Dişli çarklarda sülfürizasyon (Sulfinizing) işlemi ile yüzey sertleştirme ve tribolojik olarak çarkların çalışma performansının artırılması

1) Sülfürizasyon (Sulfinizing) işlemi nedir?

Ülkemizde çok bilinen bir proses olmadığı için öncelikle makaleme bu işlemi tanıtarak başlamak istiyorum. Sülfürizasyon (Sulfinizing), tarihsel olarak Almanya’da geliştirildi ve uygulandı. İlk defa ne zaman uygulandığına dair kesin bir tarih vermek zordur, ancak bu işlem, 20. yüzyılın başlarında Almanya’da metal işleme ve sertleştirme teknolojilerinin geliştiği bir dönemde ortaya çıkmıştır.

İçindekiler

1) Sülfürizasyon (Sulfinizing) işlemi nedir?2) Sülfürizasyon işlemi prosesi nasıldır?3) Sülfürizasyon tabakasının avantajları nelerdir?4) Sülfürizasyon işleminin tribolojik (sürtünme, aşınma ve kayma) performansı artırarak dişli çarklarda oluşturduğu faydalar nelerdir?5) Ağır iş makinelerindeki dişli uygulamalarındaki sonuçlar Sonuç olarak Referanslar

Sülfürizasyon, özellikle çelik dişlilerin yüzey sertliğini artırmak ve aşınma dayanımı artırmak amacıyla kullanılmaktadır. Bu işlem, dişlilerin ve dişli çarklarının endüstriyel uygulamalarda daha dayanıklı ve uzun ömürlü olmasını sağlamak için önemli bir katkı sağlamıştır.

Çeşitli ülkelerde benzer amaçlar için farklı adlar altında da uygulanmıştır. Ancak, Almanya’da geliştirilmiş ve başlangıçta kullanılmış olan bu ad altındaki işlem, yaygın olarak bilinen ve kullanılan bir terimdir.

“Sulfinizing gears process” genellikle “dişli sülfürleme işlemi” olarak adlandırılır ve dişli çarkların sertleştirilmesinde kullanılan özel bir ısıl işlem yöntemidir. Bu işlem, dişlilerin yüzey sertliğini artırmak ve dişli yanaklarında kaygan bir tabaka oluşturarak aşınmaya dayanıklılıklarını iyileştirmek amacıyla yapılır. İşlemin temel amacı, dişlilerin daha uzun süre dayanmasını sağlamak ve tribolojik olarak daha dirençli hale getirmektir.

Hassas ölçülerdeki malzemelere ön sertleştirme finiş işleme ve düşük sıcaklıkta sülfürizasyon işlemi önerilmektedir.

2) Sülfürizasyon işlemi prosesi nasıldır?

Hazırlık: İlk adım, dişli çarklar yağlardan çok iyi temizlenmeli ve işleme tabi tutulmadan önce kirliliklerden arındırılmalıdır. Dişliler ön sertleştirmeli durumda iken finiş işlenmiş halde sülfürizasyon işlemi uygulanmalı veya yüksek sıcaklıkta östenit fazıyla beraber sülfürizasyon işleminden sonra hızlı soğutulup komple sertleştirilmelidir. Parça yüzeylerinde tufal, kabuk bulunmamalıdır.

Isıl işlem: Dişli çarklar yüksek sıcaklıklarda ısıtılır. Bu sıcaklık, metalin sülfür ile etkileşimini kolaylaştırır. İşlem sıcaklığı, 450°C ile 950°C işlenen malzemenin türüne bağlı olarak değişebilir.

Sülfürleme: Isıtılan dişli çarklar, sülfür buharı veya sülfür içeren bir ortam içine yerleştirilir. Sülfür, metal yüzeyine nüfuz eder ve metal ile reaksiyona girer. Sülfürizasyon işlemi, genellikle dişli çarkların yüzeyinde mikro yapısal değişikliklere yol açar ve bu nedenle işlenen yüzeyin derinliği oldukça sınırlıdır. Genellikle işlenen derinlik, mikro- metre (μm) veya milimetre (mm) cinsinden ifade edilen çok ince bir tabakayı içerir.

Sementasyon çeliklerinden yapılmış dişlilerin yüzeyindeki mikro yapının dönüştürülmesini içerir. Bu işlem sırasında, sülfürün metal yüzeyine nüfuz etmesi ve yüzeyin daha sert bir form alması sağlanır. İşlenen derinlik, işlem parametrelerine (sıcaklık, süre, kullanılan sülfür bileşenleri vb.) ve işlenen malzemenin türüne bağlı olarak değişebilir, ancak genellikle 01-05 mm arasında sertlik derinliği alabilir. Özel uygulamalarda bu derinlik maksimum 0,7mm kadar çıkabilmektedir. Sülfürazson ile 600HV-1100 HV arasında sertlik değeri alır ve yüzeyde aşınmaya dayanıklı yüzey gerilimi yüksek kaygan bir faz oluşur.

Bu nedenle, sülfürizasyon işlemi dişli çarkların yüzeyindeki sertliği artırmak ve aşınmaya dayanıklılığı artırmak amacıyla kullanılır, küçük modüllü dişli uygulamalarında yeterli olmasına karşın büyük modüllü dişlilerde ise çoğu zaman işlenen derinlik yeterli değildir ve dişli çarkın temel mekanik özellikleri üzerinde derin bir etki yapmaz.

Bu işlem genellikle otomotiv endüstrisi, endüstriyel makineler, taşıma ekipmanları ve dişli üretiminde kullanılır.

Soğutma:İşlem tamamlandığında, dişli çarklar fırın içinde hızlı bir şekilde ortam sıcaklığına soğutulur

Temizlik ve muayene: İşlem sonrası dişliler mekanik özellikleri açısından muayene edilir. Herhangi bir kusur kontrol edilir ve giderilir ve gerekirse işlem tekrarlanabilir.

Özellikle sıcaklık değerleri işlemde kullanılan malzemeye ve işlem spesifikasyonlarına bağlı olarak değişebilir. Yukarıda belirtilen 450°C ile 950°C aralığı, genel bir referans aralığıdır, ancak gerçek sıcaklık değerleri işlem spesifikasyonlarına göre ayarlanır. Sülfürizasyon işlemi düşük sıcaklık ve yüksek sıcaklıkta uygulanabilmektedir. Yüksek hassasiyetli parçalarda ön sertleştirme sonrası 450°C -600°C arası sülfürizasyon prosesi önerilmektedir. Geniş toleransta olan parçalar ise yüksek sıcaklıklarda işlem görür.

İşlemde kullanılan sülfürün türü ve konsantrasyonu, işlem süresi ve sıcaklık da işlem sonucunu etkileyen faktörlerdir. Bu nedenle, her işlem belirli bir uygulama için özelleştirilir.

3) Sülfürizasyon tabakasının avantajları nelerdir?

•Yüzey tabakasının istenilen özelli4klerde oluşturulmasını sağlar.

•Proses esnasında oluşan sülfür katmanlar parçanın aşınmasını engeller.

•Proses, işlenmiş elemanların yüksek dayanıklılığını garanti eder.

•Sürtünme katsayısını azaltır Korozyona karşı direnci artırır.

•Çelik alt tabakanın yorulma mukavemetini arttırır.

•Sunulan teknoloji, üretim ve işletme maliyetlerini düşürür.

4) Sülfürizasyon işleminin tribolojik (sürtünme, aşınma ve kayma) performansı artırarak dişli çarklarda oluşturduğu faydalar nelerdir?

Sülfürizasyon, dişli çarkların yüzey sertliğini artırır ve bu da aşınma dayanımını artırır. Dişli çarkların birbirine sürtünmesi veya yüksek basınç altında çalışması durumunda, bu ekstra sertlik aşınma miktarını azaltır ve dişli çarkların ömrünü uzatır.

Sülfürizasyon işlemi dişli yanaklarında oluşturduğu sülfür tabakası ile yüzeyler genellikle daha pürüzsüzdür. Bu, dişli çarkların birbirine daha iyi uyum sağlamasına ve sürtünme kaybını azaltmasına yardımcı olur. Bu yüzeyler, yağlama maddelerini daha iyi tutabilen mikro çukurlar ve yapışkanlığa sahip olur. Aynı zamanda yağ filminin daha iyi tutunmasına da katkı sağlar. Bu, yağlama sistemlerinin daha etkili çalışmasına ve dişli çarkların daha az sürtünme ve aşınma ile çalışmasına yardımcı olur.

Çelik alt tabakadaki yorulma mukavemetini arttırması sebebi ile genellikle daha yüksek yük taşıma kapasitesine sahiptir. Bu, dişli çarkların daha büyük yükleri taşımasına ve daha ağır görevler için kullanılmasına olanak tanır. Sülfür, metalleri korozif ortamlardan koruma yeteneği olan bir elementtir. Sülfürizasyon işlemi, dişli çarkların korozif ortamlara karşı daha dayanıklı hale gelmesini sağlar. Dişli çalışmasında temas noktasındaki yüzeyin daha yüksek sıcaklıklarda dayanıklılığını artırır. Bu, yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılan dişli çarklar için önemlidir.

Tüm bu avantajlar, dişli çarkların daha uzun ömürlü olmasını, daha az bakım gerektirmesini ve daha güvenilir bir şekilde çalışmasını sağlar. Bu nedenle, Sülfürizasyon işlemi, dişli çarkların tribolojik performansını artırmak ve genel sistem verimliliğini iyileştirmek için şuan için yurt dışında kullanılan bir yöntemdir. Bu konuda Teknovak firması çalışmalarını sürdürmektedir.

5) Ağır iş makinelerindeki dişli uygulamalarındaki sonuçlar

2012 yılında yayınlanan “The low-temperature ion sulfurizing technology and itsapplications” başlıklı makalede sülfürizasyon işlemine tabi tutulan dişliler ile ilgili bir uygulama yer almaktadır. Ağır iş makinelerinde kullanılan dişliler, ağır stres ve yük altında çalışır. Aşınma nedeniyle hasar görmeleri kolaydır ve yorulmaya neden olur. Bu nedenle sülfürizasyon işlemi ile sertleştirilmiş dişliler makinelerin güvenilirliğini ve kullanım ömrünü ciddi şekilde etkilemiştir. Bir başka uygulamada bir tankın dişli kutusu ve yan yavaşlatıcısının tahrik dişlileri ele alınmıştır. Sülfürizasyon işlemi uygulanan dişliler gerçek araçta test edilmiştir. Sonuç olarak, Sülfürizasyon işleminden sonra aşınmanın dayanımı %180 oranında arttığı görülmüştür.

Sonuç olarak

Sülfürizasyon işlemi, dişli çarkların daha uzun ömürlü olmasını, daha düşük sürtünme kaybı ve daha yüksek verimlilik sağlamasını ve genel olarak tribolojik performanslarını artırmasını sağlar. Bu, endüstriyel uygulamalarda dişli çarkların daha güvenilir ve ekonomik olmasını sağlar.

Referanslar

[1] Effect of sursulf treatment on fatigue life of medium carbon steel spur gears s. Krishnamurthy and a. Ramamohana rao)

[2] Structureandpropertiesofsurfacelayersofselected constructional steels after sulfonitriding S. Lesz*, E. KalinowskaOzgowicz, K. Go3ombek, M. Kleczka

[3] The low-temperature ion sulfurizing technology and its applications- G.Z.Maa, B.S.Xua, H.D.Wanga*, G.L Lib, S.Zhangb -23-25 October 2012

[4] Teknovak firması yöneticilerinden proses hakkında bilgi alınmıştır.