Karbonlu çeliklerden normal olarak sağlanamayan kendine has özellikleri sağlayabilmek amacıyla, bir veya birden fazla alaşım elementi eklemek suretiyle yapılan çelikler alaşımlı çeliklerdir.
Alaşım elemanlarının etkisi, diğer metallere nazaran en çok çelik yapısında etkili olmaktadır. Ayrıca alaşım elementlerinin etkileri toplanabilir olmadığından, çok sayıda alaşım elementinin birlikte bulunması halinde beklenen özellik değişmeleri ancak genel çerçevede ele alınabilir ve bu konuda kesin bir yaklaşım yapılamaz.
Alaşımlı çelikler, alaşım elemanları toplam miktarı % 5 den (düşük
alaşımlı) çelikler ve alaşım elemanlarının toplamı % 5 den (yüksek
alaşımlı) çelikler olmak üzere, iki ana gruba ayrılırlar. Alaşımsız
çeliklere benzer davranışa sahip olan düşük alaşımlı çeliklerin en
belirgin özelliği, sertleşme kabiliyetlerinin daha yüksek olmasıdır.
Ayrıca, sertlik, çekme dayanımı, akma sınırı, elastiklik modülü gibi
dayanım özellikleri ile sıcağa dayanıklılık, meneviş dayanıklılığı, gibi
karakteristikler yükselirken, genellikle kopma uzaması, kesit daralması,
çentik darbe dayanımı gibi değerlerde azalma olur. Alaşımsız ve düşük
alaşımlı çeliklerde istenilen özelliklerin bulunmaması veya yetersiz
olması halinde yüksek alaşımlı çelikler kullanılır. Bu tür alaşımlarına,
normal sıcaklıklardaki mekanik dayanımın artırılması yanısıra, özellikle
sıcağa, tufallaşmaya ve korozyona dayanım, sıcaklıkta sertlik ve
manyetlenmeme gibi bazı istenen özelliklerin elde edilmesini amaçlar.
|
|
|
Nitrür teşekkül ettirerek sertliği artırır. Nitrürasyon ile 1100 VSD kadar sertlik elde edilebilir. Mekanik dayanım ve korozyona karşı direnci artımasına karşın yanlaşma meydana gelir.
|
|
Genel olarak ısıl işlem, malzemenin sertliği, tane yapısı ve mekanik özelliklerinin istenen değerlerde olmasını sağlamak amacıyla, malzemeye uygulanan bir dizi ısıtma ve soğutma işlemidir.
Isıl
işlem yapılış özellikleri ve elde edilen özellikler bakımından.
Tavlama ve Sertleştirme olarak iki grupta incelenebilir. Malzemelerin, talaşlı işlem ve plastik şekillendirme kabiliyetini artırmak, iç yapı özelliklerini düzeltmek gibi amaçlarla yapılan ve malzemenin uygun bir sıcaklığa kadar ısıtılıp, yavaş soğutulması şeklinde gerçekleştirilen işlemlerdir. Tavlama işlemi işlem sıcaklıkları ve soğutma şekilleri yönünden farklı şekillerde ifade edilir. Başlıca tavlama işlemleri şu şekilde belirtilebilir. A - Yumuşatma Tavlaması: Isıl işlem görmemiş malzemeler, içerdikleri karbon oranlarına bağh olarak, oda sıcaklığında farklı sertlikler gösterirler. Bazı malzemeler sertlikleri itibariyle kolay işlenemez durumda olabilirler. Özellikle plastik şekil değiştirme işlemleri için malzemelerin minimum sertlikte olması istenir. Bu sebeple, malzemelerin sertliklerinin düşürülmesi amacıyla malzemelere yumuşatma tavlaması yapılır. Çelik malzemelerin, oda sıcaklığındaki yapıları, tanecikler halinde ve içindeki karbon oranıyla doğru orantılı olarak, ince uzun plakalar şeklinde, sıralı dizilmiş görünümdeki karbür çökeltileri şeklindedir. Perlit olarak anılan bu yapı içerisindeki karbür plakalarının sıklığı, malzemenin içerdiği karbon oranıyla artar ve bu durum sertliğin de artmasına sebep olur. Yumuşatma tavlaması yapılarak, ince uzun yapıdaki karbür plakalar, daha kısa ve küresel bir yapıya dönüştürülür. Bu durumda çelik ilk haline oranla daha yumuşak ve kolay şekillendirilebilir bir yapıya sahip olur. Bu yöntem küreleştirme tavlaması olarak da bilinir. B - Gerilim Giderme Tavlaması: Kaynaklama, plastik şekil verme veya aşırı ısıtma - ani soğutma gibi durumlar sonucu malzeme içinde, çeşitli yönlerde iç gerilmeler meydana gelir. Bu gerilmelerin giderilmesi amacıyla en yüksek kullanım sıcaklığının üstünde ve faz dönüşüm sıcaklığının altında bir sıcaklıkta parçalar en fazla iki saat bekletilerek iç gerilmelerin giderilmesi sağlanır. C - Yeniden Kristalleştirme Tavlaması: Plastik şekil verme yöntemleriyle şekillendirilen parçaların tane yapılarında, özellikle cidar bölgelerinde, kalıcı yapı bozulmaları meydana gelir. Bu durum sertlik ve mukavemetin artması, süneklik ve elektrik iletkenliğinin azalmasına sebep olur.Faz dönüşüm sıcaklığının altında bir sıcaklıkta, bir saate kadar bekletme ve yavaş soğutma ile tane yapısı düzgün ve düzenli bir forma dönüşerek, deformasyon öncesi özelliklerinin geri kazanılması sağlanır. Bu işlem rekristalizasyon olarak da bilinir. D - Normalleştirme Tavlaması: Tavlama işlemlerinin tamamı malzemeye iyi özellikler kazandırmakla beraber, tane irileşmesine de sebep olur. Yapılacak işleme göre iri taneli yapıların istenmediği durumlar için malzemeler sertleştirme sıcaklığına kadar ısıtılarak, sakin havada soğumaya bırakılırlar. Normalleştirme tavlamasını diğerlerinden ayıran özellik parçaların yavaş soğutulması yerine, sakin havada hızlı soğutulmasıdır. Bu durumda tane yapısı daha ince yapılı olur. Bu işlem normalizasyon olarak da bilinir. SERTLEŞME Üretimi yapılan parçaların çalışma şartlarına göre değerlendirilmesiyle, parçanın tamamı veya bir kısmının,çekirdeğe kadar veya sadece cidar yüzeyi boyunca sertlik kazanması istenebilir. Bu gibi durumlar sözkonusu olduğu zaman istenen özelliğe göre farklı ısıl işlemler uygulanması gerekir.
Yapılış
özellikleri ve nihai yapı özellikleri göz önüne alınarak
sertleştirme işlemi farklı başlıklar altında değerlendirilir.
İstenen sertlik ve mekanik özelliklerin elde edilmesi amacıyla yapılan su verme ve menevişleme işlemidir. Özellikle parçanın tüm kesitinin sert olması istenen durumlar için kullanılır. Su Verme En basit şekilde, malzemenin sertleştirme sıcaklığına kadar ısıtılması ve ani olarak soğutulmasıyla sertleştirilmesi şeklinde tariflenebilir. Konuyla ilgili olarak, sertleştirme sıcaklığının seçimi, ısıtma hızı, soğutma ortamı seçimi ve soğutma hızı gibi faktörlerin birbiri ile olan ilgileri ve doğru değerlerin belirlenmesi uzmanlık gerektiren konulardır. Sertleştirme sıcaklık aralıkları, maksimum sertliğin, en küçük tane yapısı ile elde edilmesini sağlayacak şekilde bir dizi deney ile belirlenen değerlerdir. Bu değerlerin altında veya üzerinde yapılacak ısıtma, sertlik değerinin düşük, nihai iç yapının ise istenen şekilde olmaması ile sonuçlanacaktır. Ayrıca sertleştirme sıcaklığında tutma süresi önemli olup, malzemenin alaşımlı, az alaşımlı olması ve tane boyutlarının uygunluğu ile bağlantılıdır. Su verme ortamının seçimi, malzemenin alaşım miktarıyla alakalıdır. Düşük alaşımlı çelikler için daha çok su ve tuz banyoları tercih edilirken, yüksek alaşımlı çelikler için çarpılma riski göz önünde bulundurularak yağ gibi yumuşak ortamlar tercih edilir. Yoğunlukla kullanılan soğutma ortamları; su, yağ, tuz banyosu ve hava şeklinde belirtilebilir. • Su: Suda su verme işlemiyle ilgili en önemli özelliklerden biri, sıcak parçayı soğutmak için kullanılan suyun sıcaklığıdır. 20 - 40 °C arasındaki soğutma suyu sıcaklığı en verimli sıcaklıktır. 60 °C üzerindeki sıcaklıklarda soğutma hızı fazlasıyla düşer. • Yağ: Yağda su verme işlemindeki yağın soğutma hızı, suyun soğutma hızından yavaştır. Soğutma hızının en verimli olduğu yağ sıcaklığı 50 - 80 °C arasıdır. Ayrıca yağın sürekli olarak hızlı biçimde karıştırılması verimi büyük ölçüde artırır. • Tuzlu su çözeltisi: Suda su verme verimini artırmak için suya sodyumhidroksit veya mutfak tuzu ilave edilebilir. Mutfak tuzu parça üzerinde korozyona sebep olduğu için pek az tercih edilir. % 10 oranında ilave edilecek NaOH soğutma hızını çok fazla artırır. Bu tip kullanımlar, yüksek sertleşme derinliğini artırarak iç gerilmelerin az olmasını da sağlar. • Hava: Havada su verme işlemi diğer yöntemlere göre en az verimli olanıdır. Bunun en büyük sebebi havanın soğutma hızının çok düşük olmasıdır. Hatta sakin havanın soğutma hızı suyun % 1 'inden daha azdır. Bu sebeple bu yöntem sadece yüksek hız çelikleri için tercih edilebilir. Su verme işlemi sonrası oluşan nihai yapı, çok sert ve kırılgan olup, ani soğutma esnasında oluşan iç gerilmelere sahiptir. Dolayısıyla menevişleme malzemenin tokluğunun iyileştirilmesi için malzemenin tekrar ısıtılıp, aynı sıcaklıkta bir süre tutularak soğutulmasıdır. Menevişleme işlemi istenen tokluk oranı, sertlik ve nihai yapıya göre farklı sıcaklıklarda yapılabilir. Su verilen parçanın tamamen soğumasını bekledikten sonra yapılan menevişleme çatlamaya sebep olabilir. Bu sebeple parça 60 - 80 °C sıcaklığa düşmesiyle birlikte menevişlemenin hemen yapılması gerekir. Kolay işlenebilir özelliğe sahip düşük karbonlu çelikler, işlendikten sonra kullanım amaçları doğrultusunda, yüzeylerine karbon emdirilerek, sertleştirme işlemine tabi tutulurlar. Bu işlem parça yüzeyinin aşınma dayanımını artırır ve çekirdek bölgenin yumuşak kalması ile tüm parçanın tok özellikler göstermesini ve darbe dayanımın yüksek olmasını sağlar. Sementasyon işlemi, katı, sıvı veya gaz fazlı ortamlarda gerçekleşebilir. Kontrolü en kolay ve ekonomik yöntem gaz ortamında yapılan sementasyondur. Karbon verici olarak CO veya metan gazı gibi hidrokarbonlar kullanılır. Sıvı ortam sementasyonunda yaygın olarak sodyumsiyanür ve potasyumsiyanür gibi karbon vericilerin tuzları kullanılır. Sıvı ortam sementasyonu daha çok küçük parçaların sertleştirilmesi için uygundur. Katı ortam sementasyonunda daha çok odun kömürü kullanılır. Kontrolü zor ve tecrübe gerektiren fazla tercih edilmeyen bir yöntemdir. Sementasyon işleminde, yüzey karbon oranı % 0.7 - % 0.8 oranlarına artırılmaya çalışılır. Bunun üzerinde emdirilen karbon, karbür çökelmesine yol açarak kırılgan bir yüzey oluşturur. Sementasyon için asıl kriter etkin sementasyon derinliğidir. Karbon emdirme işlemini müteakip, su verme işlemi uygulanarak cidarın sertleştirilmesi gerçekleştirilir. Su verme işlemi, karbon emdirme sıcaklığından su verilerek (doğrudan su verme), oda sıcaklığına kadar soğutulup ıslah edilerek (tek su verme) veya karbon emdirme sıcaklığından su verildikten sonra düşük sıcaklıkta ıslah edilerek gerçekleştirilir. Su verme işlemlerinden sonra mutlaka menevişleme yapılmalıdır. Sementasyon işlemi ardından sağlanacak en yüksek aşınma dayanımı, en yüksek sertlikte değil, yaklaşık 300 °C'de yapılan menevişlemeden sonra elde edilir. İNDİKSİYONLA YÜZEY SERTLEŞTİRME Parçanın indüksiyon akımı yardımıyla yüzeyinin ani olarak ısıtılıp, ani olarak soğutulmasıyla yapılan bir yüzey sertleştirme işlemidir. Alevle sertleştirmeye benzer fakat gerek işlem süresi, gerekse yüzeyde oluşturulan yüksek ısıl birikimi açısından daha verimlidir, indüksiyonla yapılan ani ısıtmanın ardından yapılan ani soğutma işlemi genellikle su ile yapılır ve yüksek karbonlu çeliklerde çatlama ihtimalini artırır. Soğutma suyunun 60 °C civarında olması veya tuz kullanılması çatlama ve iç gerilme ihtimalini azaltır.
Sertleştirmeden sonra iç gerilmelerin giderilmesi için 150 - 200
°C arasında menevişleme yapılır.
Nitrürleme, çelik yüzeyinde azotun difüzyon yoluyla zenginleştirilmesini ifade eder. Sementasyon işlemine benzer şekilde gerçekleştirilen reaksiyon ile yüzeyde nitrür tabakası teşekkül ettirilir, nitrürasyon sonucu ulaşılan sertlik, sementasyon sonu sertlikten çok daha fazladır. Sementasyon ile ulaşılabilecek sertlik derinliklerine ulaşmak için ise çok uzun nitrürleme süreleri gerekir. Sementasyon işlemi, yüzey sertliği aşınma dayanımı iyileştirici özelliğine sahip olmakla birlikte, parça çekirdek bölge dayanımı ve sünekliğini de iyileştirir. Bu sayede büyük yüklerin taşınması, darbe tarzındaki yüklerin karşılanması sağlanır. Sementasyon malzemeleri karbon oranı genelde % 0.10 - 0.20 arasındadır, bazı çeşitlerde % 0.25'e kadar çıkabilir. Alaşımlı veya alaşımsız olarak üretilebilir. Sementasyon çelikleri, sementasyon işleminden sonra değişik şekillerde ısıl işleme tabi tutulabilirler. Sementasyon işleminden sonra çekirdek bölgedeki bölgedeki karbon miktarı % 0.10 - 0.20 değerlerinde kalırken, yüzey bölgede karbon miktarı % 0.8'e kadar yükselir. Bu durumda yapılacak ısıl işlem sıcaklığının seçimi, parça yapısının her yerinde değişen karbon miktarı nedeniyle zorlaşır. Çekirdek bölge baz alınarak seçilecek sıcaklık parça cicar bölgesinde tane irileşmesine, parça cicar bölgesi baz alınarak seçilecek sıcaklık çekirdek bölgenin yeterince sertleşmemesine yol açar. Bu sebeple uygulanabilecek en kolay yöntem sementasyon sıcaklığından direkt sert eştirmedir. Bu yöntem sadece tuz banyosu ve gaz sementasyonundan sonra uygulanabilir. Yöntem ince taneli çelikler için daha uygundur. Sementasyon çeliklerde karbon miktarının yükselmesiyle ve ilave edilmiş alaşım elementleriyle, çekirdek bölge dayanımı artabilir. Ancak en verimli sonuca, sementasyon sonrası çekirdek sertleşmesi ile ulaşılabilir. Bu yöntemle çift sertleştirme adı verilir. Çekirdek bölge uygun sertleştirme sıcaklığından ani soğutulan parça, ara tavlama işlemine tabi tutulur ve ardından cidar bölge için uygun sertleştirme sıcaklığından ani soğutularak cidar bölgenin sertliği sağlanır. Sementasyon çeliklerinin kaynak kabiliyetleri iyidir. Alaşımlı çeliklerde kaynaktan sonra tavlama gerekir. Talaşlı işlenebilirlik en iyi, normal tavlanmış veya kaba taneli yapıya sahip malzeme ile sağlanır. Yumuşatma yapılmış malzeme kötü yüzey kalitesi verebileceği için tercih edilmez. Islah çeliklerinde sertleşebilirlilk özelliklerinin yanında, yüksek dayanım ve süneklilik de istenir. Yeterli seviyede sertlik elde edilebilmesi için, ıslah çelikleri diğerlerine oranla yüksek karbon içerirler. Kalın kesitli parçalar için sertlik derinliğinin en önemli kriter olması sebebiyle, bu parçalar alaşımlı ıslah çeliklerinden imal eder. Islah çeliklerinin seçiminde, parça boyutları ve dayanım değerleri ön plandadır. Alaşımsız ıslah çelikleri ancak küçük kesitli parçalarda verimli olabilir. Kalın kesitli parçalar için, sertlik dağılımının homojen olması, çeliğin alaşımlı olmasına bağlıdır. Sertlik dağılımının, malzeme alaşımlarına göre değişimleri jominy testi sonuçlarıyla gösterilir. Jominy testi basit bir ifade ile; sertleştirme sıcaklığına kadar ısıtılan çubuk şeklinde bir malzemenin sadece bir ucundan soğutulmasıyla, soğutulan uca olan mesafelerdeki sertleşme değerlerini ifade edilir. İslah çelikleri alevle ve indüksiyonla sertleşebileceği gibi, ıslah edildikten sonra da alev ve indüksiyonla sertleştirilebilir. Bu şekilde ısıl işlem görecek malzemenin seçiminde, kimyasal bileşimin yanısıra, yüzeyde elde edilecek sertlik değeri ve sertleşme derinliği göz önünde bulundurulur. Alaşımsız çeliklerde sertlik derinliği 3-4 mm olabilirken, alaşımlı çeliklerde bu derinlik 10-12 mm'yi bulur. Ayrıca indüksiyonla sertleşme esnasında yüksek mangan çatlama tehlikesi yaratacağından, yüksek karbonlu - düşük manganlı Cf kalite çeliklerin kullanılması daha uygundur. Ayrıca çatlama tehlikesinin azalması malzeme tane yapısının küçük olmasıyla yakından ilişkilidir. Çelik malzemeden istenilen özellikler arasında talaşlı işlenebilirlik kabiliyeti önem arz eder. İmalat aşamasında, yüksek kesme hızları ve buna bağlı olarak işlem zamanı, takım ömrü, iyi yüzey kalitesi, daha düşük kesme kuvvetleri kullanarak sağlanacak enerji tasarrufu gibi kriterler, diğer faktörlerle birlikte malzeme kalitesiyle de direkt alakalıdır. Bu kaliteyi sağlamak amacıyla otomat çelikleri geliştirilmiştir. Kükürt ve fosforun diğer tüm kalitelerde azaltılmaya çalışılmasına karşın, talaşlı işlem kabiliyetini artırmasından dolayı otomat çelikleri içine özellikle ilave edilir. İlave edilen elementler malzemede metalik kırılganlık sağlayarak, kısa kırılan talaş oluşumunu sağlar. Bunun yanısıra kükürt ve fosfor ilavesi yağlama etkisi yaparak parça dayanımının artmasına, temiz yüzey elde edilmesine imkan tanır. Otomat çelikleri kurşun ile alaşımlandırılmış şekilde de bulunabilir, ilave edilen kurşun çeliğin mekanik özelliklerini değiştirmekle birlikte yağlama özelliğini artırır. Otomat çeliklerinin ıslah edilebilme ve semente edilebilme özellikleri de vardır |