SEMENTASYON HAKKINDA BĐLGĐ Yüzey Sertleştirme Đşleminin Önemi
Yüzey sertleştirme işleminde düşük karbonlu çeliklerden imal edilmiş parçalar, karbon verici ortamlar içinde tavlanırlar.Bu işlemde parçaların iç bölgeleri karbon alamadıklarından yumuşak kalır ve böylece yüzey sertleştirmesi neticesinde sert cidarlı ve yumuşak iç bölgeye sahip parçalar elde edilir.Bu parçalar yüksek sertliklerinden dolayı aşınmaya, akışkan çekirdekleri sayesinde de değişken ve darbeli yüklere karşı çok dayanıklı olurlar.[2]
Yüzey sertleştirilmesine tabi tutulan çeliklerin, normal sertleştirmeye tabi tutulan çeliklere nazaran avantajları şunlardır:
Bu parçaların iç kısımları sonradan işlenebilir.
Yumuşak ve akışkan çekirdek, su verme işleminde şekil değiştirmelere, çatlaklara mani olur.Bu sebepten dolayı yüzey sertleşmesi bilhassa işlendikten sonra ısıl işleme tabi tutulan, ölçülerini değiştirmemesi gereken parçalar için çok uygundur.
Yüzeyin taşlanması haricinde diğer kısımlarının işlenmesi daha kolay ve ucuzdur.
Yüzey sertleşmesi yapabilecek çelikler, yüksek karbonlu çeliklere nazaran daha ucuzdur.[2]
Yüzey sertleştirmenin dezavantajları ise şunlardır:
Çelik homojen olmayıp değişik Fe-C alaşımlarından meydana gelir( içeriye doğru karbon muhtevası azalır ).
Uygun ısıl işlem tecrübe ister ve pahalıdır.
Bu yöntemle sertleştirilmiş parçalar taşlanmadan önce dikkatli olarak düzeltilmelidirler, zira sert yüzeyin ancak çok ince bir kısmı taşlama ile alınabilir.[2]
Bu yöntem dişliler, bilyalı yataklar, anahtarlar, vida başları ve uçları, zincir dilimleri, eksantrik millerinde kullanılır.Ayrıca muhtelif ölçü aletleri, kesici takım uçları, zımbalar, eğeler, bazı freze bıçakları, plastik kalıpları ve zırhlı plakalar da aynı usulle sertleştirilir.[2]
1.SEMENTASYON ĐŞLEMĐ
Çeliğin iç kısmında maksimum tok özelliklerin istendiği ve yüzeye göre daha yumuşak parçaların imali için çelikte yapılacak yüzey sertleştirme işlemlerinden birisi de sementasyondur.[4]
Sementasyon işlemi, katı, sıvı veya gaz ortamlarda yapılabilir.Semente işleminden sonra malzeme genellikle yağda su verilerek sertleştirilir.Malzemenin cinsine ve kullanım amacına göre ısıl işlemi basit veya karmaşık olabilir.[4]
Sonuçta; parça yüzeyi sert ve aşınmaya dayanıklı, çekirdek kısmı ise yüzeye göre yumuşak fakat tok; yani darbelere karşı dayanıklı bir malzeme elde edilir.[4]
Karbon emdirilmesi işlemi çelik parçasının CO ihtiva eden bir ortamda, östenit faz sıcaklığına kadar ısıtılmasıyla, gaz-metal reaksiyonu sonucu oluşur.Genellikle 850- 950oC arasında bir sıcaklık kullanılır, bu sıcaklığa ‘sementasyon sıcaklığı’denir.[1]
Aşağıdaki reaksiyona göre;
CO2 + C = 2CO
oluşan karbonmonoksit, kullanılan sementasyon sıcaklığında östenit fazda bulunan çelik parçasının yüzeyinde parçalanır ve açığa çıkan atomik karbon çelik bünyesine emilerek çözülür.[1]
Aşağıdaki reaksiyon;
Fe +2CO = Fe(c) +CO2
bunu göstermek için verilmiştir.Burada Fe(c) östenit fazda çözünen karbonu ifade etmektedir.[1] Sementasyon işleminin östenit bölgesinde yapılması, bu bölgenin % 2 oranına kadar karbon çözebilmesi ile yakından ilgilidir.Fakat ikincil sementit (Fe3C) ayrışımı arzu edilmediğinden, sementasyon tabakası genellikle ötektoid noktasına uygun olarak karbonlanır.[5]
Bu iki reaksiyon da reversible özelliktedir.Buna göre;
CO2 + C = 2CO reaksiyonu sıcaklığın azalması ile sağdan sola doğru ilerleyerek CO bakımından zengin bir gaz atmosferi meydana getirir.Eğer çelik parça böyle bir ortamda kalırsa Fe + 2CO = Fe(c) + CO2 reaksiyonu sağdan sola doğru
ilerleyerek, çelik parçasının yüzeyinden karbon kaybetmesine neden olur.Bu duruma ‘dekarbürizasyon’ denir.[1]
Çelik yüzeyindeki dekarbürizasyon tabakası, sementasyon sonrası yapılacak sertleştirme işleminde martenzit yapıya dönüşmeyeceği için yüzeyde yumuşak bir bölge oluşturur.[1] Dekarbürizasyon neticesinde yüzey sertliğinde ve yorulma mukavemetinde düşme olur.[3] Bu ise çoğu zaman istenmeyen bir
durumdur.Dekarbürizasyon tabakasının oluşumunu önlemek için fırın atmosferinde endotermik gaz karışımı sağlayarak, çelik parçasını yüzeyi CO2, O2 ve su
buharından korunarak sağlanabilir.[1]
Kullanılan sementasyon sıcaklığında, östenit fazda çözünebilen maksimum karbon miktarı Fe-C denge diyagramında Acm çizgisinden bulunabilir.Örneğin 925oC sementasyon sıcaklığında östenit fazda çözünebilen maksimum karbon miktarı
%1.3 civarındadır.Bu sıcaklıkta çelik parçanın yüzeyi yaklaşık olarak %1.3’e kadar karbon emmesi yaparken, parçanın çekirdek kısmı düşük karbon miktarını
korumaya devam eder.Bu sebeple, karbon atomları parçanın yüzeyinden çekirdeğe doğru difüz ederek denge durumuna gelmek isteyeceklerdir.Östenit fazda karbon
atomlarının difüzyon hızı, verilen sıcaklıkta,çelik parçanın yüzeyinde oluşan karbon konsantrasyonuna ve difüzyon katsayısına bağlıdır.[1]
Çelik parça, sementasyon sıcaklığında karbon difüzyonunun arzu edilen derinliğe kadar ilerlemesi için yeterli süre tutulur.Bu süreye ‘sementasyon zamanı’
denir.Sementasyon zamanı boyunca, çelik parçanın yüzeyinden içeriye difüz eden karbonun ilerleme derinliğine ‘sementasyon derinliği’ denir.Eğer çelik parça, sementasyon sıcaklığından yavaşça soğutulursa, sementasyon derinliği boyunca değişen karbon miktarına bağlı olarak çeşitli yapılar oluşur.Bu yapılar, çelik
parçasının sementasyon sonrası, fırında yavaş soğutulmasından sonra mikroskopta incelenmesi ile açıkça görülür.Bunun altında oluşan ötektoid bölge sadece perlit yapıdadır.Đçeriye doğru perlit ve ferrit yapılardan oluşan ötektoid altı bölge gelir ve çekirdeğe doğru ferrit yapı miktarı artarak devam eder.[1]
Sementasyon süresi ve sıcaklığı:Aynı oranda olmamakla beraber, sementasyon tabakasının kalınlığı, sementasyon süresi ve işlemin yapıldığı sıcaklık ile artar.[2]
Đç yapıyı kabalaştırarak sementasyonu takip eden ısıl işlemleri zorlaştırdıklarından, çok uzun sementasyon süreleri ve çok yüksek sıcaklıklar zararlıdır.Bu yüzden arzu edilen karbürizasyonu elde edebilmek için optimum süre ve sıcaklık
kullanılmalıdır.[2]
Çeliğin karbon yüzdesi ne kadar düşük olursa o kadar daha yüksek sıcaklıkları kaldırabilir.[2]
Genel olarak süreyi çok uzun yapmamak için A3 sıcaklığının biraz üzerindeki sıcaklıklarda çalışılır.Bu süreyi daha da kısaltmak için sıcaklığı çok yüksek tutmak hiçbir şekilde tavsiye edilmez.Bununla beraber, esas olarak sementasyon süresi arzu edilen tabaka kalınlığına göre seçilmelidir.[2]
Difüzyona etki eden başlıca faktörler:
Sıcaklık
Süre
Karbon potansiyeli
Çeliğin kimyasal bileşimi [5]
Difüzyon kinetiğini şu formülle ifade etmek mümkündür:
C – Co = (C1 - Co) . [ (1 – erf ( x /2 \ D . t ) ] [5]
Sementasyon işlemi için şu yaklaşım formülünü kullanabiliriz:
x = 2,36 . \ D . t ( C1 – C / C1 – Co )1,3 [5]
Burada C1 yüzeydeki, Co ise çekirdekteki karbon oranıdır.C ise karbon oranının x’
e bağlı olarak aldığı değerdir.[5]
Karbonun östenit demirdeki yayınması ile ilgili olarak şu difüzyon katsayısı kullanılabilir:
D = 0,21 . exp ( - 33.800 / 1.987 T ) ( cm2 / sn ) ( T = oK ) [5]
Karbon Potansiyeli: Sementasyon ortamı ile denge haline gelen çeliğin içindeki karbon oranına karbon potansiyeli denir.Karbon potansiyeli ne kadar yüksek ise sementasyon tabakasındaki karbon oranı o kadar yüksek olur.Buna göre karbon potansiyeli, sementasyon ortamının etkinliğini ifade eden bir büyüklük olup, P2CO/PCO2 oranına paralel olarak artar.Burada PCO ve PCO2 , CO ve CO2 gazlarının kısmi basıncını ifade etmektedir.Alaşım elementlerinin etkisini elemine etmek için karbon potansiyelinin tanımında ve tayininde alaşımsız karbon çeliği veya Fe baz olarak alınır.[5]
Pratikte, karbon potansiyelini tespit etmek için ince bir demir plaka veya tel sementasyon ortamında, ortamla denge haline gelinceye kadar tutulur.Daha sonra tartım yoluyla içindeki karbon oranı bulunur.Bu oran karbon potansiyeline
eşittir.Eğer ortamda H2 veya H2O varsa, H2O’ un çiğlenme sıcaklığı yardımıyla da karbon potansiyeli tayin edilebilir.[5]
Uygulamada karbon potansiyeli % 0.8 – 1.2 arasında seçilir.[5]
Sıcaklık, süre ve karbon potansiyeli sabit tutulduğu halde semente edilen çeliklerin, kimyasal bileşimlerine bağlı olarak yüzeyde farklı karbon oranlarına sahip oldukları görülür.Çeliğin karbon aktivitesini düşüren Cr, Mn, Mo gibi
elementler çeliğin daha fazla karbon almasına yol açarlar.Aşırı karbonlama denilen bu olay istenmeyen bir durumdur.N, Si, Ni ise karbonlamayı azaltıcı etkiye
sahiptir.[5]
2.SEMENTASYON METOTLARI
Sementasyon işlemi değişik karbon verici ortamlarda yapılabilir.Bunlar;
Kutu sementasyonu (Katı Ortamda Sementasyon) Tuz Banyosunda Sementasyon
Gaz Sementasyonu
olmak üzere üç farklı yöntemdir.[1]
Uygulanan metot her ne olursa olsun, sementasyon işlemi, çelik parçanın östenit faz sıcaklığına çıkarılarak gaz difüzyonu yapılmasıyla olur.[1] Karbon taşıyıcı gaz genellikle CO, bazen de CH4’ tür.[5] Her metot kendi özel karakteristiğiyle çelik yüzeyinde farklı sementasyon derinlikleri ve sementasyon sonrası uygulanan sertleştirme yöntemine bağlı olarak farklı neticeler verir.[1]
Sementasyon ortamındaki maddelerin görevi, difüzyon olayını gerçekleştirecek olan CO gazını ortaya koymaktır.Karbon potansiyelini ayarlamak kolay olduğu için ve seri imalata yatkınlığı sebebiyle, gaz sementasyonu önem kazanmıştır.[5]
2.1.Kutu Sementasyonu (Katı Ortamda Sementasyon)
Kutuda yapılan sementasyon işlemi için kullanılan karbürleyici tozun bileşimi; odun kömürü, kok veya kemik kömürü ile alkali bileşiklerin 3-6 mm’lik taneler halindeki karışımıdır.[2] Semente edilecek parçalar, çelik veya dökme demirden yapılmış kutuya (aksi halde sürekli değişen ısıtma ve soğutma şartları nedeniyle kutu üzerinde kav tabakası oluşur ) toz karışımı ile birlikte konur ve kutunun ağzı sıkıca kapatılarak fırına yerleştirilir.[1] Sıcaklığın yükselmesi ile kömür, kutu içindeki havanın oksijeni ile reaksiyona girerek CO2 oluşturur.CO2’de tekrar kömür ile reaksiyona girerek CO meydana getirir.[1]
CO2 + C = 2CO
Sıcaklığın artması ile yukarıdaki reaksiyona göre CO oluşumu artar. Ortaya çıkan CO çelik yüzeyinde ayrışarak CO2 ve atomik karbon meydana getirir.Atomik karbon, östenit faza gelmiş olan çelik tarafından emilerek bünyede
çözünür.Böylece çelik parçasının yüzeyi karbonca zenginleştirilmiş olur.Açığa çıkan CO2 tekrar odun kömürü ile reaksiyona girer, CO meydana getirir ve reaksiyonlar aynen tekrar eder.[1] Karbürleyici tozun bileşimindeki alkali bileşikler ise
aktivasyon maddeleri olarak etki ederler; yani karbürizasyon süresini kısaltırlar.En etkili bileşikler baryumoksit ve baryumkarbonattır.[2]
Avantajları:
En önemli avantajı; önceden hazırlanması gereken gaz atmosferine gerek
olmamasıdır.[1] Bu yöntem sadece bölgesel olarak karbürlenecek büyük parçalar için daha ekonomiktir.Büyük parçaların karbürleyici toza bulanması ve ısıtılması
için gerekli zaman, esas karbürizasyon süresine göre daha kısadır.Büyük karbürizasyon derinlikleri ucuz ve kolay olarak elde edilir.[2]
Dezavantajları:
Parçanın toz ile kaplanması ve temizlenmesi için harcanacak iş gücü fazladır.
Karbürizasyon tozu kötü bir ısıtıcı olduğundan sementasyon sıcaklığına ulaşıncaya kadar uzun bir ısıtma süresi gerekir.[2] Karbon potansiyelini ayarlamak mümkün değildir.[5] Çelik parçasının hassas toleranslı (0.25 mm), ince sementasyon derinliği (0.75 mm’den aşağı) istendiği durumlar için uygun değildir. Enerji kayıpları fazladır. Ayrıca, ısınma ve soğutma için her defasında fazladan zamana ihtiyaç vardır.[1]
2.2.Tuz Banyosunda Sementasyon
Đlk önce parçalar 100-140oC’de ön tavlamaya tutulur.Böylece parçaların nemi alınır ve tuz banyosunun daha verimli kullanılması sağlanmış olur.Parçalar ön tavlama işleminden sonra sudan arındırılmış bir tuz eriyiği içerisine asılırlar.Sıcaklık 850-930oC’dir.[2]
Kullanılan tuzlar ticari anlamda kolay bulunabilen tuzlardır ve karbon verici olarak sodyum siyanür (NaCN) veya potasyum siyanür (KCN) ihtiva ederler.Tuz seçimi istenilen sementasyon derinliğine ve buna bağlı olarak çalışılacak sementasyon sıcaklığına göre yapılmaktadır.[1] Đki çeşit tuz vardır:
1-Đnce sementasyon derinliği veren (düşük sementasyon sıcaklığında çalışan) tuzlar. Bu durumda tuz banyosundaki siyanür miktarı %20 civarındadır.Çalışma sıcaklığı ise 843-889oC olmalıdır.Böyle bir tuz banyosunda 0.9 mm’ye kadar sementasyon derinliği elde edilir.[1]
2-Sementasyon derinliğini artıran (yüksek sementasyon sıcaklığında çalışan) tuzlar. Bu durumda ise tuz banyosundaki siyanür miktarı %10’dur ve kullanılan sementasyon sıcaklığı 899-954oC’dir.Bu tip tuz banyosunda 3 mm’ye kadar sementasyon derinliğine ulaşılır.Bu metotla sementasyon işlemi aşağıdaki reaksiyonlara göre gaz fazında cereyan eder:[1]
2NaCN + O2 2NaCNO
4NaCNO 2NaCN + Na2CO3 + CO +2N
3Fe +2CO Fe3C + CO2
Đlk reaksiyon siyanür tuzu ile havanın oksijeni arasında olur.Açığa çıkan NaCNO ayrışarak CO ve atomik azot verir.850-950oC’de östenit fazdaki çelik, CO ile reaksiyona girerek karbonu bünyesine alır.Bu arada bir miktar azotta çelik tarafından emilir.Çeliğin karbon ve azot emme miktarı önemli ölçüde banyodaki siyanür miktarına ve sementasyon sıcaklığına bağlıdır.[1]
Tuz banyosunda kullanımında arzu edilen kabuk derinliği küçüldükçe, elde edilen ekonomi büyür.Bunun sebebi; ise tuz banyosunda çelik parçaların ısınma hızının kutu sementasyonunkinden daha yüksek olmasıdır.[1]
Avantajları:
Tuz banyosu genellikle küçük ve orta büyüklükteki parçaların sementasyonu için kullanılır. Bu metotla yapılan sementasyon işlemi, parça yüzeyinde homojen sementasyon derinliği vermesi ve tuz banyosunun yüksek ısı iletimi dolayısıyla, çelik parçaların kısa zamanda sementasyon sıcaklığına ulaşması gibi avantajlar sağlar.[1] Karbürizasyondan sonra tuz banyoları içerisinde doğrudan doğruya sertleştirme mümkündür.Yani enerjiden tasarruf edilir.[2] Bunun yanında homojen sementasyon derinliğinin sağlanması için banyo kompozisyonunun sık sık kontrol edilerek ayarlanması gerekir.[1]
Dezavantajları:
Karbon potansiyelini ayarlamak mümkün değildir.[5] Tuz eriyikleri kuvvetli mide zehiridir.Banyo boş halde iken bile ayrışma devam eder, bu nedenle üzerlerinin grafit ile örtülmesi gerekir. Tuz eriyiği banyonun imal edildiği malzeme ile de reaksiyona girer ve malzeme kaybına neden olur.Bakır tabakalar mükemmel izolasyon sağladıklarından dolayı tavsiye edilir.[2]
Tuz banyosunda karbürizasyon küçük parçaların tamamen karbürlenmesine elverişlidir.Büyük parçaların tuz banyosunda sementasyonu pota büyüklüğü dolayısıyla zorluklar getirir.[2]
2.3.Gaz Sementasyonu
Gaz sementasyonu, son yıllarda yüzey sertleştirme metotlarının en popüler olanı haline gelmiştir.Bu metotla oldukça iyi ve güvenilir sonuçlar alınmaktadır.[1]
Gaz ile karbürizasyon prensip olarak kutu sementasyonuna
benzermektedir.Kullanılan karbürleyici toz, karbürleyici bir gaz karışımının
oluşmasına neden olur.[2]
Gaz ile karbürizasyonda karbürleyici gaz genellikle fırının dışında üretilir.[2]
Sementasyon için karbon verici olarak metan (CH4), etan (C2H6) ve propan (C3H8) gibi hidrokarbonlar kullanılır.[1]
Sementasyon sıcaklığında aşağıdaki reaksiyonlar gerçekleşir:
2CO = C + CO2
CH4 = C + H2
CO + H2 = C + H2O [1]
Bu reaksiyonların soldan sağa ilerlemesi sonucu ortaya çıkan atomik karbon, östenit fazdaki çelik bünyesine girerek yüzeyde karbonca zengin kabuk bölgesini meydana getirir.[1]
Fırın atmosferinde oluşan gaz kompozisyonunun, özellikle nem miktarının çelik yüzeyinde elde edilecek karbon miktarına önemli etkileri vardır. Nem miktarı ise gazın yoğunlaşma sıcaklığının tesbiti ile ölçülebilir.Burada yoğunlaşma sıcaklığı olarak tarif edilen, su damlacıklarının gaz karışımından çökeldiği sıcaklıktır.[1]
Şekil 2
Asil çelik sayfa 10 şekil 1
Şekil 2’de nem miktarı ile yoğunlaşma sıcaklığı arasındaki ilişki verilmiştir.
Aşağıdaki şekillerde ise yoğunlaşma sıcaklığı kontrol edilerek, sementasyon sıcaklığı ve gaz kompozisyonunun değişimi ile yüzeyde elde edilecek karbon miktarına ait örnekler verilmiştir.[1]
Şekil 3’de sementasyon sıcaklığı 925oC ve fırın gaz kompozisyonundaki CO miktarı
%20 olarak sabit iken yoğunlaşma sıcaklığının ve H2 miktarının çelik yüzeyinde oluşacak C konsantrasyonuna etkisi verilmiştir.Çelik parçasının yüzeyinde meydana gelecek karbon miktarı, yoğunlaşma sıcaklığına ve fırın atmosferindeki H2 yüzdesine bağlı olarak değişmektedir. Çelik yüzeyinde %0.8 C elde edebilmek için gaz karışımındaki H2 miktarı %60 iken yoğunlaşma sıcaklığı -3oC veya %0.6 C
elde edebilmek için gaz karışımındaki H2 miktarı %30 iken yoğunlaşma sıcaklığı - 9oC olmalıdır.[1]
Şekil 3
Asil çelik S=11 şekil 2
Şekil 4’de gaz karışımındaki CO miktarı %20 ve H2 miktarı %40 olarak sabit iken, yoğunlaşma sıcaklığının ve sementasyon sıcaklığının çelik yüzeyinde oluşacak C konsantrasyonuna etkileri verilmiştir. 925oC sıcaklık kullanıldığında, yüzeyde %0.8 C eldesi için yoğunlaşma sıcaklığı –6oC veya aynı C miktarının eldesi için 815oC sıcaklık kullanıldığında yoğunlaşma sıcaklığı 5oC olmalıdır.[1]
Şekil4 koy
Asil çelik S=11 şekil3
Sementasyon derinliği, çelik parçasının fırında kalış süresine bağlı olarak değişir.
Đşlem tamamlandıktan sonra kullanılan çelik çeşidine bağlı olarak uygun
sertleştirme yöntemi seçilir.[1]
Avantajları:
Karbon potansiyeli ayarlanabilir.[5] Doğrudan doğruya ısı iletimi neticesinde daha kısa işlem süresi, parça büyüklüğü ve karbürleme derinliği sebebi ile uygulama alanı sınırlanmaz.[2]Temiz ve zehirsiz bir yöntem olduğundan sürekli çalışma imkanı sağlar.[1]
Dezavantajları:
Gazın üretilmesi ve ayarlanması için gerekli tesisler pahalıdır.[2]
2.4.Sementasyon Tabakası ve Kalınlığı
Dış tabakaların karbon alma hızları, iç tabakalara karbon verme hızlarından daha yüksek olduğundan, dış kısımlarda zengin karbonlu bir cidar tabakası teşekkül eder.Bu cidar tabakası, çok ince parçalar haricinde, karbon muhtevasını
değiştirmeyen iç bölgelere, çok veya az karbonlu bir geçiş bölgesi ile bağlıdır.[2]
Sementasyon uygulanmış bir çelikte sertleştirilmiş tabaka kalınlığını ölçmek için su verilmiş çeliğin kesiti seyreltik nitrik asit çözeltisi ile dağlanır ve kolayca görülen tabakanın kalınlığı mikroskopta ölçülür.[2]
Sementasyonda 3 mm tabaka kalın, 1.5 mm orta ve 0.75 altı ise ince
sayılır.Genellikle kalın tabaka elde etmek için kutu sementasyonu, orta ve ince tabaka elde etmek için ise sıvı ve gaz sementasyonu uygulanabilir.[2]
3.SERTLEŞTĐRME METOTLARI
Sementasyon sonunda, dış tabakası yaklaşık % 0.8, çekirdek kısmı ise % 0.2 karbon ihtiva eden, iki ayrı karakterde bir yapıda olan ikili bir malzeme elde edilir.Bu farklı karbon oranları sonucunda, su verme ve martensit dönüşüm sıcaklıkları da farklı olur.Sementasyon tabakasının sertleştirme sıcaklığı çekirdeğe nazaran yaklaşık 100oC, martensit dönüşüm sıcaklığı (Ms) ise 250oC daha düşüktür.Bu farklı davranışların sonucu olarak, uygulamada çeşitli sertleştirme metotları geliştirilmiştir.[5]
Sementasyon yapılmış tabaka, aynen takım çeliği gibi sertleştirilebilir.Fakat iş parçası sementasyon sıcaklığından doğrudan doğruya suya veya yağa atılırsa, dış tabaka çok sert fakat gevrek olur.Sementasyon işleminde kullanılan yüksek sıcaklıklar ve uzun süreler nedeniyle iç yapı kabalaşır ve bu yüzden sertleştirme aynen çok yüksek sıcaklıklarda yapılan normal sertleştirmenin özelliklerini
gösterir.Bu nedenle sementasyon sonucunda, basit bir su verme işleminden farklı, özel ısıl işlemler yer alır.[4]
Cidarın ve çekirdeğin uygun mekanik özelliklere sahip olmasını sağlamak için iki şartın yerine getirilmesi gereklidir: Đç yapı kabalığının giderilmesi ve aşırı kızdırmaya meydan vermeden sertleştirme.[4]
Sertleştirme işlemi parçanın yüzeyinde veya çekirdeğinde veya beraberce her iki bölgesinde elde edilmesi istenen sertlik değerine bağlı olarak çeşitli şekillerde yapılır.[1]
Tüm yüzey sertleştirme işlemleri hem yorulma mukavemetini hem de aşınma mukavemetini artırmaktadır.[4]
3.1.Direkt Sertleştirme
Direkt sertleştirme, sementasyon işleminden hemen sonra sementasyon sıcaklığındaki malzemeyi direkt olarak uygun ortama atmak suretiyle
gerçekleştirilir.Bu metot, genellikle seri imalatta, gaz ve tuz sementasyonundan sonra uygulanabilir. Sertleştirmenin getireceği şekil ve deformasyonu azaltmak amacıyla, semente edilen parçalar 30-50 oC kadar soğuduktan sonra yağa daldırılır.[5]
Sulama sıcaklığının özellikle sementasyon tabakası için fazla yüksek oluşu, tane büyümesine ve kalıcı östenit miktarının artmasına yol açar.Bu yüzden direkt sertleştirilecek sementasyon çelikleri ince taneli (ASTM 5- olmalı ve aşırı
karbonlanmaya yol açan Cr düşük tutulmalıdır (< % 0.8 Cr).Artık östenit miktarını azaltmanın bir yolu da karbon potansiyelini düşük tutmak ve daha düşük
sıcaklıklarda su vermektir.Alaşım elementi miktarı arttıkça, sementasyon
tabakasının karbon oranı da azaltılmalıdır.Çünkü bütün alaşım elementleri ötektoid noktayı % 0.8’ den daha düşük değerlere kaydırırlar.Ötektoid noktadan daha fazla karbon ikincil sementite yol açar, bu da yapıyı kırılgan yapar.[5]
Su verme ortamı genellikle yağdır.Basit ve hassas olmayan parçalara suda da su verilebilir.[5]
Direkt sertleştirilen sementasyon çelikleri genellikle ince taneli ve düşük Cr’
ludur.[5]
Deformasyonu azaltmak için su verilecek parçalar 150-180oC sıcaklığındaki banyoya daldırılır,menevişleme yapılır.[5]
Oldukça ekonomik bir yöntemdir.[1]
3.2.Sementasyondan Sonra Soğutup Tek Su Verme
Semente edilen parçalar sementasyon fırınında veya havada soğumaya bırakılır.Daha sonra sementasyon tabakasının Ac3 sıcaklığı ile çekirdeğin Ac3 sıcaklığı arasında bir sıcaklıkta veya çekirdeğin Ac3 sıcaklığının üzerinde bir sıcaklıkta tavlanarak su verilirler.[5]
Deformasyonu azaltmak için su verme tavından önce ara tav veya izotermik tav uygulanabilir.[5]
3.2.1.Sementasyondan Sonra Soğutup Ara Tavsız Tek Su Verme
Su verme, sementasyon tabakasının Ac3 sıcaklığının biraz üzerindeki bir sıcaklıkta yapılırsa, çekirdekte sadece kısmi bir dönüşüm olur.Sementasyon sıcaklığında uzun süre tutulmanın sonucu olarak, çekirdekte kaba taneli yapı meydana gelmiş olabilir. Sementasyon tabakasında ise ince taneli, homojen ve sert bir yapı elde edilir.Bu yapı aşınmaya ve yorulmaya karşı dirençlidir.Tane sınırlarında ağ şeklinde sementit ayrışmış ise düşük su verme sıcaklığı sementit ağını çözmeye yetmez.[5]
Avantajları:
Sertleştirme sıcaklığı düşük olduğu için malzeme fazla deforme olmaz.Ayrıca semente olmamış kısımlar, sertleştirme işleminden sonra da talaşlı işlenmeye elverişlidir.[5]
Dezavantajları:
Çekirdek tokluğu düşük olur.[5]
Çekirdeğin Ac3 sıcaklığının üzerindeki bir sıcaklıkta su verme yapılırsa, çekirdek tamamen dönüşüme uğrar ve bu sayede ince taneli, yüksek dayanımlı ve tok olur.Buna karşılık sementasyon tabakası kaba taneli olur, fakat sementit ağı mevcut ise çözülür ve sementasyon tabakasının gevrekliği giderilmiş olur.Bu tarz su verme ince taneli çelikler için uygun ve ekonomiktir.Yüksek su verme sıcaklığı kalıcı östenit miktarını artıracağından, özellikle alaşımlı çeliklerde sementasyon tabakasının nispeten düşük karbonlu olmasına dikkat edilir.[5]
3.2.2.Ara Tavdan Sonra Tek Su Verme
Çelik parçalar semente edildikten sonra sementasyon kutusunda veya havada soğumaya bırakılır.Sonra A1 ötektoid sıcaklığı altında, genellikle 630-650oC’ de ara tava tabi tutulur.Bunu takiben yüzey veya beraberce yüzey-çekirdek sertleştirmesi için gerekli sıcaklığa çıkılır, uygun ortamda (yağ, su, sıcak banyo) soğutulur ve menevişlenir.[5]
3.2.3.Đzotermik Dönüşümden Sonra Su Verme
Sementasyon sonrası, parçalar yüzey dönüşüm sıcaklığı altında ( 500-600oC ) perlit yapının izotermik dönüşümü tamamlanıncaya kadar bekletilir.Tekrar yüzey veya yüzey-çekirdek sertleştirilmesi için gerekli sıcaklığa kadar çıkılır, uygun ortamda ( yağ, su, sıcak banyo ) soğutularak menevişlenir.[5]
3.3.Çift Sertleştirme
Sementasyon tabakası kalın olduğu halde sementasyon tabakasının ve çekirdeğin tok olması isteniyorsa, çift sertleştirme yapılır.Bunun için malzeme ilk önce çekirdeğin Ac3 sıcaklığından,daha sonra sementasyon tabakasının Ac3
sıcaklığından su verilir.En büyük deformasyona çift sertleştirmede rastlanır.[5]
Özellikle Cr-Ni’ li çeliklerde artık östeniti azaltmak için ara tav gerekebilir.[5]
Çift sertleştirme sonucunda ince taneli sementasyon tabakası ve çekirdek elde edilir.[5]
3.4.Menevişleme
Su verme işleminden sonra malzemeler 150-220oC arasında menevişlenirler.Bu işlemin amacı, sertliği bir miktar düşürerek sertleştirme sonrası çelik parçadaki gerilimleri gidermektir. Süresi 1-2 saat olup sementasyon tabakasının sertliği 1-2 HRC düşer.[5]
4.SEMENTASYON SERTLEŞTĐRMESĐ SONRASI TAŞLANABĐLĐRLĐK
Malzeme, ısıl işlem sırasında ya deforme olduğu ya da yüzeysel karbonsuzlaşmaya uğradığı için taşlanması gerekebilir.[5]
Taşlanabilirliğin kriteri, sementasyon tabakasındaki artık östenit miktarıdır. Artık östenit ne kadar az ise taşlama o derece promlemsiz geçer.Artık östenit
istenmemesinin nedeni; taşlama esnasında yüzeysel yırtılmalara yol açmasıdır.Artık ( kalıcı ) östenit miktarı, martensit dönüşümünün başlangıç sıcaklığı ( Ms ) ve bitiş sıcaklığı ( Mf ) ile yakından ilgilidir.Mf ne kadar düşük ise artık östenit miktarı o kadar fazla olur.Artık östenit yüzey sertliğini de azaltır.[5]
Ms ve Mf sıcaklıklarını hesaplamak için şu formüller kullanılabilir:
Ms ( oC ) = 539 – 423.C – 30,4.Mn – 17,7.Ni – 12,1.Cr – 7,5.Mo
Mf ( oC ) = Ms – 215 [5]
Đlk formüle göre artık östenit miktarını artıran elementlerin en etkilisi C’
dur.[5]Sementasyon yapılan çeliğin karbon oranı çekirdekten yüzeye doğru artarken, artık östenit miktarı da artar.Bu artışa bağlı olarak çeliğin yüzeyindeki sertlik ve basma gerilmesi düşer.[3] Cr,Mn gibi elementler aşırı karbonlamaya yol açtıklarından, dolaylı olarak artık östenit miktarını da artırırlar.Diğer taraftan sementasyon sıcaklığı da artık östenit miktarını fazlalaştırır.[5]
5.SEMENTASYON ÇELĐKLERĐ
Sementasyon çelikleri, yüzeyde sert ve aşınmaya dayanıklı, çekirdekte ise daha yumuşak ve tok özelliklerin istendiği, değişken ve darbeli zorlamalara dayanıklı parçaların imalinde kullanılan, düşük karbonlu, alaşımsız veya alaşımlı
çeliklerdir.[1]
Sementasyon çeliklerinin karbon % si 0.10 – 0.25’ dir.Fakat son yıllarda % 0.35 karbon içeren çelikler geniş kesitli parçalarda iyi iç özelliklerinin sağlanabilmesi için kullanılmaktadır.Sementasyondan sonra tabakanın karbon yüzdesi 0.8 – 1’ dir.[6]
Endüstride sementasyon işlemi aşınma, temas ve eğilme yorulmasına karşı yüzey direncinin gerekli olduğu parçalarda kullanılır. Buna göre sementasyon çelikleri;
dişliler, miller, piston pimleri, zincir baklavaları, zincir dişlileri ve makaraları, diskler, kılavuz yatakları, rulmanlı yataklar, merdaneler, bir kısım ölçü ve kontrol aletleri, zorlamalı parçalar, extrüzyonla şekillendirilen parçalar, kesici takımlar gibi parçaların imalinde kullanılırlar.[1]
Aşağıdaki tabloda sementasyon için seçilmiş çeliklerin kimyasal kompozisyonları verilmiştir.[6]
Sementasyon çeliklerinin kullanımı, yüzeyde aynı sertlik değerini verecek yüksek karbonlu çeliklerin kullanımına nazaran şu avantajları sağlar:
Sementasyon işlemi, parça kısmen veya tamamen son şeklini aldıktan sonra uygulandığı için, parçanın işlenmesi oldukça kolaydır.
Parça yüzeyinde sonradan işlenecek, sertleşmesi istenmeyen kısımlar varsa, bu bölgeler özel pasta veya elektrolitik bakır ile kaplanarak örtülür.Bu kısımlar sementasyondan etkilenmeyeceğinden daha sonra kolayca işlenebilir.
Sementasyon işlemi sonrasında, çekirdek bölgesi yumuşaklığını koruyacağından, sertleştirme sırasında ortaya çıkabilecek çarpılmalar oldukça azdır.
Semente edilmiş çeliklerin iç kısımları kolayca işlenebilir.
Sementasyon çelikleri daha ucuzdur. [1]
Ancak uygun sementasyon çeliğinin seçimi ve doğru sementasyon işlemi çok dikkat ve tecrübe gerektirir. Sementasyon işleminin iyi sonuç vermesi ( istenilen sementasyon derinliğine ve sertliğine ulaşılması ), kullanılan çeliğin iç yapı
temizliği ile yakından ilgilidir.Đç yapı temizliği, sıvı çeliğin bünyesinde ergimiş halde bulunan gazlardan ( hidrojen, oksijen ve azot ) arındırılması ve oksit, sülfür inklüzyonlarının temizlenmesi işlemidir.[1]
5.1.Alaşım Elementlerinin Sementasyona Etkisi
Sementasyon çeliklerinde alaşım elementlerinin bulunması, karbonun aktivite katsayısına etki etmektedir. Mangan, sertleştirme çatlamasına engel olur ve sertleştirme derinliğini arttırması açısından yararlıdır. Silisyum, nikel ve kurşun sementasyonu geciktirici etkiye sahiptir. Selenyum ise karbon difüzyonunu engeller. Molibden ve bor karbürizasyonu destekler.[5]
5.2.Sementasyon Çeliğini Karakterize Eden Özellikler
Sementasyon çeliğini karakterize eden başlıca özellikler şunlardır:
yüzey sertliği
yüzeydeki karbon oranı
karbonun nüfuz derinliği
etkin sementasyon derinliği
karbon oranı profili
çekirdek dayanımı ve tokluğu [5]
5.2.1.Yüzey Sertliği
Optimal yüzey sertliği menevişleme işleminden sonra 56-60 HRC’ dir.Meneviş sırasında sertlik azalması olacağından, semente edilmiş ve su verilmiş malzemenin yüzey sertliği en az 60 HRC olmalıdır.Bu durumda özellikle büyük çaplı
malzemelerde sementasyon tabakasının da sertleşebilirliği önem
kazanmaktadır.Bunu için semente edilmiş malzemelerde Jominy deneyi yapılarak, karbon oranına ve sulanmış uçtan uzaklığa ( yani soğuma hızına ) bağlı olarak sertlik eğrileri tespit edilir.[5]
5.2.2.Yüzeydeki Karbon Oranı
Yüzeydeki karbon oranı ötektoid noktaya uygun olarak seçilmelidir.Yüzeydeki karbon oranı % 0.7’ in altında olursa, çelik gerekli sertliği elde edemez ve sertlik daha sonraki taşlama işleminden sonra daha da düşer. Yüzeydeki karbon oranı % 0.9’ un üzerinde olursa ikincil sementit ve artık östenit oluşumu baş gösterir.Đkincil sementit, sementasyon tabakasını kırılgan yapar. Artık östenit ise özellikle taşlama sırasında çatlamalara yol açar.[5]
5.2.3.Karbonun Nüfuz Derinliği
Karbonun nüfüz derinliği yüzeyde başlar, çekirdeğin karbon oranına ulaşılınca sona erer; malzeme açısından ikinci derecede bir husustur.[5]
5.2.4.Etkin Sementasyon Derinliği
TS 1719 ve DIN 50190’ a göre etkin sementasyon derinliği, sertliği en azından 550 HV olan sementasyon tabakasının kalınlığıdır.Soğuma hızı arttıkça etkin
sementasyon derinliği de artar.Mesela; % 0.4 yerine % 0.3 oranında bir karbon değeri 550 HV sertliği sağlar.[5]
5.2.5.Karbon Oranı Profili
Yüzeyden çekirdeğe doğru, karbon oranının seyri tedrici olmalı ve sıçramalar göstermemelidir.Ayrıca taşlama payını da dikkate alarak yüzeye en yakın noktalarda karbon azalması gayet az olmalıdır.Genellikle sementasyon sıcaklığı arttıkça karbon oranı profili tedricileşir.[5]
5.2.6.Çekirdek Dayanımı ve Tokluğu
Malzemenin çekirdek dayanımı ilk planda kimyasal bileşimin, çapın ve ısıl işlemin bir fonksiyonudur.Malzemelerin dayanımları genellikle firma katologlarında verilir.
Çeliklerin mukavemet ile ilgili özelliklerini birbirileriyle kıyaslamak açısından ideal çap D1 kavramından yararlanılabilir.Soğutma gücü çok yüksek bir ortamda su
verildiğinde, merkezinde en az % 50 oranında martensit bulunduran malzeme çapına , ideal çap denir.Đdeal çapı tespit etmek için şu formül uygundur:
D1 = D1C x 2,21Mn x 1,40Si x 2,13Cr x 3,275Mo x 1,47Ni
Tane büyüklüğü ASTM 6 için sementasyon çeliklerinde D1C = 6,1 + 27,6 . (%C) eşitliği kullanılabilir.[5]
Malzemenin çekirdek dayanımını en önemli ölçüde etkileyen element C’ dur.
5.3.Sementasyon Çeliği Seçimi Kriterleri
Sementasyon çeliklerinin seçiminde şu kriterler esas alınır: [5]
Fonksiyonla ilgili hususlar:
yorulma dayanımı
çekirdek dayanımı
tokluk
Isıl işlem tekniği ile ilgili hususlar:
semente edilebilirlik
tane büyümesi
yüzeysel oksitlenme
sertleşebilirlik
çekirdek sertleşebilirliği
yüzey sertleşebilirliği
Mekanik işlemle ilgili hususlar:
sementasyon öncesi işlenebilirlik
sementasyon sonrası taşlanabilirlik
Ekonomik faktörler:
malzeme fiyatı
malzeme ile ilgili diğer üretim masrafları
5.4.Sementasyon Çeliklerinin Deformasyonu
Deformasyon denilince, genellikle ısıl işlem sırasında ve sonrasında meydana gelen ölçü ve şekil değişiklikleri anlaşılır.Deformasyona yol açan başlıca iki faktör vardır:
[5]
1-ısı gerilimleri ( termik gerilimler )
2-dönüşüm gerilimleri
Isı gerilimleri, malzemenin dış yüzeyinin hızlı, merkezinin ise yavaş soğumasından ileri gelir.Örneğin; silindirik bir malzemenin sertleştirilmek amacıyla tavlandıktan sonra suya atıldığını ve soğuma olayı sırasında meydana gelen çevresel gerilimleri ele alalım:
Yüzey, çekirdekten daha hızlı soğuduğu için büzülmek ister, çekirdek ise bunu engeller.Sonuçta yüzeyde çekme gerilimleri, merkezde ise basma gerilimleri meydana gelir.Yüzeyle merkez arasındaki başlangıçta olmayan sıcaklık farkı, soğuma sırasında gittikçe artar, bir maksimuma ulaştıktan sonra azalmaya başlar ve sonuçta tekrar sıfırlanır.Yüzeyde oluşan çekme gerilimleri de bu sıcaklık farkına paralel bir seyir takip eder.Malzemenin akma sınırı çok yüksek olsa ve malzeme soğuma olayı sırasında tamamen elastik bir davranış gösterse, yüzeydeki çekme gerilimleri de sıcaklık farkında olduğu gibi başlangıçta sıfır, daha sonra maksimum ve sonuçta yine sıfıra eşit olurdu.Halbuki, soğuma olayı sırasında meydana gelen çekme gerilimleri, nispeten sıcak ve dolayısıyla sıcak dayanımı düşük olan
malzeme yüzeyinin akma sınırının üstünde değerlere ulaşarak malzeme yüzeyinde plastik deformasyonlara yol açar.[5]
Plastik deformasyon sonucunda, yüzeydeki gerilimlerin akma sınırının üzerinde olan değerleri ortadan kalkar, fakat elastik gerilimler arda kalır.Yüzeyde kalan gerilimler, yüzeyle merkez arasındaki sıcaklık farkı sıfıra inmeden önce sıfıra eşit olur.Bu noktadan sonra da soğumaya devam eden çekirdek, yüzeyde basma gerilimlerinin oluşmasına yol açar.Bu basma gerilimleri, merkezdeki çekme gerilimleri ile denge halindedir.Sonuçta malzeme tamamen soğuyunca yüzeyde basma, merkezde ise çekme gerilimleri arda kalır.[5]
Isı gerilimleri sonucu olarak malzemelerin dış yüzeyi bombeleşir ve küresel bir biçime doğru yönelir.Bu deformasyonlar; soğuma sırasında yüzeyle merkez arasındaki sıcaklık farkı arttıkça, yani soğuma hızı arttıkça, soğuma ortamının sıcaklığı azaldıkça, malzemenin boyutları arttıkça, malzemenin ısı iletkenliği ve
sıcak dayanımı azaldıkça, artar.[5]
Soğuma olayı sırasında faz dönüşümü söz konusu ise bu da ek gerilimler meydana getirir.Eğer merkezde dönüşüm olduğu halde, yüzey henüz değişime uğramamış ise -ki bu durum sertleşebilirliği düşük olan çelikler için geçerlidir- ısı
gerilimlerindeki gibi
yüzeyde basma, merkezde çekme gerilimleri meydana gelir.Çeliğin sertleşebilirliği arttıkça çekme gerilimleri merkezden yüzeye doğru kayar.Tam sertleşebilir malzemelerde ise yüzeyde çekme gerilimleri, merkezde ise basma gerilimleri mevcuttur. Çekme gerilimleri, akma sınırının üzerine çıkınca plastik
deformasyonlara, çekme dayanımını geçince ise yırtılmalara yol açtığından malzeme için tehlike arz eder. Yüzeyde basma gerilimlerinin mevcut olması
istenilen bir durumdur.Çünkü bu sayede malzemelerin yorulma dayanımı artar.[5]
Malzemenin sertleşebilirliği arttıkça ve sertleştirme sıcaklığı yükseldikçe, dönüşüm sonrasında yüzeyde çekme gerilimlerinin oluşma şansı artar.Kalıcı gerilimler açısından, sertleşebilirliği düşük çelikler kullanarak yüzeysel sertleştirmeye ağırlık vermek , sertleşebilirliği yüksek olan çeliklere doğrudan su vermek yerine
martemperleme işlemi uygulamak yerinde olur.[5]
5.5.Deformasyona Etki Eden Başlıca Faktörler:
1-Çeliğin Sertleşebilirliği : Sertlebilirlik arttıkça ve malzemenin karakteristik ( çap, kalınlık vb. ) boyutu küçüldükçe deformasyonlar artar.[5]
2-Çeliğin Kimyasal Bileşimi : Alaşım elementleri sertleşebilirliği belirlemek suretiyle deformasyona etki ettiği gibi, sementasyon tabakasının karbonlanma oranını etkilemek suretiyle deformasyonu arttırır veya azaltır.[5]
3-Etkin Sementasyon Derinliği : Sementasyon tabakasının kalınlığı arttıkça deformasyon da artar.[5]
4-Isıl Đşlem : Malzemeye uygulanan tav ve soğutma sayısı arttıkça deformasyon sayısı artar.En fazla deformasyon çift su vermeden sonra, en az deformasyon ise doğrudan su vermede görülür.Meneviş sıcaklığı da deformasyonu etkiler.[5]
5-Tane Büyüklüğü : Östenitik tane büyüklüğü arttıkça, malzemenin deformasyonu da artar.[5]
6-Heterojenlikler : Homojen olmayan kristal yapı ( segregasyonlar ve farklı tane büyüklükleri gibi ), düzensiz ısıtma ve soğutmalar, homojen olmayan difüzyon vb.
heterojenlikler deformasyonları arttırır.[5]
5.6. Sementasyon Çeliklerinde Görülen Hatalar
1- Yüzeyin yumuşak olması : Yorulma dayanımı düşük olur, çalışan parçalar birbirilerini aşındırır.
2- Kalıcı ( artık ) östenit : Yüzey yumuşar, yüzeyde tane büyümesi olur, yorulma dayanımı azalır.
3- Yüzeyde yer yer Yumuşak lekeler : Yüzeyde yer yer yumuşamalar olur.
4- Sementasyon tabakasının kaba taneli olması : Malzeme yüke dayanamaz.
5- Çekirdeğin kaba taneli olması : Malzeme kırılgandır ve tokluğu düşüktür.
6- Pullanma : Sementasyon tabakası kavlanıp kırılır.
7- Taşlama sırasında yırtılmalar : Semente edilen malzeme taşlanırken yüzeyinde ince çizgiler halinde yırtılmalar oluşabilir.
8- Dönüşüm gerilimi çatlakları : Çekirdeğin dönüşümü sırasında yüzeyde çekme gerilimleri oluşabilir. [2]
