Dönüşüm yoluyla mukavemet kazandırılan alaşımlar
(Martenzit gibi)
Dönüşüm yoluyla mukavemet kazandıran alaşımlar kaynak işlemi sebebiyle ortaya çıkacak soğumaya bağlı olarak martenzit dönüşümüne uğrayacak alaşım içeren ve yeterli miktarda C içeren çelikleri kapsamaktadır. Bu çelikler kaynaktan önce temperlenmiş martenzit ısıl işlemi görmüşlerdir veya kaynak ısıl çevrim süresince martenzit dönüşümü sebebiyle uygun sertleşmeye sahiptirler. Her iki durumda da yaklaşık olarak ITAB aynı şekilde kaynak ısıl çevriminden etkilenir.
Bölge 1, hemen kaynak dikişinin yanı olup iri taneli bölgedir. sıcaklık ergime noktası yakınına ulaştığı bölge olması nedeniyle hızlı ostenitik tane büyümesi meydana gelir.Geniş tane boyutu sertleşme eğilimini arttırır, ve bu bölge soğuma ile birlikte kolayca martenzit dönüşüme uğrar.
Bölge 2, ostenit hale gelmiştir ancak burada sıcaklık önemli ölçüde tane büyümesi yapabilmesi için oldukça düşüktür. Bölge 2’nin sertleşme kabiliyeti tane büyümesine bağlı olarak önemsenmeyecek derecede artar ancak bu bölge soğuma hızı yeterli derecede fazla ise veya alaşım miktarı yeterli kadar fazla ise martenzit dönüşümü olabilir.
Bölge 3 de, bazı tanecikler ostenite dönüşebilirse de diğerleri dönüşemez.. Ostenit tanecikleri oldukça incedir. Bölge 4’de ostenite dönüşemeyen tanecikler vardır ancak ferrit tanecikleri kaynak ısısı etkisiyle temperlenebilir.
Çeliklerde Isıtma ve Soğutma Esnasında Ortaya Çıkan Dönüşümler
Saf metallerin çoğu katı halde yalnız bir tek kristal yapısına sahiptir; fakat bazı metaller ise, katı halde, çeşitli sıcaklıklarda farklı kristal yapısı gösterirler. Allotropi adı verilen bu özelliğe demirde de rastlanır; saf demir 910°C’nin altındaki sıcaklıklarda µ (ferrit) fazında hacim merkezli kübik kristal kafesi, 910-1392°C sıcaklıkları arasında g (ostenit) fazında yüzey merkezli kübik kristal kafesi, 1392-1536°C arasında da d (delta ferrit) fazında gene hacim merkezli kübik kristal kafesine sahiptir. Saf demir halinde bu dönüşümler sabit sıcaklıklarda meydana gelir, çelik halinde ise, yani alaşım elemanı içeren eden demir halinde, bu dönüşümler bir sıcaklık aralığında meydana gelir.
Kaynak işlemi esnasında, genellikle metal ilk önce likidüsün üstünde bir sıcaklığa kadar ısıtılmakta ve sonra da soğutulmaktadır ve dolayısı ile de çeliklerin kaynağında, kaynak bölgesinde, yukarıda belirtilmiş olan dönüşümler sıra ile meydana gelecektir. Isıtmayı takiben soğutma yavaş bir şekilde gerçekleştirildiğinde, elde edilen yapı tane büyüklüğü hariç ilk yapının aynıdır, soğutmanın süratli olduğu hallerde ise ortaya bambaşka durumlar çıkar ki, çeliğin kaynağını da etkileyen durum budur.
Demir-karbon diyagramı üzerinde, çeşitli oranlarda karbon ihtiva eden çeliklerin, ısıtılma ve dengeli bir şekilde yavaş soğutulmaları halinde meydana gelen dönüşümleri ve bunun neticesi oluşan yapıları kolaylıkla görebiliriz
DEMİR ELEMENTİNİN ÖZELLİKLERİ
Arı halde gümüşsü beyaz renkli bir metal olan demir (Fe), dünyada ki metaller içinde en bol bulunanların ikincisi, elementler arasında ise dördüncüsüdür. Yeryüzünün çekirdeği, büyük miktarda metal demirden yapılmıştır. Ancak, yeryüzü kabuğunda demir, öteki maddelerle tepkimeye girmiş durumdadır. Arı durumda çok seyrek bulunur: Yalnızca bazı göktaşlarında ve bazaltlı kayalarda.
Tüm bitkilerin, hayvanların ve insanların, yaşamak için demire ihtiyaçları vardır. İnsanlarda en büyük demir yüzdesi, kırmızı kan hücrelerinde bulunur. Hemoglobinin temel bölümlerinden birini oluşturur. Kasalarda ve dokularda, küçük miktarlar halinde bulunur.
Demirin kimyasal simgesi olan Fe, latince “demir” anlamına gelen ferrum’ dan türetilmiştir. Demirin atom numarası 26, atom ağırlığı 55,85 ve özgül ağırlığı 7,86’ dır.
Demir, küçük iğnelerden dev yapılara kadar, binlerce işlenmiş ürünün ana maddesidir. Kükürt ve oksijen gibi metallerle kolayca birleşir. Başka herhangi bir metalden çok daha büyük miktarlarda, alaşımlarda kullanılır. En yararlı ve ucuz metallerden biri olan çelik, demire küçük bir miktar karbon katılmasıyla elde edilir.
Topaz, turkuvaz ve lal taşı dahil, çeşitli değerli taşların kapsamında deri vardır.
DEMİR FİLİZLERİ
Demir, yer kabuğunda büyük miktarlarda bulunan birçok yükseltgenmiş minerallerden ergitilir. Bu mineraller arasında hematit, magnetit, limonit ve karbonat sideriti sayabiliriz.
Hematit (Fe2O3), yüzde 70 demir, yüzde 30 oksijen kapsayan bir filizdir. Adı, kan kırmızısı renginden ötürü yunanca “kan” sözcüğünden türetilmiştir. Hematit, bazen eşkenar paralel yüzlü biçiminde, bazen bir gül yapraklarına benzeyen ince tabakalar halinde, bazen de boya maddesi olarak kullanılan ve topraklı kırmızı bakır filizi diye adlandırılan bir toz halinde bulunur.
Magnetit (Fe3O4), adını magnetit özelliklerinden alan ve yüzde 72 demir kapsayan en zengin demir filizidir. Eşkenar paralel yüzlü ve sekiz yüzlü sistemlerde billurlaşır. Magnetit su ve çözelti halindeki gazların kimyasal olarak aşındırmaya uğrattığı olivin ve biyotit gibi kayaların değişiminden de oluşur.
Limonit filizi, dünya demir üretiminde oldukça önemli bir yüzde oluşturur. Her bir limonit örneğinde ki demir yüzdesi, bulunan su molekülleri sayısına bağlıdır. Öteki demir filizlerinin değişimiyle oluşan limonit çoğunlukla demirli su çözeltileri yataklarındadır. Demir bakterisi adıyla bilinen küçük organizmaların hareketi de büyük miktarlarda limonit yatakları oluşumuna yol açmaktadır. Avrupa’ daki en büyük yataklar olan Alsace-Lorraine yatakları böyle oluşmuştur.
Siderit, FeCO3 formülüyle gösterilen ve yüzde 43 demir kapsayan bir demir II karbonattır. Billurları eşkenar paralel yüzlüdür. Siderit değişimi uğramadığı sürece beyazdır; ama yükseltgenliğinde (oksitlendiğinde), rengi sarı ile ya da kahverengiyle dönüşür. Siderit, çeşitli türlerde tortul kayalarda birleşme ya da kayaların kimyasal değişmeleri sonucu oluşur.
Mika, formülü FeO(OH) olan bir demir hidroksittir. Limonit ile birlikte bulunur. İğne biçiminde billurlar ya da tabakalar halinde rastlanır.
Prittien de (demir disülfür, FeS2 büyük miktarlarda demir çıkarılır. Prit, kavurma denilen bir süreçle, kükürt dioksit yapmak için bol hava ile yakılır. Kükürt dioksit, daha sonra, demir çıkarılmasına elverişli olan sülfürik asit ve demir oksitler oluşturmadan kullanılır.
DEMİR YATAKLARI
A.B.D. en büyük demir üreticisidir. Hemen her eyalette demir bulunur. Ancak, en önemli yataklar Michigan, Minnessota ve Wisconsin’ deki hematit filizleridir. Dünya yüzeyindeki insan yapısı en geniş delik, Minnessota’ da Hibbing yakınlarındadır ve bir de demir madeni yüzünden açılmıştır. Lorraine’ deki büyük limonit yatakları, Fransa için zengin ve ekonomik bir demir kaynağı oluşturur. Rusya’ daki başlıca yataklar Urallar’ da Perm’ de ve Ukrayna’ da dır. Britanya’ da demir filizi yatakları, Midlands ve Kuzey İngiltere kömür havzaları arasında yer alır. İsveç, Almanya, İspanya, Lüksemburg, Kanada ve Hindistan’ da geniş yataklar vardır. Son yıllarda Afrika’ da da geniş demir yatakları ortaya çıkarılmıştır.
Birçok demir filizi yatağının geçmişi, bir yükselme ve düşüş öyküsüdür: Birçoğu, yüzyıllarca işletildikten sonra bırakılmış, ötekiler,yüzyıllarca ilgi çekmedikten sonra gün ışığına çıkarılmıştır. Geçmişte çıkarma teknikleri, yüksek nitelikli metalin yalnızca çok arı haldeki filizlerden çıkarılmasına olanak sağlayacak düzeydeydi
Bugün metal işleme tekniklerindeki gelişme nedeniyle bir yatağın kazanç getirici sayılabilmesi için büyük olması ve açık tavanlı madenciliğe elverişli olması gerekir.
DEMİR BİLEŞİKLERİ
Demirin başlıca bileşiklerindeki yükseltgenme sayıları +2 ve +3’ tür. Havada oksijenle demir oksit oluşturacak biçimde bileşir. Oldukça kararsız olan bu bileşiğin demir (III) oksit denilen ferrik oksit’ e (Fe2O3) dönüşme eğilimi vardır. Ferrik oksit, demirin havası bol bir ortamda yakılmasıyla elde edilir. Ferro sülfür’ ü (FeS) de kapsayan sülfürleri, hidrojen sülfürün (H2S) amonyaklı ortamda demir tuzları ile etkileşiminden oluşur.
Demirin sülfürik asitte çözünmesiyle, soluk yeşil renkli ferrosülfat [Fe2(SO4)3] oluşur. Ferrosülfat hava ile temas ettiğinde hızla, kahverengi ferrik sülfata dönüşür. Demir hidroklorik asit (HCI) ile birleşince, susuz halde beyaz renkli, dört hidrojenli haldeyse yeşil renkli ferro klorür (FeCI2) oluşur. Demir klorla tepkiyince yer yer yeşile çalan ve siyahımsı-kırmızı renkli bir bileşik olan ferrik klorür oluşur.
TEDAVİDE KULLANILIŞI
Demirin tıptaki en önemli kullanım yeri, hipokromik kansızlıkların tedavisindedir. Demir eksikliği durumu, hemoglobin oluşumunu engeller ve kırmızı kan hücrelerinin öteki işlevlerini yerine getirmesini de güçleştirir. Çok sayıdaki demir bileşiklerinden herhangi biri tedavide kullanılabilir. İnorganik tuzlar da, bu konuda aynı derecede etkilidirler.
Çelik Çeşitleri
Çeliklerin Karbon Oranına Göre Sınıflandırılması
1. Düşük Karbonlu Çelikler
Bu celikler, % 0,25 oranına kadar karbon içerirler ve çok yumuşak ve yumuşak çelikler olmak üzere iki gruba ayrılırlar.
a. Çok Yumuşak Çelikler: % 0,07 ile % 0,15 arasında karbon içerirler ve soğuk şekillendirmeye elverişlidirler
b. Yumuşak Çelikler: % 0,15 ile % 0,25 oranında karbon içerirler Çok yaygın olarak kullanılan alaşımsız çeliklerdir.Çok iyi kaynak edilebilirler ancak su verme yöntemiyle iyi sertleştirilemezler.
2. Orta Karbonlu Çelikler
Bu çelikler, % 0,25 ile % 0,55 oranları arasında karbon içerirler. Isıl işlem için çok uygun çeliklerdir. Yani, bu çeliklerin yapı ve özellikleri ısıl işlemle büyük ölçüde değiştirilebilir. Bu çelikler, karbon oranlarına göre genel dövme çelikleri, mil çelikleri ve aşınmaya dayanıklı çelikler olamk üzere üç gruba ayrılır
a. Genel Dövme Çelikleri: % 0,25 ile % 0,35 arasında karbon içerirler.
b. Mil Çelikleri: % 0,35 ile % 0,45 oranları arasında karbon içerirler. Mil, tel ve dingil yapımında kullanılırlar
c. Aşınmaya Dayanıklı Çelikler: % 0,45 ile % 0,55 arasında karbon içerirler. Ray, ray tekerleği, silindir ve pres kalıplarının yapımında kullanılırlar.
3. Yüksek Karbonlu Çelikler
% 0,55 ile % 0,9 arasında karbon içerirler. Yüksek mukavemet ve aşınma dirençi gerektiren yerlerde kullanıllırlar. Kullanım alanına örnek olarak, pres kalıp blokları gösterilebilir.
4. Yüksek Karbonlu Takım Çelikleri
Bu çelikler % 0,9 ile % 1,6 oranları arasında karbon içerirler. Yüksek aşınma direnci ve yüksek mukavemet gerektiren yerlerde kullanılırlar. Kullanım yerlerine örnek olarak torna kalemi ve matkap uçları verilebilir.
Çeliklerin Kimyasal Bileşim Esas Alınarak Sınıflandırılması
1. Alaşımsız Çelikler
C harfi ve ortalama yüzde karbon oranının yüz katı ile gösterilirler. Örneğin, bileşiminde % 0,35 karbon bulunan alaşımsız ve sakinleştirilmiş oksijen konverter çeliği: OS C 35 şeklinde gösterilir. Ortalama karbon oranı % 0,45 olan alışımsız çelik C 45 şeklinde gösterilir. Karbon (C) işaretinden sonra gelen küçük harfler ise alaşımsız çeliğin türünü gösterir. Örneğin; ortalama karbon oranı % 0,45 olan alaşımsız asal çelik Ck 45 şeklinde, % 0,53 oranında kabon içeren ve yüzeyi sertleştirilebilen alaşımsız çelik ise Cf 53 şeklinde gösterilir.
2. Alaşımlı Çelikler
Alaşımlı çelikler alaşım miktarına göre veya esas alaşım elementine göre sınıflandırılabilir.
2.1 Alaşım Miktarına Göre
a. Az Alaşımlı Çelikler: Bu tip çeliklerin gösteriminde C işareti kullanılmaz. Ortalama yüzde karbon oranının yüz katı yazıldıktan sonra, oran sırasına göre alaşım elementlerinin simgeleri ve bu elementlerin Tablo 1 deki ve katsayılarla çarpılarak tam sayıya yuvarlatılmış ortalama yüzde oranları belirtilir.
Tablo 1 Az alaşımlı çeliklerin Türk Standartları’na göre gösteriminde kullanılan katsayılar.
|
Alaşım Elementi
|
Katsayısı
|
|
Cr, Co, Mn, Ni, Si, W
Al, Be, Cu, Pb, Mo, Nb, Ta, Ti, V, Zr
P, S, N, Ce, C
B
|
4
10
100
1000
|
Örneğin bileşiminde % 0,20 C ve % 1,25 Mn bulunan az alaşımlı çelik 20 Mn 5, bileşiminde % 0,15 C ve % 0,75 Cr bulunan az alaşımlı asal çelik 15Cr3 ve bileşiminde % 0,15 C, % 1 Cr ve % 0,40 Mo bulunan az alaşımlı çelik ise 15 Cr Mo 44 şeklinde gösterilir.
b. Otomat Çelikleri: Karbon oranı az alaşımlı çeliklerde olduğu gibi yazılır. Çelikte S, Mn, Pb ve P elementlerinden hangileri varsa bu sırayla gösterilir ve yanlız kükürdün ortalama yüzde oranı yüz ile çarpılarak belirtilir. Örneğin; bileşiminde % 0,45 C, % 0,20 S ve % 0,15 - % 0,30 Pb bulunan otomat çeliği 45SPb20, bileşiminde % 0,09 C, % 0,15 - % 0,30 S, % 0,90 - % 1,30 Mn ve % 0,15 - % 0,30 Pb bulunan otromat çeliği ise 9SMnPb23 şeklinde gösterilir.
c. Yüksek Alaşımlı Çelikler: Yüksek alaşımlı çeliklerin gösterimi için en başta X harfi kullanılır. Karbon oranı, az alaşımlı çeliklerde olduğu gibi yazılır ve alaşım elementlerinin herbirinin gerçek yüzde oranı kendi simgesinden sonra belirtilir. İkinci derecede önemli olan alaşım elementlerinin oranları gösterilmeyebilir. Örneğin; bileşiminde % 0,08 C, %18Cr ve % 8 Ni bulunan yüksek alaşımlı çelik X 8 Cr 18 Ni 8 şeklinde gösterilir.
2.2 Esas Alaşım Elementine Göre
a. Manganlı Çelikler: Mangan bütün ticari çeliklerin, oksijeni gidermek ve kükürtle karıştırılarak küresel MnS oluşturmak için % 0,25’den - % 1’e kadar bir dizi şeklinde eklenir. Manganın maliyet üzerindeki artış etkisi ile bağlantılı olarak mukavemetteki artış göz önünde tutulursa diğer alaşım elementlerine göre en etkili olan mangandır. Bu nedenle yumuşak çelikten daha yüksek dayanım ve kaynaklanabilirlik gerektiğinde, % 1.6 - % 1.9 arasında Mn içeren çelikler yaygın olarak kullanılmaktadır. Düşük alaşımlı manganlı çeliklerin AISI 13xx serisi % 0.30’dan % 0.45’e varan karbon ve % 1.75 mangan nominal düzeyine sahiptir. Bu 13xx çelikleri sade karbonlu çelik karşılıklarında daha yüksek dayanıma ve sertleştirilebilme özelliğine sahiptir ve dingiller, şaftlar, vitesler ve otomobiller için hareket kolları ve tarım aletleri için kullanılırlar.
13xx alaşımlı çeliklerin sertleşebilme özelliği 13xx sade karbon çeliklerden biraz daha yüksektir. Bu da 13xx alaşımlarında mangan içeriğinin nominal % 1.75’e çıkmasının bir sonucudur. 1340 alaşımının IT diyagramı Şekil 4.10’da gösterilmiştir. 1340 alaşımlarının IT diyagramları birbirleri ile karşılaştırıldığında 1340 alaşımında dönüşüm sınırları biraz sağa doğru taşınmıştır. Mangan difüzyon hızını azaltarak, östenitin, ferrite – perlite dönüşümünü yavaşlatır. Bu nedenle, karbonlu çeliklerin sertleştirilebilme özelliğinde artış olur. Aynı zamanda mangan karbonlu çeliklerdeki perliti incelterek dayanımlarını da yükseltir. Manganın perliti inceltme davranbışı Şekil 4.11’de östenitlenmiş ve havada soğutulmuş AISI 1340 çeliği mikroyapısında açık bir şekilde görülmektedir.
Karbonlu çeliklerin mangan miktarı yaklaşık % 2’yi aştığında çelik kırılganlaşır. Buna karşın mangan içeriği yaklaşık % 12’ye ve karbon içeriği yaklaşık % 1.1’e yükseldiğinde çelik östenitik durumdan hızlı soğutulursa östenitik yapı oda sıcaklığında dönüşmeden kalır. Hadfield manganlı çeliği olarak bilinen bu alaşım 1982’de geliştirilmiş ve ilk yüksek alaşımlı çelik olmuştur. Östenitik şartlardaki bu çelik yüksek bir hızda pekleştiği için özellikle yüksek darbe gerilimleri altında aşınmaya karşı dirençlidir.
Sade karbonlu çeliklerin mukavemetlendirilmesinde maganın etkisi üç kısma ayrılabilir. Bunlar, katı eriyik mukavemetlenmesi, tane boyutu inceltme ve perlit oranını arttırma etkileridir. Mangan östenit ve ferrit içinde eriyebilir ve katı eriyik mukavemetlenmesiyle karbonlu çeliklerde ferriti mukavemetlendirebilir. % 0.015 karbon çeliği için % 2’ye kadar mangan içeriğinin bir fonksiyonu olarak mukavemetlenme uzantısı Şekil 4.12’de gösterilmiştir. Manganın perliti inceltme ve perlit oranını arttırma etkisi Şekil 4.12’de gösterildiği gibi düşük karbonlu çeliklerin mukavemetini oldukça arttırır. Bir 1340 çeliğinin temperlenmesi üzerine sertlikteki artışta % 1.75 Mn’nin tüm etkisinin 1040 karbonlu çeliği ile karşılaştırılması Şekil 4.13’de gösterilmiştir. 1330 ve 1340 alaşımlarının su verme ve temperlenmeden sonraki mekanik özellikleri Tablo 4.5’de 1340 çeliğinin normalleştirme ve tavlamadan sonraki mekanik özellikleri ise Tablo 4.6’da verilmiştir.
b. Molibden Çelikleri: Dayanımı ve sertleşebilirliği iyileştirmek için sade karbonlu çeliklere küçük miktarlarda molibden eklenir. Tablo 4.10’da hali hazırda kullnılan düşük alaşımlı molibdenli çeliklerin 40xx serilerinin kimyasal kompozisyonları ve uygulamaları verilmiştir. Bu çeliklere eklenen molibden miktarı (ve hemen hemen bütün standart alaşımlı çeliklere) yaklaşık %0.25’le sınırlandırılmıştır. Çünkü bu miktarın deneysel olarak iyileştirilmiş tokluk, sertleşebilirlik ve daynım özellikleri için optimum olduğu bulunmuştur.
40xx serilerinin düşük laşımlı çelikleri öncelikle oto endüstrisinde karbürleme sınıfları olarak kullanılırlar. Bu çelikler yoğunlukla olarak arka aks dişlileri ve otomatik güç aktarma parçaları için kullanılırlar.
4047 alaşımı, en dayanıklı ve sertleşebilir olduğu için alaşımlı çelik serileri için örnek olarak alınacaktır.
Alaşımsız % 0.40 C çeliği östenitleme sıcaklığından soğutulduğunda normal olarak ferrit ve perlite dönüşür. Sadece hızlı soğuma ile orta (beynitik) yapıları oluşturulabilir. Başlangıçta %0.25 Mo - %0.47 C çeliği difüzyon kontrollü östenit ® ferrit + perlit dönüşümü sürekli soğuma dönüşüm diyagramında (Şekil 4.19) esasen sağa, aşağıya kaydırır. Sonuç olarak arttırılmış beynitik oluşum miktarı üretilir.
Havada soğutulmuş 4047 alaşımının (kesit ½ inç) mikro yapısı ötektoid öncesi ferrit ve ince perlitten oluşmuştur (Şekil 4.20). Bu alaşım için östenitleme sıcaklığından soğuma hızı, fırında soğutmada olduğu gibi düşürüldüğünde Şekil 4.21’de göstewrildiği gibi perlit kabalaşır.
% 0.25 molibdenin 1040 karbon çeliğine eklenmesi temperleme sırasında yumuşama işlemini Şekil 4.22’de gösterildiği gibi bir miktar engeller. Büyük molibden atomları Fe3C’e girer ve difüzyonu engelleyerek Fe3C’nin birleşme hızını yavaşlatır. Buna karşın 4047 alaşımındaki molibdenin küçük miktarı temperleme sıcaklığının arttırılmasıyla dayanımda hızlı bir düşüşe neden olmaz. (Şekil 4.22) 4047 alaşımının sertleşebilirliği aynı karbon içeriğiyle yalnızca sade karbonlu çeliklerin biraz üzerine yükseltilir.
d. Krom – Molibden Çelikleri: 41xx alaşım serisinin oluşturmak için küçük miktarda (% 0.13 – 0.20) molibdenin yanı sıra % 0.5 – 0.95 oranında krom eklenir. Krom eklenmesi aynı karbon miktarına sahip sade karbonlu çeliklerin sertleşebilirlik, mukavemet ve aşınma direncini daha da arttırır. Buna karşın düşük alaşımlı yapı çeliklerine kromunilave edilmesi bu çeliklerin aynı şartlar altında temper kırılganlığına hassasiyet eğilimini arttırır. Tablo 4.11’de çok önemli 41xx alaşım çeliklerinin kimyasal komposizyonları ve tipik uygulamalrı verilmiştir.
Krom ve molibdenli düşük alaşımlı çelikler iyileştrimiş sertliklerinden dolayı martenzit oluşturmak için suda soğutmanın yerine yağda soğutulabilir. Yağda soğutma yavaş olduğu için sıcaklık gradyantları ve hacimce çekilmeden kaynaklanan iç gerilimler ve su verme sırasındaki genleşme, çarpılma ve çatlak eğilimleri azaltılabilir.
4140 alaşımının sürekli soğutma dönüşüm diyagramı Şekil 4.24’de gösterilmiştir. % 0,40 C çeliğinin faz dönüşümünü modifiye etmekte molibdenin etkisi kromun ilavesi ile özellikle de bu miktar % 0,7’yi aştığında genişletilmiştir. Östenitten martenzite ve östenitten beynite dönüşüm için sıcaklık ve zaman aralığı genişletilmiş ve krom ilavesiyle Bs sıcaklığı düşürülmüştür. Çelik alaşımının sertleşebilirliği de krom ilavesi ile artırılır ve krom – molibdenli çelik alaşımlarında östenitten perlite dömüşümde büüyk bir erteleme vardır. Şekil 4.24 4140 CCT diyagramını Şekil 4.19 – 4047 karşılaştırınız.
4140 alaşımının mikro yapısı blok ferrit ve kaba perliti sınırlayan ferritten oluşmuştur (Şekil 4.25). 843 °C’de östenitlemeden ve yağda soğutmadan sonra martensitik bir yapı (Şekil 4.26) ve 315 °C’de müteakip temperleme ince temperlenmiş martensitik yapı oluşturur. (Şekil 4.27). ne yazık ki optik mikroskopta bu alaşımların ince yapısını çok az kısmı gösterilmiştir. Krauss Materkowski ve Schupmann TEM mikroskopu kullanarak düşük alaşım çeliklerinin ince mikro yapısı hakkında daha çok bilgi elde etmişlerdir.
Bu araştırmacılar düşük laşımlı çeliklerde çıta martenzit olarak adlandırılan martenzitin ince birim paketlerinden oluştuğunu göstermişlerdir (Şekil 4.28). bir paketteki çitaların veya birimlerin yönlenmesi sınırlandırılır ve genellikle bir paketteki büyük çitaların hacimleri sadece bir yönlenmeye sahiptir.
d. Nikel – Krom – Molibdenli Çelikler
e. Nikel – Silisyum – Krom – Molibden Çelikleri
Çeliklere Uygulanan Isıl İşlemler
Genel anlamda ısıl işlem; metal veya alaşımlara istenilen özellikleri kazandırmak amacıyla katı halde uygulanankontrollü ısıtma ve soğutma işlemleri olarak tanımlanır. Isıl işlemin Türk Standartlarındaki (TS 1112) tanımı ise; katı haldeki metal veya alaşımlara belirli özellikler kazandırmak amacıyla bir veya daha çok sayıda, yerine göre birbiri peşine zamanlanarak uygulanan ısıtma ve soğutma işlemleri olarak verilmektedir.
Çeliklere uygulanan bütün temel ısıl işlemler östenit fazının dönüşümü ile ilgilidir.Dönüşüm ürünlerinin türü, bileşimi ve metalografik yapısı çeliğin fiziksel ve mekanik özelliklerini büyük ölçüde etkiler. Başka bir deyişle; bir çeliğin fiziksel ve mekenik özellikleri içerdiği dönüşüm ürünlerinin cinsine, miktarına ve metalografik yapısına bağlıdır.
Çeliğin ısıl işlemine östenitleştirme ile başlanır. Östenitleştirme için çelik malzeme, alt krıtik sıcaklık çizgisinin üzerinde bir sıcaklığa kadar ısıtılır. Çoğu durumlarda, çeliğin belirlenen belirtilen sıcakliğa kadar ısıtılmasında seçilen ısıtma hızı, ısıl işlem çevrimindeki diğer faktörlere göre daha az önem taşır. Ancak, çarpılmanın önlenebilmesi için soğuk şekil değişimine tabi tutulmuş, yani aşırı ölçüde iç gerilme içeren malzemelerin, gerilmesiz malzemelere göre daha yavaş ısıtılması gerekir. Ayrıca, kesit değişikliği gösteren parçaların ısıtılması sırasında ince ve kalın kesitlerdeki ısınma veya sıcaklık artış hızları arasındaki farklar da dikkate alınmalıdır. Sıcaklık etkisiyle parçada meydana gelebilecek çarpılmayı en aza indirmek için, ince kısımların kalın kısımlara göre daha yavaş ısıtılması gerekir. Isıl işlem sırasındaki hasar riskini azaltmak amacıyla çelikler genelde yavaş ısıtılırlar.
Östenitleştirme; çeliğin alt kritik sıcaklık çizgisinin üzerindeki uygun bir sıcaklığa kadar yavaşça ısıtılıp, yapısının tamamen östenite dönüşmesine kadar tavlanması anlamına gelir. Ötektoid altı çelikler üst kritik sıcaklık çizgisinin 40 – 60 °C üzerindeki sıcaklıklarda östenitleştirme işlemine tabi tutulurlar. Üst kritik sıcaklık çizgisinin altındaki sıcaklıklarda ise çelik içerisinde ötektoid dışı ferrit bulunur ve bu fazın oranı çeliğin karbon oranına bağlıdır. Ötektoid dışı ferrit su verme işleminden sonra da yapıdan aynen kaldığından, çelik içersinde yumuşak bölgelerin oluşmasına neden olur ve böylece malzemenin sertleşmesi engellenir.
Ötektoid üstü çelikler ise, alt kritik sıcaklık çizgisi ile bu çeliklere üst kritik sıcaklık çizgisi(Acm) arasındaki sıcaklıklarda östenitleştirilir. (Acm) çizgisi ani olarak yükseldiğinden, bütün yapıyı östenitleştirmek için çok yüksek sıcaklıklara cıkmak gerekir. Ancak, östenitleştirme işleminin çok yüksek sıcaklıklarda yapılması durumunda çelikte çarpılma, çatlama, oksidasyon dekarbürizasyon ve tane büyümesi gibi istenmeyen durumlar meydana gelebilir. Bu nedenle çelikler olabildiğince düşük sıcaklıklarda östenitleştirilirler.
1. Yumuşatma Tavı
Genel anlamda; istenilen yapısal, fiziksel ve mekanik özellikleri elde etmek ve talaş kaldırmayı veya soğuk şekillendirmeyi kolaylaştırmak amacıyla metal malzemelerin uygun sıcaklıklara kadar ısıtılıp, gerekli değişiklikler sağlanıncaya kadar bu sıcaklıkta tutulması ve sonradan yavaş soğutulması işlemine tavlama denir.
Şekil 1.1 Tavlama işleminin şematik gösterimi
Yumuşatma tavı ise sertliği azaltmak, talaş kaldırmayı kolaylaştırmak veya döküm ve dövme parçalarındaki iç gerilimleri gidermek amacıyla, ötektoid altı çelikleri (Ac3) ötektoid üstü çelikleri ise (Ac1) çizgilerinin üzerindeki belirli sıcaklıklara kadar ısıtıp, iç yapılarını östenite dönüştürdükten sonra fırın içerisinde tutarak çok yavaş soğutma işlemidir. Tavlama işlemi, bazı çeliklerde tane küçültmek ve çeliklerin elektrik ve manyetik özelliklerini iyileştirmek amaçları için de uygulanır. Östenitleştirmeden sonraki soğuma işlemi çok yavaş olduğundan, yumuşatma tavı için demir – sementit (Fe - Fe3C) denge diyagramı kullanılabilir.
% 0,2 C içeren iri taneli ötektoid altı bir çelik parçanın tanelerinin tavlama işlemi ile nasıl inceldiğini işleyelim. Tavlama işlemi sırasında söz konusu çeliğin iç yapısında meydana gelen değişimler Şekil 1.2’de gösterilmiştir. İşlemin değişik aşamalarında çelik parçada oluşan iç yapılar aşağıda verilmektedir.
a. İlk veya orjinal yapı iri ferrit ve perlit tanelerinden oluşmaktadır.
b. Ac1 çizgisinin hemen üzerindeki bir sıcaklıkta perlit ince taneli östenite dönüşürken, ferrit yapıda aynen kalır.
c. Ac3 çizgisinin üzerindeki sıcaklıkta yapı tamamen ince taneli östenite dönüşür.
d. Parça oda sıcaklığına soğutulduğununda, ince ferrit taneleri ile küçük perlit bölgelerini içeren bir iç yapı oluşur.
% 0,2 C içeren iri taneli çelik parçanın Ac1 sıcaklığına kadar ısıtılması sırasında iç yapıda herhengi bir değişme olmaz. Ac1 sıcaklığında ise perlit bölgeleri ötektoid reaksiyon sonucunda ince taneli östenite dönüşür. Ancak ferrit taneleri değişmeden yapıda aynen kalır. Çelik bu sıcaklıktan soğutulursa tane boyutunda herhengi bir değişme olmaz. Ac1 ile Ac3 sıcaklıkları arasında ısıtmaya devam edildiğinde, iri ferrit taneleri ince östenit tanelerine dönüşür. Ac3 sıcaklığının üzerindeki sıcaklıklarda ise, çeliğin iç yapısı tamamen ince taneli östenite dönüşür. Bundan sonra bu çelik fırında soğutulduğunda, ötektoid dışı ince ferrit taneleri kaba lamelli perlit bölgelerinden oluşan bir iç yapı elde edilir. Buradan; ötektoid altı çeliklerin yumuşatma tavına tabi tutulabimeleri için Ac3 çizgisinin üzerindeki uygun sıçaklıklarda tavlanmalarının gerekli olduğu sonucu çıkmaktadır.
Şekil 1.2 % 0,2 C içeren çeliğin iç yapısında tavlama işlemi sırasında meydana gelen değişimlerin şemtik gösterimi.
Ötektoid üstü çelikler Ac3,1 çizgisinin yaklaşık 50 °C üzerindeki sıcaklıklarda östenitleştirme işlemine tabi tutulurlar. Bu sıcaklıklarda tutulan çelikler, östenit ve sementit fazlarını içerir. Bu sıcaklıklardan çeliklere su verildiğinde sementit parçaçıkları yapıda aynen kalır. Yapıdaki sementit fazı sertliği azaltmadığı gibi, çeliklerin aşınma dirençlerinide artırır. Bu nedenle ötektoid üstü çeliklerin tamamen östenitleştirilmesine gerek yoktur.
Mn ve Ni gibi alaşım elementleri Ac1 sıcaklığını düşürdükleri gibi, denge denge diyagramının ötektoid noktasınıda sola, yani düşük karbon oranına doğru kaydırırlar. Bu alaşım elementleri, ötektoid altı çeliklerin östenitleştirme sıcaklığını da düşürürler. Bazı alaşım elementleri ise Ac1 sıcaklığını yükseltir. Genelde, alaşım elementleri östenit oluşum hızını azaltırlar.
Ötektoid altı çeliklerin sağlıklı biçimde ısıl işleme tabi tutulabilmeleri için önce homojen bir östenit yapıya sahip olmaları gerekir. Bunun için, östenitleştirme sıcaklığına kadar ısıtılan çelik mazemelerin her 25 mm’ si için bir saatlik bir süre o sıcaklıkta tavlanmaları tavsiye edilir. Çelikler için tavlama sıcaklık aralıkları Şekil 1.3’ deki diyagram üzerinde gösterilmiştir.
Şekil 1.3 Alaşımsız çeliklere uygulanan yumusşatma, normalizasyon, küreselleştirme ve sertleştirme işlemleri için tavlama sıcaklık aralıkları
Ötektoid altı çeliklerin yumuşatılması için tavlama işlemi, Ac3 çizgisinin en az 10 °C üzerindeki sıcaklıklarda yapılır. Yumuşatma tavına tabi tutulan ötektoid altı çelikler ötektoid dışı ferrit ile kaba lamelli perlitten oluşan bir yapı sergilerler. Bu çeliklere ait tipik bir iç yapının şematik resmi Şekil 7.4’ de görülmektedir.
Şekil 1.4 Yumuşatma tavına tabi tutulan ötektoid altı çeliklerde tipik bir iç yapının şematik resmi
Ötektoid üstü çelikler ise Ac3,1 çizgisinin en az 10 °C üzerindeki bir sıcaklıkta tavlanırlar. Yumuşatma tavına tabi tutulan ötektoid üstü çeliklerin iç yapıları, kaba lamelli perlit alanları ile bunları çevreleyen ötektoid dışı sementit fazından oluşur. Bu çeliklere ait tipik bir iç yapının şematik resmi Şekil 1.5 de görülmektedir. Bu yapıdaki perliti çevreleyen sementit ağı sert ve gevrektir. İç yapıda kalın ve sert tane sınırlarının bulunması, çeliklerin talaşlı yöntemle işlenmelerini zorlaştırır. Bu nedenle yumuşatma tavı, ötektoid üstü çeliklere son işlem olarak uygulanamaz. Yumuşatma tavına tabi tutulan çeliklerin iç yapılarında bulunan ferrit – perlit veya perlit – sementit oranları mealografik yöntemle belirlendikten sonra bu çeliklerin yüzde karbon oranları yaklaşık olarak bulunabilir.
Şekil 1.5 Yumuşatma işlemine tabi tutulan ötektoid üstü çeliklerde oluşan iç yapının şematik resmi
2. Normalizasyon Tavı
Normalizasyon tavı genelde tane küçültme, homojen iç yapı elde etmek ve çoğunlukla mekanik özellikleri iyileştirmek amacıyla ötektoid altı çelikleri (Ac3) ve ötektoid üstü çelikleri (Acm) dönüşüm sıcaklıklarının yaklaşık olarak 40 – 50 °C üstündeki sıcaklıklara kadar ısıtıp, tavladıktan sonra fırın dışındaki sakin havada soğutma işlemidir. Normalizasyon tavının belli başlı amaçları:
a. Tane küçültmek
b. Homojen bir yapı elde etmek
c. Ötektoid üstü çeliklerde tane sınırlarında bulunan kabür ağını tağıtmak
d. Çeliklerin işlenme özelliklerini iyileştirmek
e. Mekanik özellikleri iyileştirmek
f. Yumuşatma tavına tabi tutulmuş çeliklerin sertlik ve mukavemetlerinin artırmak şeklinde sıralanabilir.
Bu nedenlerle normalizasyon tavı, çeliklere uygulanan son ısıl işlem olabilir.
Normalizasyon tavı için soğutma işleminin fırının dışında ve sakin havada yapılması nedeniyle soğutma hızında meydana gelen artış, hem östenitin dönüşümünü, hem de en son elde edilen iç yapıyı bir kaç yönden etkiler. Havada soğutma dengesiz soğutma olduğundan, normalize edilmiş çeliğin iç yapısında bulunan ötektoid dışı sementit ve perlit oranlarını hesaplamak için demir – sementit denge diyagramı kullanılmaz. Havada soğutma sırasında ötektoid dışı fazların oluşumu için yeterli zaman olmadığından, normalize edilen ötektoid altı çelikler yumuşatma tavına tabi tutulan çeliklere göre dahadüşük oranda ötektoid dışı ferrit, ötektoid üstü çelikler ise daha düşük oranda otektoid dışı sementit içerirler. % 0.5 oarnında karbon içeren çeliğin normalize edilmiş durumdaki iç yapısı Şekil 1.6 da görülmektedir. Bu yapıda bulunan ötektoid dışı ferrit, perlit alanlarını çevrelemektedir.
Şekil 1.6 % 0.5 C içeren normalize edilmiş durumdaki iç yapısı
Havada soğutma işlemi, ötektoid altı çeliklerde ötektoid noktayı sola, yani düşük karbon oranına doğru, ötektoid üstü çeliklerde ise sağa, yani yüksek karbon oranına doğru kaydırır. Örneğin karbon oranı % 0.5 olan alaşımsız çelik yumuşatma işleminden sonra yaklaşık % 62 oranında perlit ve % 38 oranında ötektoid dışı ferrit içerir. Aynı çelik normalize edildiğinde; ancak % 10 oranında ötektoid dışı ferrit içerdiği görülür. Normalizasyon işleminden sonra beyaz görünümlü ötektoid dışı ferrit, koyu renkli perlit bölgelerini çevreleyen bir ağ oluşturur.
Yumuşatma tavına tabı tutulan ötektoid üstü çeliklerin yapısında oluşan sementit ağının, bu çeliklerin mukavvemetini düşürdüğü bilinmektedir. Normalizasyon tavı ötektoid üstü çeliklerdeki sementit ağının parçalanmasını ve bazı durumlarda da büyük ölçüde giderilmesini sağlar. Bu nedenle normalize edilen çeliklerin mukavemetinde artış görülür.
Normalizasyon tavında, parçanın havada soğutulması nedeniyle nispeten yüksek soğuma hızı elde edilir. Genelde, soğuma hızı arttıkça östenitin dönüşüm sıcaklığı düşer ve daha ince perlit elde edilir. Dolayısıyla, normalize edilen çelikte yumuşatma tavı görmüş çeliğe göre daha ince ve yüksek oranda perlit oluşur. Yumuşatma tavı ve normalizasyon işlemleri sonucunda elde edilen perlitik yapılar arasındaki fark Şekil 1.7’de görülmektedir.
Şekil 1.7 Yumuşatma Tavı ve Normalizasyon İşlemleri Sonucunda Elde Edilen Perlitik Yapılar Arasındaki Farkın Şematik Gösterimi
Ferrit çok yumuşak, sementit ise çok sert bir farktır. Normalize edilen çeliğin yapısında bulunan sementit katmanlarının birbirine yakın veya sık olarak dizilimleri nedeniyle çeliğin sertliği artar. Yumuşatma tavı ile elde edilen kaba perlitin sertliği 10 RSD – C civarında iken, normalize edilen perlitin sertliği yaklaşık 20 RSD – C değerine ulaşır. Yukarıda belirtildiği gibi, dengesiz soğuma sayılan hızlı soğuma ötektoid noktayı, ötektoid altı çeliklerde düşük karbon oranına doğru (sola), ötektoid üstü çeliklerde ise yüksek karbon oranına doğru (sağa) kaydırır. Normalize edilen çelikler, yumuşatma tavı gören çeliklerden daha ince ve daha yüksek oranda perlitik yapı içerirler. Bu nedenle, normalize edilen çeliklerin sertlik ve mukavemeti yumuşatma tavına tabi tutulan çeliklerin söz konusu değerlerinden önemli ölçüde yüksek olur. Tablo 1.1’de bazı çeliklerin yumuşatma tavına tabi tutulmuş ve normalize edilmiş durumlardaki mekanik özellikleri verilmektedir.
3. Küreselleştirme Tavı
4. Gerilim Giderme Tavı ve Ara Tavı
5. Menevişleme
6. Martemperleme
7. Ostemperleme
8. Çeliklere Uygulanan Yüzey İşlemleri
a. Sementasyon
b. Nitrürasyon
c. Alevle Yüzey Sertleştirme
d. Endüksiyonla Sertleştirme
PERİYODİK CETVEL
