Şekil 23 Kendi kendine difüzyon mekanizması
Boşluk difüzyonu: Kristal kafes içerisinde bir atom boşluğu varsa ve komşu atomlardan bir tanesi kendi yerini terk ederek bu boşluğa geçmesi ile gerçekleşen atomsal harekete boşluk difüzyonu denir.
DENEYİN ADI DİFÜZYONLA YÜZEY SERTLEŞTİRME DENEYİN
AMACI
Difüzyonla yüzey sertleştirme mekanizmasının anlaşılması, yüzey sertleştirme sonrası malzeme mikroyapısı ve mekanik özelliklerin değişiminin gözlenmesi.
65
Şekil 3. Arayer ve halka difüzyonu
Karbon difüzyonu ile yüzey sertleştirme (sementasyon), yüzyıllardır kullanılan eski ve yaygın bir yüzey ısıl işlemidir. Esas olarak az karbonlu (% 0,15-0,25 C) çelik parçasının yüzeyine karbon difüzlendirerek gerçekleştirilir. Daha sonra martensitik dönüşüm ile sertleştirme uygulanabilir.
Difüzyon Hızına Etki Eden Faktörler
Difüzyon bir konsantrasyon gradyantından ileri gelir. Bu gradyant difüzyon olayının ileri gelmesi için itici gücü oluşturur. Difüzyonun konsantrasyon gradyantına
66
(1) ve (2) denklemlerindeki gr, cm, cal gibi birimler dönüşüm katsayıları kullanılarak aynı türden başka birimlere çevrilebilir. Bu şekilde birim değişikliği yapılırken gaz sabitinin (R) de aynı birimler cinsinden olan değeri kullanılmalıdır. (2) nolu denklemdeki, Q, R ve Do büyüklükleri sıcaklığa bağlı değildir. Do difüzyona uğrayan olan atomların titreşim frekansı için bir ölçü oluşturan difüzyon sabitidir (frekans faktörü). Hızlı titreşen atomlar büyük Do değerine sahiptir ve yavaş titreşenlerden daha hızlı yer değiştirirler. Q (aktivasyon enerjisi), R (gaz sabiti), Do (difüzyon sabiti) ve T (mutlak sıcaklık) değerleri kullanılarak elde edilen D, diffüzyon katsayısı belirli bir atom türünün diffüze olma kaabiliyetini veren bir ölçüdür ve malzemeye özgü bir değerdir.
Aktivasyon enerjisi (Q), Arhenius denkleminden hesaplanabilir;
(3) Burada;
k = Atomların ve boşlukların yer değiştirme hızı,
Ao = Malzemeye bağlı bir sabit, Q = Aktivasyon enerjisi, R = Gaz sabiti, T = Mutlak sıcaklık (°K).
Arrhenius denkleminin logaritması alınarak;
(4) elde edilir.
Bir koordinat düzleminde absise 1/T, ordinatada ln K yazılarak bu iki değer arasında bir eğri elde edilir.(Şekil 4).
Şekil 4 Aktivasyon enerjisinin Arrhenius denklemi yardımıyla hesaplanması.
67
Şekil 4'teki doğrunun eğimi -Q/R olduğuna göre, bu doğru üzerinde iki nokta belirlenerek aktivasyon enerjisi (Q) hesaplanabilir. Atomların yer değiştirmeleri (difüze olmaları) için aşmaları gereken bir enerji engeli vardır. Bu enerji engelini aşmaları için gereken enerjiye aktivasyon enerjisi denir. Boşluklar yardımıyla diffüzyon (yeralan diffüzyon mekanizması) çok küçük bir aktivasyon enerjisi gerektirir.(Şekil.6a). Sıcaklık arttıkça atomların titreşim frekansı ve boşluk konsantrasyonu artar dolayısıyla diffüzyon kolaylaşır. Arayer mekanizmasında ise atomları kendilerinden daha büyük boyutlu atomlar arasında hareket ettirmek için gerekli aktivasyon enerjisi, boşluk hareketine göre daha fazladır. (Şekil.5b).
Azalan aktivasyon enerjisi ile difüzyon kolaylaşır. Aktivasyon enerjisinin azalması difüzyon katsayısının (D) artması sonucunu doğurur.(Tablo.1). Azalan aktivasyon enerjisi ile difüzyon kolaylaşır. Aktivasyon enerjisinin azalması difüzyon katsayısının (D) artması sonucunu doğurur. Difüzyon katsayısı sıcaklık arttıkça artar. Bu nedenle yüksek sıcaklıklarda difüzyon kolaylaşır. Atomlar normal kafes yapısında çok zor difüze olurlar. ‚ünkü enerji engelini aşmak için gerekli aktivasyon enerjisi büyüktür.
Diğer taraftan kafesin büyük ölçüde kusurlu olduğu tane sınırlarında ve dislokasyon yoğunluğu fazla olan kristal kafeslerde daha kolay serbest yüzeylerde ise çok kolay difüze olurlar.
Şekil 5 Atom hareketleri; (a), boşluk mekanizması, (b), arayer mekanizması
68
Tablo 2 Çeşitli ortamlara difüze olan elementlerin ortamdaki Do ve Q değerleri.
Tablo 3 Hata fonksiyonu değerleri.
Difüzyon Mesafesinin Hesaplanması
1. Fick kanunu yardımıyla, bir düzlemin birim alanından birim zamanda geçen madde miktarının ( kütle akış hızı) konsantrasyona ne derece bağlı olduğu hesaplanabilmesine rağmen, bu bağıntı belirli bir noktadaki konsantrasyonunun zamanla nasıl değiştiğini vermez. Bu hesabın yapılabilmesi için II. Fick Kanunu'ndan yararlanılır. II.Fick kanunu ;
(5)
69
Bu denklemin çözümü sınır şartlarına bağlı olarak değişir. Denklemin farklı çözümlerinin kullanıldığı örnekler aşağıdaki şekilde sıralanabilir.
Karbürizasyon
Çalışma koşullarında birçok çelik parçanın dış yüzeyinin sert ve aşınmalara dayanıklı, iç yüzeyinin ise tok ve darbelere karşı dirençli olması istenir. Sade karbonlu çeliklerde bu iki özellik, farklı karbon bileşimine sahip çeliklerle elde edilebilir. Yaklaşık
% 0.1 C bileşimine sahip düşük karbonlu bir çelik tok bir yapıya sahip iken, % 0.9 veya daha fazla karbon bileşimine sahip yüksek karbonlu bir çelik uygun ısıl işleme tabi tutulduğunda yeterli sertliğe sahip olmaktadır.
Buna göre düşük karbonlu bir çelikte yüzeyden itibaren belirli bir mesafeye kadar C veya N yayınımı sağlandığında, çelik parçanın yüzeyi sert ve aşınmalara karşı dayanıklı, iç kısmı ise tok bir hal alacaktır. Parçanın yüzeyinde itibaren iç kısmına doğru karbon yayınımı Karbürizasyon, azot yayınımı ise Nitrürasyon (Nitrasyon) olarak bilinmektedir. Karbon yayınımı ile yüzey serleştirme (sementasyon), dövme demirin çeliğe dönüştürülmesinde yüzyıllardır kullanılmaktadır. Etrafı uygun karbonlayıcı malzeme ile çevrilmiş olan parçanın, üst kritik sıcaklığın (911 °C) üzerindeki bir sıcaklığa çıkarılarak tamamen ostenit (γ) yapısı elde edilmesi ve bu sıcaklıkta yüzeyden itibaren belirli bir mesafede karbonca zengin bir tabaka oluşuncaya kadar beklenmesi bu prosesin temelini oluşturur. Parçanın etrafını saracak karbonlayıcı ortam katı, sıvı veya gaz olabilir. Düşük karbonlu çeliklerin yüzey sertleştirme işlemi karbürizasyon veya nitrürasyon ile yapılır. Sertleşmenin meydana gelmesi için çelik karbonlu bir ortamda belirli bir sıcaklıkta belirli bir süre ile tutulur. Karbürizasyon işlemi sonunda
70
C(x,t) = Malzemenin yüzeyinden itibaren x mesafedeki karbon konsantrasyonu, Co = Malzemenin başlangıç konsantrasyonu,
C1 = Ortamın konsantrasyonu,
x = difüzyon (karbürizasyon) mesafesi (cm), D = difüzyon katsayısı (cm2/sn),
t = difüzyon (karbürizasyon) süresi (sn), erf(β) = hata fonksiyonu (Tablo.2)
Uygulamada genellikle yüzeyden belirli bir uzaklıkta (x) belirli bir karbon konsantrasyonunun, C(x,t) elde edilmesi istenir. C(x,t) 'nin belirli bir ortalama değeri için;
(7)
alınırsa,
erf(β) =0.5 ve Tablo 2’ den β =0.48 bulunur.
Denklem (6)’ dan
yazılır ve buradan
elde edilir.
Bu bağıntı karbonun demir içerisinde ortalama difüzyon mesafesinin hesaplanmasında kullanılır.
Şekil 6 Karbürizasyon tabakası boyunca çeliğin iç yapısının değişimi.
Dekarbürizasyon
Çeliğin yüzeyindeki karbon miktarını azaltmak için dekarbürizasyon işlemi yapılır.
Bunun için çelik belirli bir süre oksitleyici atmosferde tutulur. Bu işlemin esası karbonun
71
çelik içerisinden yüzeye doğru difüze olması ve oksijen gazı ile birleşip ortamdan uzaklaşmasından ibarettir. II. Fick denklemi dekarbürizasyon için çözülürse şu sonuç elde edilir:
(7)
C(x,t) = Dekarbürizasyon işlemi sonunda yüzeyden itibaren x mesafedeki dekarbürize olmuş kısmın konsantrasyonu (%),
C1 = Dekarbürizan ortamın konsantrasyonu (%), Co = İşlem öncesi malzeme konsantrasyonu (%), erf(β) = Hata fonksiyonu. (Tablo.2)
Homojenleştirme Tavlaması
Katılaşma sonunda alaşım elemanları ve katışkıların konsantrasyon farkı, malzeme içerisinde farklı konsantrasyon bölgeleri ortaya çıkarır. Bu olay segregasyon olarak bilinir ve istenmeyen özellikler doğurur. Malzeme içerisindeki bu alaşım elemanlarının konsantrasyon farkını gidermek ve alaşım elemanlarının tüm yapı içerisinde homojen olarak dağılmasını sağlamak için homojenleştirme tavlaması yapılır.
Bu işlem için gerekli hesaplamalar yine II. Fick denkleminin özel bir çözümüyle elde edilen şu bağıntı yardımıyla yapılabilir.
(9) C = Homojenleştirme tavlaması öncesi konsantrasyon, Co = Homojenleştirme tavlaması sonrası konsantrasyon, D = Difüzyon katsayısı,
t = Difüzyon süresi, l = Difüzyon measfesi
Difüzyon Çifti
Birbirine kaynakla birleştirilmiş iki metal bir difüzyon çifti oluşturur. Bu arada bu iki metal arasında atom difüzyonu söz konusudur. 1. metalden 2. metale difüzyon olduğunda 1.
metal ortam gibi düşünülebilir. II. Fick denkleminin bu olay için çözümü ;
(10)
72
C(x,t) = Kesişme (kaynak) bölgesinden x mesafede işlem sonrası oluşacak atom konsantrasyonu (%),
C1 = 1. metalin başlangıç konsantrasyonu (%), C2 = Metalin başlangıç konsantrasyonu(%), x = Difüzyon mesafesi (cm),
t = Difüzyon süresi (t),
D = 1. metal atomlarının 2. metal içerisindeki yayınma katsayısı (cm2/sn), erf(β)= Hata fonksiyonu. (Tablo.2).
DENEYİN YAPILIŞI
Ø Deney için kullanılanacak AISI 1020 ve AISI 1060 çelik numunelere gerekli yüzey temizleme işlemleri uygulanır.
Ø Numunelerin belli aralıklarla sertlik değeri ölçülür.
Ø Deney için kullanılacak fırın test sıcaklığına ayarlanır.
Ø Numune fırın içerisinde, önceden hazırlanmış karbon kaynağının içine bırakılır.
Ø Test süresi sonunda numuneler fırından çıkarılarak tekrar yüzey sertlikleri ölçülür.
RAPORDA İSTENENLER
1- Deney öncesi ve sonrası sertlik değerlerini karşılaştırınız, hangi sertleştirme mekanizması ile gerçekleştiğini açıklayınız.
2- Yüzey sertleştirme işleminin nerelerde kullanıldığını araştırınız?
3- Nitrürleme, borlama ve sementasyon işlemlerini ve endüstriyel uygulamalarını tablo halinde karşılaştırınız.
73 sonucu metalik özelliklerini kaybetmesi olayıdır. Kimyasal terimi metallerin gaz ortamında veya atmosferik koşullardaki korozyonunu ifade eder. Elektrokimyasal korozyon ise sulu ortamlardaki korozyonu ifade eder.
Metaller doğada genellikle oksit ve sülfür mineralleri halinde bulunur. Bu bileşikler metallerin en stabil halidir. Mineraller metalürjik fırınlarda enerji harcanarak metal haline dönüştürülür. Ancak metaller üretilirken almış oldukları bu enerjiyi geri vererek kendiliğinden doğada bulundukları hale dönmek eğilimindedir. Örneğin, demir doğada genellikle hematit ve manyetit gibi oksit mineralleri halinde bulunur. Bu minerallerden yüksek fırınlarda enerji harcanarak üretilen demir metali, zamanla korozyona uğrayarak doğada bulunan demir oksit minerallerine benzer bileşimdeki pası oluşturur.
Yüksek sıcaklıkta yürüyen oksitlenme reaksiyonları dışındaki bütün korozyon olayları elektrokimyasal reaksiyonlar ile gerçekleşir. Bu reaksiyonlar metal/elektrolit ara yüzeyinde meydana gelir. İyonik iletken olan bütün çözeltiler, doğal sular, zeminler ve beton elektrolit olarak korozyona neden olabilir. Başlıca korozif ortamlar;
1. Nemli ortamlar
Ø Atmosferik ortamlar
Ø Sulu ortamlar: Tabi sular, denizler, kimyasal çözeltiler Ø Toprak altı ortamlar
DENEYİN ADI KOROZYON TESTİ DENEYİN
AMACI
St37 çeliğine Tafel ekstrapolasyon yöntemi ile tafel eğrisinin çizimi yorumlanması ve korozyon hızının tayini