Ni-Hard, nikel ve kromla alaşımlandırılmış, yüksek sertlik ve aşınma direncine sahip beyaz dökme demir grubudur. Yapısında bulunan sert karbürler sayesinde kum, kömür, cevher, kül, çamur ve benzeri aşındırıcı malzemelerle çalışan parçalarda uzun kullanım ömrü sağlar. Kırıcı ve değirmen parçaları, pompa elemanları, karıştırıcı kanatları, helezonlar ve aşınma plakaları Ni-Hard malzemelerin yaygın kullanım alanları arasındadır. ASTM A532 standardında Ni-Hard alaşımları, aşınmaya dayanıklı beyaz dökme demirler içerisinde değerlendirilir ve kimyasal bileşimlerine göre farklı sınıflara ayrılır.
Ni-Hard parçaların dökümden sonraki performansı yalnızca kimyasal analize bağlı değildir. Döküm sıcaklığı, kalıp malzemesi, kesit kalınlığı, soğuma hızı ve uygulanan ısıl işlem, parçanın son mikroyapısını doğrudan etkiler. Fırınlama işleminin amacı kullanım şartlarına göre iç gerilimleri azaltmak, kalıntı östeniti martenzite dönüştürmek, ikincil karbür çökelmesini sağlamak veya parçayı talaşlı işlem yapılabilecek seviyeye kadar yumuşatmaktır. Bu nedenle bütün Ni-Hard alaşımlarına uygulanabilecek tek bir fırın reçetesi bulunmamaktadır. Öncelikle malzemenin Ni-Hard 1, Ni-Hard 2 veya Ni-Hard 4 grubundan hangisine ait olduğu belirlenmelidir.
Ni-Hard 1 ve Ni-Hard 2 gibi düşük kromlu alaşımlar ile Ni-Hard 4 gibi yaklaşık yüzde 8–10 krom içeren alaşımlar aynı sıcaklıklarda aynı tepkiyi göstermez. Düşük kromlu Ni-Hard alaşımlarında döküm yapısı çoğunlukla martenzitik veya martenzitik-beynitik matris ile M₃C tipi karbürlerden meydana gelir. Ni-Hard 4 malzemede ise krom miktarının yükselmesiyle daha sert M₇C₃ tipi karbürler oluşabilir ve döküm yapısında daha fazla kalıntı östenit bulunabilir. Bu kalıntı östenit aşırı miktarda olduğunda sertliği düşürebilir; uygun fırınlama işlemiyle karbonun bir bölümü ikincil karbür olarak çökeltilir ve soğuma sırasında östenitin martenzite dönüşmesi kolaylaştırılır.
Ni-Hard 2 üzerinde yapılan bir çalışmada 480 °C’de dört saatlik bekletmenin, ikincil karbür çökelmesi sayesinde sertliği yaklaşık 55 HRC seviyesinden 62 HRC seviyesine çıkardığı görülmüştür. Aynı çalışmada Ni-Hard 4 numuneleri 790 °C’de dört ile sekiz saat arasında tutulmuş ve döküm halindeki yaklaşık 49–50 HRC sertlik değerleri 60–62 HRC seviyelerine yükselmiştir. Sertlik artışı, ikincil karbürlerin çökelmesi ve kalıntı östenitin soğuma sırasında martenzite dönüşmesiyle açıklanmıştır. Bekletme süresinin 8 veya 12 saate çıkarılması ise her durumda ek fayda sağlamamış; deney sonuçlarında dört saatlik sürenin yeterli olabildiği belirtilmiştir. Bu değerler belirli numune boyutları ve belirli kimyasal bileşimler için elde edildiğinden doğrudan bütün üretimlere uygulanmamalıdır.
Fırınlama sırasında parçanın hedef sıcaklığa kontrollü şekilde çıkarılması büyük önem taşır. Ni-Hard parçalar yüksek karbür oranı nedeniyle sert olmakla birlikte gevrek davranabilir. Özellikle farklı kesit kalınlıklarına, keskin köşelere veya L ve T biçimli birleşim bölgelerine sahip parçalarda hızlı ısıtma, yüzey ile merkez arasında yüksek sıcaklık farkı oluşturabilir. Bu durum termal gerilmeye, şekil değişimine veya fırın içerisinde çatlamaya yol açabilir. Bu nedenle kalın ve karmaşık geometrili parçalar doğrudan yüksek sıcaklıktaki fırına verilmek yerine kademeli olarak ısıtılmalı, sıcaklık parçanın merkezine ulaştıktan sonra bekletme süresi başlatılmalıdır.
Sertleştirme işleminden sonraki soğutma yöntemi de fırın sıcaklığı kadar önemlidir. Ni-Hard parçaların kontrolsüz şekilde suya verilmesi yüksek çatlama riski oluşturabilir. Alaşımın bileşimine ve parça geometrisine bağlı olarak sakin havada, fanlı havada veya kontrollü fırın soğutması tercih edilebilir. Amaç, yeterli martenzitik dönüşümü sağlarken parça içerisinde tehlikeli sıcaklık farklarının oluşmasını önlemektir. Karmaşık ve kalın kesitli parçalarda en yüksek sertliği elde etmeye çalışmak yerine sertlik, çatlak güvenliği ve çalışma şartları arasında denge kurulması daha doğru olur.
Sertleştirme sonrasında uygulanan meneviş veya gerilim giderme işlemi, parçada oluşan ısıl işlem gerilmelerini azaltabilir. Ancak meneviş sıcaklığı yükseldikçe sertlik, karbür çökelmesi ve aşınma davranışı farklı şekillerde değişebilir. Tungsten ve bor ilaveli özel bir Ni-Hard 4 alaşımı üzerinde yapılan çalışmada parçalar 850 °C’de beş saat östenitlenmiş, havada soğutulmuş ve ardından 250–650 °C arasında menevişlenmiştir. Bu özel bileşimde 550 °C’de dört saatlik meneviş en düşük aşınma kaybını vermiştir. Ancak bu sonuç standart Ni-Hard 4 alaşımlarına doğrudan aktarılmamalıdır; çalışma, alaşım elementlerinin fırın reçetesini ne ölçüde değiştirebildiğini göstermesi bakımından önemlidir.
Başarılı bir Ni-Hard fırınlamasında yalnızca fırının gösterdiği sıcaklık yeterli kabul edilmemelidir. Mümkün olduğunda parça üzerine veya temsilî numune içerisine termokupl yerleştirilmeli, bekletme süresi parçanın tamamı hedef sıcaklığa ulaştıktan sonra hesaplanmalıdır. İşlem sonrasında yüzey ve merkez sertlikleri ölçülmeli, kesit farklarının sertliğe etkisi kontrol edilmeli ve ilk üretimlerde mikroyapı incelemesi yapılmalıdır. Çatlak kontrolü için penetrant veya manyetik parçacık muayenesi uygulanması da özellikle yüksek maliyetli ve kritik parçalar açısından önemlidir.
Sonuç olarak Ni-Hard fırınlaması, yalnızca parçayı belirli bir sıcaklığa çıkarıp soğutmaktan ibaret değildir. Doğru sonuç; kimyasal analiz, parça geometrisi, kesit kalınlığı, döküm yapısı, hedef sertlik ve çalışma koşullarının birlikte değerlendirilmesiyle elde edilir. Uygun şekilde hazırlanan bir ısıl işlem reçetesi kalıntı östeniti azaltabilir, ikincil karbür çökelmesini sağlayabilir ve aşınma dayanımını belirgin biçimde yükseltebilir. Yanlış sıcaklık, hızlı ısıtma veya kontrolsüz soğutma ise sertlik artışı sağlasa bile parçanın çatlama riskini yükselterek kullanım ömrünü kısaltabilir.
