Endüstrinin en önemli malzemesi olan çeliklerin birçok kullanım alanı vardır. Özellikle makina endüstrisinde çok geniş kullanım alanları bulmaktadır. Örnek kullanım alanı olan krank milleri ve dişli çarklarının kullanım performanslarının artırılması, parçaların dış kısımlarının sert ve aşınmalara karşı dirençli, iç kısımlarının ise muhtemel darbelere karşı dayanıklı ve tok olması gereklidir. Çeliklerin içerisindeki karbon miktarı, yüzde olarak belirli bir oranın üzerinde olduğunda, sertleştirilme işleminin sonunda dış ve iç kısımları sert bir yapıya sahip olacağından, bu şekilde uygun malzeme olarak kullanımı sınırlanmaktadır. Ayrıca çeliklerde aşınma ve korozyon probleminden dolayı önemli miktarda malzeme kayıpları olmaktadır. Bu miktar, ekonomik değeri para olarak 5 milyar dolar/yıl olarak tahmin edilmektedir. Miktarın çok yüksek olması bu probleme karşı alınacak tedbirlerin önemini ortaya koymaktadır.

            Alternatif çözümlerden birisi yüzey sertleştirmedir. En tanınmış ve en eski bir kabuk sertleştirme yöntemlerinden biri olan sementasyon işlemi ile içerisinde % 0.1-0.25 C bulunan alaşımsız ve çok alaşımlı çeliklere uygulanır

            Yüzeyleri karbonca zenginleştirildikten sonra yapılan sertleştirme işlemi ile istenilen amaca uygun malzemelerin üretimi mümkündür. Sementasyon işlemi hakkında literatürde bir çok bilgiler vardır. Sementasyon işlemi yapılan çeliklerden aşağıdaki özellikler beklenir:

• Uygun sertlik sonucunda iyi derecede aşınma ve erozyon direnci göstermeleri
• Yeterli kalınlıkta kabuğun boyunca uygun dayanım sonucunda yüksek yüzey basınçlarına karşı koyma direnci ve kabiliyeti
• Uygun stres dağılımı sonunda yorulma dayanımın artması
• Karşılaşılan servis şartlarına bağlı olarak dış yüzeyde uygun dayanım ve iç kısmın da tok olması

            Genellikle sementasyon uygulanan çeliklerin çekirdekteki mikro yapısı ferritik ve perlitik yapıdan oluşmaktadır. Yüzeyden iç bölgeye doğru sertlik değerleri arasında olan aşırı farklar, kullanım sırasında çeliğin yumuşak kısmında çatlak oluşumuna neden olmaktadır. Bu değişik oranlardaki çeşitli alaşım elementleri içeren çeliklerin kademeli olarak sertleştirilmesi ile önlenmektedir. Mikro yapı incelemeleri, çeliğin kullanımı sırasında en uygun performansı sağlayabilecek sementasyon işleminin yapılacağı hususunda kılavuzluk eder. Bu işlem ile tane büyüklükleri veya incelmeleri, oluşabilecek çatlak ve kırılmaların belirlenmesi açısından önemlidir. Literatürde sementasyon edilmiş malzemelerin mikro yapılarının yorulma dayanımlarına ve dolayısıyla malzemelerin kullanım ömrüne etki ettiği belirtilmektedir. Karbürleme süresi, sıcaklığı, karbon oranı, soğutma hızı ve sertleşebilirlik büyük önemi olan parametrelerdir. Sertlik derinliği ve yüzey sertliği, yapı farklılıklarına, iç gerilmelere ve sonunda oluşabilecek çatlaklara ve dolayısıyla yorulma dayanımına etki etmektedir

SEMENTASYON ÇELİKLERİ VE SEMENTASYON İŞLEMİ

            Sementasyon çelikleri karbon oranları % 0.2 nin altında olan çeliklerdir. Sementasyon işlemi sonrası yüzeyleri sert ve aşınmaya dirençli, iç kısımları ise yumuşak ve tok olması istenilen darbeli ve değişen kuvvete maruz kalan dişli çarklar, miller, makaralar, kesici takımlar gibi uygulama alanlarına sahiptir. Sertleştirmenin sonradan yapılması ve sertleştirme öncesi yumuşak çeliklerle aynı özelliklere sahip olması talaş kaldırılarak işlenilmesini kolaylaştırır. Sertleştirilmesi istenmeyen ve yumuşak kalması arzu edilen yüzeylerin bakırla kaplanarak korunması, iç kısımların tok olması sonucu çarpılma ve çatlak oluşumunun minimuma indirilebilmesi gibi avantajlara sahiptir.

            Malzemelerde bileşiği oluşturan atomlar, hangi ortam olursa olsun aynı kimyasal bileşime sahip olmak için “difüzyon” olarak isimlendirilen yayılma eğilimindedir. Bu durum boşluk ve ara yer atomu gibi mekanizmalarla gerçekleşir. Sıcaklık yükselmesi yayılmayı hızlandırır. Difüzyon, atomun çevresi ile bağlarını kurtarması, sonra atomların arasındaki boşluklardan geçmesi ve yeni çevresi ile yeniden bağ kurması aşamaları ile gerçekleşir.

Genelde atomlar yüksek konsantrasyonlu bölgeden düşük konsantrasyonlu bölgeye yayılma eğilimindedir.

Karbürleme sırasında elde edilen derinlik sıcaklık ve zamana bağlıdır ve aşağıdaki formülle ifade edilir.

            SD=K ?t

Burada:

SD: Sementasyon derinliği

K: Sıcaklık ve çeliğin kimyasal bileşimine bağlı difüzyon sabiti

t: Sementasyon süresidir.

                Toplam sementasyon derinliği ile etkili sementasyon derinliği birbirine karıştırılmamalıdır. Etkili sementasyon derinliği genelde, toplam sementasyon derinliğinin 2/3’ü ile 3/4’ü arasındadır. 0.76 mm’ den daha az sementasyon derinlikleri için tek bir döngü yeterli olacaktır. Daha fazla derinlik istenildiğinde ise iki aşamalı
(karbürleme difüzyon)  bir proses gerekir.Tipik olarak, sementasyon ve su verme prosedürleri sonunda 60-63 HRC lik bir kabuk sertliği ve 10-40 HRC ’ lik bir çekirdek sertliği elde edilmekle beraber, kabuk ve çekirdek sertlikleri, çeliğin kimyasal bileşimine, iş parçasının kesit kalınlığına ve ısıl işlem prosedürüne bağlıdır.