LAZER IŞINI İLE YÜZEY SERTLEŞTİRME UYGULAMALARI

08.06.2018

Giriş

Lazer Sertleştirme; çelik alaşımları ve dökme demirler gibi demir esaslı malzemelerde %0,2’nin üzerinde karbon içeren Fe-C alaşımlarına yaygın olarak uygulanan etkin bir yüzey sertleştirme ısıl işlemidir. Yüzey sertleştirme yapılacak malzeme üzerine yüksek enerji yoğunluğuna sahip lazer ışını uygulanmakta ve dış yüzeyde malzemenin ergime sıcaklığının altında bir sıcaklıkta (900-1400oC) işlem gerçekleştirilmektedir. Malzemenin yüzeyi ile çekirdek bölgesi arasında bir ısı farkı oluşmaktadır. Arzulanan çalışma sıcaklığına ulaşıldığında lazer ışını kaynağını oluşturan torç yüzeyde sabit hızda ve mesafede kontrollü bir şekilde hareket etmektedir. Lazer ışınının yüzeyde ilerlemesi ile yüzey homojen ve sürekli bir şekilde uygun sıcaklığa (östenitleme sıc.) ısıtılmaktadır. Yüksek sıcaklık etkisiyle demir atomları kristal yapıda pozisyonlarını değiştirmektedir. Bu işleme östenitleme işlemi adı verilmektedir. Lazer ışınının yüzeyden geçişi ile birlikte ısınan bölge kendi kendine hızlı bir şekilde soğumaktadır. Ekstra bir soğutucu hava, su veya yağ kullanımına ihtiyaç duyulmamaktadır. Bu nedenle çevre dostu bir uygulamadır. Hızlı soğuma, kristal yapının tekrar ilk haline dönüşümünü engelleyecek düzeyde olması nedeniyle martenzit adı verilen çok sert bir kristal yapının oluşmasına neden olmaktadır. Martenzitik dönüşüm (östenit-martenzit) malzeme yüzeyinde yüksek bir sertlik (>55HRc) eldesi sağlamaktadır. Lazer ışını ile sertleştirme yalnızca parçanın dış yüzeyi boyunca gerçekleştirilmektedir. Sertleşme derinliği genel olarak 0,1-1,5mm aralığındadır. Bazı malzemelerde, alaşım kompozisyonuna bağlı olarak bu 2,5mm ve üzerinde olabilmektedir. Daha fazla sertlik derinliği, ısının hızlı bir şekilde dağılmasını ve sertleştirme bölgesinin yeterince hızlı soğuduğundan emin olmak için daha geniş hacimde (daha fazla et kalınlığına sahip) bir malzeme gerektirmektedir. Lazer ışın kaynağının genişliğine bağlı olarak geniş yüzeylere de uygulanabilmektedir.Lazer ışını uygulanan alan bir dikdörtgen geometrisinde (band veya şerit) yüzeyde ilerlemektedir. Çeşitli farklı boyutlarda optik yardımcılar kullanılarak lazer ışını genişliği 60 mm’ye kadar bir alanı tarayabilmektedir.

Aşağıda belirtilen alaşım gruplarına lazer sertleştirme uygulanabilmektedir:

• Soğuk iş takım çelikleri, • Sıcak iş takım çelikleri, • Plastik döküm kalıbı çelikleri, • Genel yalın karbonlu, alaşımsız çelikler, • Semetasyon çelikleri, • Yapı çelikleri, • Döküm çelikler, • Dökme demirler ( gri, küresel grafitli). Sertleşme derinliği 0,1-2mm arasında olup elde edilen sertlik değerleri 35-68HRC arasındadır (Malzemenin kimyasal kompozisyonua bağlı olarak).

Lazer Sertleştirme Prosesi /Laser Hardening Process

Lazer sertleştirme işlemlerinde 1-4KW güç aralığında çalışılmaktadır. Birim yüzeye uygulanan güç 103-104 W/cm2 arasındadır. Sertleştirme genişliği 5-60 mm arasında optik yardımcılar aracılığıyla değiştirilebilmektedir. Sertleşme derinliği uygulama hızına ve süresine bağlı olarak 2mm seviyesine kadar gerçekleştirilebilmektedir.

Lazer Sertleştirme prosesi

Lazer ile sertleştirme işlemlerinde hassas yüzey işlemleri için robotik kontrol oldukça önem taşımaktadır. Dairesel veya köşeli yüzeylerde pozisyoner yardımı ile en ince detaylara ulaşılabilmektedir. CAD/CAM Toplas 3D® yazılımı ile 3boyutlu teknik resim dataları üzerinde hızlı ve etkin bir yüzey işlem kabiliyeti mevcuttur (Uniquetech).

Lazer sertleştirme işlemleri robotik kontrol ile gerçekleştirilmektedir.

Metalurjik Açıdan Lazer Sertleştirme

Metalurjik açıdan lazer ile sertleştirme yüksek lazer ışını enerjisi ile yüksek hızlarda lokal bir yüzey ısıtma sonrası kendi kendine hızlı bir soğuma sonucunda östenit fazından martenzit fazına dönüşüm prosesidir. Isıtma hızı 1000K/sn olması nedeniyle çok yüksek olup, yüzyede ince bir tabaka halinde homojen bir östenitlemegerçekleşmektedir. Bunu takiben hızlı soğuma etkisi ile (TTT diyagramında görüleceği üzere T1 sıcaklığı) yapı tamamen martenzite dönüşmektedir. Bunun sonucunda lazer torcunun uygulama ekseni merkez bölgesinde en yüksek sertliğe homojen bir şekilde ulaşılmaktadır.

Östenitten martenzite faz dönüşümü

Lazer Sertleştirme Yapılan Alaşımlarda Elde Edilen Sertlik Değerleri

Lazer sertleştirme lokal olarak iş parçalarının aşınma direncini ve ömrünü artırmak için şekillendirme kalıplarından sondaj ekipmanlarına kadar çok çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Bu teknoloji özellikle kompleks şekilli parçalara, içi boşluklu parçalara, kenar yüzeylerine minimum ısı girdisi ile uygulanabilmektedir. Bu uygulamalar genellikle ısıl işlem ile sertleştirilebilen ferro alaşımlara ve dökme demirlere uygulanmaktadır.

Prosesin Avantajları:

• Hassas ve odaklanmış ısı girdisi sağlanabilmektedir. • Yüksek aşınma direnci performansı ve sertlik elde edilebilmektedir. • Ekstra soğutma gereksinim yoktur. • Süneklik kaybı düşüktür. • Işlem sonrası ek işlem gereksinimi çok azdır. • Parçada distorsiyon oluşmamaktadır. Yüzey Sertleştirme

Dr. Ekrem Altuncu ETSA / TESLAB Teknoloji Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Sakarya Üniversitesi Yüzey Sertleştirme