Nitrasyon (Nitrürleme) Nedir?
Nitrasyon, diğer adıyla nitrürleme, bir tür yüzey sertleştirme işlemidir. Nitrasyon işlemi azot elementinin çelik yüzeye difüzyonuna dayanır. Böylelikle, çeliğin yüzeyinde aşınmaya karşı yüksek mukavemete sahip bir tabaka oluşur.
Nitrasyon İşlemi Nasıl Yapılır?
İşleme başlamadan önce nitrürlenecek malzeme yüzeyi iyice temizlenmelidir. Yağdan, partiküllerden, metal yongalardan arınmalıdır. Aksi halde, nitrasyon tabakasında düzensizlikler oluşacaktır. Bu durumda pullanmaya ve korozyona yol açan çatlaklara neden olabilir.
Temizleme işleminden sonra, malzeme kurutulur, ön ısıtması yapılır ve ardından gerçek nitrasyon ortamına bırakılır.
İşlem sırasında atom çapı 0,71 A° olan Azot (N), demirin kafesine nüfuz eder. İşlem 350-580 °C sıcaklıkları arasında atomik azotun ferrit faza geçişi ile gerçekleşir. Akabinde oda sıcaklığına yapılan soğutma sırasında herhangi bir faz dönüşümü oluşmamaktadır.
Yapıya giren azot, soğuma esnasında demir nitrürler (Fe2N, Fe4N) ve çelik bileşiminde bulunan diğer elementlerle alaşım nitrürleri oluşturarak çökelir. Çelik yapısında bulunan karbürlerle birlikte karbonitrürler de oluşur. Tüm bunların sonucunda sertlik artımı sağlanır.
Bu esnada, ferrit- östenit- martensit yapısal dönüşümleri olmaz. Ani soğutma ya da su verme işlemi gerekmez.
Nitrasyon ile Oluşan Katmanlar Nelerdir?
Nitrürlenmiş maddelerin yüzeyi üç bölüme ayrılmaktadır. En üstte azot içeriği en fazla bulunan beyaz tabaka, onun alt kısmında difüzyon tabakası ve en alt kısımda ise çekirdek bölgesi yer alır. Nitrürleme işleminde azotun çeliğe etki ettiği en üst yüzey tabakası azotun en yüksek oranda yer aldığı bölgedir. Metalurjik mikroskopta nital ile dağlandığı takdirde beyaz bir tabaka görülür. Bu tabaka kırılgan ve gevrek bir yapıya sahiptir. Birçok uygulamada sınırlandırılmak istenir.
Yüzeyden iç kısma gelindiğinde azot yüzdesinde azalma söz konusu olur. Mikroskop altındaki beyaz görüntünün yerini normal iğnesel nitrür görüntüsü alır. Çeliğin daha iç kısımlarında ise azotun ulaşmadığı çekirdek bölgesine erişilir. Çekirdek bölgesiyle difüzyon tabakası arasında bir geçiş bölgesi yer alır.
Nitrasyon İşlemine Sıcaklık ve Sürenin Etkisi Nedir?
Nitrasyon işleminin süresi uygulanan yönteme ve elde edilmek istenen özelliklere bağlı olarak değişir. İşlemin sıcaklığı ve süresi arttırıldıkça elde edilecek sertlik derinliği de artar.
Düşük nitrürleme sıcaklıklarında difüzyon çok yavaş gerçekleşir, böylelikle nitrür ayrışmaları çok ince olur. Bu ince ayrışmalar, nitrür tabakasına çok yüksek sertlik verir.
Yüksek nitrürleme sıcaklıkları kullanıldığında ise eşit zamanda daha fazla derinliğe ulaşılabilir, nitrür ayrışmaları kalın olacağından sertlik çok yüksek olmaz.
Nitrasyon ile Değişen Mekanik Özellikler Nelerdir?
Alaşımsız karbonlu çelik ve alaşımlı çelik, paslanmaz çelik ve demir dökümler gibi birçok demirli malzemede; yüzey sertliği, aşınma direnci, yorulma dayanımını ve korozyona karşı direncin arttığı gözlenmektedir.
Azotun, çeliğin özelliklerine hem yararlı hem de zararlı etkisi vardır. Çeliğin amonyak gazlı ortamda yer alan nitrasyonu sonucu elde edilen özelliklerinde, azot yararlı bir etki göstermektedir.
Azot, demir ve bazı alaşım elementleri ile birleşerek sert, aşınmaya karşı dayanıklı nitritler oluşturur. Aşırı derecede yüzey sertliği, nitritlerin kendi sertliklerinden ziyade bunların ince dağılımlarından ileri gelir.
Azotun diğer bir yararlı etkisi bir çeşit paslanmaz çeliğin akma noktasını yükseltmesidir.
Çeliğin, alüminyum ile deokside olmaması koşuluyla, azotun çelik içerisindeki miktarı %0,009'u geçtiğinde, zararlı etkisi ortaya çıkar. Daha yüksek azot içerikleri, çeliğin özelliklerine kötü etkisi olan deformasyon yaşlanması olayını geliştirir; bu durumun azot atomlarının dislokasyonlar üzerinde birikiminden kaynaklandığı düşünülür.
Karbon da azotununkine benzer özellikler gösterir. Ancak, düşük sıcaklıklarda azotun yayınım hızı karbona oranla daha fazla olduğu için deformasyon sertleşmesinin esas kısmından azot sorumludur. Deformasyon sertleşmesi, çeliğin oda sıcaklığında gevrek olmasına neden olur ve darbe geçiş sıcaklığı yüksek sıcaklıklara doğru kayar.
Nitrasyon Hangi Malzemelere Uygulanmaktadır?
Nitrasyon işlemi tüm demir esaslı malzemelere uygulanabilir. Bunun yanında Alüminyum ve Titanyum gibi demir dışı malzemelere de Plazma Nitrasyon yöntemi sayesinde nitrürleme uygulanabilmektedir.
Tüm çeliklerin sertleşme kabiliyeti vardır, dolayısıyla nitrasyon uygulanabilir.
Çelik içerisinde bulunan Cr (krom), MO (molibden), Al (alüminyum), V (vanadyum) gibi nitrür meydana getiren alaşım elementleri yer alması, kararlı nitrürler oluşmasını, yüzey sertliğinin de yüksek olmasını sağlamaktadır.
Nitrasyon İşlemi Hangi Ortamlarda Yapılır ve Çeşitleri Nelerdir?
Nitrasyon işlemi farklı ortamlarda yapılabilir; gaz nitrasyon, tuz banyosunda nitrasyon, plazma nitrasyon, sıvı nitrasyon, iyon nitrasyon en sık uygulanan çeşitleridir.
Nitrasyonun Faydaları Nelerdir?
Çeliğin yüzeyinde aşınmaya karşı yüksek mukavemete sahip bir tabaka oluşur. Yüksek yüzey sertliği sayesinde pullanma-pul kalkma ve sarmalara karşı yüksek direnç oluşur. Yüzey basma gerilimleri ile yorulma dayanımı artar. Sürtünme dayanımı yükselir. Ayrıca, korozyona karşı direnç yükselir ve deformasyona karşı direnç de yükselir.
