Sementasyon Çelikleri

 

Sementasyon çelikleri, yüzeyde sert ve aşınmaya dayanıklı özelliklerin yanı sıra çekirdekte daha yumuşak ve sağlam özelliklerin istendiği, değişken ve darbeli yüklere dayanıklı parçaların imalatında kullanılan düşük karbonlu, alaşımlı veya alaşımsız çeliklerdir. Dayanıklılık söz konusu olduğunda sementasyon en etkili yöntemlerden biridir. Sementasyon çeliği ingilizce'de cementation steel veya case-hardening steel olarak adlandrılır.

Sertleştirici malzemelerin karbon içeriği yaklaşık olarak %0.10 ile %0.20 aralığındadır ve bazı çeşitlerde %0.25'e kadar çıkabilmektedir. Alaşımlı veya alaşımsız olarak üretilebilirler.

Yüzey sertleştirme işlemi, yüzey sertliği aşınma direncini ve sürekli mukavemeti iyileştirir ve aynı zamanda çekirdek bölge mukavemetini ve sünekliği iyileştirir. Bu sayede büyük yükleri taşımak ve darbe yüklerini karşılamak mümkün olur.

Bileşen, karbon içeriğinin çelik yüzeye emilmesini sağlayarak bu özellikleri kazanabilir. Dişliler, miller, piston pimleri, zincir baklaları, zincir dişlileri ve kasnaklar, diskler, kılavuz yataklar, makaralı rulmanlar, makaralar, bazı ölçü ve kontrol cihazları, orta zorlanmış veya zorlanmış parçalar, şekillendirilmiş parçalar gibi parçaların imalatında sertleştirilmiş çelikler kullanılmaktadır. 

Yüzeyde aynı sertlik değerini sağlayacak yüksek karbonlu çeliklere göre sementasyon çeliklerinin kullanımı daha fazla avantaj sağlar:

Sertleştirme işlemi parça kısmen veya tamamen son halini aldıktan sonra uygulandığı için o parçayı işlemek oldukça kolay olacaktır.
Daha sonra işlenecek parçaların üzerinde kısımlar varsa ve bunların sertleşmesi gerekmiyorsa bu kısımlar özel bir macun veya elektrolitik bakır ile kaplanır. Sertleştirme işlemi bu alanları etkileyemez, bu nedenle daha sonra kolayca işlenebilirler.
Sertleştirme işlemi tamamlandıktan sonra maça kesiti yumuşaklığını koruduğu için nadiren bükülme meydana gelir.
Sertleşen çeliklerin iç kısımları kolayca işlenebilir.
Sertleşen çelikler, yüzeyde aynı sertliği sağlayabilen yüksek karbonlu çeliklere göre daha ucuzdur ve genellikle takım çelikleridir.

Sementasyon veya yüzey sertleştirme, metal bir nesnenin yüzeyini sertleştirirken, daha derindeki metalin yumuşak kalmasına izin vererek, yüzeyde ince bir daha sert metal tabakası oluşturma işlemidir. Kendi başına sertleşebilirliği zayıf olan veya hiç sertleşmeyen düşük karbon içerikli demir veya çelik için, yüzey sertleştirme işlemi, yüzey tabakasına ilave karbon veya nitrojen verilmesini içerir. Sertleştirme genellikle parça nihai şekline getirildikten sonra yapılır, ancak bir model kaynağında veya benzer bir işlemde kullanılacak çubukların sertleştirme elemanı içeriğini artırmak için de yapılabilir. Sementasyon terimi, modern zırh tartışılırken bu tekniği tanımlamak için de kullanılır.

Sertleştirilmiş metal yüzey aşınmasına daha dirençli olduğundan, sert veya aşındırıcı malzemelerle kayma temasına maruz kalan metal bileşenler için sertleşme arzu edilir. Bununla birlikte, sertleştirilmiş metal genellikle daha yumuşak metalden daha kırılgan olduğundan, baştan sona sertleştirme (yani, metalin parça boyunca eşit şekilde sertleştirilmesi) her zaman uygun bir seçim değildir. Bu gibi durumlarda, sementasyon, kırılmayacak bir bileşen üretebilir (yumuşak çekirdek nedeniyle çatlama olmadan gerilmeleri emebilir), ancak aynı zamanda sertleştirilmiş yüzey üzerinde yeterli aşınma direnci sağlar.

Hem karbon hem de alaşımlı çelikler, sementasyon için uygundur; tipik olarak düşük karbon içeriğine sahip, genellikle %0,3'ten az yumuşak çelikler kullanılır. Bu yumuşak çelikler, düşük karbon miktarı nedeniyle normalde sertleşemezler, bu nedenle sertleşebilirliği artırmak için çeliğin yüzeyi kimyasal olarak değiştirilir. Sertleştirilmiş çelik, karbon (karbürizasyon), nitrojen (nitrürleme) ve/veya bor (borlama) çeliğin dış tabakasına yüksek sıcaklıkta difüze edilerek ve daha sonra yüzey tabakasına istenen sertliğe ısıl işlem uygulanarak oluşturulur.

Sementasyon terimi, esasen eski süreçle aynı olan karbürizasyon sürecinin pratikliklerinden türetilmiştir. Çelik iş parçası, karbon bazlı bir sertleştirme bileşiği ile sıkıca paketlenmiş bir kasanın içine yerleştirilmiştir. Bu topluca karbonlama paketi olarak bilinir. Paket, değişken bir süre boyunca sıcak bir fırının içine konur. Zaman ve sıcaklık, sertleşmenin yüzeyin ne kadar derine ineceğini belirler. Bununla birlikte, sertleşme derinliği nihai olarak karbonun katı çeliğin içine derinlemesine nüfuz edememesiyle sınırlıdır ve bu yöntemle tipik bir yüzey sertleştirme derinliği 1,5 mm'ye kadardır. Modern karbonlamada, karbonca zengin bir atmosferde ısıtma gibi başka teknikler de kullanılır. 

Sementasyon Çeliği Üretim Yöntemleri

Alev veya İndüksiyonla Sertleştirme İşlemi

Alev veya indüksiyonla sertleştirme, çeliğin yüzeyinin çok hızlı bir şekilde yüksek sıcaklıklara ısıtıldığı (bir oksi-gaz alevinin doğrudan uygulanması veya indüksiyonla ısıtma ile) daha sonra genellikle su kullanılarak hızla soğutulduğu işlemlerdir; bu, yüzeyde bir martensit durumu yaratır. Bu tip sertleştirme için ağırlıkça %0,3-0,6 C'lik bir karbon içeriği gereklidir. Diğer yöntemlerden farklı olarak alevle veya indüksiyonla sertleştirme, malzemenin kimyasal bileşimini değiştirmez. Bu yalnızca lokalize bir ısıl işlem süreci olduğundan, tipik olarak yalnızca su verme sertleşmesine yeterince yanıt verecek yüksek karbonlu çeliklerde faydalıdırlar.

Tipik kullanımlar, dış katmanın eğeye dayanıklı olması için sertleştirildiği bir kilidin kelepçesi ve uzun bir hizmet ömrü sağlamak için sert dişli örgü yüzeylerinin gerekli olduğu, dayanıklılığı ve yıkıcı arızalara karşı direnci korumak için tokluğun gerekli olduğu mekanik dişliler içindir. Alevle sertleştirme, bir oksi-gaz alevinin tanımlanmış bir yüzey alanına doğrudan çarpmasını kullanır. Sertleştirme işleminin sonucu dört faktör tarafından kontrol edilir:

Alev tasarımı
Isıtma süresi
Ulaşılacak hedef sıcaklık
İşlenen metalin bileşimi

Karbürizasyon – Karbonlama İşlemi

Sementasyon, ağırlıkça %0,1 ile 0,3 C arasında karbon içeriğine sahip çeliği sertleştirmek için kullanılan bir işlemdir. Bu işlemde demir, karbon açısından zengin bir ortama yüksek sıcaklıklarda belirli bir süre verilir ve sonra söndürülür, böylece karbon yapıda kilitli; daha basit prosedürlerden biri, bir parçayı, yakıt açısından zengin bir aleve sahip bir asetilen meşale seti ile tekrar tekrar ısıtmak ve yağ gibi karbon açısından zengin bir sıvı içinde söndürmektir.

Karbürizasyon, difüzyon kontrollü bir işlemdir, bu nedenle çelik karbon bakımından zengin ortamda ne kadar uzun süre tutulursa, karbon penetrasyonu o kadar yüksek olur ve karbon içeriği o kadar yüksek olur. Karbürlenmiş kısım, alev veya indüksiyonla sertleştirme yoluyla tekrar sertleştirilebilecek kadar yüksek bir karbon içeriğine sahip olacaktır.

Bir parçanın sadece bir kısmını ya bakır kaplama gibi bir işlemle geri kalanını koruyarak ya da parçanın sadece bir bölümüne karbonlama ortamı uygulayarak karbonlamak mümkündür.

Karbon katı, sıvı veya gazlı bir kaynaktan gelebilir; katı bir kaynaktan geliyorsa, işleme paket karbonlama denir. Düşük karbonlu çelik parçaların karbonlu bir malzemeyle paketlenmesi ve bir süre ısıtılması karbonu dış katmanlara yayar. Birkaç saatlik bir ısıtma periyodu, yaklaşık bir milimetre kalınlığında yüksek karbonlu bir tabaka oluşturabilir.

Sıvı karbonlama, parçaların, genellikle bir metal siyanür olan erimiş karbon içeren bir malzeme banyosuna yerleştirilmesini içerir; gazla karbürleme, parçaların metan bakımından zengin bir iç kısma sahip bir fırına yerleştirilmesini içerir.

Nitrürleme İşlemi

Nitrürleme, çelik parçayı amonyak gazı ve ayrışmış amonyak atmosferinde 482–621 °C'ye (900–1,150 °F) kadar ısıtır. Parçanın bu ortamda geçirdiği süre kasanın derinliğini belirler. Sertlik, nitrürlerin oluşumu ile elde edilir. Bu yöntemin çalışması için nitrür oluşturan elementler mevcut olmalıdır; bu elementler arasında krom, molibden ve alüminyum bulunur. Bu işlemin avantajı, çok az bozulmaya neden olmasıdır, bu nedenle parça su verildikten, temperlendikten ve işlendikten sonra sertleştirilebilir. Nitrürlemeden sonra su verme işlemi yapılmaz.

Siyanürleme

Siyanürleme, hızlı ve verimli bir sertleştirme işlemidir; esas olarak düşük karbonlu çeliklerde kullanılır. Parça, bir sodyum siyanür banyosunda 871–954 °C'ye (1600–1750 °F) ısıtılır ve daha sonra kalan siyanürü gidermek için su veya yağda söndürülür ve durulanır.

2NaCN + O₂ → 2NaCNO
2NaCNO + O₂ → Na₂CO₃ + CO + N₂
2CO → CO₂ + C

Bu işlem, karbonlama ile üretilenden daha sert olan ince, sert bir kabuk (0.25 ve 0.75 mm, 0.01 ve 0.03 inç arasında) üretir ve birkaç saate kıyasla 20 ila 30 dakika içinde tamamlanabilir, böylece parçaların daha az fırsata sahip olması sağlanır. Genellikle cıvata, somun, vida ve küçük dişliler gibi küçük parçalarda kullanılır. Siyanürlemenin en büyük dezavantajı, siyanür tuzlarının zehirli olmasıdır.

Karbonitrürleme

Karbonitrürleme, sodyum siyanür yerine gazlı bir amonyak ve hidrokarbon atmosferi kullanılması dışında siyanürlemeye benzer. Parçaya su verilmesi gerekiyorsa, 775–885 °C'ye (1,427–1,625 °F) ısıtılır; değilse, parça 649–788 °C'ye (1.200–1.450 °F) ısıtılır.

Ferritik Nitrokarbürleme

Ferritik nitrokarbürleme, kritik sıcaklığın altında, yaklaşık 650 °C (1,202 °F) altında bir iş parçasının kasasına çoğunlukla nitrojen ve bir miktar karbon yayar. Kritik sıcaklık altında iş parçasının mikro yapısı östenitik faza dönüşmez, ferritik fazda kalır, bu nedenle buna ferritik nitrokarbürizasyon denir.

Uygulamalar

Yüksek basınçlara ve keskin darbelere maruz kalan parçalar hala yaygın olarak sertleştirilmiş haldedir. Örnekler, ateşleme pimlerini ve tüfek cıvata yüzeylerini veya motor eksantrik millerini içerir. Bu durumlarda, sertlik gerektiren yüzeyler, parçanın büyük kısmını orijinal tok durumunda bırakarak seçici olarak sertleştirilebilir.

Ateşli silahlar, en iyi şekilde düşük karbonlu alaşımlarda yapılan hassas işlemeyi gerektirdiğinden, ancak daha yüksek bir karbon alaşımının sertliğine ve aşınma direncine ihtiyaç duyduğundan, geçmişte sertleştirilmiş yaygın bir üründü. Eski ateşli silahların birçok modern kopyası, özellikle tek hareketli tabancalar, hala kasa sertleştirilmiş çerçevelerle veya geleneksel kömür ve kemik kasa sertleştirmesinin bıraktığı benekli deseni simüle eden kasa renklendirmesiyle yapılır.

Yüzey sertleştirmenin diğer bir yaygın uygulaması vidalar, özellikle de matkap uçlu vidalardır. Vidaların çelik gibi diğer malzemeleri delebilmesi, kesebilmesi ve vidalayabilmesi için, delme noktası ve şekillendirme dişleri, delindiği malzemeden/malzemelerden daha sert olmalıdır. Bununla birlikte, vidanın tamamı eşit derecede sertse, çok kırılgan hale gelir ve kolayca kırılır. Bunun üstesinden sadece yüzeyin sertleştirilmesi ve çekirdeğin nispeten daha yumuşak ve dolayısıyla daha az kırılgan kalması sağlanarak gelinir. Vidalar ve bağlantı elemanları için, yüzey sertleştirme, ısıtma ve ardından su vermeden oluşan basit bir ısıl işlemle elde edilir.

Hırsızlığı önlemek için, kilit prangaları ve zincirler genellikle kesilmeye karşı dayanıklı olacak şekilde sertleştirilirken, darbeye direnmek için içeride daha az kırılgan kalır. Sertleştirilmiş bileşenlerin işlenmesi zor olduğundan, genellikle sertleşmeden önce şekillendirilirler.
 

Çelik Parçaların Dayanıklılığını ve Kullanım Ekonomisini İyileştirir: Sementasyonun en önemli faydalarından biri, çelik parçalara sağladığı gelişmiş dayanıklılıktır. Sementasyon ile geliştirilen mekanik mukavemet ve yüzey sertliği ile yumuşak çekirdeğin tutulması, bileşenlerin aşınma direncini ve yorulma ömrünü önemli ölçüde artırır. Daha yumuşak bir çekirdeğin tutulması, darbe yükleri tarafından salınan enerjiyi emme yeteneğini geliştirir ve böylece uzun ömür ve ekonomik avantaja katkıda bulunur.

Ağır Hizmet Uygulamaları için Üstün İşlenebilirlik: Tipik olarak, ağır hizmet uygulamaları için kullanılan alaşımlar, daha güçlü olduğu kadar daha sert olmaları gerektiğinden düşük işlenebilirliğe sahiptir. Bu bağlamda, sementasyon işlemi, silah ve ateşli silah uygulamaları ve mekanik mukavemet, ince cilalar ve doğru geometri gerektiren diğer benzer ağır hizmet kullanımları için hassas işlenebilirliğe sahip düşük karbonlu çeliğin kullanımına olanak tanır. İşleme sonrası sertleştirme, hassas işlenmiş parçaların yüzeyinde üstün aşınma direnci ve sertlik sağlar.

Çelik, Konik Makaralı Rulmanların Performansını Artırır: Sementasyon, konik makaralı rulmanlarda yaygın olan bir yanlış hizalama koşuluna uyum sağlamak için avantajlı olan daha yumuşak bir çekirdek bırakır. Yumuşak bir iç çekirdeğe sahip güçlü bir yüzey tabakası, yanlış hizalama, titreşim ve şiddetli şok yükleri içeren aşırı bir çalışma ortamında kırılma direnci sağlar. Rulman halkaları ve yuvarlanma elemanları, şok yüklere ve eksenel yüklerle itme yüklerinin bir kombinasyonuna uygunluklarını sağlamak için karbürlenmiştir.

Rüzgar Türbini Dişlileri ve Diğer Ağır Ekipmanlar için Gürültü Azaltma ve Enerji Tasarrufu Sağlar: Sementasyon çelikler, darbe yükü koşulları altında kırılma direnciyle ünlüdür. Eksantrik milleri, bağlantı bileşenleri, tahrik pinyonları ve üniversal mafsallar gibi mühendislik bileşenleri için sementasyon çelikleri tercih edilir. Bu bileşenler gemiler, kamyonlar, hafriyat makineleri ve yarış arabaları için gereklidir. Sertleştirilmiş çelik bileşenler döngüsel gerilimlere dayanabildiğinden, hidroelektrik ve buhar santralleri için türbin dişlileri üretmek için kullanılırlar. Yorulma mukavemeti ve üstün aşınma direnci nedeniyle, sementasyon çelik bileşenler metal haddehanelerde, ağır hizmet tipi vinçlerde, madencilik makinelerinde ve diğer makine mühendisliği uygulamalarında da kullanılır.

Rüzgar türbini dişlileri için, rüzgar hızındaki ani artışların neden olduğu aşırı yüklerin zorluklarını ve rüzgar türbinlerine sert duruşlar uygulama ihtiyacının üstesinden gelmek için sementasyon işlemi daha ileri teknik gelişmelerden geçmiştir.

Doğru malzeme seçimi ve sementasyon iyileştirmeleri, dişli kutusunun çalışmasından kaynaklanan gürültüyü önemli ölçüde azaltmayı amaçlasa da, dişli dişlerinin aşındırıcı aşınması nedeniyle gürültü seviyesi doğal olarak artar. Bu nedenle, daha yüksek aşınma direnci ve daha yüksek yorulma ömrü için derin sertleşme kabiliyetine sahip alaşımlı çelikler seçilir. Çeliğin molibden içeriğinin arttırılması, sertleştirilebilirliğini artırır. Aşındırıcı aşınmayı, gürültüyü ve titreşimi azaltmak, dişlilerin ürettiği atık ısıyı azaltarak türbin çalışması sırasında enerji tasarrufuna katkıda bulunur. Sertleştirme, mühendislik uygulamalarında şiddetli darbe yüklerine maruz kalan kam millerinin performansını artırır.

Dişli Dişlerinde Artık Basınç Gerilmelerinin Oluşmasını Sağlar: Bir araştırmaya göre, dişlilerin sementasyonu, hem kasa derinliği içinde hem de yüzeyde artık basınç gerilmelerinin oluşmasını sağlar, bu da çatlak oluşumunu önler ve eğilme gerilmesini nötralize eder. Gelişmiş indüksiyonla sertleştirme yöntemleri, ağır hizmet tipi spiral konik dişlilerin, pinyonların, hipoid dişlilerin ve karmaşık geometrili helisel dişlilerin hassas şekilde sertleştirilmesini sağlamıştır.

Gelişmiş indüksiyonla sertleştirmenin diğer avantajları arasında uzun ömür, enerji verimliliği, doğru sertleştirme ve ısıtma işlemi üzerinde üstün kontrol sayesinde parça deformasyonunun en aza indirilmesi yer alır.

Sertleştirilmiş Çelikten Yapılan Rulmanlar Üstün Kırılma Direncine Sahiptir: Konik makaralı rulmanlar ve silindirik makaralı rulmanlar gibi semente edilmiş çelikten yapılmış rulmanlar, sertleştirilmiş çelik rulmanlara kıyasla yüksek kırılma direncine ve tokluğa sahiptir. Sementasyon, yorulma direnci iyileştirildiği için yatakların feci arızalarını önler.

Sertleştirilmiş silindirik ve konik makaralı rulmanlar, hafriyat ekipmanları, ekskavatörler, sondaj ekipmanları, emme pompaları, presler ve çamaşır makinelerinde kullanılmaktadır. Rulmanlı yataklarda kullanılan makaralar, şok yüklerini emme yeteneklerini arttırmak için esasen sertleştirilmiştir. Büyük konik makaralı rulmanların iç ve dış bilezikleri de radyal ve itme yüklerini kabul etmeleri gerektiğinden sertleştirilmiştir. Bardaklar ve koniler de sertleştirilmiştir.

Çift Yönlü Sertleştirme ile Kabuk Sertleştirme (Nitrürleme) Korozyon ve Aşınma Direncini İyileştirir: Rulman çeliklerinin martensitik sertleştirme (dupleks sertleştirme) ile nitrürlenmesi, üstün korozyon direnci ve aşınma direnci sağlar. Bu rulmanlar, yetersiz yağlayıcı koşulları altında çalışabilir ve uçak motorları gibi yüksek hızlı uygulamalarda kullanılır.

Çeliğin Kaynak Yapılabilirliği İyileştirilir: Sementasyon, belirli mühendislik uygulamaları için önemli olan çeliğin kaynaklanabilirliğini iyileştirir.

Nitrürleme ile Dişlilerin Muhafaza Sertleştirilmesi Bozulmayı En Aza İndirir: Çelik dişlilerin nitrürleme ile sertleştirilmesi, minimum bozulma ile düşük maliyetli, aşınmaya dayanıklı yük taşıma yüzeyleri üretir. Nitrürlenmiş yüzeyler, karbonlanmış çeliklerde olduğu gibi 150°C (302°F) civarındaki sıcaklıklarda sertliklerini kaybetmezler. 

Sementasyon Dişli Dişleri için Geliştirilmiş Yorulma Direnci Üretir: Ağır hizmet tipi güç aktarım dişlilerinin yük taşıyan dişleri neredeyse zorunlu olarak her zaman sertleştirilmiştir. Tipik bir dişli üretim senaryosunda, ısıl işlem maliyeti toplam maliyetin yaklaşık %30'unu oluşturur ve bu da %55'lik üretim süreci maliyetinden sonra ikinci sıradadır. Doğru seçilmiş bir sementasyon süreci, enerji tasarrufuna, maliyet kontrolüne, güvenilirliğe, bakım kolaylığına ve servis kolaylığına katkıda bulunur. Dişlerin kökünde üstün eğilme ve yorulma direnci elde etmek için yüzey sertliği ve sertleşmeden kaynaklanan artık basınç gerilmeleri kritik faktörlerdir.


Özetle, bileşenlerin şok yüklere, titreşime ve yanlış hizalanma koşullarına maruz kaldığı uygulamalarda sementasyon çeliği tercih edilir. Sertleştirilmiş çelikten farklı olarak, sementasyon ile sertleştirilmiş düşük karbonlu çelikler ve alaşımlı çelikler, kırılgan olmadan tok, güçlü ve sert hale gelir. Sertleştirme ayrıca dayanıklılık ve güvenilirlik sağlayan aşınmaya dayanıklı bir yüzey sağlar.
 

Sementasyon Çeliği Fiyatları

Sementasyon çeliği fiyatları istenilen malzemenin cinsine, ebatlarına ve ağırlığına göre değişiklik göstermektedir. Sementasyon çelikleri fiyatları almak için WhatsApp hattımızdan veya iletişim sayfamızdaki diğer seçeneklerden bizlere ulaşabilirsiniz.