Nitrürleme Nedir?

Nitrürlemenin Temeli

Nitrasyon, sertleştirilmiş bir yüzey oluşturmak için nitrojeni bir metalin yüzeyine yayan bir ısıl işlem işlemidir. Eklenen nitrojen, çekirdeğin metalurjik özelliklerini önemli ölçüde etkilemeden sertliği ve aşınma direncini artırır. Nitrürleme sırasında metal, nitrojen açısından zengin bir atmosferde 500-550°C'ye ısıtılır. Azot, 0.5 mm derinliğe kadar yüzeye yayılır ve sert nitrürler oluşturmak için alüminyum, vanadyum ve krom gibi alaşım elementleriyle reaksiyona girer. Bu nitrürler, yüzey sertliğini 1300 HV'ye kadar artırarak aşınma ve korozyon direncini artırır.

Nitrürlemenin Amaçları

Nitrürleme, birkaç temel amaç için metallerin yüzey özelliklerini iyileştirmek için kullanılır:

Yüzey Sertliğini Artırın

Nitrürlemenin birincil amacı, metallerin yüzey sertliğini arttırmaktır. Eklenen nitrojen, sert nitrür bileşikleri oluşturmak için alaşım elementleri ile reaksiyona girer. Bu difüzyon tabakası sertliği 1300 HV'ye kadar artırarak aşınma direncini ve yük kapasitesini artırır.

Yorulma Dayanımını İyileştirin

Nitrasyonla oluşturulan sertleştirilmiş kasa derinliği, dişliler ve miller gibi bileşenlerin yorulma mukavemetini artırır. Nitrürlenmiş durumda oluşan sıkıştırma gerilimleri, çatlağın başlamasına ve ilerlemesine karşı direnci arttırır.

Korozyon Direncini Artırın

Nitrasyon, korozyon direncini iki şekilde artırır. İlk olarak, nitrür bileşikleri çok kararlı ve inerttir. İkincisi, nitrürleme ile oluşturulan katman derinliği, yüzey katmanı aşındığında çekirdek malzemesinin etkilenmemesini sağlar.

Minimum Bozulma

Suyla sertleştirme yöntemlerinin aksine, nitrürleme parçanın hızla soğutulmasını gerektirmez. Sonuç olarak, nitrürleme çok az bozulmaya veya artık gerilime neden olur ve bu da onu yüksek hassasiyetli bileşenler için uygun hale getirir. Nitrürlemenin neden olduğu boyutsal değişiklikler ihmal edilebilir düzeydedir.

Nitrürleme Çeşitleri

Endüstride kullanılan nitrürleme işleminin birkaç ana yöntemi ve varyasyonu vardır:

• Gaz Nitrürleme– Gaz nitrürlemede, nitrojen kaynağı, nitrojen ve hidrojene ayrışmış amonyak gazından gelir. Amonyak gazı, saf nitrojen gazından daha ucuzdur. Bileşenler, kontrollü amonyak akışı ile kapalı bir imbikte 500-590°C'ye ısıtılır.
• Plazma Nitrasyon- Plazma nitrürleme, aktif nitrojen iyonları oluşturmak için yüksek voltajlı bir güç kaynağı tarafından üretilen plazma deşarjını kullanır. Bu, 350-590°C gibi daha düşük sıcaklıklarda daha hızlı difüzyon sağlar. Plazma nitrürleme kasa derinliği üzerinde hassas kontrol sağlar.
• Tuz Banyosu Nitrasyon- Tuz banyosu nitrürlemede, nitrojen kaynağı NaCN gibi siyanür tuzlarının ayrışmasından gelir. Parçalar, 580-590°C'de tutulan erimiş siyanür tuz banyosuna daldırılır. Tuz banyosu nitrürleme, 1500 HV'ye kadar çok yüksek kasa sertliği sağlayabilir.
• Akışkan Yataklı Nitrasyon- Akışkan yataklı nitrürleme, amonyak gazının gaz akışıyla akışkanlaştırılmış bir alümina tozu yatağında ayrışmasını içerir. Bu yöntem, tedavi sırasında mükemmel sıcaklık homojenliği sağlar.
• Diğer Varyasyonlar- Diğer varyasyonlar arasında karbonitrürler oluşturmak için karbon ekleyen nitrokarbürleme, siyah oksit katmanları oluşturmak için son oksitleme ve 350-380°C arasında düşük sıcaklıkta nitrürleme yer alır. Plazma nitrokarbürleme gibi hibrit işlemler de kullanılır.

Nitrürlemeye Uygun Malzemeler

Nitrürleme, bir dizi demirli ve demirsiz alaşıma uygulanabilir:

Düşük Karbonlu Çelikler

%0.25'ten daha az karbon içeren düşük alaşımlı çelikler, yüzey sertliğini ve aşınma direncini artırmak için genellikle nitrürlenir. Düşük karbon içeriği kararsız demir nitrürlerin oluşumunu azaltır. Popüler örnekler arasında 1018, 4140 ve 4340 çelikleri bulunur.

Takım Çelikleri

H13, P20 ve D2 dahil olmak üzere takım çelikleri, yüksek sertleşebilirlikleri ve alaşım içerikleri nedeniyle nitrürleme için idealdir. Nitrasyon, sıcak veya soğuk iş uygulamaları için takımlarda sertliği, gücü ve ömrü artırır.

Paslanmaz çelikler

410, 416, 420 ve 17-4PH gibi martensitik ve çökelme sertleştirmeli paslanmaz çelikler, aşınma ve korozyon direncini artırmak için etkili bir şekilde nitrürlenebilir. 1000-1400 HV yüzey sertliği elde edilebilir.

Alüminyum Alaşımları

Silisyum ve magnezyum içeren bazı alüminyum alaşımları, nitrokarbürleme adı verilen bir işlemle nitrürlenebilir. Bu, nitrojen ve karbonu aynı anda alaşıma yayar.

Titanyum Alaşımları

Ti-6Al-4V dahil titanyum alaşımları, plazma yöntemleriyle nitrürlenebilir. Bu, çekirdek sünekliğini ve kırılma tokluğunu etkilemeden yüksek sertlikte koruyucu bir yüzey tabakası oluşturur.

Diğer Alaşımlar

Nikel bazlı süper alaşımlar, takım çelikleri ve kobalt alaşımları gibi diğer malzemeler de nitrürlenebilir. Nitridleri stabilize etmek için yeterli alaşım ilavelerine sahip hem demirli hem de demirsiz alaşımlar fayda sağlayabilir.

Nitrürleme için Ekipman ve Sarf Malzemeleri

Nitrasyon işlemlerinde özel fırınlar, gaz kaynakları ve sıcaklık izleme ekipmanı kullanılır:

• Nitrasyon Fırınları
  • 1000°C'ye (590°F) kadar gaz ve plazma nitrürleme için gaz geçirmez imbiklere ve yalıtıma sahip kutu veya dolap tipi fırınlar.
  • 1100°F (590°C) civarında tuz banyosu nitrürleme için erimiş tuz banyosu fırınları.
  • Akışkan yataklı nitrürleme için gözenekli seramik ortam içeren akışkan yataklı fırınlar.
• Azot Gazı
  • Gaz nitrürleme için kaynak olarak yüksek saflıkta nitrojen gazı.
  • Gaz nitrürleme için nitrojen ve hidrojene ayrışan amonyak gazı.
• Güç Kaynakları
  • Plazma nitrürleme için 1000 V'a kadar DC güç kaynakları ve 10,000 amperin üzerinde akım derecesi.
• Sıcaklık İzleme
  • Fırın sıcaklığı homojenliğini izlemek için termokupllar.
  • Bileşenlerin yüzey sıcaklığını ölçmek için pirometreler.
• Sarf
  • Tuz banyosu nitrürleme için siyanür tuzları.
  • Akışkan yataklı nitrürleme için alümina tozu.
  • Söndürme yağı, temizleme solüsyonları, aletler, demirbaşlar vb.

Tekrarlanabilir kasa derinliği ve özellikleri elde etmek için nitrürleme atmosferini, sıcaklığı ve süreyi kontrol etmek için uygun ekipman gereklidir.

Nitrasyon İşlemi

Tipik bir nitrürleme işlemindeki temel adımlar şunlardır:

1. Temizlik
   1. Yağ giderme, alkali temizleme veya asitle temizleme yoluyla bileşen yüzeyindeki kiri, yağı, gresi, oksitleri ve diğer kirletici maddeleri çıkarın.
2. yükleme
   1. Kirlenmeyi önlemek ve uygun maruziyeti sağlamak için bileşenleri dikkatlice demirbaşlara veya sepetlere yükleyin.
3. Isıtma ve Bekletme
   1. Nitrürleme sıcaklığına ulaşmak için 400-800°F/sa (220-440°C/sa) oranında ısıtın.
   2. İş parçalarının termal dengeye ulaşmasını sağlamak için nitrürleme sıcaklığında tutun.
4. Nitrasyon
   1. Gövde derinliği elde etmek için gerekli süre boyunca iş parçalarını nitrürleme sıcaklığında nitrojen bakımından zengin ortama maruz bırakın.
   2. Amonyak gazı nitrojen ve hidrojene dönüşür. Plazma nitrojen iyonları üretir. Siyanür tuzları azot salar.
5. su verme
   1. Nitrürlenmiş yapıyı korumak için yağda olduğu gibi hızlı soğutma. Bazı işlemler için gerekli değildir.
6. Boşaltma ve Temizleme
   1. İş parçalarını boşaltın ve söndürme yağı veya tuzlarındaki kalıntıları yıkayarak çıkarın.
   2. Taşlama veya cilalama gibi işlem sonrası uygulayın.

İstenilen kasa derinliğini elde etmek, bozulmayı en aza indirmek ve nitrür fazı oluşumunu sağlamak için dikkatli proses kontrolü gereklidir.

Nitrürlemenin Endüstriyel Uygulamaları

Mekanik bileşenlerde nitrürlemenin bazı yaygın endüstriyel kullanımları şunları içerir:

Dişliler

Nitrürlenmiş alaşımlı çelik dişliler daha yüksek yüzey sertliğine ve yorulma mukavemetine sahiptir. Şanzıman dişlilerinde, kam dişlilerinde, halka dişlilerinde vb. kullanılır.

Yatak

Yatak yuvalarının, yuvarlanma elemanlarının ve yatak yüzeylerinin nitrürlenmesi, döngüsel yükleme altında aşınma direncini ve dayanıklılığı artırır.

Krank milleri

Nitrürleme, krank mili dolgularının ve muylularının yorulma mukavemetini artırır. Otomotiv ve deniz motorlarında kullanılır.

Pistonlar

Nitrürlenmiş dökme alüminyum pistonlar, silindir duvarlarına karşı sürtünme direncini ve yapışkan aşınma direncini artırır.

Vanalar

Nitrürlenmiş supap yüzleri ve gövdeleri olan içten yanmalı motorların emme ve egzoz supaplarında iyileştirilmiş aşınma.

kesici

Nitrürleme ile işlenmiş kaplamalı yüksek hız çeliği ve karbür kesici takımlar daha iyi talaş kaldırma oranlarına ve ömrüne sahiptir.

Kalıplar ve Kalıplar

Döküm, dövme ve damgalama için nitrürlenmiş takım çeliği kalıpları ve kalıpları, gelişmiş dayanıklılık ve performans gösterir.

Diğer kullanımlar

Basınçlı kaplarda, şaftlarda, silindirlerde, kamlarda, bağlantı elemanlarında, aktüatörlerde ve akışkan gücü bileşenlerinde yaygındır.

Yüzey sertliği, aşınma direnci, yorulma mukavemeti ve korozyon direncindeki artış, nitrürlemeyi kritik mekanik parçalar için ideal hale getirir.

Takı ve Aksesuarlarda Nitrasyon

Endüstriyel kullanımlardan daha az yaygın olmakla birlikte, nitrürlemenin takı ve moda aksesuarlarında bazı niş uygulamaları vardır:

Geliştirilmiş Yüzey

Nitrasyon, yüzükler, bilezikler ve saat kasaları gibi takı metal bileşenlerinde düzgün bir yüzey kalitesi sağlayabilir. Bu, ikincil cilalama ihtiyacını azaltır.

Gelişmiş Korozyon Direnci

Nitrürlenmiş katman, yüzükler, bilezikler, zincirler ve metal saat kayışları gibi neme maruz kalan takı parçaları için korozyon direncini artırır.

Dekoratif Siyah Kaplamalar

Paslanmaz çelik veya titanyumun nitrürlenmesiyle kazınmış yüzeylerin seçici olarak karartılması, mücevherlerde dekoratif desenler ve vurgular sağlayabilir.

Sertleştirilmiş Yüzeyler

Erkek yüzükleri ve metal saat kordonları gibi yüksek kullanımlı takılar için yüzey sertleştirme yoluyla geliştirilmiş aşınma direnci.

Tasarruf

Belirli metallerde nitrürleme, daha düşük bir maliyetle kaplama veya PVD kaplamalara göre performans avantajları sağlayabilir.

Müşteri algısı

Bazı lüks markalar, teknolojinin algılanan faydaları ve yüzey kalitesi için nitrürleme kullanır.

İmalat endüstrilerinde olduğu kadar yaygın olmasa da, nitrürleme seçkin kuyumculuk uygulamaları için işlevsel ve estetik avantajlar sağlayabilir. Takı metallerinin görünümünü korumak için uygun kontrol gereklidir.

Diğer Yüzey Sertleştirme İşlemleriyle Karşılaştırma

Nitrasyon, diğer yaygın yüzey sertleştirme işlemlerinden birkaç yönden farklıdır:

Sementasyon

Karbürleme, çelik yüzeye nitrojenden ziyade karbonu yayar. Daha sert fakat daha az kararlı bir martensitik durum oluşturur. Nitrürleme daha iyi korozyon direnci sağlar.

nitrokarbürleme

Nitrokarbürizasyon, aynı anda hem nitrojen hem de karbon ekler. Kombine karbonitrür kasası, tek başına her ikisine göre avantajlar sunabilir.

İndüksiyonla Sertleştirme

İndüksiyonla sertleştirme, elektromanyetik indüksiyon yoluyla yüzeyi hızla ısıtır ve söndürür. Nitrasyon, daha derin kasa derinliği ve daha az bozulma sağlar.

Alev Sertleştirme

Alevle sertleştirme ile, oksi-yakıt torçları söndürmeden önce yüzeyi hızla ısıtır. Nitrasyon, karmaşık geometrileri daha etkili bir şekilde sertleştirebilir.

Sert Film Biriktirme

PVD, CVD ve termal olarak püskürtülen kaplamalar gibi sert film biriktirme teknikleri, yüzeyde ince bir seramik kaplama biriktirir. Nitrürleme, daha iyi yapışma ve yorulma direnci için nitrojeni alt tabaka metalinin kendisine yayar. Bununla birlikte, kaplamalar, yalıtım veya yüksek sıcaklık direnci gibi ek faydalar sağlayabilir.