Termokimyasal Yüzey İşlemleri: Karbürleme, Nitrürleme ve Diğer Difüzyon Teknikleri

Endüstriyel üretimde, kullanılan malzemelerin sadece iç yapısı değil, yüzey özellikleri de büyük önem taşır. Yüzeyde sertlik, aşınma direnci, yorulma dayanımı ve korozyon direnci gibi özelliklerin iyileştirilmesi amacıyla uygulanan yüzey işlemleri, özellikle makine parçaları, kalıplar ve takım çelikleri için kritik rol oynar. Bu işlemler arasında termokimyasal yüzey işlemleri, malzeme yüzeyine difüzyon yoluyla başka elementlerin kazandırılmasıyla yüzey özelliklerini köklü şekilde değiştiren yöntemlerdir.

Yüzey İşlemleri Nedir?

Yüzey işlemleri, kaplama metali atomlarının iş parçası yani altlık malzeme içerisine difüzyon yoluyla geçmesi esasına dayanır. Amaç, sadece yüzeyde değil, yüzeye yakın bölgelerde de daha dayanıklı, sert ve işlevsel bir yapı oluşturmaktır. Bu kapsamda kullanılan temel yöntemler şunlardır:

Karbürleme (Sementasyon)
Nitrürleme
Boralama (Borürleme)
Vanadyumlama
Niyobyumlama
Kromlama

Bu işlemlerle yüzeyin özellikleri hedeflenen uygulamaya uygun hale getirilir. Özellikle karbürleme ve nitrürleme, yüzey mühendisliği alanında en yaygın uygulanan tekniklerdir.

Nitrürleme İşlemi

Nitrürleme, demir ve demir alaşımlarının yüzeyine azot elementinin difüzyonu ile uygulanır. Bu işlem, malzeme yüzeyinde sert, aşınmaya dirençli ve korozyona karşı dayanıklı bir yapı oluşturur. Nitrürleme, genellikle 500°C ile 580°C arasındaki sıcaklıklarda uygulanır ve bu sıcaklıklar ferrit fazına karşılık gelir. Bu yönüyle, diğer yüzey sertleştirme işlemleriyle kıyaslandığında daha düşük sıcaklıkta çalışması ve boyutsal stabiliteyi koruması nedeniyle tercih edilir.

Nitrürleme Türleri

Gaz Nitrürleme: En yaygın nitrürleme yöntemidir. Azot kaynağı olarak amonyak gazı (NH₃) kullanılır. İşlem sıcaklığı genellikle 500°C civarındadır.
Sıvı Nitrürleme (Tuz Banyosu Nitrürleme): Azot kaynağı olarak sodyum siyanür (NaCN) veya potasyum siyanür (KCN) gibi siyanür tuzları kullanılır. İşlem sıcaklığı 580°C civarındadır.
Plazma Nitrürleme: Vakum altında, azot ve hidrojen karışım gazı kullanılarak gerçekleştirilir. Bu işlem, PVD prensiplerine benzer şekilde çalışır. Akım yoğunluğu, gaz bileşimi ve uygulama süresi gibi parametreler işlem kalitesini doğrudan etkiler.

Uygulama Süreleri

Tüm nitrürleme yöntemlerinde işlem süresi, altlık malzemenin kimyasal bileşimine ve istenen difüzyon derinliğine bağlı olarak değişkenlik gösterir. Genel olarak 10 dakikadan 60 saate kadar sürebilen nitrürleme işlemi, hassas ve kontrollü bir prosestir.

Karbürleme (Sementasyon) İşlemi

Karbürleme, düşük karbonlu çeliklerin yüzeyine karbon atomlarının difüze edilmesi işlemidir. Bu yöntemle çeliğin yüzey karbon oranı artırılarak, daha sonra su verilmesiyle martensitik ve dolayısıyla çok sert bir yapı elde edilir. Uygulanan çelikler genellikle %0,1–%0,2 karbon içermektedir. Karbürleme işlemiyle yüzey karbon miktarı %0,7–%0,8 seviyelerine çıkarılır.

Bu işlem sırasında yüzey tabakasındaki karbon miktarı artırılırken, tüm matris içinde sürekli sementit oluşumu engellenir. Aksi takdirde kırılgan bir yapı meydana gelir. Bu nedenle çekirdek karbon oranı %0,8’in altında tutulur.

Karbürleme Ortamları

Katı Ortam Karbürleme: Günümüzde endüstride nadiren kullanılmaktadır.
Sıvı Ortam Karbürleme: Genellikle siyanür tuzları (özellikle NaCN) kullanılır.
Gaz Ortam Karbürleme: En yaygın kullanılan yöntemdir. Doğal gaz ve çeşitli hidrokarbonlar kullanılarak yüksek sıcaklıklarda karbon difüzyonu sağlanır.

İşlem Koşulları ve Sertlik Değeri

Karbürleme işlemi genellikle 930–970°C sıcaklıkları arasında gerçekleştirilir. Endüstride yaygın olarak 950°C tercih edilir.
Bu sıcaklık aralığı, çeliğin östenit faz bölgesine denk geldiği için, işlem sonrası uygun su verme (sertleştirme) yapılmalıdır.
Karbürleme sonucu elde edilen yüzey sertliği 700–900 HV (kg/mm²) arasında değişir.

Bu yöntem, özellikle aşınma ve yorulma direncinin artırılmak istendiği parçalarda tercih edilir.

Vanadyumlama

Vanadyumlama, çelik yüzeyine vanadyumun difüzyonuyla uygulanan termokimyasal bir kaplama işlemidir. Bu yöntemle çelik yüzeyinde VC veya V₂C fazları oluşur ve bu fazlar yüksek sertlik ve kimyasal direnç kazandırır. Özellikle yüksek karbonlu çeliklere uygulanır.

Uygulama Yöntemleri

Vanadyumlama genellikle kutu sementasyon yöntemi ile gerçekleştirilir. Alternatif olarak PVD ve CVD teknikleri de tercih edilebilir. İşlem sonrası elde edilen kaplamalar, asitli ve aşındırıcı ortamlarda yüksek performans gösterir.

Silisyumlama ve Diğer Termokimyasal Yöntemler

Silisyumlama, yüzeyin silisyum atomlarıyla doyurulması işlemidir. Bu işlem de kutu sementasyon, PVD veya CVD yöntemleriyle yapılabilir. Silisyumlu yüzeyler, özellikle oksidasyon ve asit korozyonuna karşı üstün direnç sağlar. Bu nedenle kimya endüstrisi, enerji santralleri ve ısıya dayanıklı parça üretimi gibi alanlarda sıklıkla kullanılır.

Genel Değerlendirme

Termokimyasal yüzey işlemleri, ister arayer atomlarının (C, N, B) difüzyonuyla yapı içinde sert fazlar oluşturarak, ister metal kaplamaların (vanadyumlama, kromlama, alüminyumlama) biriktirilmesiyle gerçekleşsin, aşınma, yorulma ve korozyona karşı etkili çözümler sunar. Kutu sementasyon işlemleri, kontrollü difüzyon ortamı sağladığı için hala geniş bir uygulama alanına sahiptir.

Bu yöntemler sayesinde, malzeme iç yapısı korunarak sadece yüzey performansı iyileştirilmekte, böylece parçaların ömrü uzatılmakta, üretim maliyetleri düşmekte ve sürdürülebilirlik açısından önemli kazanımlar sağlanmaktadır.