Nitrürleme İşleminin ve Yöntemlerinin Tanımı…

Tüm nitrürleme yöntemlerinde ortak prensip, nitrürleyici ortamdan sağlanan atomik azotun malzeme yüzeyine difüzyonu ile yüzeyden içeriye doğru istenen bir derinliğe kadar azot konsantrasyon gradyanı oluşturmak ve difüzyonun gerçekleştiği bölgenin sertliğini arttırmaktır. Atomik azotun parça yüzeyine difüzyonu için dört temel gereksinim vardır. Bunlar, difüzyonun başlaması için gerekli yüzey azot konsantrasyonu, aktivasyon enerjisi, atomik azotun elde edileceği ortam ve difüzyonun gerçekleşebilmesi için gerekli işlem sıcaklığıdır. İşlem için optimum difüzyon hızlarının sağlandığı ve işlemin pratik olarak gerçekleştirildiği sıcaklık aralığı 500 °C ila 590 °C’dir.

Yüzeyde oluşturulan nitrürlenmiş bölge, beyaz tabaka adı verilen bir bileşke tabakadan ve hemen altındaki difüzyon bölgesinden meydana gelmektedir. Bu

bölgeler şematik olarak Şekil 2.1’de ve metalografik inceleme sonucundaki görünümü ile Şekil 2.2’de gösterilmiştir. Bölgelerin karakteristikleri, yüzeyin nitrürleme sonucunda sahip olacağı fiziksel, kimyasal ve mekanik özellikleri belirlemektedir. Bileşke tabakanın ‘beyaz tabaka’ olarak adlandırılmasının nedeni, nitrürlenmiş bölge kesitinde nital çözeltisi ile yapılan dağlama işlemi sonucunda bileşke tabakanın ayraçtan etkilenmemesi ve metal ışık mikroskobunda beyaz renkte gözükmesidir. Bu sonuç ayrıca bileşke tabakanın kimyasal direncinin yüksek olduğunu da göstermektedir.

Şekil 2.1. Çelik yüzeyindeki nitrürlenmiş bölgenin şematik olarak gösterimi [6]

Şekil 2.2. Gaz nitrürlenmiş 34CrAlNi7 çeliğinde nitrürlenmiş bölgenin 100x büyütmedeki mikroyapı görüntüsü (% 3 nital) [7]

İşlem için gerekli azotun elde edileceği ortam, gaz, plazma ya da sıvı ortamı olabilmektedir. Her ortamın kendine özel uygulama teknikleri ve şartları mevcuttur. Böylece işlemin gerçekleştirildiği ortamlar farklı nitrürleme yöntemlerinin oluşmasını sağlamaktadır. Bu yöntemler kısaca aşağıdaki gibidir.

1) Plazma Nitrürleme (Plazma Ortam) 2) Tuz Banyosunda Nitrürleme (Sıvı Ortam)

3) Gaz Nitrürleme (Gaz Ortam) (Geleneksel gaz nitrürleme, Akışkan yataklı fırınlarda gaz nitrürleme, K_N kontrollü gaz nitrürleme)

Nitrürleme yöntemleri ve işlem kontrol teknolojilerinin farklılaşması dışında işlemin prensibinde getirdiği başlıca ortak avantajlar aşağıdaki gibidir.

1) Yüksek yüzey sertliği

2) Yüzey yorulma dayanımının iyileştirilmesi 3) Sürtünme yapışmasının azaltılması

4) Abrazif ve adhezif aşınma dayanımının iyileştirilmesi 5) Yüzeyde elde edilen düşük sürtünme katsayısı

6) Korozyon dayanımının iyileştirilmesi

7) Nitrürleme sıcaklığına kadar olan çalışma sıcaklıklarında, yüzeydeki dayanım değerlerinin korunması ve sertlik düşüş etkisine karşı olan dayanım

8) İşlem sonrası boyutsal kararlılığın sağlanması

9) İşlemin devamında yapılan oksidayon işlemi ile korozyon dayanımı çok yüksek tabakalar elde edilmesi

Yukarıda tanımlanan ortak faydalar dışında, nitrürleyici ortam ve ortamda gerçekleştirilen ısıl işlemin kontrol edilmesi için kullanılan teknoloji ve ekipmanlar, nitrürleme yöntemlerinin birbirleri üzerinde avantaj ve dezavantajlarının oluşmasına neden olmuştur. Yöntemler arasında yapılan karşılaştırmalar Tablo 2.1-2’de gösterilmiştir.

Tablo 2.1. Nitrürleme yöntemlerinin avantajları ve dezavantajları [9, 12]

Nitrürleme

Yöntemi ^{Avantajlar Dezavantajlar}

Tuz Banyosunda

Nitrürleme

 Hızlı ısıtma ve hızlı işlem

 Düşük alaşımlı ve düşük karbonlu

çeliklerde özellikleri iyi nitrürlenmiş tabakaların oluşumu

Proses kontrolünün yapılamaması

İşlemin sadece yüksek sıcaklıklara kadar

ısıtılabilen ve bu sıcaklıklarda çekirdek sertliğini kaybetmeyen çeliklerle sınırlı olması

Sadece kısa işlem sürelerinde gerçekleştirilebilmesi

İşlemden sonra parçaların yüzeyinde kalan

korozyon oluşturucu artık tuzlardan tamamen arındırılması-temizlenmesi

Sağlık ve çevre şartlarına zararlı bir işlem olması

İşlemden sonra çıkan atığın bertaraf zorluğu

Plazma Nitrürleme

 Nitrürlenmesi istenmeyen bölgelerin

mekanik maskeleme yöntemleri ile korunabilmesi

 Yüzey aktivasyonunun kolay

sağlanması

 Düşük nitrürleme işlem

sıcaklıklarının mümkün olması

Atmosfer içerisindeki sıcaklığın ölçümünün ve

homojen dağılımının zor olması

Aşırı ısıtma problemi

Nitrürleme sonuçlarının tekrarlanabilirliğinin, ısıl işlem fırını içerisindeki parçaların dizilimine ve dizaynına bağlı olması

İyi eğitilmiş ve tecrübeli operatör gereksinimi

Akışkan Yataklı Fırınlarda Gaz Nitrürleme  Hızlı ısıtma ve soğutmanın mümkün olması

Gaz tüketiminin fazla olması

Proses kontrol parametresinin amonyağın

ayrışma yüzdesi olması

Geleneksel Gaz Nitrürleme

 Sementasyon ile karşılaştırıldığında, işlemin düşük sıcaklık avantajı

 Basit ve maliyeti düşük kontrol teknikleri

Proses kontrol parametresinin amonyağın

ayrışma yüzdesi olması

Ayrışma yüzdesi üzerinden yapılan kontrol ile

beyaz tabaka ve difüzyon bölgesindeki özelliklerin kontrol edilemeyişi

Çoğunlukla işlemden sonra oluşan kırılgan

beyaz tabakanın mekanik işlemler ile kaldırılma gereksinimi

Nitrürlenmeyen bölgenin bakır kaplanması ya

da nitrürlemeye engel olan özel kimyasallar ile boyanması

 Paslanmaz çeliğin nitrürlenmesinde özel aktivasyon yöntemlerinin gereksinimi

K_N Kontrollü

Gaz Nitrürleme

 İşlemin kolay uygulanabilir olması

 Proses kontrol parametresinin malzeme yüzeyindeki azot konsantrasyonu ile direkt ilgili olan

termodinamik parametre ‘K_N’ -

Nitrürleme potansiyeli olması

 Beyaz tabaka kalınlığının, faz içerik yüzdesinin kontrolü

 Parça geometrisinden bağımsız tüm

bölgelerde homojen tabaka oluşumu

 Son yüzey işleme gereksinim

duyulmaması

Nitrürlenmeyen bölgenin bakır kaplanması ya

da nitrürlemeye engel olan özel kimyasallar ile boyanması

Paslanmaz çeliğin nitrürlenmesinde özel

Tablo 2.2. Nitrürleme yöntemlerinin teknolojik ve uygulanabilirlik açısından karşılaştırması [13]

İşlem Özellikleri ^KN Kontrollü Gaz Nitrürleme Geleneksel Gaz Nitrürleme Tuz Banyosunda Nitrürleme Plazma Nitrürleme

İşlem Öncesi Parça

Temizliği ^{Hassas Hassas Hassas değil Çok hassas} İşlem Sonrası Parça

Temizliği ^{Gerekli değil Gerekli değil Gerekli Gerekli değil}

Isıtma Süresi Kısa Kısa Çok kısa Uzun

Parçaların Dizilimi Basit/Kolay Basit/Kolay Basit/Kolay ^Deneyim gerekli

Paslanmaz Çeliklerin

Nitrürlenmesi ^{Mümkün Mümkün değil Mümkün değil Mümkün} İşlem Ekipmanlarının

Kullanımı

Çok kolay/Otomatik

sistem

Kısmen kolay Kolay

Karışık ve tecrübe gerektirir

Sıcaklık Kontrolü ve

Homojenizasyonu Mükemmel İyi İyi Zor ve yetersiz

Nitrürleme

Potansiyelinin Kontrolü ^{Mevcut Yok Yok Yok}

% ε ve % γˊ Kontrolü Mümkün Yok Yok Mümkün

Beyaz Tabakasız

Nitrürleme ^{Mümkün Mümkün değil Mümkün değil Mümkün}

Pürüzlülük Kontrolü Mümkün Mümkün değil Mümkün değil Mümkün

Sonuçların

Tekrarlanabilirliği ^{Mükemmel Mümkün Mümkün Mümkün}

Ekipman Bakımı Basit Kısmen

karmaşık Karmaşık Çok karmaşık

İşlemin Oluşturduğu

Çevre Kirliliği ^{Çok düşük Yüksek Çok yüksek Çok düşük}

Tablo 2.1 ve Tablo 2.2’de belirtilen farklılıklar, malzeme yüzeyine kazandırılmak istenen mühendislik özelliklerinde sürekli bir iyileştirme girişiminin olduğunu göstermektedir. Nitrürlemenin iyi anlaşılması ve işlem parametrelerinin doğru bir şekilde kontrol edilmesi, düşük maliyetli uygulamaların ve tekrarlanabilir metalurjik sonuçlara sahip ısıl işlemlerin oluşumunu mümkün kılmaktadır.

BÖLÜM 3. GAZ NİTRÜRLEME

Belgede Gaz nitrürlemede işlem parametrelerinin 34CrAlNi7 çeliğinin mekanik özelliklerine etkisi (sayfa 37-42)