Nitrasyonla Yüzey Sertleştirme

Talaş kaldırma veya diğer mekanik yöntemlerle kolayca işlenip şekillenebilen çelikler, kullanım alanına göre çeşitli yüzey sertleştirme işlemlerine tabi tutulmaktadırlar. Aşınmaya karşı dirençli yüzey ve kırılmaya karşı tok bir iç yapı elde edebilmek için mil, dişli, cıvata ve el aletlerinin yanı sıra otomotiv sektöründe ve makine elemanları yapımı gibi birçok alanda yüzey sertleştirme işlemleri uygulanmaktadır. Yüzeysel sertleştirme sonrası 0.001-2 mm arasında değişen ısıl işlem tabakaları elde edilebilmektedir. İşlem sonrası yüzeylerde oluşan basma gerilmeleri yorulma dayanımını arttırdığından özellikle dinamik ortamlarda çalışan malzemelere yoğun olarak uygulanmaktadır. 

Başlıca yüzey sertleştirme işlemleri iki farklı yöntemle yapılmaktadır: 

a)- Çelik yüzeyinin kimyasal bileşimini değiştirmeyle (Karbürizasyon, Nitrasyon, Borlama, Karbonitrasyon ve Fosfatlama gibi), 
b)- Çelik yüzeylerini bölgesel olarak hızla ısıtıp soğutma ile (indüksiyon alevle sertleştirme gibi). 

Nitrasyonla çeliklerin yüzeyini sertleştirme genellikle 500-590 °C sıcaklıkları arasında yapılmaktadır. Bu sıcaklık aralığında N’un difüzyonla ferrit fazı içinde arayer katı eriyiği olarak çözünmektedir. Difüzyonun ilerlemesiyle yüzeyde sert ve gevrek karakterli bileşik tabakaları ve bu tabakaların altında sert karakterli nitrür (difüzyon) bölgesi oluşmaktadır. 
 

Fe-N denge diyagramında, nitrür oluşumu sıcaklığa ve N konsantrasyonuna bağlı olarak değişmektedir. N, α-Fe içinde % 0.1 kadar çözünebilmektedir. % 0.1-6 arasındaki N bileşimlerinde Fe4N kimyasal bileşimili T--Nitrürler oluşmaktadır. % 6 ve daha fazla N oranlarında da ɛ -Nitrürler oluşmaktadır.
 
Tufftride siyanür tuz banyosunda yapılan bir çalışmada, 370 °C’de iki saatlik nitrürleme sonrası T--Fe₄N ve ɛ -Nitrür pikleri ilde edilirken banyo içindeki % 6 oranında serbest oksijenden dolayı yüzeyde oluşan Fe₃O₄’e ait pikler de tespit edilmiştir.

Değişen N konsantrasyonlarında oluşan bileşik tabakası nital ile çözündürülemediği için dağlama sonrası matristen farklı olarak beyaz tabaka halinde görülebilmektedir. 

Bileşik tabakasının altında FexNy tipi ve değişen alaşım elementleri ve oranlarına göre serbest nitrürler oluşmaktadır. Sıcaklığa bağlı olarak ikinci faz partikülleri olarak da aşırı doymuş katı eriyikten çökelmektedirler.

Önerilen Makale: Çelik profil malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için hea çelik profil nedir sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.

Nitrasyonda Oluşan Zonlar 

Nitrürleme işleminde %N konsantrasyonuna, alaşım elementlerine ve sıcaklığa bağlı olarak farklı kristal yapılarda farklı bileşikler oluşmaktadır. 

a) Bileşik Zonu (Beyaz tabaka): Nitalle dağlanamadığından beyaz tabaka olarak adlandırılan bu zon, hem gaz ve hem de sıvı nitrasyonla oluşmaktadır. Başlangıç olarak yüzeyde oluşan T-Fe₄N X-Işınları ile açığa çıkarılırken artan N konsantrasyonlarında veya uzun süreli nitrürlemelerde yüzeyde ɛ-nitrürlerin oluşmasından dolayı altta kaldığı için detekte edilememektedir. ɛ -Nitrürleri kimyasal çözündürme veya polisajla kaldırılarak T-Nitrürleri detekte edilebilirler. Farklı dağlama yöntemleri uygulayarak bu tabakaları görmek de mümkündür. 

Ticari uygulamalarda 7-20 µm kalınlıklı bileşik (beyaz) tabakaları elde edilmektedir. "Spalling" türü kalkmalara eğilimli olduğu için tabaka kalınlığının 12 µm’u aşmaması istenir. 

b) Nitrür Zonu: Çelik içindeki alaşım elementleri ve oranlarına göre beyaz tabaka altında MxNy türü sert nitrürler oluşur. Özellikle Ti, Al, V, Cr, Mo ve W gibi nitrür yapıcı alaşım elementleri değişik sıcaklık aralıklarında metal nitrürler halinde çökelerek malzemenin tokluğunu arttırmaktadırlar. 

Hızlı soğuma şartlarında katı eriyik içinde kaldıklarından da sıcaklığından başlayarak değişen sıcaklıklarda yaşlandırılarak çökeltmeyle istenilen özellikler elde edilebilir.

c) Östenit Tane Sınırı Nitrürleri: Östenit tane sınırlarında muhtemel olan demir nitrürleri veya karbo nitrürler yüzey altı nitrürler olarak tanımlanmalarına rağmen kesin olarak tanımlanmamıştır. Sıcaklığın artışıyla α-Fe içinde N'un çözünürlüğü azaldığından, tane sınırlarındaki bu fazlar nitrürleme sıcaklığından ziyade, soğuma esnasında oluşmaktadırlar. Soğuma koşullarına bağlı olarak hızla soğutmayla çökelme önlenebilmektedir. 

d) Karbürlerin Zengin Olduğu Bölge: Metallerle bileşik yapma eğilimi N’un karbona göre fazla olmasından dolayı nitrür zonu bitiminde N’un atomik olarak varlığı sementiti veya diğer karbürleri çözerek metal nitrürleri oluşturur.

MC + N → MN + C

C atomları kimyasal potansiyelleri daha düşük olan bölgelere yayılırlar ve karbonca zengin bölgeler oluştururlar.