değerlerinin daha yüksek olduğu görülmüştür.

Malzeme yoğunluğunun artışı sertlik değerlerini de düşürmektedir. Sertlik, yüzeydeki oksit tabakasından ve oksidin gözeneklere doğru hareketinden etkilenmektedir. Düşük yoğunluklarda gözeneklerin oksitle doluşu ilk bir saat için yüksektir. Sonrasında işlem süresinden etkilemez. Buhar işleminin süresi sadece yüksek yoğunluğa sahip malzemeleri etkilemektedir. Yüksek yoğunluğa sahip malzemelerde gözeneklerin doluşu sınırlıdır, bu nedenle dış yüzeyin aşınma direncine katkısı önem kazanır [27].

Leheup ve arkadaşları demir esaslı sinter malzemenin karşılıklı aşınma (reciprocating) hareketi yapan aşınma test cihazında yaptıkları testleri sonucu, yoğunluk veya gözenekliliğinin düşük hız değerlerinde aşınma davranışına çok fazla etkisinin bulunmadığını, yoğunluğun etkisinin artan hız ile arttığını görmüşlerdir. Birbirine bağlı ağ yapısı gösteren gözeneklerin kapanmasının aşınma mekanizmasına etkisi büyüktür. Yoğunluk değerinin ve tribolojik koşulların değiştirilmesi ile birbirinden 7 kat farklı aşınma miktarı sonucu elde edilebileceğini belirtmişlerdir. Bununla birlikte gözenek miktarının sürtünme katsayısına herhangi bir etkisi yoktur [28].

4.1.1.3 SıkıĢtırma Basıncının Etkisi

Sıkıştırma basıncı ve toz büyüklüğü gözenekliliğe, demir matriksi ve gözenek morfolojisine etkide bulunmaktadır. Gözeneklilik miktarı yüksek olan örneklerde oksit miktarının da yüksek olduğu belirlenmiştir. Sinter malzemelerde düşük miktarda gözeneklilik yüksek sıkıştırma basıncı kullanarak elde edilebilir. Tozların boyutları da gözeneklilik miktarı ile ters orantılıdır. Sıkıştırma basıncı ve toz tanecik büyüklüğünde yapılacak değişikliklerin toz şekline etkisi olmayacaktır [28].

Belirli bir toz büyüklüğü için sıkıştırma basıncı arttığında ya da sıkıştırma basıncı sabit tutulup toz büyüklüğü arttırıldığında gözeneklilik miktarında büyük bir azalma görülmektedir.

Toz büyüklüğü arttığında toz şekli küreden sapmaktadır. Sıkıştırma basıncının gözenek morfolojisine belirleyici bir etkisi bulunmamaktadır.

Birbirine bağlı ağ yapısı oluşturan gözeneklerdeki oksit miktarı sıkıştırma basıncı ve toz büyüklüğü arttıkça azalmaktadır. Oksit miktarı gözeneklilikten oldukça fazla etkilenmektedir.

Toz boyutlarının azalması sıkıştırma basıncının artması ile sağlanmakta ve bu durum ana malzeme sertliğinin artmasına neden olmaktadır [28].

Eyre ve Walker yaptıkları çalışmada gözenekli sinter demir malzemelerin sıkıştırma basıncı ve sinterleme sıcaklığı arttırılıp, gözeneklilik miktarı azaltılarak aşınma özelliklerinin iyileştirilebileceğini görmüşlerdir [28].

4.1.1.3. Sertliğin Etkisi

Razavizadeh ve Davies yaptıkları çalışmada [23] sinterlenmiş malzemelerin sertliğinin, yoğunluğun bir fonksiyonu olduğunu görmüşlerdir. Buhar işlemine tabi tutulan tüm parçaların sertliğini artmaktadır, fakat 450°C de buhar işlemi uygulandığında, yüksek yoğunluğa sahip malzemeler, düşük yoğunluğa sahip malzemelere oranla daha yüksek sertlik değerine sahipken, 600°C de buhar işlemi uygulandığında düşük yoğunluğa sahip malzemeler, yüksek yoğunluğa sahip malzemelere oranla daha yüksek sertlik değerine sahiptir.

Razavizadeh ve Davies sertlik ve aşınma ilişkisini incelemek için yaptıkları diğer bir çalışmada [26] aynı sertlik değerine sahip malzemelerin farklı aşınma özelliklerine sahip olduğunu görmüşlerdir. Buhar işlemi görmüş Fe-Cu alaşımları ve yalnızca sinterlenmiş alaşımlar için farklı koşullarda yapılan deneylerde en yüksek sertliğe sahip olan alaşımlarda en az aşınma hacmi ile karşılaşılmıştır. Fakat buhar işlemi görmüş bakır içeren alaşımların sertliği, bakır içermeyen sinter alaşımlarından daha yüksek bile olsa aşınma hacmi daha büyük çıkmıştır. Bu durum bakır içeren malzemelere buhar işleminin olumsuz etkilediğinin bir göstergesidir [26].

4.1.1.4. Isıl ĠĢlemin Etkisi

Molinari ve Straffelini sinterlenmiş malzemelere uygulanan buhar işlemi ve ısıl işlemin aşınma davranışlarına etkisini görmek amaçlı yaptıkları çalışmada farklı bileşimlerdeki sinter malzemeleri 540°C de buhar işlemine tabi tutmuşlar, bir grup sinter malzemeye de ısıl işlem uygulamışlardır. (860°C de 10 dakika östenitleme+ 65°C de yağda su verme + 2 saat 150°C de temperleme). İşlem sonunda en yüksek sertlik ve en düşük aşınma hızı değerleri ısıl işlem uygulanan örneklerde

görülmüştür. Buhar işlemi uygulanmış malzemelerin sertlik değerleri işlem uygulanmamış parçalara göre daha yüksek, aşınma hızları daha düşüktür. Yapılan deneyler sonucunda malzemeye buhar işlemi veya ısıl işlem uygulayarak plastik akışa karşı direnci arttırmanın malzemenin aşınma davranışına olumlu etkisi olduğu anlaşılmıştır [29].

Isıl işlem görmüş parçalarda aşınma deneyi sonunda yalnızca oksidatif aşınma görülürken işlem görmemiş ve buhar işlemi görmüş parçalarda hem oksidatif aşınma (yüzeyde oksit parçaçıklarının oluşumu) hem de ara yüzey tabakaları arasında plastik kayma görülmüştür. Plastik kayma miktarı işlem görmemiş parçalarda daha fazladır. [29]

Bilindiği gibi buhar işlemi dış yüzeyde ve birbirine bağlanmış gözeneklerde oksit tabakası oluşumu ile malzemeyi sertleştirmektedir. Dış yüzeydeki oksit tabakası zarar gördüğü zaman gözenekler içinde bulunan oksit filmi etkisini göstermektedir. Fakat buhar işleminin malzemeye faydası sınırlıdır, çünkü zayıf bir sertleştirme işlemi yapılmaktadır. Isıl işlemde ise martensitik dönüşüm sayesinde oldukça yüksek miktarda sertlik artışı sağlanmaktadır. Plastik akışa karşı direnç, ısıl işlemle arttırıldığından tabakalar arası plastik kayma görülmez, malzemede etkili olan mekanizma yalnızca oksidatif aşınmadır. [30]