1 İÇİNDEKİLER DİZİNİ İÇİNDEKİLER DİZİNİ ............................................................................................ 1 1. GİRİŞ ............................................................................................................. 3 2. DÖNÜŞÜMLER ve DEMİRİN KRİSTAL YAPISI ......................................................... 4 2.1. Demir-Karbon Denge Diyagramı .................................................................... 6 2.1.1. Isıtma .................................................................................................. 9 2.1.2. Soğutma ............................................................................................ 10 2.2. Zaman-Sıcaklık-Dönüşüm Eğrileri ................................................................ 10 2.2.1. Isıtma ................................................................................................ 11 2.2.2. Soğutma ............................................................................................ 15 2.2.3. Perlit Oluşumu .................................................................................... 16 2.2.4. Beynit Oluşumu................................................................................... 17 2.2.5. Martenzit Oluşumu............................................................................... 18 2.2.6. Kalıntı Ostenit ..................................................................................... 22 2.2.7. TTT Diyagramları ................................................................................. 23 2.3. Martenzit ve Kalıntı Ostenitin Temperleme İşlemiyle Ayrışmaları ...................... 24 2.4. Difüzyon .................................................................................................. 28 2.4.1. Difüzyonun şekli .................................................................................. 28 2.4.2. Difüzyon hızına etki eden faktörler ......................................................... 29 2.4.3. Difüzyon mesafesinin hesaplanması........................................................ 30 2.4.4. Katılarda Difüzyon-Yayınma .................................................................. 32 Katılardaki Difüzyon Çeşitleri .......................................................................... 33 A. Kitle Difüzyonu ............................................................................................ 33 B. Tane Sınırları Boyunca Difüzyon..................................................................... 35 2.4.5. Difüzyona Etki Eden Faktörler ................................................................ 36 3. YÜZEY SERTLEŞTİRME YÖNTEMLERİ.................................................................. 38 3.1. Sementasyon ........................................................................................... 38 3.1.1. Kutu Sementasyonu............................................................................. 40 3.1.2. Tuz Banyosunda Sementasyon ............................................................. 40 3.1.3. Gaz Sementasyonu .............................................................................. 41 3.2. Sertleştirme Yöntemleri ............................................................................. 42 Şekil 3.1: Direkt sertleştirme şeması ............................................................... 42 Şekil 3.2: Basit sertleştirme şeması ................................................................. 43 Çift Sertleştirme................................................................................................. 44 Şekil 3.5: Çift sertleştirme şeması ................................................................... 44 3.3. Sementasyon Derinliğine, Yüzey Sertliğine ve Çekirdek Sertliğine Etki Eden Faktörler ........................................................................................................ 45 Sementasyon Derinliği ........................................................................................ 45 Şekil 3.6: Sertlik ve sementasyon derinliği arasındaki ilişki ................................. 45 Yüzey Sertliği .................................................................................................... 48 Çekirdek Sertliği ................................................................................................ 49 3.4. Nitrürasyon .............................................................................................. 50 3.4.1.Amonyakla Gaz Nitrürasyonu ................................................................. 53 3.4.2. Tuz Banyosunda Nitrürasyon ................................................................. 55 3.4.3.Toz Nitrürasyonu .................................................................................. 56 3.4.4.Gaz ve Tuz banyosunda Nitrürasyonun Karşılaştırılması.............................. 56 3.4.5. Nitrürlenebilirlik................................................................................... 58 3.5. İndüksiyonla Yüzey Sertleştirme.................................................................. 61 Şekil 3.22: İndüksiyonla sertleştirmede kullanılan bobin tipleri ............................ 64 3.6.Alevle Sertleştirme ..................................................................................... 67 4. SERTLEŞEBİLİRLİK ......................................................................................... 68 4.1. Grossmann Sertleşebilirlik Testi................................................................... 70 4.1.1. Çeliğin Kimyasal Bileşiminden Di Değerinin Hesaplanması.......................... 71 4.2.Jominy-Uç Su Verme Sertleşebilirlik Deneyi ................................................... 73 4.2.1.Kimyasal Bileşimden Jominy Eğrilerinin Hesaplanması ................................ 74
2 4.3.Jominy ve Grossmann Eğrilerinin Pratik Uygulamaları ...................................... 75 5.ÇELİKTE ALAŞIM ELEMENTLERİ ......................................................................... 90 5.1.Ostenit Oluşturucu Elementler...................................................................... 90 5.2.Ferrit Oluşturan Elementler.......................................................................... 91 Şekil 5.2: Fe-Cr denge diyagramı .................................................................... 92 5.3.Karbür Oluşturan Elementler........................................................................ 92 5.4.Karbürleri Kararlı Yapan Elementler .............................................................. 92 5.5.Nitrür Oluşturan Elementler ......................................................................... 93 5.6.Alaşım Elementlerinin Ferritin Sertliğine Etkileri .............................................. 94 Şekil 5.4: Alaşım elementlerinin ferritin sertliğine etkileri.................................... 95 5.7.Alaşım Elementlerinin Tane Büyümesine Etkileri ............................................. 95 6.GENEL ISIL İŞLEM ........................................................................................... 99 6.1.Tavlama ................................................................................................... 99 6.2.Maksimum yumuşaklık için tavlama ............................................................ 100 6.3. Soğuk Deformasyon ve Yeniden Kristalleşme Tavlaması................................ 102 6.4.Gerilim Giderme Tavlaması........................... Hata! Yer işareti tanımlanmamış. 6.5.İzotermal Tavlama ...................................... Hata! Yer işareti tanımlanmamış. 6.5.1.Ostemperleme Isıl İşlemi ........................ Hata! Yer işareti tanımlanmamış. 6.5.2.Martemperleme ..................................... Hata! Yer işareti tanımlanmamış.
3
4 1. GİRİŞ Isıl İşlem kavram olarak metal malzemelerin iç yapılarını, o malzemenin özelliklerini iyileştirmek üzere değiştirmek için yapılan ısı temelli işlemlerin tümünü kapsayan bir deyimdir. Bir metal parçanın ısıl işlemi, o metalin faz diyagramı göz önüne alınarak yapısının belli sıcaklıklar arasına malzemenin ısıtılması, bu sıcaklıklarda tutulması ve ardından ortam sıcaklığına belli soğutma hızlarıyla soğutulması anlamlarını bir arada içerir. Metallerin ısıl işlemi dersi kapsamında, metal malzemelerin hangi ısıl işlem prosedürleri sonunda nasıl özellikler kazanacağı, bu ısıl işlem prosedürlerinin malzemelere nasıl uygulanacağı anlatılacaktır. Bunun yanı sıra bazı metal malzemeler için ısıl işlem uygulamaları yapılacak, elde edilen sonuçlar metalografik veya mekanik yöntemlerle kontrol edilecektir. Bu nedenle Metallerin ısıl işlemi dersini alan öğrencilerin, özellikle Metalografi, Faz Diyagramları
ve Malzemelerin Mekanik Özellikleri derslerini almış
olmaları gerekmektedir. Metallerin ısıl işlemleri anlatılırken, şüphesiz, çelik malzemelerin ısıl işlemleri önemli bir yer tutacaktır. Bu nedenle ders notları hazırlanırken iki temel bölüm oluşturulmuştur. Bunlar; Demir ve demir alaşımlarının ısıl işlemleri ve demir dışı metal ve alaşımlarının ısıl işlemleri şeklindedir. Demir ve demir alaşımlarının ısıl işlemleri bu dersin hem temel anlatım konularını hem de uygulama örneklerini oluşturacaktır. Demir dışı metallerin ısıl işlemleri konusu ise öğrencilerin hazırlayacağı dönem ödevlerinin konusu olacak ve dönem sonunda her öğrenci kendi konusunu sınıf huzurunda anlatacaktır. Demir ve demir alaşımlarının ısıl işleminin daha iyi anlaşılabilmesi için öncelikle dönüşümler ve demirin kristal yapısı üzerinde durulmuştur. 2. DÖNÜŞÜMLER ve DEMİRİN KRİSTAL YAPISI Bir saf demir parçası oda sıcaklığından ergime sıcaklığına kadar ısıtıldığında, çok sayıda kristalografik dönüşümlere uğrar ve iki farklı allotropik dönüşüm gösterir. Demirin allotropik değişim olayına karışan ısıya dönüşüm gizli ısısı adı verilir. Eğer bir demir numune kararlı bir hızla ısıtılırsa, sıcaklıktaki artış dönüşümün başlamasıyla kesilir ve sıcaklık dönüşüm tamamlanmasına kadar sabit olarak kalır. Ergimiş demirin oda sıcaklığına soğutulması sırasında, dönüşümler ısıtmadakine yakın bir sıcaklıkta ters olarak meydana gelir. Bu dönüşümler sırasında ısı serbest hale geçer ve soğuma hızının
5 azalmasına neden olur. Soğuma hızındaki bu değişiklik dönüşüm devam ettiği sürece devam eder. Ferrit ve Ostenit adı verilen demire ait iki faz ile bunların ısıtma ve soğutma sırasındaki dönüşüm sıcaklıkları ve kararlılık bölgeleri, şekil 2.1’de gösterilmektedir. Bu şekilde A harfi Fransızca arreter (gecikme), C harfi chauffer (ısıtma), R harfi ise refroi (soğutma) anlamlarını ifade eder. Ferrit 1392°C ile ergime sıcaklıkları arasında olduğu gibi 911°C’nin altında da kararlıdır. Ferritin kararlı yapıda olduğu bu iki halinden ilkine δ demiri, ikincisine α demiri adı verilir. Ostenit adı verilen γ demiri 911°C ile 1392°C arasında kararlıdır. Demir, oda sıcaklığında ferro manyetik olup bu özelliği sıcaklık arttıkça azalır ve Curie sıcaklığı adı verilen 769°C’de tamamen yok olur. Atomların metaller içerisinde oluşturdukları düzenli 3 boyutlu paterne kristal yapı adı verilir. Bu kristal yapı demir için küplerin yan yana veya üst üste dizilmeleri şeklindedir. Her bir kübün köşesinde yer alan 8 atom, 8 adet birim hücre tarafından paylaşılmaktadır. Köşe atomlarının yanı sıra, birim hücrede demirin allotropik durumuna bağlı olarak ilave atomlarda bulunabilir.
Şekil 2.1: Saf demir için ısıtma ve soğutma eğrileri.
6 Hacim merkezli kübik yapıda (HMK) olan ferritin birim hücresinin köşelerinde birer atom ve köşegenlerinin kesim noktasında (yani merkezde) bir atom mevcuttur. Birim hücrenin kenar uzunluğu veya latis parametresi oda sıcaklığında (20°C) 2.87 °A’dır (Angström = 10-8 cm). Ostenit yüzey merkezli kübik yapıya sahip olup latis parametresi 3.57 °A’dır. α demiri ile γ demirinin birim hücreleri şekil 2.2’de gösterilmiştir. γ demirinin birim hücresinin latis parametresi, α demirine oranla daha yüksek yoğunluğa sahiptir. Örneğin 20°C’daki yoğunluklar, γ demiri için 8.14 gr/cm3, α demiri için 7.87 gr/cm3 olarak gerçekleşir.
Şekil 2.2: Ferrit ve Ostenitin kristal yapıları. 2.1. Demir-Karbon Denge Diyagramı Çelikteki alaşım elementlerinden en önemlisi karbondur. Karbonun varlığı, çeliği günlük yaşantının en yararlı bir unsuru yapan, elde edilebilir çok sayıda özelliklerinden büyük ölçüde sorumludur. Oda sıcaklığında karbonun α demiri içersindeki çözünürlüğü çok düşüktür ve bu nedenle karbon atomları tek tek demir atomları arasında çok seyrek olarak bulunurlar. Ferritte çözünmüş karbon miktarının düşük olması karbonun demir karbür bileşiğini oluşturduğunu gösterir. Karbonun demir ile yaptığı karbüre Sementit adı verilir. Demir karbür ferrit ile beraber “Lamel” şeklinde mevcut olabilir. Perlit adı verilen bu yapı %0.8 C içerir. Yapıdaki perlit oranı karbon miktarının %0.8 değerine kadar artış gösterir. Bu miktardan daha fazla karbon tane sınırları karbürü olarak ayrılır. %0.8 C’lu bu çeliğe ötektoid adı verilir. Şekil 2.3a-d’de bu yapılar şematik olarak verilmiştir.
7
Şekil 2.3: Farklı karbon içeriklerine sahip karbonlu çeliklerin mikroyapıları. Demir
karbon
ile
alaşımlandığında,
dönüşüm,
Fe-C
denge
diyagramında
gösterildiği gibi, karbon miktarına bağlı olarak belli bir sıcaklık aralığında meydana gelir. Şekil 2.4’de Fe-C denge diyagramının çeliğin ısıl işlemi için kullanılan kısmına ait çeşitli mikroyapıları gösterilmektedir.
8
Şekil 2.4: Fe-C denge diyagramının sol alt kısmı. Bu denge diyagramını %6 C içeriğine kadar tamamlanmış olarak verildiği şekil 2.5’den açıkça görüldüğü gibi, karbonun ostenitteki erirliği ferrittekinden daha fazladır.
9
Şekil 2.5: Fe-C denge diyagramı, --------: kararlı Fe-C sistemi, ⎯⎯⎯⎯: yarı kararlı Fe-Fe3C sistemi. 2.1.1. Isıtma α demirinin 911°C’ye ısıtıldığında γ demirine dönüştüğüne daha önce değinilmişti. Bu dönüşüm şekil 2.4’deki diyagramın sol kısmının düşey eksenine bakılarak kolaylıkla görülebilir. %0.8 C içeren yani ötektoid bileşimindeki bir çelikte ostenitin dönüşümü 723°C’de başlar. α demiri γ demiri ve sementitin dengede olduğu sıcaklık A1 olarak gösterilir. Otektoid altı çelik adı verilen az karbon içerikli çelikler perlitik halden ostenite aynı sıcaklıkta yani 723°C’de dönüşürler. PS ve GS arasındaki dengeli bölgede perlitten oluşmuş ostenit ve dönüşmemiş ferrit mevcuttur. Isıtma durumunda dönüşüm GS hattı olarak verilen A3 sıcaklığına ulaşıncaya kadar tamamlanmaz. A3 sıcaklığı üzerinde ise sadece bir faz mevcuttur. Buna ostenit adı verilir. Eğer çeliğin karbon miktarı %0.8’den fazla ise bu çeliğe otektoid üstü çelik adı verilir. Bu çeliklerde de perlitin ostenite dönüşümü 723°C’de gerçekleşir. Fakat sementitin tamamen katı eriyik içine alınması için sıcaklığın SE olarak gösterilen Acm denge hattının üzerine çıkarılması gerekir. Şimdi bir an için ısıtma sırasında meydana gelen olaylara dönelim. 723°C sıcaklıkta %0.025 C’dan daha fazla C içeren çeliklerde, ostenite dönüşüm başlar. Bu
10 kristal yapının ferritten, C atomlarının daha yüksek çözünürlüğe sahip oldukları ostenit fazına
geçiş
anlamına
gelir.
Ostenitteki
C
atomlarının
pozisyonları
şekil
2.6’da
gösterilmektedir. G-S-E üzerindeki sıcaklıkta sadece ostenit mevcut olup, tüm karbon atomları ostenit katı eriyiği içinde düzenli bir şekilde dağılmış durumdadır.
Şekil 2.6: γ demirinde karbon atomlarının yerlerinin şematik gösterilişi. 2.1.2. Soğutma Tamamen ostenitlenmiş sade karbonlu otektoid bir çelikte, eğer sıcaklık 723°C’nin altına hafifçe düşürülürse, γ demirinden α demirine dönüşüm başlar ve sonuçta γ demirinin kristal kafesinden karbonun atılmasıyla sementit oluşumu gerçekleşir. Soğuma oda sıcaklığında tamamlandığında çelik yine perlitik bir yapıya sahip olur. 2.2. Zaman-Sıcaklık-Dönüşüm Eğrileri Demir-karbon denge diyagramının ısıl işlem proseslerinde tartışılmaz bir önemi vardır. Ancak bu diyagram sadece demir ile karbon arasında denge oluşumunun söz konusu olduğu koşulu tarif eder. Isıl işlemin büyük bir çoğunluğunda işlemi belirleyici faktörlerden zaman parametresinin etkisinin gösterildiği “zaman-sıcaklık-dönüşüm” adı verilen diyagramlardan yararlanılır. Bu diyagramlardan hem zamanın hem de sıcaklığın dönüşümlere olan etkilerini takip etmek mümkündür.
11 2.2.1. Isıtma Zamanın etkisi en iyi bir şekilde şekil 2.7a-f’de gösterilen diyagramlardan açıklanabilir. Şekil 2.7a Fe-C diyagramının sol alt kısmına ait olup 0.8 C’lu bir çeliğin 723°C’ye ısıtılması sırasında ostenite dönüşümünü göstermektedir.
Şekil 2.7: Çeşitli karbon çeliklerinde ısıtma sırasındaki yapısal dönüşümlerin şematik gösterilişi. a) %0.8 C, b) %0.8 C, c) %0.45 C, d) %0.45 C, e) %1.2 C, f) %1.2 C A: Ostenit, B: Beynit, C: Sementit, F: Ferrit, P: Perlit.
12 Bu diyagram bize dönüşümün nekadar süreceği hususundan başka hiçbir şey vermemektedir. Şekil 2.7b’den sıcaklığın 730°C’de tutulduğu durumda dönüşümün 30 saniyede başlayacağı tahmin edilebilir. Eğer çelik bunun yerine, aniden 750°C’ye ısıtılırsa dönüşüm 10 saniye içinde, 810°C’ye ısıtıldığında ise 1 saniyenin çok az üzerinde yani pratik olarak bu sıcaklıkta aniden başlar. Perlitin ostenit ve sementite dönüşümü 810°C’de yaklaşık 6 saniyede tamamlanır. Eğer çelik tamamen ostenit olacak ise, bu sıcaklıkta yaklaşık 5 saat tutulmalıdır. Pratikte, örneğin setleştirme için yapılan ısıtmada, sementitin nadiren tam olarak katı eriyik içine alınması (ostenit içinde çözünmesi) %100 ostenitik yapının elde edilmesini zorlaştırmaktadır. %0.45 C içeren sade karbonlu bir çeliğe ait olan şekil 2.7 c ve d, 810°C’de aynı özellikleri, örneğin perlitin ostenite dönüşümünün ani oluşmasını göstermektedir. Burada perlitin dönüşümü 5 saniye içerisinde gerçekleşmiş olup yapı, ferrit, ostenit ve sementitten oluşmaktadır. Yaklaşık 1 dakika sonra karbon ferrite difüze olmuş ve dolayısıyla ferrit ostenite dönüşmüştür. Yapıda mevcut sementit partiküllerini tamamen çözündürebilmek (katı eriyik içine almak) için 10 saatlik bir süre gereklidir. %1.2 C içeren otektoid üstü bir çelik 810°C’ye ısıtıldığında 5 saniye içerisinde şekil 2.7 e ve f’den görüldüğü gibi ostenit ve sementit karışımı bir yapıya sahip olur. Bu sıcaklıkta sementitin tamamen
çözünmesi
mümkün
değildir.
Bu
durum
denge
diyagramından
açıkça
görülebilir. Sementitin tam olarak çözünmesini etkilemek için sıcaklığın en azından 860°C’ye çıkarılması gereklidir. Sementitin çözünme hızını incelemek için çelik önceden tespit edilen bir sıcaklığa kadar ısıtılır ve orada belirli bir süre tutulduktan sonra su verme sonucu önceki mevcut yapı dondurulmuş (dönüşmesi önlenmiş) olur, ancak bu işlemle ostenit martenzite dönüşür. %0.45 C’lu çeliğe ait böyle bir deneyden elde edilen sonuç şekil 1.8’de gösterilmektedir. Burada tüm hallerde tutma süresi 5 dakikadır. Şekil 2.8 a, %50 ferrit %50 Perlitten oluşan orijinal yapıyı göstermektedir. Bu yapıda mevcut sementitin lamellerinin bir kısmı 725°C’de 5 dakika ısıtma sonucu küreler haline çevrilirler. Bu tür bir işleme küreleştirme adı verilir. Küreleştirme işlemi sonucu sertlikte azalma meydana gelir ve herhangi bir dönüşüm söz konusu değildir (Şekil 2.7 e). Eğer yukarıdaki bileşimdeki çelik 735°C’ye ısıtılırsa perlitin esas kısmı ostenite dönüşür ki bu yapıya su verilmesi sonucu bir miktar ferrit ve perlit dönüşmemiş olarak kalır. 750°C’de 5 dakika tutma süresi tüm perliti dönüştürmek için yeterli olmasına karşın ferritin %5’i yinede dönüşmemiş olarak kalabilir. Bununla beraber şekil 2.8 e’de görüldüğü gibi 775°C’de 5 dakika tutma süresi tüm ferriti dönüştürmek için kafi gelmemektedir. Ferrit kalıntıları şekil 2.8’de açıkça görülebilir. Sementitin varlığı ise şekil 2.7 ile uyumlu olarak yinede söz konusudur.
13 Sertleştirme
sıcaklığına
kadar
olan
ısıtmanın
farklı
hızlarda
yapılmasının
dönüşümün hızına ve bileşiklerin (faz veya partikül) çözünmesine etkisi olur. Şekil 2.9’da orijinal olarak ferrit ve perlitten oluşan hemen hemen otektoid bileşiminde bir çeliğin sürekli ısıtma diyagramı gösterilmektedir. Diyagramda sağdan 3. eğri 3°/dak.’lık bir ısıtma hızını temsil eder. Dönüşümün sıcaklığı ısıtma hızındaki artış ile yükselir. Kalıntı karbürlerin dilatometre (faz değişimiyle beraber meydana gelen boyut değişimini veren cihaz) ile bulunan çözünme sıcaklığı, metalografik yöntemle tespit edilen sıcaklıktan (şekil 2.7) bir miktar farklıdır.
14
Şekil 2.8: %0.45 C’lu bir çeliğin çeşitli ısıl işlemler sonrası mikro yapısı, a) İşlem görmemiş, sertlik 220 HV, b) Tuz banyosunda 725°C’ye kadar ısıtılmış tutma süresi 5 dk. Su verilmiş, sertlik 215 HV, c) Tuz banyosunda 735°C’ye kadar ısıtılmış, tutma süresi 5 dk., sertlik 376 HV, d) Tuz banyosunda 750°C’ye kadar ısıtılmış, tutma süresi 5 dk., sertlik 662 HV, e) Tuz banyosunda 775°C’ye kadar ısıtılmış, tutma süresi 5 dk., sertlik 738 HV, f) Tuz banyosunda 825°C’ye kadar ısıtılmış, tutma süresi 5 dk., sertlik 744 HV. Çeşitli çelik gruplarına ait tamamlanmış sürekli ısıtma eğrilerinin ısıl işlemin pratik olarak uygulanmasında büyük katkısı vardır. Böyle diyagramlar genellikle hazır
15 olmadıkları için ısıtma ve soğutma sürelerinin basit olarak tahminleriyle yetinmemiz gerekir.
Şekil 2.9: Sürekli ısıtma için dönüşüm diyagramı. %0.7 C’lu çelikte ferrit ve lamelli perlitin çözünmesi (katı eriyik içine girmesi). 2.2.2. Soğutma Soğutma veya soğuma sürecinde oluşan yapının genel görünümü, sıcaklığına ve dönüşümün başlaması için geçen süreye bağlıdır.
Isıtma durumunda olduğu gibi Fe-C
denge diyagramı bize bu husustan başka bir şey vermemektedir. Yukarda tarif edilen şekilde çeliğin belli bir sıcaklıktaki dönüşümü, çeliğin ostenitik halden ilgili sıcaklığa kadar soğutulduktan sonra dönüşümüne ve bu dönüşümü takiben oda sıcaklığında su verilmesine
izin
verilerek
mikroskopta gözlenir.
incelenebilir.
Bu
işlemler
sonucunda
elde
edilen
yapı
16
Şekil 2.10: Çeşitli çeliklerin çeşitli soğuma programlarından sonuçlanan yapısal dönüşümler. A) %0.8 C, b) %0.45 C, c) %0.1 C A: Ostenit, B: Beynit, C: Sementit, F: Ferrit, P: Perlit, M: Martenzit, Ms: Martenzit başlama sıcaklığı. 2.2.3. Perlit Oluşumu
17 Bir
perlitik
çelik
ostenitleme
sıcaklığından,
örneğin
850°C’den
750°’ye
soğutulduğunda, Fe-C denge diyagramına göre herhangi bir dönüşümün meydana gelmesi söz konusu değildir. Eğer sıcaklık 650°C’ye düşerse 1 saniye sonra perlit oluşur ve dönüşüm 10 saniye içinde tamamlanır (şekil 2.10’dan II eğrisi). Perlit oluşum sıcaklığı düştükçe, perlit lamelleri çok inceleşir ve tüm yapı sert olur. Şekil 2.10b’de gösterilen otektoid altı bir çeliğin 750°C’de dönüşümüne izin verilirse, sadece ferrit ayrışır ve ferrit ile ostenit arasında bir denge sağlanır (şekil 2.10’dan I nolu eğri). Eğer dönüşüm 650°C’de gerçekleşirse önce ferrit ayrışması ve bunu takiben kısa bir süre sonra perlit oluşumu meydana gelir. Şekil 2.10c’den görüldüğü gibi benzer olarak otektoid üstü çelikte de ilk önce sementit ayrışır ve bunu perlit oluşumu takip eder. Perlit oluşumu ostenit tane sınırlarında veya ostenit tanelerinin içersindeki diğer düzensiz bölgelerde başlar. Bu proses Hillert tarafından ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Hillert yapmış olduğu çalışmalarda perlit teşekkülünün ya ferrit, ya da sementit üzerinde başladığını ve perlitin büyümesinin de dallanma şeklinde ilerlediğini saptamıştır. Ostenitten ince sementit plakalarının kenarlarına karbon iletimi, aynı zamanda ferrit plakalarının kenarlarının karbonca fakirleşmesine neden olduğundan sementit ve ferrit plakaları yan yana pozisyonda büyürler. Perlitin bu modele göre büyümesi şekil 2.11’de gösterilmektedir.
Şekil 2.11: Perlitin büyümesinin şematik olarak gösterilişi. 2.2.4. Beynit Oluşumu 550°C’nin altındaki sıcaklıklarda beynit perlitle beraber ayrışmaya başlar. Beynit oluşumunun tane sınırlarından plakalar halinde büyüyen ferrit çekirdeklerinin üzerinde başladığı varsayılır. Beynit teşekkülü sırasında ostenitin çevresindeki karbon miktarı sürekli olarak artar. Bu artış belli bir sınıra geldiğinde ferrit plakaları ile yan yana pozisyonda sementit plakaları meydana gelir. Sıcaklık düştükçe beynitin oluşumu ostenit
18 tanelerinin içersinde de başlar; aynı zamanda beynitin meydana geliş şekli değişir. Metalurjik amaçlı mikroskopta beyniti diğer fazlardan ayırt etmek güçtür. Çünkü beynitin oluşum sıcaklığına ve çeliğin cinsine bağlı olarak görünümü de değişir. Şekil 2.12’de CrMn çeliğine ait beynitik bir yapı görülmektedir. Beynit; oluşum sıcaklığına bağlı olarak üst ve alt beynit olarak tanımlanır. Genellikle 370-500°C sıcaklıklar arasında elde edilen beynit türü, üst beynit olarak adlandırılır. Daha düşük sıcaklıklarda elde edilen beynit ise alt beynittir. Üst beynit alt beynite göre daha az mukavim fakat daha sünektir.
Şekil 2.12: Beynitik yapı, x500
2.2.5. Martenzit Oluşumu Şekil 2.10a-c’ye dönecek olursak, eğer soğuma çok hızlı bir şekilde ve Ms sıcaklığının altına gelecek şekilde uygulanırsa ostenitin dönüşümü sırasında çok az karbon hareketi olacak, böylece karbon atomları α demiri katı eriyiği içerisinde kalacaklardır. Karbon atomlarının yerleşebilecekleri mevcut boşluklar γ demirine oranla α demirinde daha az olduğu için, α demiri kafesinde bir genişleme söz konusu olacak ve böyle bir gerilmeli hal ise çeliğin sertleşmesine yol açacaktır. Sertleşme sonrası oluşan ve karbonun α demiri içerisinde aşırı doymuş bir eriyiği olan bu yeni faza martenzit adı verilir. Çok sayıda zıt görüşlerin yer aldığı martenzit oluşum mekanizması hakkında birkaç teori geliştirilmiştir. Şekil 2.13 martenzit oluşumu sırasında γ demirinden, α
19 demirine geçişin şekil olarak gösterilişi sunulmaktadır. Martenzit birim hücresinin kenarlarında yerleşmiş karbon atomları birim hücrenin bir yönde uzamasına ve sonuçta tetragonal kafesin ortaya çıkmasına neden olurlar. Yüksek karbonlu çeliklerde bile, mümkün kafes yerlerinin çok az bir kısmı karbon atomları tarafından işgal edilirler. Martenzit miktarı karbon içeriğindeki artışa bağlı olarak artar.
Şekil 2.13: Ostenitten, martenzite dönüşüm için yapılmış basit bir modelin şematik olarak gösterilişi.
Dönüşüm diyagramlarından görüldüğü gibi, perlit ve beynit oluşması zamana bağlı olarak ilerlediği halde, martenzit teşekkülünde böyle bir durum söz konusu değildir. Ms’nin altındaki her bir sıcaklık belli bir martenzit oluşum yüzdesine tekabül eder. Ancak oluşan gerçek martenzit miktarı çeliğin cinsine, ostenitleme işleminin koşullarına ve sertleştirme için uygulanacak soğutma hızına bağlıdır. Sıcaklık düştükçe meydana gelen martenzitik dönüşüm, sıcaklık mikroskobu altında izlenebilir. Şekil 2.14a-f martenzit dönüşümünün adım adım ilerleyişini göstermektedir.
20
Şekil 2.14: Düşük sıcaklıklarda ostenitin martenzite ard arda dönüşmesi, a)280°C b)220°C c)200°C d)195°C e)180°C ve f)175°C Bu şekle göre 220°C’de martenzit meydana gelecek ve 175°C’de ostenitin büyük bir kısmı martenzite dönüşmüş olacaktır.
21 Marder ve Krauss Fe-C alaşımlarında martenzitin yapısını incelemişler, masif martenzit ve iğnesel martenzit adı verilen iki çeşit martenzitin var olduğunu bulmuşlardır. Masif martenzit %0.6’ya kadar C içeren çeliklerde mevcuttur. Bu martenzit türü birbirine paralel olarak uzanmış ince plakalardan oluşur (Şekil 2.15a). Bu yapı ancak elektron mikroskobu ile ayırt edilebilir. Buna çok benzer görünümlü martenzit sadece %1 C’lu ve daha yüksek karbonlu çeliklerde görülmektedir. Yüksek karbonlu çeliklerin su verilmiş yapıları ostenit matrisi içinde düzensiz sıralanmış plakalardan oluşur (Şekil 2.15b). %0.61 C değerleri arasında hem masif martenzit hem de iğnesel martenzit bir arada meydana gelebilir.
Şekil 2.15: a) Masif martenzit, b) İğnesel martenzit.
22 Bir alaşımsız çelik için martenzit başlama ve bitiş sıcaklığı (Ms ve Mf), şekil 2.16’dan görüldüğü gibi karbon içeriğine bağlıdır.
Şekil 2.16: Alaşımsız bir çelikte ostenitik karbon (ostenit içerisinde çözünmüş) miktarının Ms ve Mf sıcaklığına etkisi. 2.2.6. Kalıntı Ostenit Bir otektoid çelikte ostenitin büyük bir kısmı, oda sıcaklığına yapılan soğutma sırasında martenzite dönüşür. Soğutma sırasında ostenitin dönüşmemiş olarak yapıda kalan kısmına, kalıntı ostenit adı verilir. Şekil 2.17 bir alaşımsız çelikte kalıntı ostenit miktarının karbon miktarı ile değişimini göstermektedir. Eğer sıcaklık oda sıcaklığının altına düşürülürse ostenitten martenzite dönüşüm devam eder (Şekil 2.16).
Martenziti
artırmak için yapılan bu işleme sıfırın altına soğutma, “subzero-treatment”, adı verilir.
23
Şekil 2.17: Ostenit içerisinde çözünmüş halde bulunan karbon miktarına bağlı olarak kalıntı ostenitin değişimi. 2.2.7. TTT Diyagramları Son yirmi yıl içerisinde yukarıda bahsedilen fazların oluşumu hakkında çok fazla araştırmalar yürütülmüş ve günümüzde kullanılan tüm çelik grupları için TTT (ZamanSıcaklık-Dönüşüm) diyagramları yardımıyla bilgi dolu diyagramlar çıkarılmıştır. TTT diyagramları
aynı
zamanda
izotermal
(eş
ısıl)
dönüşüm
diyagramları
olarak
da
adlandırılırlar. Bunlar sabit sıcaklıkta dönüşüme maruz bırakılan çelikler üzerinde yapılan deneylerden elde edilen verilerden oluşturulurlar. Diğer bir tür diyagram (CCT diyagramı) gerçek sertleştirme sırasında yer alan dönüşüme çok yakın bir dönüşümü tarif eder. Şekil 2.18a ve b dönüşümün başlamasının sürekli soğuma halinde izotermal işleme oranla daha uzun olduğunu göstermektedir.
24
Şekil 2.18: BS 708 A 37 çeliğinin a) İzotermal, b) Sürekli soğuma diyagramı.
TTT diyagramları çeliğin ısıl işleminde çok önemli rol oynarlar. Bu diyagramların tanıtılması konusuna daha sonra tekrar değinilecektir. 2.3. Martenzit ve Kalıntı Ostenitin Temperleme İşlemiyle Ayrışmaları Sertleştirme sırasında oluşan martenzit genel olarak çok gevrektir. Bu yüzden martenzit halinde bir çeliğe temperleme işlemi uygulanmadan pratik olarak kullanmak doğru değildir. Temperleme genellikle toklukta artışa aynı zamanda sertlik düşüşüne neden olur. Temperleme işleminin mekanizmasının daha iyi anlaşılması amacıyla,
25 sertleştirilmiş bir karbon çeliğinde temperleme sıcaklığındaki sürekli bir artışla beraber meydana gelen üç adet temperleme kademesi aşağıda özetlenmektedir: 1. 80-160°C → ε karbür adı verilen karbonca zengin bir fazın çökelmesi. ε karbürün çökelmesi sonucunda martenzit içerisindeki karbon oranı %0.3 değerine iner. 2. 230-280°C → Kalıntı ostenitin beynite benzer bir yapıya dönüşmesi 3a. 160-400°C → Sementit (Fe3C) oluşumu ve bunun ε karbürün yerine büyümesi. 3b. 400-700°C → Sementitin küreleşmesi ve sürekli olarak büyümesi Yukarıdakilerden bir miktar farklı temperleme sıcaklıkları da ileri sürülmüştür. Bunların farklı oluşu esas olarak farklı ısıtma hızlarından ileri gelmektedir. Şekil 2.19 %1 C’lu
çeliğin
çeşitli
temperlenme
kademelerinin
işaretlendiği
göstermektedir.
Şekil 2.19: %1 C’lu çeliğin temperlenme kademeleri.
temperleme
eğrisini
26 Yüksek alaşımlı Cr’lu çelikler, sıcak-iş çelikleri ve yüksek hız çeliklerinde, kalıntı ostenitin dönüşümünün meydana geldiği sıcaklık aralığı yüksek sıcaklıklara doğru kayma gösterir. Kalıntı
ostenitin dönüşüm ürünü örneğin beynit veya martenzit, temperleme
sıcaklığı ve temperleme süresine bağlıdır (Şekil 2.20). Beynit teşekkülü izotermal olarak meydana gelir. Örneğin beynit; temperleme sırasında sabit bir sıcaklıkta, martenzit ise çeliğin temperleme sıcaklığından soğutulmasıyla oluşur.
Şekil 2.20: A2 çeliğinde kalıntı ostenitin dönüşümünü gösteren TTT diyagramı. Yüksek alaşımlı çeliklerde çok ince dağılmış karışık karbürlerin çökelmesi 500°C civarında gerçekleşir. Bu işleme temperlemenin dördüncü kademesi adı verilir. Kalıntı ostenitten oluşan martenzit ile karbürün beraber çökelmesiyle yüksek hız çelikleri ve diğer alaşımlı çeliklerde karakteristik bir özellik olan maksimum sertliğe ulaşılır. Şekil 2.21’de farklı sıcaklıklarda 2 saat temperlenmiş günümüzde kullanılan bazı takım çeliklerinin sertliklerindeki değişimler gösterilmektedir.
27
Şekil 2.21: Günümüzde kullanılan bazı takım çelikleri için temperleme eğrileri. Sertlik, sıcaklık ve temperleme süresi arasındaki ilişki, Holloman ve Jaffe tarafından formüle edilmiştir. Bu bağıntı;
P = T ( k + log t ) şeklinde verilir. Burada; P: Temperleme prosesine bağlı bir parametre T: Sıcaklık, °K k: Bir sabit t: zaman, saat Her bir P değeri, her bir çelik grubu için önceden çizilmesi gereken bir ana parametre eğrisinden okunabilen bir sertlik değerine tekabül eder. k sabiti alaşımlı çeliklerin çoğu için yaklaşık 20’dir. H13 çeliği için böyle bir eğri şekil 2.22’de verilmektedir. Bu tür eğrilerin pratik uygulamaları iler ki bölümlerde anlatılacaktır.
28
Şekil 2.22: H13 çeliği için ana parametre eğrisi. 2.4. Difüzyon 2.4.1. Difüzyonun şekli Difüzyon malzemeler içindeki atomların hareket etmesi olayıdır. Bu olay gazlar, sıvılar, çelikler ve diğer metalik sistemlerde meydana gelir. Difüzyonun ısıl işlemlerin çoğunda büyük bir önemi vardır. Bu nedenle, difüzyon mekanizmasının ve difüzyon kanunlarının anlaşılması, karbürizasyon, dekarbürizasyon, nitrürasyon, borlama ve tavlama gibi ısıl işlemlerin kavranmasını kolaylaştırır. Demir atomundaki misafir bir atom gibi aynı tür yerleri işgal eden yeralan bir katı eriyikteki yabancı veya alaşım atomları boşlukların yardımıyla hareket ederler. Çelik malzemelerde çok sayıda boş yerler mevcut olduğu için bu boşluklar yardımıyla atomların sürekli olarak hareketi söz konusudur. Demir atomlarına oranla çok küçük boyutta olan C ve N atomları demir atomlarının aralarına yerleşerek arayer katı eriyiği oluştururlar. Bu küçük atomlar boşlukların yardımı olmaksızın difüze olurlar ve difüzyon hızları yeralan atomlardan daha yüksektir. Einstein tarafından yapılan araştırmalar sonucunda ortalama difüzyon mesafesi;
x = (2Dt ) bağıntısı ile ifade edilmektedir. Burada: D: difüzyon katsayısı, cm2/sn
29 t: Zaman, sn’dir.
Bu bağıntı pratik olarak atomların bir yönde hareketleri sırasında belli bir süre içinde difüzyonun ne kadar ilerlediğini saptamak için uygulanır. Böyle bir amaç için bağıntı,
x = (2 Dt )
,
(2D) = k
x=k t olarak yazılır. Bu eşitlik difüzyon proseslerinin çoğu için temel kabul edilir. Eğer k=0.1 durumunu ele alacak olursak, şekil 2.23’deki grafiği elde ederiz.
Şekil 2.23: k=0.1 durumu için difüzyonun zamana bağlı değişimi. Şekil 2.23’de difüzyon mesafeleri arasındaki farka dikkat edilmelidir. Difüzyonun başlangıcından itibaren zamanla lineer
bir değişim göstermiyor olması dikkat edilmesi
gereken durumdur.
2.4.2. Difüzyon hızına etki eden faktörler Difüzyon bir konsantrasyon gradyanından ileri gelir (örneğin, malzemenin içerdiği C oranı ile, malzemenin içinde tutulduğu ortamın C oranı arasındaki fark). Bu gradyan
30 difüzyon
olayının
gerçekleşmesi
için
gerekli
itici
kuvveti
oluşturur.
Difüzyonun
konsantrasyon gradyanına bağlılığı Fick’in birinci kanunu ile verilmiştir.
J = −D ⋅
δc δx
Bu bağıntıda; J: difüzyon yönüne dik bir düzlemin birim alanından birim zamanda geçen madde miktarı, gr/cm2.sn D: difüzyon katsayısı, cm2/sn c: Difüze olan maddenin konsantrasyonu, gr/cm3 x: Difüzyon mesafesi, cm Difüzyon katsayısı sıcaklığa çok etkin bir şekilde bağlıdır. Kaba bir tahminle D, her bir 20°C’lik artışta çift değerine ulaşır. Farklı sıcaklıklar için, D aşağıdaki bağıntıyla verilir.
D = D0 e
(−
Q ) RT
Burada, D0: Frekans faktörü, cm2/sn Q: Aktivasyon enerjisi, cal/mol/°K T: Sıcaklık, °K R: Gaz sabiti Tablo 2.1’de bazı malzemeler için yaklaşık D0 ve Q değerleri verilmektedir. Bu değerler çeşitli araştırmacılar tarafından biraz farklı olarak verilebilmektedir. Tablo 2.1: Bazı malzemeler için yaklaşık D0 ve Q değerleri. Yayınan Element
Difüzyon Ortamı
D0, cm2/sn
Q, cal/mol/°K
Karbon Karbon Nikel Manganez Krom Krom
α-demiri γ-demiri γ-demiri γ-demiri α-demiri γ-demiri
0.0079 0.21 0.5 0.35 30000 18000
18100 33800 66000 67000 82000 97000
2.4.3. Difüzyon mesafesinin hesaplanması İkinci Fick kanunundan hareketle difüzyon mesafesi hesaplanabilir. Bu bağıntı;
δ2c δc =D 2 δt δx şeklindedir.
31 Bu bağıntının, karbürizasyon (sementasyon) ısıl işlemindeki uygulama şekli aşağıda anlatılmıştır. Karbürizasyon sırasında çeliğin yüzeyinin sahip olabileceği karbon miktarının, karbürleştirici
ortamın
karbon
potansiyeline
eşdeğer
olduğu
ve
yüzeyin
en
dış
tabakasındaki karbon konsantrasyonunun tüm işlem sürecinde sabit kaldığı varsayılır. Çeliğin yüzeyinin dış tabakasında karbürizasyon sırasında genellikle %0.8-1.0 değerleri arasında karbon mevcuttur. Belirli bir karbürizasyon süresi sonunda belli bir mesafedeki karbon konsantrasyonu aşağıdaki bağıntı ile hesaplanır;
⎡ x ⎤ )⎥ C − C 0 = (C1 − C 0 ) ⎢1 − erf ( 2 Dt ⎦ ⎣ Burada, C: Yüzeyin altında x derinliğindeki gerekli (hedeflenen) karbon konsantrasyonu (Şekil 2.24) C0: Çeliğin esas karbon miktarı C1: Çelik yüzeyinin karbon miktarı x: Difüzyon mesafesi (cm) D: Difüzyon katsayısı (cm2/sn) t: zaman (sn) erf: Hata fonksiyonu (Tablo 2.2)
Şekil 2.24: Karbürizasyon diyagramı
32 Tablo 2.2: Bazı hata fonksiyonu değerleri. Y
Erf(y)
y
Erf(y)
0
0.000
0.8
0.742
0.1
0.112
0.9
0.797
0.2
0.223
1.0
0.843
0.3
0.329
1.2
0.910
0.4
0.428
1.4
0.952
0.5
0.521
1.6
0.976
0.6
0.604
2.0
0.995
0.7
0.678
2.4
0.999
Örnek 1. %0.20 C’lu çeliğin 900°C’de karbürizasyonu sonucu yüzeyin 1 mm altında %0.4 C konsantrasyonu sağlamak için karbürizasyon süresi ne olmalıdır? Yüzeydeki C konsantrasyonu %1 olarak alınacaktır.
⎡ ⎤ x 0.4 − 0.2 = (1.0 − 0.2) ⎢1 − erf ( )⎥ 2 ( Dt ) ⎥⎦ ⎣⎢ x ) = 0.75 erf ( 2 ( Dt ) x = 0.814 2 ( Dt )
x = 1.63 ( Dt ) D = 0.21e
(
33800 ) 1.987×1173
D = 1.1 × 10 −7 Sonuç olarak; t=34200 saniye olarak bulunur. 2.4.4. Katılarda Difüzyon-Yayınma
Difüzyon, en geniş anlamda maddenin bir yerden diğer bir yere taşınmasıdır. Sıvı ve gazlarda, moleküllerin gelişigüzel hareketi sayesinde difüzyon çok kolaydır. Katılarda, atomların gelişigüzel hareketi çok zordur. Ancak; katı malzeme mutlak sıfır noktasının üzerine ısıtılırsa iki türlü hareket yapar. Bunlardan birincisi, atomların denge konumları etrafında (kristal kafesindeki) titreşmesidir (şekil1-a). İkinci atomsal hareket ise yayınmadır. Yayınmada atomlar kristal kafesi içindeki konumlarını komşu atomlara göre değiştirirler. Yayınma için temel şart titreşimdir. Atomsal titreşimin genliği sıcaklık arttıkça artar ki bu da yayınma hızını arttırır.
33
Şekil 2.25: Katılarda difüzyonun şematik gösterilişi Katılardaki Difüzyon Çeşitleri A. Kitle Difüzyonu Bu tip difüzyon, atomların çeşitli hareketleri sonucu meydana gelir. Örneğin; a) Arayer Mekanizması: Yayılan atom çapı, matris atomu çapından çok küçükse arayer mekanizması gerçekleşir. Karbonun α veya γ demiri içinde yayınması bu mekanizma ile olur. Atom, denge konumundan ayrılarak arayer atomu durumuna gelir.
E
Yayınma Yönü
b) Boş Köşe Mekanizması: Kafes köşelerinin her tarafı kafes hatasından dolayı işgal edilmiş olmayabilir. Bu durumda yayınmayı sağlayan etkenler varsa, atom bu boş köşeye doğru hareket edecektir. Çoğunlukla YMK sistemlerde görülür. Bazı HMK sistemlerde de olabilir.
34
E
Yayınma Yönü
c) Arayerimsi Mekanizma: Arayere sıkışan atom çapı diğer atomların çapına yakın ise bu mekanizma meydana gelir. Örneğin Ag-Br alaşımında (∅Ag<∅Br).
Ag Br
d) Crowdion Mekanizması: Sıkı düzen yönünde yön değiştirme ile ekstra bir atomun araya girmesidir.
e)Karışık Yer Değiştirme:
35 f)
Halka
Mekanizması:
Atomların
birbirleri
ile
halka
oluşturarak
yer
değiştirmesidir.
Dörtlü Halka
Üçlü Halka B. Tane Sınırları Boyunca Difüzyon
Tane sınırları, malzemenin diğer taraflarına göre atomik seviyede hatalı bir bölge olduğu için difüzyon bu bölgelerde daha kolaydır. (Malzemede hatalı bölgelerde difüzyon daha kolaydır). Kitle difüzyonu ile karşılaştırıldığında tane sınırları boyunca difüzyon için gerekli aktivasyon enerjisi, kitle difüzyonu için gerekli aktivasyon enerjisinin yarısı kadardır.
∆QTaneSınırDifüzyonu ≈
1 ∆Q KitleDifüzyonu 2
C. Yüzey Difüzyonu
Yüzey difüzyonu için gerekli aktivasyon enerjisi kitle ve tane sınırı difüzyonu için gerekli aktivasyon enerjisinden daha az olduğundan diğer difüzyon çeşitlerine göre en kolay gerçekleşen difüzyon türüdür.
∆QYüzeyDifüzyonu < ∆QTaneSınırıDifüzyonu < ∆Q KitleDifüzyonu Her ne kadar, yüzey ve tane sınırı difüzyonlarının özgül hızları kitle difüzyonunun hızından çok daha büyük iseler de toplam difüzyon üzerindeki etkileri, tane sınırı ve yüzey bölgelerinde atomların nispeten az sayıda olması dolayısıyla genel olarak küçüktür.
36 2.4.5. Difüzyona Etki Eden Faktörler Yayınma katsayısı D genel olarak sabit değildir. Genellikle D, sıcaklık, yoğunluk ve kristal yapı gibi birçok değişkenin fonksiyonudur. Bu değişkenlerin belirli bir değere sahip olduğu kabul edilirse yayınma katsayısı belirli bir sayı olarak alınabilir. Yayınma katsayısının bileşim ile değişimi konusunda bilgi azdır. Ancak, bileşimin değişimi ile yayınma katsayısının değerinde büyük değişmeler görülür. Şekil 2’de karbonun 925°C’de demir içinde arayer yayınması halinde, bileşim ile yayınma katsayısının değişimi gösterilmiştir.
Şekil 2.26: Karbon oranının yayınma hızına etkisini gösteren diyagram. Kristal yapının yayınma katsayısı üzerine etkisini Tablo 2’den anlayabiliriz. Demirin demir kafesi içinde yayınmasına dikkat edilirse, Fe atomunun KHM’li kristal yapısındaki yayınma katsayısı aynı şartlarda KYM’li kristal yapısındakinden yaklaşık 100 defa daha fazladır. Malzeme içindeki safsızlıkların veya başka bir deyişle az miktardaki yabancı atomların varlığı, eriyen atomların eriten metal içinde yayınması üzerinde önemsiz bir etkiye sahiptir.
37 Tane büyüklüğünün yayınma üzerine etkisi: Tane sınırı yayınması, tane içi yayınmasından daha süratli olduğundan küçük taneli metalde yayınma hızının artması beklenir. Ancak genellikle yayınma hesaplarında tane büyüklüğünün etkisi göz önüne alınmaz.
38 3. YÜZEY SERTLEŞTİRME YÖNTEMLERİ 3.1. Sementasyon Sementasyon ısıl işlemini anlatmadan önce Sementasyon Çeliği nedir? Sorusunu cevaplamak gerekmektedir. Sementaston çelikleri, yüzeyde sert ve aşınmaya dayanıklı, çekirdekte ise daha yumuşak ve tok özelliklerin istendiği, değişken ve darbeli zorlamalara dayanıklı parçaların
imalinde kullanılan,
düşük
karbonlu,
alaşımlı veya
alaşımsız
çeliklerdir. Parçaya
bu
özelliklerin
kazandırılması,
çelik
yüzeyine karbon
emdirilmesi
suretiyle olur. Sementasyon çelikleri; dişliler miller piston pimleri, zincir baklaları, zincir dişlileri ve makaraları, diskler, kılavuz yatakları, rulmanlı yataklar, merdaneler, kesici takımlar gibi parçaların imalinde kullanılırlar. Sementasyon çeliklerinin kullanımı yüzeyde aynı sertliği verebilecek yüksek karbonlu çeliklerin kullanımına nazaran şu avantajları sağlar: a. Sementasyon işlemi, parça kısmen veya tamamen son şeklini aldıktan sonra uygulandığı için, parçanın işlenmesi oldukça kolaydır. b. Parçanın üzerinde sonradan işlenecek, sertleşmesi istenmeyen kısımlar var ise bu bölgeler özel pasta ile veya elektrolitik bakır ile kaplanarak örtülebilir. Sementasyon işlemi bu kısımlara etki edemeyeceği için sonradan kolayca işlenebilir. c. Sementasyon
işleminden
sonra,
çekirdek
bölgesi
yumuşaklığını
koruyacağından, sertleştirme sırasında ortaya çıkacak çarpılmalar oldukça azdır. d. Semente edilmiş çelikler, yüzeyde aynı sertliği verebilecek çoğu zaman takım çeliği durumundaki yüksek karbonlu çeliklerden daha ucuzdur. Sementasyon işlemi, yüzey sertleştirme yöntemlerinden birisi olup, en eski ve en yaygın olarak kullanılanıdır. Esas itibarıyla düşük karbonlu çelik parçanın yüzeyine, karbon emdirilmesi işlemidir. Karbon emdirilmesi işlemi, çelik parçanın karbonmonoksit (CO) içeren bir ortamda ostenit faz sıcaklığına kadar ısıtılmasıyla, gaz-metal reaksiyonu sonucu oluşur. Genellikle 850-950°C sıcaklıklar arasındaki bir sıcaklık tercih edilir. Bu sıcaklığa Sementasyon Sıcaklığı adı verilir.
39 Aşağıdaki reaksiyona göre;
CO2 + C ⇔ 2CO oluşan CO, kullanılan sementasyon sıcaklığında, ostenit faza getirilmiş olan çelik parçasının yüzeyinde parçalanır ve açığa çıkan atomik karbon ( C ) çelik bünyesine emilerek çözünür. Aşağıdaki reaksiyon bu durumu ifade etmektedir;
Fe + 2CO ⇔ Fe[C ] + CO 2 Yukarıda
verilen
her
iki
olayda
geri
dönmelidir.
I.
reaksiyon
sıcaklığın
azalmasıyla, sağdan sola doğru ilerleyerek karbondioksitçe zengin bir gaz atmosferi meydana getirir. Eğer çelik parça böyle bir ortamda kalacak olursa II. reaksiyonda sağdan sola doğru Fe ilerleyerek, çelik parçanın yüzeyinden karbon kaybetmesine neden olur. Bu duruma Dekarbürizasyon olayı denir. Diğer bazı dekarbürizasyon reaksiyonlarıda şunlardır:
Fe[C ] + H 2 O ⇔ Fe + CO + H 2 Fe[C ] + O2 ⇔ Fe + CO2 Kullanılan sementasyon sıcaklığında ostenit fazda çözünebilen maksimum karbon miktarı demir karbon denge diyagramında Acm eğrisinden bulunabilir. Çelik parça, sementasyon sıcaklığında karbon difüzyonunun arzu edilen derinliğe kadar ilerlemesi için yeterli süre tutulur. Bu süreye sementasyon zamanı adı verilir. Sementasyon zamanı boyunca, çelik parçanın yüzeyinden içeriye doğru
yayınan
karbonun ilerleme derinliğine Sementasyon Derinliği denir. Sementasyon sonrasında, çelik parça bir sertleştirme işlemine tabi tutularak yüzeyde yüksek sertlik elde edilir. Bu işlemlere Sementasyon Sonrası Sertleştirme Yöntemleri denir. Sementasyon işlemi değişik karbon verici ortamlarda yapılabilir. Bunlar; a.
Kutu sementasyonu (katı ortamda sementasyon)
b.
Tuz banyosunda sementasyon (sıvı ortamda sementasyon)
c.
Gaz sementasyonu
40
3.1.1. Kutu Sementasyonu Kutuda yapılan sementasyon işlemi için karbon verici olarak genellikle odun kömürü kullanılır. Semente edilecek parçalar çelik veya dökme demirden yapılmış kutu içerisindeki odun kömürüne gömülür ve kutunun ağzı sıkıca kapatılarak fırına yerleştirilir. Sıcaklığın yükselmesiyle odun kömürü kutu içerisindeki havanın oksijeni ile reaksiyona girerek CO2 oluşturur. CO2’de tekrar odun kömürü ile reaksiyona girerek CO meydana getirir.
CO2 + C ⇔ 2CO Sıcaklığın artmasıyla, yukarıdaki reaksiyona göre CO oluşumu artar. Ortaya çıkan CO, çelik yüzeyinde ayrışarak CO2 ve atomik karbon meydana gelir. CO2 tekrar odun kömürü ile reaksiyona girerek CO meydana getirir. Reaksiyon bu şekilde devam eder. Kutudaki oksijen miktarı giderek azalacağından ve sementasyon için gerekli CO oluşumu yetersiz kalacağından odun kömürüne yaklaşık %20 oranında bazı reaksiyon hızlandırıcılar ilave edilir. Bu amaçla alkali metal karbonatları kullanılır. Bu ise çoğunlukla BaCO3’dır. Bazen de ilave maddelerin %30’u civarında CaCO3 ve NaCO3 ilave edilir. Bu metot genellikle büyük parçaların sementasyonunda kullanılır. Ancak çelik parçasında ince sementasyon derinliği istendiği takdirde pek uygun bir metot değildir. Bu yöntemin bir diğer dezavantajı da ısıtma ve soğutma için her defasında fazladan zamana ihtiyaç olmasıdır. 3.1.2. Tuz Banyosunda Sementasyon
Tuz banyosunda sementasyon için karbon verici olarak sodyumsiyanür (NaCN) veya potasyum siyanür (KCN) tuzları kullanılır. Ancak, tuz seçimi istenilen sementasyon sıcaklığına göre yapılmalıdır. İki tür tuz vardır: a. İnce
sementasyon
derinliği veren
tuzlar.
Bunlarla düşük
sementasyon
sıcaklıklarında çalışılır. Bu durumda, tuz banyosundaki siyanür miktarı %20 civarındadır ve çalışma sıcaklığı 843-899°C olmalıdır. Böyle bir sementasyon tuz banyosunda 0.9 mm’ye kadar sementasyon derinliği elde edilir. b. Sementasyon derinliğini artıran tuzlar (yüksek sementasyon sıcaklığında çalışılan tuzlar). Bu durumda ise tuz banyosundaki siyanür miktarı %10’dur ve kullanılan sementasyon sıcaklığı 899-954°C arasındadır. Bu tip sementasyon banyosunda 3 mm’ye kadar sementasyon derinliği elde edilebilir. Hatta bazen 6 mm’ye kadar ilerlemek mümkündür.
41
Bu metotla sementasyon işlemi aşağıdaki reaksiyonlara göre gaz fazında cereyan eder.
2 NaCN + O2 → 2 NaCNO 4 NaCNO → 2 NaCN + Na2 CO3 + CO + 2 N 2CO → (C ) + CO2 850-950°C’de ostenit fazındaki çelik, CO ile reaksiyona girerek karbonu bünyesine alır. Bu arada bir miktar azot da çelik tarafından emilir. Çeliğin karbon ve azot emme miktarı önemli ölçüde banyodaki siyanür miktarına ve sementasyon sıcaklığına bağlıdır. Tuz banyosunda arzu edilen kabuk derinliği küçüldükçe, elde edilen ekonomi büyür.
Buna
sebep
ise,
tuz
banyosundaki
çelik
parçaların
ısınma
hızının
kutu
sementasyonundakinden daha yüksek olmasıdır. Parçalar tuz banyosuna daldırılmadan önce 100-400°C arasında ön ısıtma yapılmalıdır. Böylece parçaların üzerindeki nem alınmış ve tuz banyosu daha verimli olarak kullanılmış olur. Tuz banyolarının avantajları: •
Parça yüzeyinde homojen sementasyon derinliği verir,
•
Çelik
parçalar,
banyonun
yüksek
ısı
iletimi
nedeniyle
daha
çabuk
sementasyon sıcaklığına ulaşır. Dezavantajları ise; •
Homojen sementasyon derinliğinin sağlanması için, banyo kompozisyonunun sık sık kontrol edilerek
ayarlanması gerekir. Ayrıca siyanür tuzları zehirli
olduklarından kullanırken önlemler almak gereklidir. 3.1.3. Gaz Sementasyonu Gaz sementasyonu son yıllarda yüzey sertleştirme metotlarının en popüler olanı haline gelmiştir. Karbon verici olarak metan (CH4), etan (C2H6), propan (C3H8) gibi hidrokarbonlar kullanılır. Sementasyon sıcaklığında çeşitli reaksiyonlar oluşur. Aşağıdaki reaksiyonların soldan sağa doğru ilerlemesi sonucu ortaya çıkan atomik karbon, ostenit fazındaki çelik bünyesine girerek yüzeyde karbonca zengin kabuk bölgesini meydana getirir. Başlıca karbon sağlayan reaksiyonlar:
CH 4 ⇔ C + 2H 2
C2 H 6 ⇔ C + xCH 4 + yH 2
42
C3 H 8 ⇔ C + xC2 H 6 + yCH 4 + zH 2 2CO ⇔ C + CO2 CO + H 2 ⇔ C + H 2 O Gaz ortamda sementasyon belirli bir basınç altında yapılır. Yüksek basınç reaksiyonu hızlandırır. Ancak fırın dizaynını zorlaştırır. Pratikte atmosfer basıncının biraz üzerinde çalışılır. İşlem sıcaklığı 890-950°C arasındadır. İşlem sonunda elde edilecek sementasyon derinliği çelik parçanın fırında kalış süresine bağlıdır. İşlem tamamlandıktan sonra kullanılan çelik çeşidine bağlı olarak uygun sertleştirme yöntemi seçilir. Bu yöntem, hassas toleranslı sementasyon derinliği istendiği haller için çok elverişlidir. Sementasyon sıcaklığından direkt sertleştirme için, hızlı hareket kolaylığı ve temiz çalışma ortamı sağlaması gaz sementasyonunun diğer avantajları olarak sayılabilir.
3.2. Sertleştirme Yöntemleri
Sementasyon sonrasında çelik parçalar bir sertleştirme işlemine tabi tutulurlar. Sertleştirme işlemi parçanın yüzeyine veya çekirdeğine veya beraberce her iki bölgesinde elde edilmesi istenen sertlik değerine bağlı olarak çeşitli şekillerde yapılır.
Direkt Sertleştirme:
Şekil 3.1: Direkt sertleştirme şeması
Sementasyon sonrası çelik parça, sementasyon sıcaklığından direkt olarak uygun ortamda (yağ, su, sıcak banyo) soğutularak sertleştirilir ve menevişlenir. Bu yöntem, ince taneli yapıdaki çelikler için uygulanır. Oldukça pratik ve ekonomik bir yöntemdir. Cidarda ince taneli martenzit ve artık karbür vardır. İç kısım ise iri taneli, yumuşaktır, kolay işlenir.
43
Basit Sertleştirme:
Şekil 3.2: Basit sertleştirme şeması Sementasyon sonrası parça sementasyon fırınında veya havada soğumaya bırakılır. Daha sonra, isteğe bağlı olarak parçanın yüzeyinin sertleştirilmesi için, yüzey, dönüşüm sıcaklığına veya yüzey ve çekirdeğin beraberce sertleştirilmesi için çekirdek dönüşüm sıcaklığına ısıtılır. Uygun ortamda (yağ, su veya sıcak banyo) soğutulur ve menevişlenir. Bu yöntem değişik kesitli parçalarda, çarpılmaların istenmediği durumlarda uygulanır. Basit Sertleştirme (Ara tavından sonra)
Şekil 3.3: Ara tavı yapılarak uygulanan basit sertleştirme şeması.
Çelik parçalar semente edildikten sonra sementasyon kutusu veya havada soğumaya bırakılır. Sonra, ötektoid sıcaklığı altında, genellikle 630-650°C’de ara tavı yapılır. Bunu takiben yüzey veya beraberce yüzey-çekirdek sertleşmesi için gerekli sıcaklığa ısıtılır, uygun ortamda soğutulur ve menevişlenir.
44 Basit Sertleştirme (İzotermik dönüşümden sonra)
Şekil 3.4: İzotermik dönüşümden sonra basit sertleştirme şeması.
Sementasyon sonrası parçalar yüzey dönüşüm sıcaklığı altında (500-600°C) perlit yapının izotermik dönüşümü tamamlanıncaya kadar bekletilir. Tekrar, yüzey veya yüzey-çekirdek sertleştirilmesi için gerekli sıcaklığa kadar ısıtılır. Uygun ortamda soğutularak menevişlenir.
Çift Sertleştirme
Şekil 3.5: Çift sertleştirme şeması
Sementasyon fırınından çıkan malzeme, direkt sertleştirilir. Daha sonra yüzey dönüşüm sıcaklığına kadar ısıtılarak tekrar sertleştirilir ve menevişlenir. Bu yöntemle oldukça iyi yüzey sertleşmesi, sağlanır. Ancak ard arda yapılan sertleştirme işlemi sırasında parçada çarpılmalar olabilir.
45 3.3. Sementasyon Derinliğine, Yüzey Sertliğine ve Çekirdek Sertliğine Etki Eden Faktörler
Sementasyon derinliğine, yüzey sertliğine, çekirdek sertliğine etki eden faktörler:
a.
Semente edilecek çeliğin cinsi
b.
Parça boyutu
c.
Sementasyon sıcaklığı ve zamanı
d.
Sementasyon sonrası sertleştirme metodu
e.
Sertleştirme sıcaklığı, soğutma ortamı
Sementasyon Derinliği
Sementasyon işlemi sonunda çelik parçanın yüzeyinden belli bir derinliğe kadar karbon yayındırılma işlemi tamamlanmış olur. Bu derinliğe sementasyon derinliği denir. Etkili sementasyon derinliği, yüzeyden 550 HV sertliğe kadar olan bölge olarak tarif edilebilir.
Şekil 3.6: Sertlik ve sementasyon derinliği arasındaki ilişki
46 Ayrıca sementasyon derinliği, parçanın boyutuna ve sementasyon sonrası sertleştirme sıcaklığı ile soğutma ortamına da yakından bağlıdır. Aşağıdaki şekillerde, değişen boyutlu aynı kalitedeki çelik parçaların sementasyon derinliğinin sertleştirme sıcaklığına ve soğutma ortamına bağlı olarak değişimi görülmektedir.
Şekil
3.7:
Değişik ebatlı 13NiCr6 sementasyon çeliğinin, 900°C’de kutu sementasyonu yapıldıktan sonra 780°C’den suda basit sertleştirme ile elde edilen yüzey sertlik değişimi eğrileri
47
Şekil
3.8:
Değişik ebatlı 13NiCr6 sementasyon çeliğinin, 900°C’de kutu sementasyonu yapıldıktan sonra 820°C’den yağda basit sertleştirme ile elde edilen yüzey sertlik değişimi eğrileri
Sementasyon derinliği bir dereceye kadar, çelik kalitesine de bağlıdır. İnce kesitli parçalarda bu önemli değilse de büyük kesitli parçalar için derin sertlik istendiğinde, sementasyon zamanı açısından önem kazanır. Aşağıda 100 mm çaplı, değişik kaliteli çelik parçalarda, 1.5 mm’lik sementasyon derinliğinin sağlanabilmesi için gerekli sementasyon zamanları verilmiştir.
Çelik Kalitesi
21 NiCrMo2
13 NiCr 6
17 CrNiMo 6
Sementasyon zamanı
25
13
10
(saat)
48
Yüzey Sertliği
Ostenit fazda çözünen karbon miktarı yüzey sertliğini belirleyen kesin faktördür. Yüzeydeki karbon miktarı %0.8 ile %1 arasında olabilecek şekilde kontrol edilmelidir. Yüzeyde karbon miktarının fazla olmasının (ötektoid üstü bölgede) iki önemli nedenden sakıncaları vardır: a. Eğer çelik parça sementasyon sıcaklığından yavaşça soğutulursa, perlit tane sınırlarında
sementit
ağı
teşekkül
eder.
Sonra
yapılacak
sertleştirme
işleminde, yapıdaki sementit ağı olduğu gibi kalacak ve bazı olumsuz neticeler verecektir. b. Yüzeydeki karbon miktarı %0.7’yi geçerse, sertleştirme sonrasında martenzit yapıda artık ostenit kalmasına ve sertliğin azalmasına sebep olacaktır. Sementasyon zamanı ve karbon verici ortamın aktivitesi, sıcaklık da yüzeydeki karbon konsantrasyonuna etki eder.
Şekil 3.9: 13 NiCr 6 sementasyon çeliğinin 925°C’de değişik sürelerde kutuda semente edildikten sonra yağda direkt sertleştirme sonrası sertlik değişim eğrileri.
49
Şekil 3.10: 13 NiCr 6 sementasyon çeliğinin 925°C’de değişik sürelerde kutuda semente edildikten sonra 830°C’den yağda basit sertleştirme sonrası sertlik değişim eğrileri. Çekirdek Sertliği Çekirdek
sertliğine,
parça
boyutunun
ve
sementasyon
sonrası
yapılan
sertleştirme sıcaklığının önemli etkileri vardır. Şekil 3.11’de çapları 10-50 mm arasında değişen Ck15 kaliteli çelik parçaları için bu faktörlerin çekirdek sertliğine etkileri incelenmiştir. Parçalar, 925°C’de sementasyon derinliği 1 mm olacak şekilde semente edilmiştir. Sementasyon sonrası değişik sertleştirme sıcaklıkları kullanılmıştır.
50
Şekil 3.11: Sertlik ve sementasyon derinliği arasındaki ilişki (boyuta bağlı) 3.4. Nitrürasyon
Nitrürasyon ısıl işleminde nitrürasyona tabi tutulan çeliğin bünyesindeki nitrür yapıcı elementler, azot verici ortamda, azotun difüzyonu ile nitrürler meydana getirirler. Bu nitrürler kendi başlarına serttirler ve ayrıca bir sertleştirme işlemi gerektirmezler. Aslında nitrürasyon bir çok çelik cinsine uygulanabilen bir ısıl işlemdir. Fakat nitrürasyon çelikleri adı verilen çeliklerde elde edilen sertleştirilmiş tabakanın daha üstün özelliklere sahip olduğu bilinmektedir.
51 Nitrürasyon
işlemiyle
elde
edilen
sertlik
derinliği
0.1-0.9
mm
arasında
kalmaktadır. Bunun temel nedenleri, nitrürasyonu etkileyen parametrelerdir. Bunlar, işlem sıcaklığı, işlem süresi, ortamın azot konsantrasyonu ve çeliğin bileşimidir. Nitrürasyon ısıl işlemi 500-570°C sıcaklıklar arasında yapılan düşük sıcaklıklı bir işlemdir.
Bu
nedenle,
ferritik-termokimyasal
bir
ısıl
işlem
olarak
yorumlanabilir.
Nitrürasyon ısıl işlemi sonunda çelik malzemenin kazandığı özellikler şöyle sıralanabilir; a.
Yüksek yüzey sertliği ve aşınma mukavemeti
b.
Temperlemeye karşı yüksek direnç ve yüksek sıcaklık sertliği
c.
Yüksek yorulma mukavemeti ve düşük yorulma çentik hassasiyeti
d.
Çeliklerde korozyon direnci
e.
Yüksek boyutsal kararlılık
Nitrürasyon işlemi sonunda parçada bir miktar hacim artışı görülecektir. Aşırı hassas parçaların nitrürasyonla yüzeyinin sertleştirilmesi söz konusu olduğunda boyutsal kontrolle bu durumun etkileri giderilebilir. Bunun yanı sıra, düşük sıcaklıklı bir ısıl işlem olduğu için işleme tabi tutulan parçalarda çatlamalar ve distorsiyon yoktur. Nitrürasyon ısıl işlemi çalışılırken, Fe-N denge diyagramından yararlanılır (şekil 3.12). Alışılmış olarak kullanılan nitrürasyon sıcaklıklarında, azot demir içinde çözünür, ancak bu değer %0.1 gibi çok küçük bir yüzdedir. Bu orandan daha fazla azot içeriği, kimyasal formülü Fe4N olan γ′ nitrürlerini oluşturur. Eğer azot oranı %6’yı aşarsa γ nitrür ε nitrüre dönüşmeye başlar. 500°C’nin altında ε nitrür oluşabilir. Bu fazın azot oranı yaklaşık %11 ve kimyasal formülü de Fe2N’dir. Metalurjik mikroskopta γ ve ε nitrürler “beyaz tabaka” adı verilen beyaz bir yüzey tabakası
olarak
görülürler
(şekil
3.13).
Nitrürasyon
sırasında
beyaz
tabakanın
kalınlığındaki artışla, azotun çeliğe daha fazla yayınması aynı anda yürür. Erirlilik (çözünebilirlik) sınırı azaldığında, nitrürler tane sınırlarında ve belli kristalografik düzlemler boyunca çökelirler. Alaşım elementlerinden Al, Cr ve Mo nitrür oluşturucu olarak kullanılırlar.
52
Şekil 3.12: Fe-N denge diyagramı
53
Şekil 3.13: %0.15 C’lu çeliğin 500°C’de 10 saat gaz nitrürasyonu sonucu beyaz tabaka ve iğnesel demir nitrürün çökeldiği difüzyon tabakasının görünümü, x500.
Nitrürasyon gaz, tuz banyosu (sıvı) veya toz ortamda yapılabilir. Bu yöntemler kendi içlerinde farklılıklar gösterebileceği gibi, birbirleri arasında da işlem farklılıkları içerirler. 3.4.1.Amonyakla Gaz Nitrürasyonu Orijinal
gaz
nitrürasyon
yönteminde,
amonyağın
sertleştirilecek
parçanın
üzerinden takriben 510°C’de akmasına izin verilir. Amonyak,
2 NH 3 → 2 N Fe + 3H 2 reaksiyonuna göre ayrışır. Reaksiyon sonucu atomik olarak ayrışan azot çelik tarafından absorbe edilir. Şekil 3.14 amonyağın ayrışma reaksiyonunu ve azotun çelik tarafından bünyeye alınışını şematik olarak göstermektedir. Gaz nitrürasyonu, 0.2 ve 0.7 mm arasında bir sertleşme derinliği gerektiren parçalar için kullanılır. Nitrürleme, hassas sıcaklık kontrollü bir elektrik fırınında uygulanır.
54
Şekil 3.14: Gaz nitrürasyonu sırasında amonyağın ayrışması ve azotun çeliğin bünyesine alınmasının şematik gösterilişi.
Büyük çapta nitrürleme için çok iyi sızdırmaz kapaklı yer ocakları kullanılır. Küçük çapta nitrürleme işlemleri için ayrı bir nitrürleme kutusu olan alışılagelmiş MUFL fırınlar kullanılır. Nitrürasyon için kullanılan kutular gazla reaksiyona girmeyecek malzemeden yapılırlar. Nikel, Inconel ve benzer alaşımlar idealdir, ancak %25 Cr, %20 Ni’li ısıya karşı dirençli çeliklerin de özellikle bu amaç için uygun oldukları kanıtlanmıştır. Eğer sadece birkaç adet nitrürleme işlemi yapılacaksa, nitrürasyon kutuları çelik sacdan da yapılabilir. Bununla beraber, demir gazla reaksiyona gireceği için bu tarz sacdan yapılmış kutularda gazın bir kısmı kutu tarafında alınacağından, bu tip kutularda ilk nitrürasyon işlemlerini kontrol etmek zordur. Gaz daima çok az miktarda su buharı içerir. Gazın neminin, nitrürasyon kutusuna girmeden önce alınması gereklidir. Aksi halde su buharı nitrürlenmiş parçada oksidasyona neden olacaktır. Gazın nemini gidermek için, yüksek sıcaklıkta bulunan sönmemiş kireç filtreler kullanılır. Amonyakla gaz nitrürasyonu dışında, farklı gaz ortamlarda mevcuttur. Amonyak ve azot karışımından oluşan gaz ortamlar, amonyak ve hidrokarbonla gaz nitrürasyonu ve iyon nitrürasyonu bu tarz gaz ortamlardan bazılarıdır. Her gaz ortam sahip olduğu gazın özelliklerine göre, nitrürlenen çelik malzemenin yüzeyinde oluşacak tabakaya etki eder.
55 3.4.2. Tuz Banyosunda Nitrürasyon Çeliğin bir tuz banyosu içinde nitrürasyonu hemen hemen gaz ortamda nitrürasyon
kadar
eski
bir
yöntemdir
ve
günümüzde
de
hala
yaygın
olarak
kullanılmaktadır. Tuz banyosunda nitrürasyon, gaz nitrürasyondaki gibi 510-570°C sıcaklıklar arasında yapılır. Oldukça düşük sıcaklıkta yapılan bu ısıl işlemin banyosu siyanat ve siyanürlerin her ikisini de içerir. Fakat tuz banyosunda nitrürasyon, aynı tür banyo ile
yapılan
siyanatlama
işlemi
ile
karıştırılmamalıdır.
Siyanatlama
ve
tuz
banyosunda nitrürasyonun en önemli farkı işlem sıcaklıklarıdır. Tuz banyosunda nitrürasyon için kullanılan tuz karışımları genellikle (ağırlıkça) %60-70 NaCN ve ağırlıkça %30-40 KCN içermektedir. Bu karışıma ilave olarak %1-5 Na2CO3 gibi karbonatlar ve NaCNO gibi siyanatlar da katılmaktadır. Banyo karışımı ilk hazırlıktan sonra 575°C’de 12 saat yaşlandırılır ve bu süre içinde banyodaki siyanat miktarı artarak banyonun %45’ine ulaşır. Bu süre içinde nitrürleme amacıyla banyoya çelik malzeme konmamalıdır. Tuz banyosunda nitrürasyon işleminde işlem sıcaklıkları 550-570°C arasında değişir ve tutma süreleri nadiren 2 saati aşar. Tuz banyosunda nitrürasyon başlangıçta 10-30 dakika sürelerde yapılan bir işlemdi. Genellikle demir pota kullanılarak yapılan nitrürasyon işleminde potadan demirin çözünmesi nedeniyle nitrürlenen parçalarda (uzun süreli nitrürasyonlarda) gözenekler oluşabilmekteydi. Bunu önlemek için nitrürasyon süresi kısa tutulmaktaydı. Kısa süreler gerekli nitrür tabakası kalınlığı için yeterli olamamaktaydı. Bu nedenle Titanyum potalar kullanılmaya başlandı. DEGUSSA tarafından geliştirilen bu yönteme “Tuffride Prosesi” denilmektedir. Tuz banyosunda nitrürasyonun diğer bir çeşidi de “Sulfinuz” işlemidir. Bu işlemde banyodaki NaCN ve NaCNO’den başka aktif olarak sodyum sülfür (Na2S) mevcuttur. Alışılagelmiş tuz banyosu nitrürasyonunda
azot ve karbon çeliğin yüzeyi tarafından
absorblanır. Sulfinuz işlemi süresinde ise ortamdaki kükürt nedeniyle nitrürlenmiş tabakanın aşınmaya karşı iyi olan özellikleri daha da mükemmelleştirilmiş olur. Şekil 3.15’de %0.2 C içeren bir karbonlu çeliğin 570°C’de 2 saat sulfinuz işleminden sonraki yüzey bileşimi gösterilmektedir.
56
Şekil 3.15: %0.2 C içeren çeliğin 570°C’de 2 saat sulfinuz işleminden sonra yüzey tabakasındaki kükürt, azot ve karbon miktarları.
Tuffride
ve
Sulfinuz
işlemleri
sonrası
en
iyi
yüzey
parçaların
ılık
suda
soğutulmasıyla elde edilir. Bu şekilde hızlı soğuma α demirini azotça aşırı doymuş bir katı eriyik haline getirir. Bu katı eriyik nitrürlemenin bir karakteristiği olan yorulma mukavemetindeki artışa ilave bir katkıda bulunur. Bununla beraber, aşırı doymuş α katı eriyiğinin oluşması sırasında meydana gelen iç gerilmeler tokluğu azaltırlar. Sade karbonlu ve düşük alaşımlı çelikler eğer 200°C’de temperlenirse oluşan nitrür çökelmesi yorulma mukavemetini azaltır ve tokluğu artırır. Gaz nitrürasyonunda olduğu gibi yavaş soğuma sırasında, bu tür çökelme otomatik olarak elde edilir. 3.4.3.Toz Nitrürasyonu Toz nitrürasyonunda parçalar tıpkı kutu sementasyonunda olduğu gibi kutular içine yerleştirilirler. Kutunun alt kısmına yaklaşık ağırlıkça %15 nitrürasyonu hızlandırıcı malzeme
konduktan
sonra,
nitrürlenecek
parçalar
yerleştirilir.
Parçaların
üzerine
nitrürasyon tozları konarak kutu sıkıca kapatılır ve 520-570°C sıcaklıklar arasındaki fırına konur. Tutma süresinin 12 saati geçmemesi tavsiye edilir. 3.4.4.Gaz ve Tuz banyosunda Nitrürasyonun Karşılaştırılması Gaz ve tuz banyosunda nitrürasyon en yaygın kullanılan nitrürasyon metotlarıdır. Bu işlemler yukarıda bir karşılaştırılma yapılmaksızın anlatılmıştır. Bu iki yöntemin karşılaştırılmasında aşağıdaki hususlar dikkate alınmaktadır: Gaz
nitrürasyonunun
12-120
saatlik
nitrürleme
banyosunda nitrürasyon için bu süre 1-4 saat arasındadır.
zamanına
karşılık,
tuz
57 Gaz nitrürasyonu çeliği gevrek yaptığı halde, tuz banyosu nitrürasyonunda böyle bir durum söz konusu değildir. Gaz nitrürasyonu sırasında çeliğin gevrek olmasının nedeni γ′ nitrür gibi gevrek bir partikülün varlığıdır. Bu partikülün oluşumu tuz banyosunda nitrürasyon sırasında oluşmaz. Gaz ve tuz banyosunda nitrürasyon sonucu elde edilen sertlik değerleri büyük farklılıklar
göstermemektedir.
Şekil
3.16’da
gaz
nitrürasyon
ve
tuz
banyosunda
nitrürasyona tabi tutulmuş aynı iki malzemenin sertlikleri mukayese edilmiştir.
Şekil 3.16: Gaz nitrürasyon ve tuffriding işleminden sonra yüzey tabakasında sertlik dağılımı.
Her iki yöntemin avantaj ve dezavantajları şöyle sıralanabilir: 1. İşlem süresi: Tuz banyosunda nitrürasyon, gaz nitrürasyona göre daha kısa sürdüğü için avantajlıdır. 2. Temizlik: Gaz nitrürasyonda çalışma sahasının veya nitrürlenen parçanın kirlenmesi söz konusu değildir. Bu nedenle gaz nitrürasyon daha avantajlıdır. Tuz banyosunda nitrürasyonda ise hem işlem alanının hem de nitrürlenen parçanın
kirlenmesi
söz
konusudur.
Bu
nedenle
tuz
banyosunda
nitrürasyondan sonra işlem gören parçaların ayrıca temizlenmesi gereklidir. Bu da ek masraf anlamına gelmektedir.
58 3. Nitrürasyon derinliği: Tuz banyosunda nitrürasyon sırasında, nitrürasyon süresinin artmasıyla artış gösteren boşlukların oluşması sonucu olarak, nitrürleme süresi 4 saate kadar sınırlandırılmıştır. Gaz nitrürasyonda bu konuda her hangi bir kısıtlama yoktur. Bu nedenle gaz nitrürasyonda elde edilebilen nitrürasyon derinliği daha fazla olabilmektedir. 4. Boyutsal
kararlılık:
gerilmelerinden
ileri
Nitrürasyon gelen
sürecinde
boyutlardaki
çelikte
oluşturulan
basma
değişim,
distorsiyon
olarak
kastedilirse, aynı nitrürasyon derinliği için her iki yöntemde aynı miktar çarpılma (distorsiyon) oluşur. Bunun yanı sıra gaz nitrürasyonda genellikle ısıl işlemden sonra parçaların nitrürlendiği kutu havada soğumaya bırakılır. Tuz banyosunda nitrürasyonda ise parçalar ya suda ya da yağda soğutulurlar. Bu nedenle parçalardaki termal gerilmeler distorsiyon riski tuz banyosunda nitrürasyonda biraz daha fazladır diyebiliriz. 5. Aşınma direnci: Tuz banyosunda nitrürasyon sırasında oluşan ε karbonitrür miktarı, alışılagelmiş gaz nitrürasyonuna oranla daha fazladır. Kritik olaylarda bu yüksek oranda ε karbonitrür aşınma direncinde artış sağlar. Gaz nitrürasyonu sırasında hidrokarbonların ilavesiyle ε karbonitrür miktarı tuz banyosunda elde edilebilen değerlere kadar yükseltilebilir. Fakat bu tabakanın aşınma direncini artırmakla beraber, gevrek ve kırılgan bir tabaka olduğu unutulmamalıdır. 6. Tokluk: Gaz nitrürasyonu sırasında uygulanan hızlı su verme sonucu elde edilen nitrürlenmiş tabakanın tokluğu, soğumanın yavaşça yapıldığı gaz nitrürasyonun sonucu elde edilen tabakaya göre daha kötüdür. 3.4.5. Nitrürlenebilirlik Bu kavram, hem çeliğin azotu absorbe etme kabiliyetini hem de azotun sağladığı sertlik artışını içerir. Sözü edilen kavramlar, çeliğin azotu absorbe etme kabiliyeti ve azotun sağladığı sertlik birçok parametreden etkilenir. Önceki bölümlerde nitrürasyonun yapıldığı metoda bağlı olarak farklılıklar gösterebileceği anlatılmıştı. Bunların dışında, çeliğin sahip olduğu alaşım elementleri, nitrürasyon sonucu elde edilen yüzey sertliğine etki edebilmektedir. Şekil 3.17’de bazı alaşım elementlerinin çelikte nitrürasyon sonrası elde edilebilecek yüzey sertliğine nasıl etki ettiği gösterilmektedir.
59
Şekil 3.17: %0.35 C, %0.30 Si, %0.70 Mn içeren çelikte, alaşım elementlerinin nitrürasyon sonrası sertliğe etkileri.
Yüksek yüzey sertliği istenen nitrürlenecek bir çeliğin bileşimi üzerine karar verileceği zaman, seçim genellikle, Al, Cr ve Mo gibi nitrür oluşturan elementler üzerinde yapılır. En büyük etkiye sahip Al’u çok yakın olarak Ti takip eder. Bu elementlerin ardından Cr, Mo ve V gelir. Ni alaşımlı çeliklerde sade karbonlu çeliklerde olduğu gibi aynı yüzey sertliği elde edilmiştir. Nitrürasyon derinliği şekil 3.18’den görüleceği gibi, alaşım elementi miktarındaki artışla azalır. Sertlik artışında en büyük etkiye sahip iki element Al ve Ti aynı zamanda N’un difüzyonuna en fazla geciktirici etkiyi gösterir. Bu elementlerin miktarı arttıkça, azotun çeliğin bünyesine alınması zorlaşır. Optimum sertlik ve nitrürasyon derinliğini sağlamak için önerilen Al içeriği %1 civarındadır. Bu miktar, Al ile alaşımlandırılmış nitrürasyon çeliklerinde normal olarak kullanılan bir değerdir. Alaşım elementlerinin azotun difüzyonunu engelleyici etki göstermelerinin nedeni, azotla beraber nitrürler oluşturmalarıdır. Karbonunda azotun difüzyonuna kuvvetli bir engelleyici etkisi vardır. Yüksek oranda serbest ferrit içeren bir yapı azotun difüzyonu için, düşük karbür içerikli bir mikroyapı ise hem azotun difüzyonu hem de sertlik için uygundur. Alaşımlı
60 çeliklere genellikle, ısıl işlem uygulanabilir halde, yani su verilmiş ve 550-650°C’de temperlenmiş koşulda, nitrürasyon uygulanır. Bu sıcaklık aralığında, çökelme ve aynı zamanda karbürlerin birleşmesi söz konusudur. Karbür çökelmesi tane sınırlarında başlar ve bu durum buralardan difüzyonun engellenmesi anlamına gelir. Tane boyutu ve karbür dağılımı, nitrürasyondan sonra elde edilen yüzey düzgünlüğüne etki eder. Tane boyutunu artırmakla nitrürler, bantlar halinde tane sınırları boyunca çökerler. Eğer karbürler tane sınırlarına önceden çökelmişlerse, azot atomları karbürlerle karbonitrür teşkil ederek boyutça artış gösterir. Sonuç olarak karbonitrürler yüzey tabakasındaki her bir tek tanenin yer değiştirmesine ve buna bağlı olarak beyaz tabakanın deforme olmasına veya çatlamasına neden olurlar. Şekil 3.19’da gösterilen makro fotoğrafta bu olay görülmektedir.
Şekil 3.19: En 41 B çeliğinin tane sınırlarında karbonitrürler içeren nitrürlenmiş yüzey tabakası, x400.
Az
alaşımlı
çeliklerde
nitrürasyon
süresinin
nitrürasyon
aşağıdaki basit difüzyon bağıntısından çıkarılabilir.
DN = k t Burada, DN= Nitrürasyon derinliği k= Bir sabit t= Saat olarak zaman k sabiti sıcaklık ve malzemenin bir fonksiyonudur.
derinliğine
etkisi,
61
3.5. İndüksiyonla Yüzey Sertleştirme Elektrik
akımı
bir
iletken
içinden
geçirildiğinde,
iletkenin
çevresinde
elektromanyetik alan meydana gelir. Eğer iletken bir bobin ise elektromanyetik alan bu bobinin içerisinden akar.
Bu alan şekil 3.20’de görüldüğü gibi, bobin içine bir çubuk
yerleştirilse bile mevcuttur. Eğer manyetik akım yüksek frekanslı bir alternatif akım tarafından oluşturulursa, bu durum metal çubuğun yüzeyindeki girdap akımını artırır ve sonuçta çubuk ısınır (şekil 3.21). Demirde histerisiz kayıpları sıcaklığın Curie noktasına (768°C) kadar artmasına katkıda bulunur. 768°C üzerinde demir manyetik değildir.
Şekil 3.20: Üzerinden elektrik akımı geçen bir bobin içerisine yerleştirilmiş çubuktan geçen manyetik akının yönü.
62
Şekil 3.21: İndüksiyonla sertleştirme sırasında bobin ve metal çubukta elektrik akımının yolu.
İndüksiyonla sertleştirmede, sertleştirilecek çubuğa ısı girişi, uygulanan güç ve frekansla kontrol edilir. Malzemenin yüzeyinden hangi derinliğe kadar ısıtılacağı, frekans ile kontrol edilir. Frekans ve derinlik arasında aşağıdaki bağıntı vardır:
20
Soğuk halde (20°C); d c =
f
Sıcak halde (800°C); d h =
500 f
Burada; d: giriş (nüfuziyet) derinliği, f: frekans Bu
bağıntılar
çelikte,
sıcaklık
artışından,
sertleştirme
sıcaklığına
kadar
geçerlidirler. Isıtma sırasında, malzemedeki ısı iletkenliği nedeniyle toplam ısı giriş derinliği daha büyüktür. İndüksiyonla sertleştirmede amaç, yüzey sertliğinde önemli bir artış elde etmektir. Sertleştirme yapılacak çeliklerin karbon içerikleri %0.3-0.5, sertlikleri ise 50-60 HRc değerleri arasındadır. Karbon miktarıyla kontrol edilen üst sertlik sınırı, sertleştirme sırasında çatlak oluşma tehlikesi yaratabilir. Pratik deney sonuçlarından bu karbon sınırının %0.5 civarı olduğu bulunmuştur. Ancak ısıl işlemin daha iyi ve kontrollu yapılması halinde daha yüksek karbon oranlarına izin verilebilir.
63 Çelik, indüksiyonla sertleştirilmeden önce, sertleştirilmiş, temperlenmiş veya normalize edilmiş halde ve çeliğin sertleştirilmiş kısımları da kabul edilebilir bir sertlikte olmalıdır. Tam olarak tavlanmış çelikler indüksiyonla sertleştirme için uygun değillerdir. Bu tarz çelik malzemelerde karbürlerin çözünmesi için gerekli süre, normal ısıtma zamanından daha uzundur. Sonuç olarak, tam tavlanmış çeliklerin homojen şekilde yüzey sertleştirme işlemlerinde ısıtma süresinin karbürlerin çözünebilmesi için yeterli uzunlukta olması gereklidir. Bu durum, nüfuziyet derinliğinin, parçanın ısı iletimi nedeniyle artması anlamına gelmektedir.
Tablo 3.1’de indüksiyonla ve alevle sertleştirmeye uygun çelik
malzeme bileşimleri listelenmiştir. Tablo 3.1: Alevle ve indüksiyonla sertleştirilebilen malzemelerin kimyasal bileşimleri Çelik Tipi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
%C
%Si
%Mn
0.330.39 0.380.44 0.430.49 0.480.55 0.500.57 0.420.48 0.340.40 0.380.44 0.380.44 0.380.44 0.370.43
0.150.40 0.150.40 0.150.40 0.150.40 0.150.40 0.150.40 0.150.40 0.150.40 0.150.40 0.150.40 0.150.40
0.500.80 0.500.80 0.500.80 0.600.90 0.400.70 0.500.80 0.600.90 0.600.90 0.500.80 0.701.00 0.500.80
%P (max) 0.035
%S (max) 0.035
%Cr
%Mo
%Ni
-
-
-
0.035
0.035
-
-
-
0.035
0.035
-
-
-
0.035
0.035
-
-
-
0.035
0.035
-
-
-
0.035
0.035
-
-
0.035
0.035
-
-
0.035
0.035
-
-
0.035
0.035 0.035
0.035
0.035
0.150.30 0.150.30 0.150.30
-
0.035
0.400.60 0.901.20 0.901.20 0.901.20 0.400.60 0.600.90
0.400.70 0.701.00
İndüksiyonla sertleştirmede, frekans ile yüzey sertleştirme derinliği kontrol altında tutulmaktadır. Bu nedenle, sertleştirme işleminin yapılacağı cihaz bu kritere göre seçilmelidir. Sertleştirme derinliği, sertleştirilmiş kısmın büyüklüğü ile arttığından, bunun sonucu olarak büyük parçalar için düşük frekansta ve düşük voltaj yoğunluğunda çalışan cihazlar seçilir. Küçük parçalarda ise en iyi sonuçlar, yüksek frekanslarda ve yüksek voltaj yoğunluğunda çalışan cihazlar kullanılarak elde edilir. İndüksiyonla sertleştirmede farklı geometrilerde hazırlanmış (sertleştirilecek malzemenin formuna göre) iş bobinleri kullanılabilir. İletkenler olarak da bilinen bobinler, hem elektrik akımı, hem de çeliğin ısıl radyasyonu ile ısınırlar. Bobinler çoğunlukla bakır
64 borulardan imal edilirler. Bobinler işlem boyunca içlerinden geçirilen su ile soğutulurlar. Şekil 3.22’de hem dış hem iç hem de yüzey ısıtması için kullanılabilecek farklı bobin formları şematik olarak verilmiştir. Bobin olarak kullanılan bakır borunun iç çapı jeneratör çıkış gücüne uygun olacak şekilde seçilmelidir. Yaklaşık 50 kW’lık güç için takriben 5 mm iç
çapında bakır boru kullanılabilir. Bu tarz bir bobinde sarımlar arası mesafe 2-5 mm
olacak şekilde ayarlanmalıdır. Bobin ile iş parçası arasında da yaklaşık olarak sarımlar arası mesafeye uyulmalıdır.
Şekil 3.22: İndüksiyonla sertleştirmede kullanılan bobin tipleri
Bobin ve iş parçası arasındaki mesafeye müdahale ederek ısıtma hızını kontrol etmek de mümkündür. Şekil 3.23’de özel amaçlı örneklenmiştir.
kullanıma
uygun iş bobinleri
65
Şekil 3.23: a) Merdanelerin spin sertleştirmesinde kullanılan bir bobin, b) Ucu konikleştirilmiş millerin sertleştirilmesinde kullanılan bir bobin. Bobin içerisinde ısıtılan çelik malzeme, kullanılan çeliğin cinsine göre su, yağ veya havada soğutulur. Isıtma ve soğutma, tek kademede veya çok kademede
66 yapılabilir. Kullanılan yöntem nasıl olursa olsun, sertleştirmeye etki eden bazı faktörler vardır. Sertleştirmede en önemli faktör, karbon miktarıdır. Karbon içeriği %0.8’e kadar arttıkça, karbonun özellikle diğer alaşım elementleriyle beraber bulunması halinde, sertleşebilirlikte de artışlar sağlanır. Sertleştirme sıcaklığı ve tutma süresi hem sertliği, hem de sertleşme derinliğini kontrol eden önemli faktörlerdir. İndüksiyonla sertleştirmede koşullar aynı kaldığı sürece, sertleşme derinliği frekans ile kontrol edilebilir. İndüksiyonla sertleştirmede
kullanılan
sertleştirme
sıcaklıkları,
alışılagelmiş
sertleştirme
sıcaklıklarından 50°C daha yüksek seçilir. Tutma süreleri ise oldukça düşüktür veya bazı durumlarda hiç bekletme yapılmadan soğutma işlemi yapılır. İndüksiyonla sertleştirilen başlıca makine elemanları dişli çarklar ve şaftlar gibi dönel eksenli simetriye sahip parçalardır. İndüksiyonla sertleştirilebilen dişli çarklar, merkez kısımları 200°C’nin üstüne çıkmayacak şekilde ısıtılırlar. Bunu sağlamak için güç girişinin ve sıcaklığın çok iyi ayarlanması gerekmektedir. Güç girişi ile sıcaklık arasında uyum olup olmadığı, temperleme renklerinden kontrol edilebilir. “Spin sertleştirme” adı da verilen indüksiyonla sertleştirme sırasında parçanın döndürülmesi modülleri 5’e kadar olan dişliler için uygundur. Spin sertleştirme sayesinde bir dişlinin kabul edilebilir bir sınırlı sertleştirilmesi, yüksek bir enerji konsantrasyonu ve yüksek frekans uygulamak suretiyle elde edilebilir. Ancak, diş uçlarının aşırı ısıtılma riski ve diş diplerinde yetersiz sertleştirme olasılığı yine de vardır. Şekil 3.24’de bir dişlinin farklı frekans seçenekleriyle sertleştirilmesi sonucu sertleşen bölgeler şematize edilmiştir. İndüksiyonla dişli sertleştirmede uygulanan frekan ve voltajın miktarına göre dişlinin ısıtılma şekli de değiştirilmiş olur. Sonuç olarak sertleşen kısım değişebilecektir. İndüksiyonla sertleştirmenin avantaj ve dezavantajları şöyle sıralanabilir: 1. Sınırlandırılmış, bölgesel sertleştirme yapılabilir. 2. Isıtma süresi çok kısadır. 3. Minimum yüzey dekarbürizasyonu oluşur. 4. Deformasyon (ısıl) miktarı ihmal edilebilecek kadar azdır. 5. Yorulma mukavemetini artırıcı etkisi vardır. 6. İşlem maliyeti düşüktür. 7. Proses uygulama hattı, işlem hattıyla birleştirilerek kullanılabilir. 8. Sertleştirilmemiş kısımlarda doğrultma yapılabilir. 9. İlk yatırım maliyetleri oldukça yüksek olan cihazlarla yapılabilen bir işlemdir.
67 10. Sertleştirilecek parçaların geometrisine uygun iş bobini kullanmak bir zorunluluktur. Bu nedenle her farklı şekilli parçada yeni bir bobin maliyeti ortaya çıkar. 11. Sadece belli özelliklerdeki bir grup çelik bu yöntemle sertleştirilebilir. Her çelik malzeme için uygun bir yöntem değildir.
3.6.Alevle Sertleştirme Alevle yüzey sertleştirme, indüksiyonla sertleştirme ile hemen hemen eşdeğer sonuçlar
verebilen
bir
yüzey
sertleştirme
yöntemidir.
Bu
nedenle
indüksiyonla
sertleştirme için söylenen hemen hemen her şey, alevle sertleştirme için de geçerlidir. İki işlem arasındaki temel farklar, ısıtmanın yöntemi, alevle sertleştirme ekipmanlarının dolayısıyla ilk yatırım maliyetinin düşük olması, işlem maliyetinin ise indüksiyonla sertleştirmeye göre daha yüksek olmasıdır. Bu işlemde sertleştirilmek istenen çeliğin, sertleştirilecek yüzeyi, bir kaynak hamlacından (üfleç, şalumo) çıkan alevle sertleştirme sıcaklığına gelinceye kadar ısıtılır, ardından ısıtılan kısma su verilir. Alevle sertleştirilebilen çelikler, indüksiyonla sertleştirilebilen çelikler ile hemen hemen aynı özelliklerdeki çeliklerdir. Alevle sertleştirmede kullanılan gaz, genellikle oksijen-asetilen, doğalgaz veya propan gibi yanıcı gazların karışımıdır. Alevle sertleştirmede de çeliğin sertliği, başta bileşimine ve özellikle karbon oranına bağlıdır. Bunun dışında sertleşme derinliği, ısıtma ve soğutma hızlarından etkilenir.
68 4. SERTLEŞEBİLİRLİK Sertleşebilirlik, çeliğin su vermede martenzit oluşumu ile sertleşme özelliğidir. Sertleşebilme özelliği, söz konusu çelik için bu çeliğin yüzeyinden merkezine sertlik dağılımı yanında, elde edilebilecek maksimum sertliği belirler veya su verme sonunda elde edilen ve bazen yüzeyden %50 martenzitin bulunabildiği noktaya kadar olan uzaklıkla belirlenen sertleşme derinliğini verir. Soğutma hızının kritik soğutma hızından daha yüksek olması sağlandığında su vermede elde edilecek maksimum sertlik şekil 4.1’de görüldüğü gibi esas olarak (ostenitte çözünen) çelikteki karbon miktarına bağlıdır. Bu nedenle düşük karbonlu çeliklerde
elde
edilebilecek
en
büyük
sertlik
değerleri
bile
yüksek
karbonlu
çeliklerinkinden azdır. 60 HRC değeri üzerinde sertlik ancak karbon miktarı %0.5’den fazla olan çeliklerde görülebilir.
Şekil 4.1: Martenzit miktarı, sertlik ve karbon miktarı arasındaki ilişkinin şematik gösterilişi.
Değişik karbon ve martenzit miktarları için erişilebilecek sertlik değerleri şu eşitlikle verilebilir: %99 martenzit dokusu için; HRC=40⋅log(%C) + 71.91 %50 martenzit dokusu için; HRC=40⋅log(%C) + 59.88
69
%C 0.18 0.23 0.28 0.33 0.38 0.43 0.48 0.55 0.60 0.70 0.80
50 31 34 36.5 39 42 44 46.5 49 51 53 54
80 35 37.5 40.5 43.5 46 48 52 53 55 56 57.5
% Martenzit 90 37.5 40.5 43 46.5 49 51 54 57 57 60 61
95 39 42 44.5 48.5 51 53.5 57 59 61 62.5 63.5
99.9 43 46 49 52 54 57 60 62 63 65 66
Bu eşitliklerden görüleceği gibi herhangi bir karbon miktarından %50 ve %99 martenzite sahip dokular arasında sertlik farkı değişmemekte ve 12 HRC değerinde kalmaktadır. Sertleşebilirliği düşük ve yüksek bazı çelik örnekleri şekil 4.2’de verilmiştir.
Şekil 4.2: Çeşitli çelikler için sertleşme derinliği. Çubuklar 100 mm çapında olup W1 çeliğine suda diğer çubuklara yağda su verilmiştir.
70 Farklı çelik türlerinin sertleştirilebilirliğinin karşılaştırılması ancak, aynı çubuk çapı ve aynı su verme ortamı söz konusu olunca doğru olur. Çünkü daha hızlı bir soğutma ortamı
daha
büyük
sertleşme
derinliği
verir.
Şekil
4.3’de
görüldüğü
gibi
aynı
sertleşebilirlikte kesit kalınlığının artması ile daha küçük sertleşme derinliği ve daha küçük merkez sertliği elde edilebilir.
Şekil 4.3: AISI 01 çeliğinin yağda su verilmesinden sonra farklı boyutlardaki sertleşme derinliği. (Deney numunesi 25 mm çapında ve 850°C’den yağda su verilmiştir. Deney numunesi 50 mm çapında ve 820°C’den yağda su verilmiştir. Deney numunesi 100 mm çapında ve 840°C’den yağda su verilmiştir.).
4.1. Grossmann Sertleşebilirlik Testi Grossmann’a göre sertleşebilirliğin saptanması için farklı çaplarda olan çok sayıda
silindirik
çelik
çubuk
numuneler
belli
soğutma
ortamında
sertleştirilirler.
Metalografik muayene sonucu merkezinde %50 martenzit oluşan çubuk örnek seçilir ve bunun çapı genellikle Kritik Çap (D0) olarak gösterilir. Farklı soğutma ortamlarında saptanmış soğutma şiddetlerine H-faktörleri adı verilir. Bu değerler tablo 4.1’de verilmiştir. Tablo 4.1: Farklı soğutma ortamlarının, soğutma şiddetlerine ait H faktörleri.
71 Karıştırma Yağ 0.25-0.30 0.30-0.35 0.35-0.40 0.40-0.50 0.50-0.80 0.80-1.10
Yok Yumuşak Orta İyi Kuvvetli Şiddetli
Su verme şiddeti katsayısı H Soğutma ortamı Su 0.90-1.0 1.0-1.1 1.2-1.3 1.4-1.5 1.6-2.0 4.0
Tuz 2.0 2.0-2.2 5.0
Grossmann’a göre; a) Kritik Sertlik: %50 martenzit dokusu sertliğidir ve herhangi bir çelik için karbon miktarına bağlı olarak önceden verilmiş olan %50 martenzit dokusuna ait sertlik formülü ile bulunabilir. b) Kritik Çap (D0): Özünde (merkezinde), kritik sertliğe sahip parça çapıdır ve sertleşmenin yapıldığı ortam için geçerlidir. c) Soğutma Kuvveti (H): Kritik çapı diğer soğutma ortamları için de geçerli kılmak amacıyla çeşitli ortamlar için H değerleri ile ifade edilir. d) İdeal Kritik Çap (Di): İdeal soğutma şartlarında (H∞), özünde %50 martenzit dokusuna sahip parça çapıdır. e) İdeal Soğutma Şartı (H∞): Malzeme yüzeyi ile özünün aynı hızda soğutulduğu, sertleştirme ortamının soğutma ölçüsüdür.
4.1.1. Çeliğin Kimyasal Bileşiminden Di Değerinin Hesaplanması Sertleşebilirlik, az alaşımlı ve orta alaşımlı çeliklerin bileşiminden hesaplanabilir. Bunun için her bir elementin ostenitleme sıcaklığında, katı eriyik içindeki miktarının ve aynı zamanda ostenit tane boyutunun göz önünde tutulması gerekir. Tane boyutu nekadar küçük olursa sertleşebilirlik o kadar düşük olur. Bunun nedeni, tane boyutunun azalmasına paralel olarak tane sınırlarının toplam yüzeylerinin artması ve bunun karşılığında perlit oluşumu için başlangıç yerleri olan çok sayıda çekirdeğin oluşmasıdır. Di için hesaplama, karbon miktarı ve tane boyutunun hesaplanmasından başlar. Şekil 4.4 sayesinde Di için bir esas sertleşebilirlik elde edilir. Diğer alaşım elementleri için şekil 4.5’deki eğri her bir elementin miktarına uygun bir çarpım faktörü gösterir.
72
Şekil 4.4: Sade karbonlu çeliklerde karbon miktarı ve ostenit tane boyutunun fonksiyonu olarak ideal kritik çapın değişimi.
73
Şekil 4.5: Sertleşebilirlik hesaplamaları için çeşitli elementlerin çarpım faktörleri.
Şekil 4.4 %0.8’den yüksek karbonlu çelikler için kullanılabilir. Bunun için sadece tüm karbürlerin ostenitleme sıcaklığında solüsyon (katı eriyik) içinde çözünmüş olmaları varsayılmalıdır. Ancak karbürlerin çözünmesi için gereksiz yere yüksek bir ostenitleme sıcaklığına çıkmak zorunluluğundan ötürü, bu genel bir durum olarak ifade edilmez. Karbürlerin tamamen çözünmesi için yüksek sıcaklığa çıkmak, karbürlerin çözünmesi dışında çok fazla tane büyümesine ve yapıda yüksek oranda kalıntı ostenitin kalmasına neden olur. Sonuç olarak, eğer Fe-C denge diyagramında yüksek karbonlu bölgeye düşen az alaşımlı çelikler için alışılagelmiş sertleştirme sıcaklıkları kullanılırsa, karbon miktarının %0.8’i aşan değerlerinde sertleşebilirlikte bir düşme beklenmelidir. Bunun nedeni, fazla karbonun karbürle ve Cr, Mn gibi sertleşebilirliği sağlayan elementlerle birleşmesidir. Sertleşebilirlikte bu azalmaya karşın, çelikler halen %1 civarında alaşımlandırılırlar, fakat bu şartlar altında karbürler çeliğin aşınmaya karşı direncini arttırmada yararlıdırlar. 4.2.Jominy-Uç Su Verme Sertleşebilirlik Deneyi Grossmann yöntemi oldukça doğru sonuçlar veren bir yöntem olmasına rağmen yüksek maliyetinden ötürü yaygın kullanılamamaktadır. Günümüzde en yaygın kullanılan sertleşebilirlik testi Jominy tarafından geliştirilmiştir ve kendi adıyla anılmaktadır. Bu yöntemde 25 mm çapında ve 100 mm uzunluğunda silindirik bir çubuk kullanılır. Numune bileşimine uygun sertleştirme sıcaklığına ısıtılır ve bu sıcaklıkta 20 dakika tutulur.
74 Numunenin ucunun yüzeyi şekil 4.6’da görüldüğü gibi su püskürtülerek soğutulur. Dolayısıyla çubuğun boyunca su verilmiş uçtan itibaren soğuma hızı kademeli olarak azalır. Çubuk tamamen soğuyuncaya kadar uçtan su vermeye devam edilir. Ardından numunenin bir yüzeyi hafif zımparalanarak temizlenir ve uçtan tepe noktasına kadar belli aralıklarla sertlik değerleri ölçülür. Bu sertlik değerleri ve su verilmiş uçtan mesafe arasında diyagram oluşturulur. Elde edilen eğrilere Jominy Eğrileri adı verilmektedir. Çeşitli kaynaklarda her çelik için ayrı ayrı Jominy eğrileri verilmektedir. Genellikle, Jominy eğrileri her çelik cinsi içiin için iki tane çizilir. Bu eğrilerden üstteki çeliğin üst kimyasal bileşim sınırına, alttaki ise alt kimyasal bileşim sınırına uygundur. Bu eğriler birarada düşünüldüğünde Jominy bandı olarak adlandırılırlar. Aşağıda şematik olarak Jominy deney düzeneği gösterilmiştir.
4.2.1.Kimyasal Bileşimden Jominy Eğrilerinin Hesaplanması Just, kimyasal bileşimden faydalanarak, farklı jominy mesafelerindeki sertliği doğrudan saptayabilmek için bir bağıntı geliştirmiştir. Tüm alaşım elementleri 10 mm’ye kadar olan jominy mesafelerinde sertleşmeyi artırıcı, fakat bu değerin üzerinde pratik olrak sabit bir etki gösterirler. Karbon, 50 faktörüyle sıfır jominy mesafesinden başlar. Diğer alaşım elementlerinin ise sıfır mesafedeki faktörleri sıfırdır. Bu, sıfır jominy mesafesindeki sertliğin karbon tarafından sağlandığı anlamına gelir. Faktörleri kullanrak her bir Jominymesafesi için sertleşebilirliği tahmin etmek mümkündür. 7 mm’yi aşan Jominy mesafeleri için faktörler ihmal edilebilir düzeyde olduğundan, 6 mm’den küçük mesafeler hariç olmak üzere tüm deney numunesi için tek bir bağıntı kurulabilir. Aşağıda verilen bağıntı Just tarafından geliştirilmiştir:
75
J 6−80 = 95 C − 0.0028 ⋅ s 2 C + 20Cr + 38Mo + 14 Mn + 6 Ni + 6 Si + 39V + 96 P − 0.8 K − 12 s + 0.9 s − 13HRC Burada; J: Jominy sertliği s: Jominy mesafesi K: ASTM tane boyutudur. Yukarıdaki bağıntı 6-80 mm jominy mesafeleri için verilmektedir. Bu bağıntıda alaşım elementleri için de aşağıdaki sınırlamalar konulmuştur. C<%0.6, Cr<%2, Mn<%2, Ni<%4, Mo<%0.5, V<%0.2 Karbon dışında, diğer alaşım elementlerinin 6 mm’den daha az olan jominy mesafesi için etkisi ihmal edilebilmektedir. Bu nedenle, aşağıdaki bağıntı jominy numunesinin uç yüzeyii için kullanılır.
J 0 = 60 C + 20HRC, (C < %0.6) 4.3.Jominy ve Grossmann Eğrilerinin Pratik Uygulamaları Jominy eğrileri, kalite kontrolün en önemli yöntemleriden biridir. Aynı sınıf çeliklerin farklı sertleşebilirliklerini mukayese edebilmek kullanılan eğrilerdir. Jominy eğrileri çeşitli ortamlarda soğutularak sertleştirilmiş farklı boyutlardaki çelik çubuklarda elde edilen beklenilen sertlik dağılımını tahmin etmede
de kullanılabilir. Jominy
numunesinde farklı mesafelerdeki pratik soğuma hızları, çeşitli ortamlarda soğutulmuş farklı çaplardaki çubuklardaki pratik soğuma hızları ile mukayese edilebilir. Böyle bir kıyaslama eğrisi şekil 4.6’da verilmiştir. Bu eğrilerde, örneğin 14 mm’lik jominy mesafesindeki soğuma hızı, eğer tüm çubuklar aynı şartlarda soğutulmuş ise, 75 mm çaplı numunenin 2 mm altındaki bir noktada veya 39 mm çaplı parçanın merkezindeki soğuma hızıyla aynıdır. Şekil 4.6’daki jominy eğrileri kullanılarak şekil 4.7’deki gibi sertleştirme sonrası sertlik dağılımını gösteren bir diyagram elde etmek mümkündür. Şekil 4.6’daki eğriler tek bir soğuma ortamı göz önüne alınarak hazırlanmıştır. Bu diyagramlar tablo 4.1’de verilen değerlere uyan soğuma hızlarını içerecek şekilde tamamlanabilir. Bu şekilde tamamlanmış diyagramlar, şekil 4.8’den 4.13’e kadar verilmiştir.
76
Şekil 4.6: Farklı jominy mesafelerindeki soğuma hızı ile normal karıştırılmış yağdaki soğuma arasındaki ilişki. Bu eğriler, 12.5-100 mm çapındaki silindirik çubuklara aittir.
77
Şekil 4.7: 75 mm çapında BS 708A42 çeliğinin enine kesit sertliği. Bu eğri şekil 4.6’daki jominy eğrilerinden elde edilmiştir.
78
Şekil 4.8:
Çeşitli ortamlarda soğutulmuş çubukların soğuma hızları ile jominy numunesindeki soğuma hızları arasındaki ilişkiyi gösteren eğriler. r/R=1.
79
Şekil 4.9:
Çeşitli ortamlarda soğutulmuş çubukların soğuma hızları ile jominy numunesindeki soğuma hızları arasındaki ilişkiyi gösteren eğriler. r/R=0.9
80
Şekil 4.10: Çeşitli ortamlarda soğutulmuş çubukların soğuma hızları ile jominy numunesindeki soğuma hızları arasındaki ilişkiyi gösteren eğriler. r/R=0.7
81
Şekil 4.11: Çeşitli ortamlarda soğutulmuş çubukların soğuma hızları ile jominy numunesindeki soğuma hızları arasındaki ilişkiyi gösteren eğriler. r/R=0.5
82
Şekil 4.12: Çeşitli ortamlarda soğutulmuş çubukların soğuma hızları ile jominy numunesindeki soğuma hızları arasındaki ilişkiyi gösteren eğriler. r/R=0.3
83
Şekil 4.13: Çeşitli ortamlarda soğutulmuş çubukların soğuma hızları ile jominy numunesindeki soğuma hızları arasındaki ilişkiyi gösteren eğriler. r/R=0.1 Yukarıda verilen diyagramlar farklı yolla bulundukları için nasıl kullanılacaklarının bir örnek üzerinde verilmesi daha uygun olacaktır. Diyelim ki 100 mm çapında ve çok iyi karıştırma sağlanmış bir ortamda (H=0.5) su verilmiş bir numune alalım.(Numune DIN 42 CrMo 4 olsun, bu malzemeye ait jominy mesafesi-sertlik diyagramı şekil 4.14’de verilmiştir). Bu numunenin yüzeyinde elde edilebilecek sertliği bulabiliriz. Bunun için öncelikle H=0.5 ve D=100 mm değerlerini kullanarak şekil 4.8’den jominy mesafesi değerini okuruz, ardından bu mesafeyi kullanarak şekil 4.14’den yüzeyde elde edilebilecek sertliğe ulaşırız. Burada kullanılan jominy mesafesi ve sertlik eğrileri her malzeme için ayrı ayrı verilmektedir. Bu eğriler bazı malzemeler için şekil 4.15’den itibaren verilmiştir.
84
Şekil 4.14: DIN 42 CrMo4 çeliğinin farklı sıcaklıklarda temperlendikten sonra elde edilen jominy eğrileri.
85
(Dikdörtgen kesitli numuneler için eşdeğer çap dönüşüm diyagramı) Şekil 4.15’den itibaren bazı çelik malzemelere ait Jominy mesafesi-Sertlik eğrileri örnek olarak verilmiştir.
86
1045 Çeliği 70
Sertlik (HRc)
60 50 40 30 20 10 0 0
5
10 15 20 Jominy Mesafesi (mm)
25
30
Şekil 4.15: 1045 çeliğine ait JominyMesafesi-Sertlik diyagramı.
4130 Çeliği 60 Sertlik (HRc)
50 40 30 20 10 0 0
10
20
30
40
Jominy Mesafesi (mm)
Şekil 4.16: 4130 çeliğine ait JominyMesafesi-Sertlik diyagramı.
50
60
87
4140 Çeliği 70 Sertlik (HRc)
60 50 40 30 20 10 0 0
10
20
30
40
50
60
Jominy Mesafesi (mm)
Şekil 4.17: 4140 çeliğine ait JominyMesafesi-Sertlik diyagramı.
5150 Çeliği 70
Sertlik (HRc)
60 50 40 30 20 10 0 0
10
20
30
40
Jominy Mesafesi (mm)
Şekil 4.18: 5150 çeliğine ait JominyMesafesi-Sertlik diyagramı.
50
60
88
6118 Çeliği 70 Sertlik (HRc)
60 50 40 30 20 10 0 0
10
20
30
40
50
60
Jominy Mesafesi (mm)
Şekil 4.19: 6118 çeliğine ait JominyMesafesi-Sertlik diyagramı.
8620 Çeliği 60 Sertlik (HRc)
50 40 30 20 10 0 0
10
20
30
40
Jominy Mesafesi (mm)
Şekil 4.20: 8620 çeliğine ait JominyMesafesi-Sertlik diyagramı.
50
60
89
E4340 Çeliği 70 Sertlik (HRc)
60 50 40 30 20 10 0 0
10
20
30
40
Jominy Mesafesi (mm)
50
Şekil 4.21: E4340 çeliğine ait JominyMesafesi-Sertlik diyagramı.
60
90 5.ÇELİKTE ALAŞIM ELEMENTLERİ Alaşım elementlerinin çeliğin özelliklerini nasıl etkilediği konusu uzun yıllardan beri araştırılmakta olan bir konudur. Bazı alaşım elementleriyle ilgili genel varsayımlar yapılabilmiştir. Örneğin, krom alaşım elementinin çeliğe sertlik, nikel ve manganezin ise tok bir özellik sağladığı bilinmektedir. Alaşım elementleri çelik malzemelere uygulanan ısıl işlemler sonunda da özelliklere
etki
etmektedirler.
Örneğin
bazı
alaşım
elementleri
çelikte
sertleşme
özelliklerini iyileştirirken, bazıları nitrürlenme kabiliyetini artırır. Tabi unutulmaması gereken en önemli husus, alaşım elementlerinin tek başlarına yaptıkları etkileri, birkaç alaşım elementi bir arada yapıda bulunduğu zaman yapmayabilecekleridir. Dolayısıyla, çelik malzemelerde alaşım elementlerinin etkileri anlatılırken belli çelik bileşimleri söz konusu edilir. Kromun çeliği sert ve aşınmaya karşı dayanıklı yaptığı söylenirken, şüphesiz %2 C, %12 Cr’lu takım çeliği gözönünde tutulmuştur. Çünkü bu çelik sertleştirildiğinde, gerçekten sert ve aşınmaya karşı dirençli çelik özelliğini gösterir. Bunun yanısıra %0.1 C, %12 Cr’lu çelik seçilirse sertleşme sonrası elde edilen sertlik çok yüksek olmaz. Dolayısıyla Cr alaşım elementinin her iki durumda sertliğe katkısı aynı olmaz. Bu konuda verilecebilecek diğer bir örnek Mn alaşımıdır. Mn yapıda %13 olduğu zaman çeliğe tok bir özellik vermektedir. Oysa %1-5 arasında değişen Mn oranlarının çeliğin (diğer alaşım elementlerinin miktarına bağlı olarak ) tokluğunu bazen artırdığı bazen azalttığı söylenebilir. Bu bölümde, alaşım elementlerinin çeliğin özellikleri üzerine genel etkileri konusu anlatılmıştır. 5.1.Ostenit Oluşturucu Elementler Bu grubun en önemli elementleri C, Ni ve Mn’dır. Büyük miktarda Ni ve Mn çeliği oda sıcaklığında bile ostenitik halde tutar. Buna en tipik bir örnek olarak bileşimi %1 C, %13 Mn, %1.2 Cr olan Hadfield çeliği verilebilir. Bu çelikte Mn ile C, ostenitin kararlı halşe gelmesinde önemli rol oynar. Diğer bir örnek %18 Cr, %8 Ni içeren ostenitik paslanmaz çeliklerdir. Şekil 5.1’de Fe-Ni denge diyagramı ostenitin Ni miktarına bağlı olarak kararlı olabildiği bölgeleri göstermektedir. %10 Ni içeren alaşım, eğer 700°C'’e ısıtılırsa, tamamen ostenitiktir. Soğuma sırasında, γ, α dönüşümü 700-300°C sıcaklıkları arasında oluşur.
91
Şekil 5.1: Fe-Ni denge diyagramı. 5.2.Ferrit Oluşturan Elementler Bu grubun en önemli elementleri Cr, Si, Mo, W ve Al’dur. Ferritin Fe-Cr alaşımlarında
kararlı
olabildiği
bölge
şekil
5.2’deki
Fe-Cr
denge
diyagramından
görülmektedir. %13 Cr’dan daha fazla Cr içeren katı haldeki Fe-Cr alaşımları, ergimenin başladığı sıcaklığa kadar ferritiktir. Ferritik çeliğe ait diğer bir örnek olarak transformatör saclarının malzemesi verilebilir. Bu malzemede %3 Si içeren düşük karbonlu çeliktir.
92
Şekil 5.2: Fe-Cr denge diyagramı
5.3.Karbür Oluşturan Elementler Ferrit oluşturan çeşitli elementler aynı zamanda karbür yapıcı özelliktedirler. Karbür yapıcıların çoğuda demire bağlı olarak, ferrit oluşturucu özelliktedir. Aşağıdaki elementler soldan sağa karbona olan afiniteleri artış gösteren sırada verilmiştir. Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, Ta, Zr Bazı demir içermeyen karbürler özel karbür olarak adlandırılırlar. ÖrneğinCr7C3, W2C, VC, Mo2,C gibi. Bunun yanısıra, hem demir hemde karbür yapıcı elementlerin bir araya gelmesiyle oluşan karbürler vardır, (Fe4W2C gibi). Yüksek hız çelikleri ve sıcak iş takım çelikleri normal olarak üç farklıbileşimde karbürler içerirler. Bunlar M6C, M23C6 ve MC şeklinde gösterilirler. Burada M, tüm metal atomlarının toplamını temsil eder. Bu nedenle M6C, Fe4, W2C veya Fe4Mo2C’u; M23C6, Cr23C6’yı; MC’de, VC veya V4C3’ü temsil eder. 5.4.Karbürleri Kararlı Yapan Elementler Karbürlerin kararlılığı çelik içerisinde mevcut diğer alaşım elementlerine bağlıdır. Karbürlerin kararlılık dereceleri, elementin sementit ve matris arasındaki paylaşılmasına
93 bağlıdır. İki fazda mevcut alaşım elementlerinin ağırlıkça yüzdesi, paylaşılma katsayısı (K) olarak bilinir. Aşağıda çeşitli alaşım elementlerinin K değerleri verilmiştir. Al 0
Cu 0
P 0
Si 0
Co 0.2
Ni 0.3
W 2
Mo 8
Mn 11.4
Cr 28
V
Ti
Nb Artış
Ta
Tablodan görüleceği gibi, kendi halinde çok zayıf bir karbür yapıcı olan mangan oldukça kuvvetli bir karbür stabilizörüdür
(kararlı yapıcı). Krom karbürleri kararlı hale
getirmek için pratikte en çok kullanılan bir elementtir. 5.5.Nitrür Oluşturan Elementler Tüm karbür yapıcılar aynı zamanda birer nitrür yapıcı elementtirler. Azot, çeliğin yüzeyine
nitrürleme
yoluyla
sokulabilir.
Yüzeyleri
sertleştirilmiş
çeşitli
çeliklerin
sertleiklerinin ölçülmesiyle, farklı alaşım elementlerinin sert nitrürler oluşturma veya çökelme sertleşmesi yaparak çeliğin sertliğini artırma eğilimlerini incelemek mümkündür. Şekil 5.3’de bu tarz araştırma sonunda elde edilmiş olan alaşım elementi etkileri şematize edilmiştir. Burada Al ve Ti ilavesi sonucu elde edilen yüksek sertlik
değerleri
görülmektedir. Aynı şekil üzerinde Ni alaşımını etkileri incelendiğinde, alaşım elenti konsantrasyonu artsa bile sertliğin değişmediği görülür. Bunun nedeni Ni elementinin nitrür yapıcı bir element olmamasıdır.
94
Şekil 5.3: Alaşım elementi ilavesinin %0.25 C, %0.30 Si ve %0.7 Mn’lı çeliğin nitrürleme sonrası sertliğine etkisi.
5.6.Alaşım Elementlerinin Ferritin Sertliğine Etkileri Ferritin içinde katı eriyik oluşturan tüm alaşım elementleri ferritin sertliğine etki ederler. Şekil 5.4’de bu elementlerin sertliğine kadar değiştirdikleri görülmektedir.
95
Şekil 5.4: Alaşım elementlerinin ferritin sertliğine etkileri
Çeliklerde en çok bulunan alaşım elementlerinden Si ve Mn, ferritin sertliğine en fazla etkide bulunan iki elementtir. Cr ise en az etkiyi gösterir. Bu nedenle, Cr soğuk işlem görecek çeliklerde kullanılan en uygun alaşım elementlerinden biridir. 5.7.Alaşım Elementlerinin Tane Büyümesine Etkileri Tane vanadyumdur.
büyümesinin V
çelik
sınırlandırılmasında
içinde
çok
düşük
en
önemli
oranlarda
rol
(%0.1)
oynayan
olsa
bile,
element kullanımı
sertleştirmeiçin uygulanan ısıtma işlemi sırasında tane büyümesini durdurmak için yeterlidir. Bunun nedeni, vanadyumun sertleştirme sıcaklıklarında homojen dağılmış karbürler ve nitrürler şeklinde mevcut olmasıdır. Bu tür karbür veya nitrürleri katı eriyik içine alabilmek için ok daha yüksek sıcaklıklara çıkılması gerekmektedir. Bu nedenle, alışılagelmiş sertleştirme sıcaklıklarında, yapıda mevcut vanadyum karbürleri tane büyümesini engelleyici etkide bulunur. Ti ve Nb’da tane büyümesine V ile benzer etkileri gösterirler. Aynı şekilde yüksek hız çeliklerinde W ve Mo’in çift karbürleri de tane büyümesini engelleyici rol oynarlar. Yüzey sertleştirmede kullanılan ince taneli çeliklerin imalinde benzer etki Al ilavesiyle sağlanır. Bunun için uygulanan pratik yöntem önce oksijen miktarını belli bir seviyeye indirmek ve sonra çeliğe azot miktarına bağlı olarak Al ilave etmektir. Çelik
96 soğurken Al-N partiküllerinin dağılımı sağlanır ve çeliğin normal sertleştirme sıcaklığında tane büyümesi bu partiküller tarafından engellenir. Şekil 5.5’de verilen diyagram, %0.007
N
ve
%0.03
Al
içeren
çeliğin
1000°C’ye
kadar
ince
taneli
kaldığını
göstermektedir.
Şekil 5.5: 1260°C’nin altındaki sıcaklıklarda ostenit içindeki AlN partiküllerinin çözünürlüğünü gösteren diyagram.
Tane büyümesi, bu büyümenin başladığı kritik sıcaklığa bağlı olduğu gibi, bu sıcaklıkta tutma süresine de bağlıdır. Şekil 5.6 ve 5.7’deki diyagramlar En353 çeliğinde bu kritik noktayı göstermektedir.
97
Şekil 5.6: En352 çeliğinde ısıl işleme bağlı olarak tane boyutunun değişmesi. Tutma süresi 30 dk.
Şekil 5.7: 950°C ve 1000°C’ye ısıtılmış En352 çeliğinde, ısıl işlem zamanına bağlı olarak tane boyutunun değişmesi.
98 İnce taneli çelikler Nb ve Ti alaşım elementleri kullanılarak da elde edilebilir. Böyle çelikler genel yapı çelikleri veya basınçlı kazan çelikleri olarak kullanılırlar ve “mikro alaşımlandırılmış” çelikler olarak bilinirler.
99 6.GENEL ISIL İŞLEM Önceki bölümlerde çeliğin ısıl işlemi ile ilgili olarak teoriler verilmiş ve yüzey sertleştirme anlatılmıştır.
ısıl Bu
işlemleri bölümde
ile, ise
alaşım genel
elementlerinin olarak
ısıl
uygulamada
işlem
üzerindeki
kullanılan
ısıl
önemi işlemler
tanımlanarak pratik tecrübe ve uygulamalar anlatılacaktır. 6.1.Tavlama Tavlama işleminin genel amacı, çeliğin sertliğini azaltmak veya çeliğin daha sonraki imal işlemlerini kolaylaştıracak bir yapıya sahip olmasını sağlamaktır.
Tavlama terimi
genellikle birçok hallerde ostenit fazı içinde "katı eriyik işlemi" ve akabinde yavaş soğutmayı ifade eden "tam tavlama" olayı olarak belirtilir. Şekil 6.1'de genel olarak tavlamaların isimleri ve yapıldıkları aralıklar gösterilmiştir.
Şekil 6.1: Çeşitli ısıl işlemler için sıcaklık bölgelerini gösteren Fe-C diyagramı.
100 6.2.Maksimum yumuşaklık için tavlama Çelik malzemelerde sementit fazını küreleştirerek sertliği azaltmak amacıyla yapılan ısıl işlemdir. Otektoid altı çeliklerde A1 sıcaklığının hemen altında, otektoid üstü çeliklerde ise A1 sıcaklığının 50°C üzerinde yapılır. Perlitik yapıda bir çelik tavlandığında, sementit lamelleri, tavlama başladıktan kısa bir süre sonra lamel kenarlarından uçlar vermeye başlarlar, tavlamaya devam edildiğinde lameller verdikleri bu uç kısımlardan yuvarlaşarak küreler halinde ayrılırlar. Bu olaya küreleşme adı verilir. Küreleşme olayı sıcaklık arttıkça hızlanır. Şekil 6.2' de bir takım çeliğinin tamamen küreleşmiş mikroyapısı görülmektedir.
Şekil 6.2: Tamamen küreleşmiş karbürleri gösteren tipik tavlanmış yapı Her ne kadar, tavlamanın otektoid altı çeliklerde A1 sıcaklığının hemen altında olacağı söylense de, bu şekilde yapılan ısıl işlemin parça tavlandıktan sonra tekrar oda sıcaklığına soğutulduğunda sertliğe etkisi olmamaktadır. Bu nedenle tavlamanın A1'in üzerinde uygulanması ve akabinde A1'in hemen altında dönüşümün sağlanması, çoğu hallerde tavsiye edilmektedir. Eğer A1'in üzerinde tavlama ve takiben yavaş soğutma uygulanırsa, küreleşmiş yapı yine elde edilir. Tavlama sıcaklığı ne kadar yüksek olursa çözünen karbür miktarı da o kadar çok olacaktır. Fazla karbürün çözünmesi sementitin lameller şeklinde ayrışmasına yardımcı olur. Çelik soğudukça ostenit içersinde çözünmüş halde bulunan karbon ostenitten ayrılarak karbür kürelerini oluşturur. Dönüşüm sıcaklığı A1 sıcaklığına yakın ise oluşan küreler kaba ve yumuşak olur. A1'den uzaklaşıldıkca daha ince ve sert bir yapı elde edilir. Şekil 6.3'de sözü edilen mikroyapılar gösterilmektedir.
101
Şekil 6.3: a) Tavlama sıcaklığı 900°C, dönüşüm sıcaklığı 700°C, sertlik 194 HB, b) Tavlama sıcaklığı 900°C, dönüşüm sıcaklığı 625°C, sertlik 225 HB, (her iki resim de 250x).
Sade
karbonlu
ve
düşük
alaşımlı
çelikler
için
küreleştirme
tavlamasının
yapılmasında en çok uygulanan yöntem şöyledir; a. 775°C'de 2 saat kısmi ostenitleme b. 725°C'ye kadar 10°C/saat hızla 5 saat soğutma c. Oda sıcaklığına havada sürekli soğutma Bu yöntem, A1'in üzerine 50 °C civarında çıkıp, A1 sıcaklığına kadar çok yavaş soğutarak soğuma sırasında dönüşüm sağlamak amacıyla yapılmıştır. Şekil 6.4'de verilen TTT diyagramında 1 nolu soğuma eğrisi, yukarıda anlatılan işlemi göstermektedir. Aynı diyagramda verilen 2 nolu soğuma eğrisi ise sabit sıcaklıkta bekleme (izotermal dönüşüm) eğrisidir bu işlem sonraki bölümlerde anlatılmıştır.
102
Şekil 6.4: Otektoid altı bir çelik malzeme için örnek TTT diyagramı, 1 nolu soğuma eğrisi tam tavlamayı 2 nolu soğuma eğrisi izotermal tavlamayı göstermektedir. Otektoid üstü
çeliklerde tane sınırları sementitlerini
makul bir süre içinde
küreleştirebilmek için, tavlamanın A1 sıcaklığının üzerinde yapılması gerekmektedir. Bu durumda bile tane sınırlarındaki sementit ağı tamamen istenen forma girmeyebilir. Bu durumu önlemek için yapılması gereken işlem tavlamadan önce bir normalizasyon işlemi yapmaktır.
6.3. Soğuk Deformasyon ve Yeniden Kristalleşme Tavlaması Soğuk Deformasyon Soğuk deformasyon malzemede plastik şekil değişimi sonunda oluşur. Plastik deformasyon hem dislokasyonların hareketini sağlar, hem de yeni dislokasyonların
103 oluşumuna sebep olur. sertleşmesi
Soğuk işlem sonunda mukavemetin artması deformasyon
nedeniyledir.
Deformasyon
sertleşmesi,
dislokasyonların
birbirleri
ve
dislokasyonların hareketini zorlaştıran çeşitli engeller ile etkileşimi sonucunda oluşur. Soğuk işlem ile malzeme mukavemetindeki artış soğuk işlem miktarı ile orantılıdır. Tavlanmış bir malzemede dislokasyon yoğunluğu 106-108 cm-2 civarındadır. Fazla miktarda soğuk işlem görmüş bir malzemede ise dislokasyon yoğunluğu yaklaşık olarak 1012 cm-2 değerine ulaşmıştır. Soğuk işlem sonucunda malzemenin taneleri deformasyon yönünde uzar ve belirli kristalografik doğrultularda yönlenirler. Tanelerde dislokasyon yoğunluğunun artması yanında birçok atom boşluğu da meydana gelir, aynı zamanda malzemenin yoğunluğunda bir miktar azalma görülür. Soğuk
işlem
sonucunda
malzeme
yapısında
meydana
gelen
dislokasyon
yoğunluğunun malzemenin mukavemetine etkisi aşağıdaki bağıntıyla hesaplanabilir:
σ p = σ i + α ⋅ G ⋅ b ⋅ ρ 1/ 2 Burada: σp: Plastik deformasyon gerilmesi σi: Sürtünme gerilmesi G: Kayma elastiklik modülü b: Burgers vektörü α: Bir sabit (genellikle0.3-0.6 arasındadır) ρ: Dislokasyon yoğunluğu Soğuk işlem esnasında sarfedilen enerjinin bir kısmı dislokasyon enerjisine çevrilir, bir kısmı ise, ısı halinde kaybolur. Böylece enerjinin büyük bir kısmı dislokasyon enerjisi halinde malzeme içinde depo edilmiş olur. Soğuk işlemde deformasyon miktarına bağlı olarak malzemenin mekanik özeliklerindeki değişim şekil 6.5'de gösterilmiştir.
104
Şekil 6.5: Şematik olarak soğuk işlem oranının ve soğuk işlemden sonraki tavlama sıcaklığının mekanik özellik ve mikroyapıya etkisi. Ön soğuk işlem oranı arttıkça malzemenin akma ve çekme mukavemeti ile sertliğinde artış, buna karşılık sünekliğinde (% uzama ve % kesit daralması) azalma olur. Metalik malzemelerde soğuk işlem miktarı sınırlıdır. Çünkü belirli bir soğuk işlem miktarında malzemenin sünekliği sıfıra iner. Soğuk işlem sırasında atom boşluklarının meydana gelmesi ve bunların konsantrasyonunun soğuk işlem miktarı arttıkça artması malzemede çatlaklara sebep olur. Çatlak oluşumunu önlemek ve soğuk işlemle azalan sünekliği artırmak amacıyla malzeme soğuk işlem sırasında zaman zaman tavlanır. Tavlama ile yüksek sıcaklıkta bir süre tutulan malzemenin soğuk deformasyon yapısı bozulur. Malzeme yapısının değişimini toparlanma, yeniden kristalleşme ve tane büyümesi olarak başlıca üç grupta incelemek gerekir.