The Parameters and Application Areas of Solid Medium Cementation

Year 2024, Volume: 16 Issue: 1, 320 - 339, 31.01.2024

Arif Canbuldu , Oğuz Erdem

https://doi.org/10.29137/umagd.1401035

Abstract

The design and manufacturing of machine parts covers many aspects of engineering and science. In addition to static and dynamic design, which is the basis of mechanics, choosing appropriate materials and determining the appropriate surface treatment are criteria generally learned through experience or determined by standards. In today's industry, efforts are being made to obtain more durable and lower-cost steels by replacing more expensive alloy steels with lower-cost steels or by hardening the surfaces of low-carbon steels. Carburization, also known as carburization, is a thermochemical surface hardening process generally applied to low carbon steels. The cementation process basically aims to improve mechanical properties such as surface hardness and wear resistance by providing carbon diffusion from the carbon donor material to the steel surface. The cementation process can be carried out in solid, liquid or gaseous medium. In this study, detailed information is given about the processing physics of solid medium cementation, application areas, variable parameters, carbon donor materials in the method, cementation temperatures and times, activator types and ratios used in the process.

Keywords

Cementation, carburization, carburizing, box cementation

Katı Ortam Sementasyonunun Parametreleri ve Uygulama Alanları

Abstract

Makine parçaların tasarımı ve imalatı, mühendisliğin ve fen bilimlerinin birçok olgusunu kapsamaktadır. Mekaniğin temeli olan statik ve dinamik tasarıma ilaveten uygun malzeme seçimi ve uygun yüzey işlemini belirleme genellikle deneyimlerle öğrenilen veya standartlar tarafından belirlenen kriterlerdir. Günümüz endüstrisinde, daha pahalı alaşım çeliklerini daha düşük maliyetli çeliklerle değiştirerek ya da düşük karbonlu çeliklerin yüzeylerinin sertleştirilmesiyle daha dayanıklı ve daha düşük maliyetli çelikler elde etme çalışmaları yapılmaktadır. Sementasyon bir diğer adıyla karbürizasyon, genellikle düşük karbonlu çeliklere uygulanan termokimyasal bir yüzey sertleştirme işlemidir. Sementasyon işlemiyle temel olarak karbon verici malzemeden çelik yüzeyine karbon difüzyonu sağlanarak yüzey sertliği ve aşınma direnci gibi mekanik özelliklerin iyileştirilmesi amaçlanmaktadır. Sementasyon işlemi katı, sıvı ya da gaz ortamda gerçekleştirilebilmektedir. Bu çalışmada, katı ortam sementasyonunun işleme fiziği, uygulama alanları, değişken parametreleri, yöntemdeki karbon verici malzemeler, sementasyon sıcaklıkları ve süreleri, işlemde kullanılan aktivatör türleri ve oranları hakkında detaylı bilgiler verilmiştir.

Keywords

Sementasyon, karbürizasyon, karbürleme, kutu sementasyon

References

• Afolalu, S.A., Asonaminasom, E.H., Ongbali, S.O., Abioye, A.A., Udo, M.O., Salawu, E.Y. (2018) Dataset On Experimental Investigation Of Optimum Carburizing Temperature And Holding Time Of Bi- Nano Additives Treatment Of AISI 5130 Steel. Data in Brief 19, 2279–2283, Mechanical Engineering Department, Covenant University, Ota, Ogun State, Nigeria.
• Aramide, F.O., Ibitoye, S.A., Oladele, I.O., Borode, J.O. (2010) Pack Carburization of Mild Steel, using Pulverized Bone as Carburizer: Optimizing Process Parameters. Leonardo Electronic Journal of Practices and Technologies, Issue 16, p. 1-12.
• Asrofi, M., Hidayatulloh, A.V., Jatisukamto, G., Sutjahjono, H., Sakura, R.R. (2020) The Effect Of Temperature And Volume Fraction Of Mahoni (Swietenia Mahogani) Wood Charcoal On SS400 Steel Using Pack Carburizing Method: Study Of Hardness And Microstructure Characteristics. AIMS Materials Science Volume 7, Issue 3, 354–363.
• Baykara, C. (1998) Sementasyon Çeliklerinde Yüzey Pürüzlülüğü ve Sementasyon Derinliğinin Aşınma Dayanımına Etkisi.Yüksek Lisans Tezi, Celal Bayar Üniversitesi.
• Boniardi, M., D’Errico, F., Tagliabue. (2006) Influence Of Carburizing And Nitriding On Failure Of Gears – A Case Study. Engineering Failure Analysis 13, 312–339.
• Coşar, D. (2014). 8622RH ve 20MnCr5 Çeliklerinin Aşınma ve Mekanik Özelliklerine Gaz Karbürleme İşleminin Etkisinin İncelenmesi, Yüksek lisans tezi. Eskişehir Osmangazi Üniversitesi.
• Çoban, C., Taktak, Ş., Başpınar, S., Said, G., (2004). Kutu Sementasyonla Çelikleri Karbürleme İşleminde BaCO3 Aktivatörün Sertleşme Derinliğine Etkisi, Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, Afyon. Cilt: 4, Sayı: 1-2, Sayfa: 1-6.
• Çölova Ö. (2021) Karbürleme Yapılan Genel Yapı Çeliğinin Mikroyapı Ve Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi. Yüksek Lisans Tezi. Karabük Üniversitesi.
• Darmo, S., Sutanto, R. (2021) Study Of The Effect Carburizing Agent Gigantochloa Verticillata Munro Charcoal-Barium Carbonat On Pack Carburizing Low Carbon Steel. International Journal of Engineering And Science Vol.11, Issue 9, PP 45-50.
• Erkan, A., Yılmaz Ü., Helvacıoğlu, Ş., Günay, H., Aydoğan, R., Ersoy, Ç. (2020) Düşük Basınçlı Sementasyon Yöntemi ile Malzemelerin Mekanik ve Metalografik Özelliklerinin Geliştirilmesi. Mühendis ve Makine. Sayı: Ağustos 2020.
• Forti, M., Alonso, P., Balbuena, P. (2012) Ab-Initio Studies On Carburization Of Fe3Al Based Alloys. / Procedia Materials Science 1, 191 – 198.
• George, S. (2016) Surface Modification Of Materials.
• Hassan, K., S. (2015) Comparative Of Wear Resistance Of Low Carbon Steel Pack Carburizing Using Different Media. International Journal of Engineering & Technology, 4 (1), 71-77.
• Hosseini, S.R.E., Khosravi, H., Sohrabi, R., Hosseini, Z., Karimi, E.Z., Makarem, M. (2013) Correlation between Hardenability Curves and Microstructure of a Cementation Steel Carburized in the Presence of Na2CO3 as an Energizer Material. ISIJ International, Vol. 53, No. 12, pp. 2213–2217.
• Hosseini, S.R.E., Li, Z. (2016) Pack Carburizing: Characteristics, Microstructure, and Modeling. In Encyclopedia of Iron, Steel, and Their Alloys. Taylor and Francis: New York, 13 Apr 2016; 1-24.
• Hu, J., Liao, J., Yang, X., Zeng, J., Li, H., Song, B., Xu, H., Guo, N., Jin, Y. (2022) Microstructure And Properties Of Al-Coating On AZ31 Magnesium Alloy Prepared By Pack-Cementation. Nonferrous Met. Soc. China 32, 493−502.
• Ihom, P.A. (2013) Case Hardening Of Mild Steel Using Cowbone As Energiser. African Journal of Engineering Research Vol. 1(4), pp. 97-101, October 2013. Jacquet, P., Rousse, D.R., Bernard, G., Lambertin, M. (2002) A Novel Technique To Monitor Carburizing Processes. Département de génie mécanique, Université Laval, Sainte-Foy ( Québec ), Canada.
• Kahrıman, F., Tzini, M., Haidemenopoulos, G.N. (2023) Modeling of Surface Modification of Stainless Steel by Halide Activated Pack Cementation Method. AKÜ FEMÜBİD 23, 045703 (1001-1009).
• Karaca, Y. (2019) 1,2344 Sıcak İş Takım Çeliğinin Kutu Sementasyon Yöntemi ile Vc Kaplanabilirliğinin İncelenmesi. Nevşehir Bilim ve Teknoloji Dergisi, 9 (IMSTEC Özel Sayı),106-110.
• Karagöz, İ. (2007) Sementasyon Çeliklerinde Difüzyon Ve Sertlik Derinliğini Arttıracak Isıl İşlem Koşullarının İncelenmesi, Yüksek lisans tezi, Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü.
• Karagöz, İ. (2019) SAE 8620 (21NiCrMo2) Plakaların Isıl İşleminde Karbürizasyon Süresi Ve Malzeme Kalınlığına Bağlı Olarak Oluşan Sertlik Değişimi. El-Cezeri Fen ve Mühendislik Dergisi, Cilt: 6, No:3, Sayfa: 748-754.
• Kaya, M. (2015) SAE 5120 Ve 8620 Çeliklere Uygulanan Sementasyon İşleminin Mikroyapı Ve Sertlik Değişimlerine Etkisinin Araştırılması. Yüksek lisans tezi, Afyon Kocatepe Üniversitesi.
• Khosravi, H., Hosseini, S.R.E., Sisan, M.M., Paykani, M.A. (2014) Modeling of Pack-Carburizing Route by General Factorial Design of Experiment. International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), Vol. 3 Issue 9.
• Kılıç, E.(2008) 14NiCr10 – 14NiCr14 Çeliklerinin Uygulanacak Sementasyon İşlemine Bağlı Olarak Yorulma Özelliklerinin İncelenmesi. Yüksek lisans tezi. Kırıkkale Üniversitesi.
• Kuswanto, B. (1999) Perlakuan Pack Carburızıng Pada Baja Karbon Rendah Sebagaı Materıal Altrenatıf Untuk Pısau Potong Pada Penerapan Teknologı Tepat Guna. Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi 2010 Fakultas Teknik Universitas Wahid Hasyim Semarang. Lu, D., Jiang, Q., Ma, X., Fan, L., Huang, Y., Hou, B. (2023) Effective Time Of A Diffusion Source İn A Pack Cementation Process On The AZ91D Magnesium Alloy. Journal Of Materials Research And Technology, 24, 5552-5562.
• Negara, D.N.K.P., Muku, D.M.K., Sugita, K.G., Astika, M., Mustika, W., Prasetya, D.G.R. (2015) Hardness Distribution and Effective Case Depth of Low Carbon Steel After Pack Carburizing Process under Different Carburizer. Applied Mechanics and Materials, Vol. 776, pp 201-207.
• Negara, D.N.K.P., Widiyarta, I.M. (2019) The Study On Mechanical Properties Of Pack Carburized Low Carbon Steel Using Baco3 As Energizer. Materials Science and Engineering 673, 012125.
• Ogo, D.U.I., Ause, T., Ibanga, E.J. (2004) The Use of River Clam Shells (Aspatharia Sinuata) as an Energizer in Case Carburization of Mild Steels. ISIJ International, Vol. 44, No. 5, pp. 865–868.
• Okongwu, D.A., Paranthaman, V. (1987) Assessment Of The Efficacy Of Some Carbonate Minerals As Energizers In Pack Carburisation Of Mild Steel. Nıjotech Vol. 11. No. 1 September 1987.
• Oyetunji, A., Adeosun, S.O. (2012) Effects of Carburizing Process Variables on Mechanical and Chemical Properties of Carburized Mild Steel. Journal of Basic & Applied Sciences, Volume 8, 319-324.
• Özcan, H. (2012). 32CrMoV Çeliğinin Aşınma Direncini Arttırmak İçin Yeni Bir Isıl İşlem Metodunun Geliştirilmesi, Yüksek lisans tezi, Hacettepe Üniversitesi.
• Özsaraç, U., Yılmaz, R., Ekerer, A. ve Uzun, H. (2021). Sementasyon İşlemi Yapılan Çeliklerde Mikro Sertlik ve Mikroyapı Değişimlerinin İncelenmesi, Sakarya Üniversitesi.
• Paul, I.A., Bem, N.G., Justine, N.I., Joy, O.N. (2013) Investigation Of Egg Shell Waste As An Enhancer İn The Carburization Of Mild Steel. American Journal of Materials Science and Engineering, Vol. 1, No. 2, 29-33.
• Pekgöz, B., Sarıdemir, S., Uygur, İ., Aslan, Y. (2013) Sementasyon İşleminin Farklı Çeliklerin Mikroyapı ve Sertlik Değerlerine Etkileri. Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi. Cilt:10 Sayı:1, Sayfa:19-24.
• Qin, S., Zhang, C., Zhang, B., Ma, H., Zhao, Z. (2022) Effect Of Carburizing Process On High Cycle Fatigue Behavior Of 18CrNiMo7-6 Steel. Journal Of Materials Research and Technology, 16, 1136-1149.
• Ramli, Wu, C.C. (2021) Novel Study On Mechanical Properties Of Pack Carburizing SCM 420 Steel With Energizer Dog Conch. International Journal of Modern Physics B, Vol. 35, No. 5, 2150065.
• Rowan, O.K. (2009) Effect of Alloy Composition on Carburizing Performance of Steel. Journal of Phase Equilibria and Diffusion Vol. 30 No. 3.
• Sabri, H.A.B.A. (2010) Experımental Study Of Pack Carburızıng Of Carbon Steel. Yüksek lisans tezi, Universiti Malaysia Pahang.
• Salawu, E.Y., Ajayi, O.O., Inegbenebor, A.O., Akinlabi, S., Akinlabi, E., Popoola, A.P.I., Uyo, U.O. (2020) Investigation Of The Effects Of Selected Bio-Based Carburising Agents On Mechanical And Microstructural Characteristics Of Gray Cast Iron. Heliyon 6 e03418.
• Schneider, M.J., Chatterjee, M.S. (2013) Introduction To Surface Haredening Of Steels. ASM Handbook, Volume 4A, Page 259-267.
• Tang, Y., Zhang, G., Mao, H., Ren, J., Huang, Z., Li, X., Li, Q. (2022) Research On The Sensor For Detection Of Carburized Case Depth Based On Nonlinear Ultrasound. Results in Physics 42, 105984.
• Thammachot, N., Nachaisit, P., Homjabok, W., Peeratatsuwan, C., Mayai, A., Nithikarnjanatharn, J. (2016) The Effects Of Energizer, Carburizing Temperature And Time On The Mechanical Properties Of Hardened Big Knives İn A Pack Carburizing Process. KKU Engıneerıng Journal October – December 2016;43(4):172-177.
• Tong, L., Dengzun, Y., Chungen, Z. (2010) Low-temperature Formation of Aluminide Coatings on Ni-base Superalloys by Pack Cementation Process. Chinese Journal of Aeronautics 23, 381-385.
• Topbaş, M.A.(1998) Çelik ve Isıl İşlem El Kitabı.
• Wu, J., Wei, P., Liu, H., Zhang, X., He, Z., Deng, G. (2022) Evaluation Of Pre-Shot Peening On İmprovement Of Carburizing Heat Treatment Of AISI 9310 Gear Steel. Journal Of Materials Research and Technology, 18, 2784-2796.
• Yamanel, B., Erdem, O., Bican, O. (2023) Baybora-2 Tozu İle Borlanmış AISI 1020 Çeliğin Kinetik Ve Mekanik Özellikleri. Metall. Technol Arş. 120, 602.
• Yegen, İ. (2009) Sıcak Haddelenmiş Ve Soğuk Çekilmiş SAE 8620 Ve 16MnCr5 Çeliklerinde Tuz Banyosunda Gerçekleştirilen Sementasyon İşleminin Aşınma Direncine Etkisi. Yüksek lisans tezi, Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü.
• Yılmaz, A.N. (1985) Kutu Sementasyonunda Karbürleme Süresi, Karbürleme Sıcaklığı ve Aktivatör Oranının Etkili Sementasyon Derinliğine Etkileri. Yüksek lisans tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü.
• Yılmaz, F., Efe, G.C., Yener, T. (2022) Kutu Sementasyon Yöntemi ile Ti6Al4V Alaşımı Üzerine Aluminid Esaslı Kaplama Üretimi. Journal of Smart Systems Research (JOINSSR) 3(2), 49-60.