ısıl işlem ders notları - BOZOK ÜNİVERSİTESİ Personel Bilgi Sistemi

ısıl işlem ders notları - BOZOK ÜNİVERSİTESİ Personel Bilgi Sistemi

METALÜRJİ
ÇELİKLER VE ISIL İŞLEM DERS NOTU
ADEM ŞAHİN
www.malzemebilimi.net
2
I. GİRİŞ
Mühendislikte tasarlanan imalatı gerçekleştirmek için kullanılacak malzeme seçiminin
doğru yapılması üretim kolaylığı ve mamulün emniyetli ömrü açısından önemlidir.
Malzeme seçimi yapılırken önce aşağıdakine benzer soruların cevaplandırılması
gerekmektedir. Bunlardan bazıları şunlardır;
- Mamul hangi gerilmeler altındadır? (Gerilmenin büyüklüğü, statik veya dinamik
oluşu)
- Mamul hangi ortamda çalışacaktır? (Hava, su, yağ, asit vb)
- Mamul hangi sıcaklıkta çalışacaktır?
- Sürtünme ve aşınma sözkonusu mudur?
- İmalat hangi metotlarla gerçekleştirilecektir? (Döküm, plastik şekil verme vb)
Bu gibi sorulara cevap bulunduktan sonra piyasada bulunabilen malzemenin
mukavemet, sertlik, tokluk, yoğunluk, yüksek sıcaklığa dayanıklılık ve korozyon direnci
gibi özellikleri ile ekonomik olup olmadıkları da göz önüne alınarak bir seçim yapılır.
Bazı özelliklerden bir miktar ödün verip kullanım için en önemli özellik dikkate alınıp,
diğer özellikler sonradan yapılacak müdahalelerle iyileştirilebilir.
Genelde malzemenin en önemli özelliği olan mekanik özellikler gerek imalat sırasında
işlem kolaylığı sağlamak için gerekse imalat sonrası kullanım yerinin gerektirdiği
değerleri sağlamak için çeşitli işlemlerle değiştirilebilir. Mekanik özellikleri değiştirme
malzeme cins ve kimyasal bileşimine bağlı olmak kaydıyla aşağıdaki işlemlerden bir
veya birkaçını uygulamak suretiyle mümkündür. Bu işlemler;
- Mekanik işlemler
- Termik işlemler
- Termo-mekanik işlemler
3
olmaktadır.
Bu
işlemlerden
termik
işlemler
dilimizde
ısıl
işlemler
olarak
kullanılmaktadır. TSE ce ısı işlemleri olarak adlandırılmıştır. Isı işlemleri, metal veya
alaşımlarına özelliklerini değiştirmek amacıyla bir veya daha çok sayıda uygulanan
ısıtma, soğutma gibi işlemler olarak tarif edilir.
A) ISIL İŞLEM NEDİR?
1. Metal metal bir parçanın özelliklerinde belirgin bir değişiklik sağlamak amacıyla
metal veya alaşımların katı halde ısıtılıp soğutulması işlemlerine “ısıl işlem” denir.
2. Isıl
işlem
istenen
değişikliklerin
yanı
sıra
istenmeyen
değişiklikler
de
yaratabilir.Özel olarak yapılabileceği gibi başka bir işlemin sonucu olarakta ortaya
çıkabilir.
B) ÇELİĞE NEDEN ISIL İŞLEM YAPILIR?
1. Aşınma dayanımını arttırmak için.
2. Mekanik özelliklerini iyileştirmek için(tokluk,çekme ve akma dayanımı).
3. Sünekliğini geliştirmek ve yumuşatmak için.
4. Kaba tane yapısını inceltmek için.
C) ISIL İŞLEM NE ZAMAN YAPILIR?
1. Çeliğe yapılan ilk işlem olabilir. Örneğin,işlenebilirliği geliştirmek için.
2. Bir parçanın imalat sırasında ısıl işlem görmesi gerekebilir. Örneğin soğuk
şekillendirme sırasında parçanın tekrar şekil verilebilmesi için yumuşatılması
gerekebilir.
3. Aşınma dayanımı elde etmek için en son işlem olarak yapılabilir. Örneğin saban
demiri(pulluk kulağı).
Ç) ÇELİK ISIL İŞLEMİ NASIL YAPILIR?
1. Değişik mikro yapılar elde etmek amacı ile allotropik dönüşümlerden yararlanılarak.
2. Bu mikro yapıların oluşumu öncelikle soğuma hızına, ya da daha teknik bir ifade ile,
zaman-sıcaklık ilişkisine bağlıdır.
3. Soğuk işlem görmüş düşük karbonlu bir çeliğin yapısını yeniden kristalleştirme
işlemi, allotropik dönüşüme bağımlı değildir.
4
D) MALZEME – TASARIM – ISIL İŞLEM İLİŞKİLERİ
Isıl işlem pratiğinde sık sık karşılaşılabilen yetersiz sertlik, yetersiz mukavemet
değerleri veya çatlak vb. sorunlar, üretim birimleri arsında çözümü zor tartışmalara
neden olur ve hata, genellikle ısıl işlem bölümüne yüklenir. Aslında, amaçlar
doğrultusunda, hatasız parçalar üretmek için dikkat edilmesi gereken bir çok nokta
vardır. Örneğin, malzeme seçimi, tasarımı, taşlama ilk akla gelen önemli faktörlerdir.
1.MALZEME SEÇİMİ
Her uygulama için en uygun olan çeliğin seçilmesine dikkat edilmelidir. Burada çeliğin
analizi kadar, hatta daha da önemli olan malzemenin yapısal özellikleridir. Çeliğin
yapısında bulunabilecek kalıntı, gözenek, çapak, kılcal çatlak gibi oluşumlar, ısıl işlem
sırasında mutlaka sorun kaynağı olacaklardır. Gene örneğin dengesiz bir karbür dağılımı
veya karbonsuzlaşmaya uğramış bir yüzey istenen sonuca ulaşılmasını engeller.
Çelik üretimi sırasında ingot dökümünden dövmeye veya haddelemeye kadar
yapılabilecek çeşitli hatalar, ısıl işlem sırasında malzemenin tamamen çıkmasına bile
sebep olabilirler.
Bunun için, amacımıza uygun bir çeliği seçerken, analizden, yapıya kadar bir çok
konuda dikkatli olmak gereklidir. Hataları peşinen önlemek daima daha ucuza
geleceğinden, bu aşamalarda dikkat elden bırakılmamalıdır.
2. TASARIM
Burada sözkonusu olan, üretilecek parçanın daha tasarım aşamasındayken, ısıl işlem
açısından gözden geçirilmelidir. Örneğin büyük kesit değişiklikleri yani kalın
kesitlerden ince kesitlere ani geçerler, veya keskin köşelerden mümkün olduğunca
kaçınılmalıdır. Isıl işlem sırasında oluşacak iç gerilimler sonucu; ya ısıl işlem sırasında
ya da kullanım sırasında parçalarda bu yüzden kırılmalar meydana gelebilir. Bu konuda
çeşitli örnekler, Şekil 1’de verilmiştir.
5
3. TAŞLAMA
Taşlama su verme sonrası ve meneviş öncesi yapılıyorsa, yüzeyde çatlaklar her zaman
oluşabilirler. Taşlama sırasındaki aşırı ısınma sonucu doğacak gerilimler, yüzeylerde
çatlamaya sebep olacağından, bu işlem mümkün olduğu kadar su verme sonrası
yapılmamalı, taş seçimine dikkat edilmeli, hızlı ve aşırı yükle taşlamadan kaçınılmalı ve
yeterli soğutma sağlanmalıdır. Aşırı ısınma ve soğuma, yüzeyde bir tabaka kalıntı
östenit, onun hemen altında ise aşırı menevişlenmiş bir tabaka yaratır. Bu gibi zayıflık
yaratıcı özelliklerden mümkün olduğunca uzak durulmalıdır.
4. KULLANIM
Kullanım sırasında da aşırı yükleme, gerilim artışı, dikkatsiz çalışma, yüksek çalışma
sıcaklığı, hızlı ısınıp soğuma gibi durumlar, ısıl işlemi doğru da yapılmış olsa, parçalar
ömrünü kısaltan faktörlerdir.
Düşük alaşımlı çelikler, ısı şoklarından pek etkilenmezler. Ama her yerde düşük
alaşımlı çelik kullanılamayacağından, özellikle alaşım miktarı yükseldikçe fiyatı da
yükselen çeliklerde fazla malzeme kaybının önüne geçmek için bütün bu faktörler,
rasyonel bir değerlendirmeden geçirilmemelidir.
6
Şekil 1: Isı İşlem Açısından Tasarım Örnekler
7
II. ÇELİĞİN TEMEL DÖNÜŞÜMLERİ
A. KATI DÖNÜŞÜM PRENSİPLERİ
Ergimiş durumdaki saf demirin oda sıcaklığına soğutulma durumundaki davranışı
aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
Şekil 2: Saf Demirin Faz Dönüşümleri
B. DEMİR-KARBON DENGE DİYAGRAMI
Bu diyagramda izotermal reaksiyonları gösteren üç yatay çizgi vardır:
- Peritektik reaksiyon
- Ötektik reaksiyon
- Ötektoid reaksiyon
8
Şekil 3: Demir-Karbon Diyagramının Çelik Bölüm
9
Şimdi diyagramın sol üst köşesindeki kısmı ele alalım: (Şekil 3)
Bu kısım delta bölgesi olarak bilinir. 1493 oC sıcaklıkta bulunan yatay çizgi peritektik
reaksiyonu göstermektedir.
Peritektik reaksiyon şöyle yazılabilir:
Sıvı (L) + SOĞUMA/ISINMA 
HMK yapıya sahip -demirde karbonun eriyebilirliği en fazla % 0.10 iken YMK yapıya
sahip  demirde karbon eriyebilirliği daha yüksektir.
Isıl işlem prosesi uygulanmadığından delta bölgesinin çok az endüstriyel uygulaması
vardır.
İkinci yatay çizgi, 1147 oC sıcaklıkta bulunan çizgidir. Bu çizgi, aşağıdaki verilen
reaksiyonun meydana geldiği ötektik sıcaklığı çizgisidir.
Sıvı (L) soğuma/ısınma  + Fe3C
Ötektik karışımı
 fazı oda sıcaklığında varolmadığından mikro yapıda ötektik karışımı görülmez.
En son yatay çizgi 723 oC sıcaklıkta oluşur. Bu çizgiye ötektoid sıcaklığı çizgisi denir.
Ötektoid reaksiyon şöyle yazılabilir.
 soğuma/ısınma  + Fe3C
ötektoid karışım
2. Karbon yüzdesine göre demir-karbon denge diyagramını üç kısma ayırmak
mümkündür:
10
a-Demir: İhmal edilebilecek kadar az karbon içeren veya saf demir.
b-Çelik: % 2’den az karbon içeren Fe-C alaşımlarıdır.
c-Dökme demir: % 2’den fazla karbon içeren Fe-C alaşımlarıdır.
3. Çelik bölgesi ötektoid karbon oranına (% 0.83 C) göre sınıflandırılır; % 0.83 den az
karbon içeren çelikler ötektoid altı çeliklere, % 0.83-2.0 arasında karbon içeren çeliklere
ötektoidüstü çelikler denir.
Gene karbon miktarlarına göre çelikler, şöyle de sınıflandırılabilir:
ötektoidaltı
0.2
0.4
ötektoid
0.6
düşük orta karbonlu
0.8
ötektoidüstü
1.0
1.2
1.4
1.6
%C
yüksek karbonlu
4. Demir-karbon denge diyagramının çelik bölgesindeki önemli olayları şöyle
sıralayabiliriz:
a-Sıcaklık yükselirse perlit hızla östenite dönüşür; ferrit ve östenitte birleşerek sadece
östenit oluştururlar.
b-Yapıdaki bütün sementitin eriyeceği minimum sıcaklık, bileşimdeki karbon miktarına
göre değişir. (% 0-2 C) Karbon % 2’nin üzerinde ise her zaman biraz sementit erimemiş
olarak kalacaktır.
c-Çeliği kritik sıcaklığın üzerine çıkarmakla (bu bölgede mümkün olduğunca düşük bir
sıcaklık düzeyinde kalmak şartıyla) minimum dane büyüklüğü elde edilebilir.
d-Demir-karbon denge diyagramı sadece bir rehber niteliğindedir. Bu diyagrama
dayanılarak, ulaşılacak özellikler hakkında tahmin yapılamaz. Ayrıca, zaman etkisi de
bu diyagramda görünmez.
11
C. ÇELİĞİN İÇ YAPISI
1.Ferrit (-demir)
Ferrit, demirde (HMK) az miktarda karbonun erimesiyle oluşan bir arayer katı
eriyiğidir. Demir-karbon denge diyagramında “” işaretiyle gösterilen bölgede oluşur.
Ferritte çözünebilen en fazla karbon miktarı % 0.008 karbon çözünür. Çelikteki en
yumuşak fazdır. Ortalama özellikleri şöyle özetlenebilir:
Çekme mukavemeti: 40.000-psi
Uzama
: % 40
Sertlik
: 0-HRC’nin altında
2.Sementit (Fe3C)
% 6.67 karbon içeren demir karbür bileşiğidir. Çeliğin yapısındaki en sert fazdır.
Yapıda iğneli veya ağ şeklinde bulunan sementit, çok sert ve kırılgandır. Çekme
dayanımı düşük, buna karşılık basma mukavemeti yüksektir.
3.Perlit
% 0.83 karbon içeren ötektoid yapıdır. Ferrit ve sementit fazlarının karışımı olan perlit
çok yavaş soğuma şartlarında 723 oC sıcaklıkta oluşur. Yapıda yuvarlak taneli veya
lamelli olarak görülebilir. Taneli türü, 723 oCsıcaklıkta tavlama veçok yavaş soğutma
ile elde edilebilir. Lamelli türü ise havada soğutma ile oluşur. Ortalama özellikleri şöyle
özetlenebilir:
Çekme mukavemeti: 120.000 psi
Uzama
: % 20 (2inçte)
Sertlik
: 20 HRC
Perlitik yapı özellikle taşlanabilirlik açısından elverişlidir.
12
4.Östenit (-demir)
YMK şeklinde demir yapıda katı karbon çözeltisidir. Demir-karbon denge
diyagramında “” işaretiyle gösterilen bölgede oluşan östenit yaklaşık % 2’ye kadar
karbon çözündürebilir. Her cins çelikte 723 oC nin üzerinde bulunur. Ac3 ve Acm
sıcaklıklarının üzerinde ise çözünme tamdır. Yumuşak ve antimanyetiktir. Ortalama
özellikleri şöyle özetlenebilir:
Çekme mukavemeti: 150.000 psi
Uzama
: % 10 (2 inçte)
Sertlik
: Maksimum 40 HRC
Alaşımsız çelikte normal olarak oda sıcaklıklarında bulunmaz.
5. Martensit
Östenitin hızla soğutulması sonucu elde edilen iğneli ve sert bir yapıdır. Yaklaşık 200250 oC civarında dönüşür.
6. Östenitin, perlitik dönüşüme izin vermeyecek hızlarda, ancak martensit elde
etmeyecek kadar yavaş soğutulması sonucu değişik yapılar ortaya çıkar. Bu yapılar
soğuma hızı arttıkça, sorbit, beynit, trostit isimlerini alır:
a. Sorbit: Martensitin 400 0C nin üzerinde tavlanması ile de elde edilebilir. Ferrit ve
sementitin tanesiz ve çok ince karışımıdır. Mikroskop altında ince perlit olarak da
tanımlanır. Bu yapı, özellikle tel çekme işlemlerinde aranır. Sertliği 250 HB
civarındadır.
b.Beynit: Özmenevişleme işlemi ile elde edilen bu yapının sertliği perlit ve martensit
yapıların arasında olup, 40-60 HRC arasında değişir. Beynitik çelikler, özellikle, yaylar,
tarım araçları, segman, çanak, çayır bıçağı gibi aletlerin üretiminde kullanılırlar.
13
c.Trostit: Martensitin 250 oC sıcaklıkta tavlanması ile de elde edilebilir. Ferrit ve
sementitin tanesiz ince karışımıdır. Sertliği 400 HB civarındadır.
7.Ledeburit
Östenit ve sementit fazlarının mekanik karışımıdır. Demir-karbon denge diyagramının
ötektik pozisyonudur.
8.Grafit
Sementit (Fe3C) her zaman kararlı bir faz değildir. Bazı özel durumlarda ayrışabilir:
Fe3C
3 Fe + C (grafit)
Yavaş soğutulmuş dökme demirlerin çoğunda grafit oda sıcaklığında mevcut olan bir
yapı elemanıdır. Çeliklerde ise östenit sıcaklığının altında çok uzatılmış tavlamalar
sonucu ortaya çıkabilir. Silis, grafit oluşumunu özendirir.
14
Şekil 4 (a): Çeliğin İç Yapısı
15
Şekil 4 (b): Çeliğin İç Yapısı
16
Şekil 4 (c): Çeliğin İç Yapısı
17
D. ALAŞIM ELEMANLARININ ETKİSİ
1. Çeliklerde kullanılan alaşım elemanları, gerek tür ve gerekse miktar açısından
öylesine büyük bir çeşitlilik gösterir ki, kimyasal analiz ile iç yapı arasında sayısal bir
ilişki kurmak çok güçtür. Demir-karbon denge diyagramı üzerindeki etkilerini üç
önemli başlık altında toplayabiliriz.
a. Yapıdaki fazların sayısı daha önce açıklananlarla sınırlı kalmaz.
b. Ötektoid dönüşüm sıcaklığı etkilenir.
c. Ötektoid pozisyonu da etkilenir.
2. Alaşım elemanlarını pratik bir biçimde gruplandırmak istersek, onları değişik yapılar
oluşturma özelliklerine göre ayırmak uygun olur:
a. Östenit dengeleyici: C, N, Mn, Ni, Cu, Zn, Co
b. Ferrit dengeleyiciler: Zr, Ti, Sn, P, V, Nb, W
c. Krbür yapıcı olanlar: Mo, W, Be, Nb, V, Cr
d. Grafit yapıcı olanlar: Si, Co, Al, Ni
3. Alaşım elemanlarının çelikler üzerindeki etkilerini ise şöyle özetleyebiliriz:
a. Karbon ( C): Daha önce değinildiği üzere karbon, çeliğin temel alaşım elemanıdır.
Çelik iç yapısındaki sertlik özelliği, doğrudan doğruya karbonun ürünüdür; gerek
martensit dönüşümü ve gerekse nihai sertlik, karbon sayesinde ortaya çıkar. Çelikte
ulaşılabilecek en yüksek sertlik değeri, bileşimindeki karbon değerine bağlıdır:
Sertliğe ve çekme dayanımını arttırmasına karşılık yüksek karbon, çeliğin süneklik ve
dövülebilirlik özelliklerini zayıflatır ve kaynak kabiliyetini düşürür. Ayrıca, su verme
sonrasında kalıntı östenit miktarını da artırır. Bu da, özellikle takım çeliklerin de
menevişleme işlemlerine özel bir önem verilmesini gerektirir.
18
b. Alüminyum (Al): En güçlü oksijen ve nitrojen giderici eleman olarak çelik
üretiminde kullanılır. Yaşlanma direncini artırır ve küçük miktarlarda kullanıldığında
dane inceltici etki yapar. Volfram ve molibden yerine % 1’e kadar kullanılır, ancak
yapıda alümine oluşması problem çıkarabilir.
Nitrojenle birleştiğinde çok sert nitrür oluşturduğundan, nitrürlenen çeliklere uygulanır.
Tufalleşme direncini artırır ve ferritik yapılı ısıya dayanıklı çeliklerde kullanılır.
Östenit bölgesinin daraltma etkisi güçlüdür.
Fe-Ni-Co-Al manyetik alaşımlarında kullanılır.
c. Antimon (Sb): Zararlıdır; tokluğu düşürür ve östenit bölgesini daraltır.
ç. Arsenik (As): Zararlıdır, östenit bölgesini daraltır, difüzyon tavlaması ile elimine
edilmesi
kükürte
nazaran
zordur.
Meneviş
gevrekliğini
arttırır,
tokluk
ve
kaynaklanabilirliği ise azdır.
d. Kurşun (Pb): Çelikte erimez, suspansiyon halinde kalır. Küçük talaş ve düzgün yüzey
elde edebilmek için otomat çeliklerinde % 0.2-0.5 arasında kullanılır.
e. Bor (B): Nötron emici özelliği güçlü olduğundan nükleer enerji tesislerinin
kalkanlarında kullanılır. Sementasyon çeliklerinde göbek kısmının sertliğini yükselterek
sertleştirilebilirliği arttırır. Kaynak yapılma imkanını azaltır. Östenit tanelerini
büyüttüğünden % 0.008 oranında bile sağlamlığı azaltır.
f. Seryum (Ce): Temizleyici etkisi vardır. % 70 Ce içeren Fe-Ce alaşımları, ateşleticidir.
Dökme demire küreselleştirme amacıyla katılır.
g. Krom (Cr): En önemli fonksiyonu sertleşebilirliği artırmasıdır; gerek yağ gerekse
havada sertleşmeyi mümkün kılacak kadar kritik soğuma hızını düşürür. Darbe
dayanımını artırır.
19
Tavlanmış çeliklerde karbürler halinde bulunur, bu karbürler östenitleme sırasında erir
ve martensit oluşumunun birincil kaynağını oluşturur.
Aşınma dayanımı, sıcak sertliği, H2- direncini geliştirir.
Artan krom miktarları, tufalleşme direncini artırır, ancak korozyon dayanımı için %
13’ün üzerinde kalması gerekir.
Östenit bölgesini daraltır ve ferrit bölgesini genişletir, östenitik Cr-Mn ve Cr-Ni
çeliklerinde ise östeniti kararlaştırıcı etki yapar.
Isı ve elektrik iletkenliği ve ortalama genleşme katsayısını düşürür.
Bir başka önemli etkisi de özellikle yüksek hız takım çeliklerinde görülür. İkinci
sertleşme sırasında karbür çökelmesi üzerindeki engelleyici etkisi, alaşım elemanları
açısından daha zengin bir matris daha ince karbürler oluşmasını sağlar. Büyük
miktarlarda kalıcı östenit olmadığı zaman çeliğin yumuşamasını engelleyici etkisi vardır
ama tek başına ikincil sertleşme sağlamaz. Sonuçta, süneklilik ve sertlik arasında
optimum bir denge oluşmasını sağlar.
g. Kalsiyum (Ca): Silisle birlikte oksijen gidermede kullanılır.
h. Kobalt (Co): Yüksek hız çelikleri, sıcak iş çelikleri ve ısıya dayanıklı çeliklerde
kullanılır. En büyük özelliği, kızıl sertliği en etkin olarak artıran eleman olmasıdır,
ancak bunu, darbe dayanımını düşürme pahasına yapar.
Çeliğin türüne bağlı olmak üzere yaklaşık % 5 lik bir kobalt katkısı sertliği 1-2 HRC
yükseltir, kızıl sertlik ve iletkenliği de birlikte gelişir.
Çalışmalar, bu elemanın takım çeliklerinde diğer alaşım karbürlerinin çökelmesini
engellediğini göstermektedir. Gene kobatl, Co7-M6 şeklinde bir intermetaloid oluşturur
ve bu faz, tavlanmış çeliğin sertliği ile karbür miktarını düşürür.
20
Çeliğin tokluk ve sağlamlığını da azalttığı saptanmıştır, yapılan deneylerde %5 e kadar
olan kobalt katkısı ile darbe dayancında hafif bir düşme, % 5-8 arasında hızlanan, %
8’in üzerinde ise önemli boyut kazanan bir düşme ortaya çıkmıştır.
Çeliğe bir başka etkisi de derin talaş kaldırma özelliğini geliştirmesidir.
h. Magnezyum (Mg): Dökme demirlerde grafitleri küreselleştirme amacıyla kullanılır.
i. Mangan (Mn): Oksijen alma işleminde kullanıldığından, % 0.35’e kadar bulunur.
Çeliğin dayanımını iyileştirir. Kritik soğuma hızını düşürerek sertleşebilirliği
iyileşebilir. Karbür oluşturmaz, ancak belirli ölçülerde diğer karbürlerde çözünür. Mn
miktarı % 0.20-0.35 arasında tutulan çelikler suda sertleşebilirler.
Yüksek karbonlu ve en az % 12 manganlı çelikler darbeyle şertleşirler, ve ancak bu
soğuk deformasyon sertleşmesinden sonra yüksek aşınma dayanımı kazanırlar.
j. Molibden (Mo): Güçlü bir karbür yapıcıdır. Etkisi volfram gibi olduğundan onun
yerine kullanılır. Molibden karbürler daha düşük sıcaklıkta çözündüğü için de
östenitleme sıcaklığı da düşüktür.
Kritik soğuma hızını düşürür, sertleşebilirlik ve sıcak sertlik özelliklerini geliştirir.
Meneviş gevrekliğini engeller. Olumsuz özellikleri de tufalleşme direncini düşürmesi ve
karbon kaybetme eğiliminin güçlü olması yani çelikte karbonsuzlaşma eğilimini
arttırmasıdır.
k. Nikel (Ni): Çeliğindarbe dayanımını geliştirir. Ayrıca çok düşük sıcaklarda tokluğun
muhafazasını sağlar.
Cr-Ni paslanmaz çeliklerde kullanılır.
% 2’nin üzerinde östenit fazını dengeleme eğilimi gösterir, karbonsuzlaşmayı
hızlandırır.
21
l. Fosfor (P): Birikime sebep olduğu için zararlıdır, ayrıca gevrek kırılmaya neden olur.
m. Kükürt (S): Genel olarak bütün çeliklerde zararlı bir eleman olarak tanınır. Çeliği
gevrekleştirir. En güçlü birikim yapıcı elemandır. Malzemede enlemesine yöndeki
tokluğu belirgin biçimde düşürür. Ayrıca kaynak çatlamasına eğilimi yükseltir.
Yağlama etkisi ve küçük talaş kaldırması sayesinde istisna olarak otomat çeliklerinde
zararını önlemesi için iki misli manganla birlikte kullanılan bu elemanın son yıllarda
yüksek hız çeliklerinde de kullanıldığı görülmektedir.
n. Silis (Si): oksijen alma işleminde kullanılır. Grafit çökelmesini hızlandırır. Katı
çözelti içinde çözünmüş olarak bulunan bu eleman, çekme dayanımı ile aşınma
dayanımını iyileştirir.
Özellikle şok dayanımlı çelikler ile yay çeliklerinde kullanılan silis, yüksek miktarda (%
1’in üstünde) katılırsa, yüksek sıcaklıklardaki tufal oluşumunu yavaşlatır.
o. Vanadyum (V): Önceleri cüruf pisliklerini ve azotu azaltmak için kullanılmış ancak
daha sonra kesme yeteneğini geliştirdiği saptanmış olan bu eleman minimum % 1
oranında olmak üzere yüksek hız çeliklerinde daima bulunur. Genellikle % 2-3
civarında katılır. VC ve V3C4 şeklinde çok kararlı karbürler oluşturur; bu karbürler
normal östinitleme sıcaklıklarında çözünmezler ve böylece dane büyümesine karşı çok
etkili bir engel oluştururlar. Özellikle yüksek hız çelikleri östenitlenirken solidus
noktasına yaklaşan sıcaklıkta dane büyümesini engelleyen bu karbürlerin varlığı ısıl
işlemde ortaya çıkabilecek çok önemli sorunların önüne geçer.
Oluşturduğu karbürler çok serttir; V3C4 en sert karbür olarak bilinir. Krom ve molibden
ile birlikte çeliğin aşınma direncini çok arttırır ve kesme takımlarının ömrünü uzatır.
Taşlanabilirlik özelliği azalır. Östenit bölgesini daraltır ve Curie sıcaklığını (A2) yukarı
kaydırır.
22
Yüksek hız çeliklerinde, sıcak iş çeliklerinde, sürtünmeye dayanıklı çeliklerde
kullanılır.
Kızıl sertliği arttırmak için de kullanılan bu eleman, ayrıca menevişlenmiş çeliklerin
kaynak yapılma özelliğini de geliştirir.
p. Hidrojen (H): Zararlıdır, gevrekliğe sebep olur. uzama ve kısalma değerlerini
düşürür. Asit kaynaklı hidrojen atomu yüzeye nüfuz ederek kabarcıklar oluşturur. Nem
kaynaklı hidrojen ise yüksek sıcaklıklarda karbonsuzlaşmaya neden olur.
r. Volfram (W): Çok güçlü bir karbür yapıcıdır, bu karbürler çok sert olur. tokluğu
iyileştirir. Sürünme ve yüksek sıcaklıklarda aşınma dayanımını geliştirir. Tercihen
yüksek hız çelikleri, sıcak iş kalıp çelikleri, sürünme dayanımlı çelikler ve en yüksek
sertlikteki elmas çeliklerinde kullanılır.
Yüksek hız çeliklerinde % 20’ye varan oranlarda kullanılır. Oluşturduğu W 2C6 türü
kompleks karbürler, hem aşınma direncini artırır, hem de kızıl sertliğini yükseltir. % 15
oranına kadar çeliğin kızıl sertliğini ve % 20 oranına kadarda kesme performansını
lineer olarak artırır. Özellikle W2C karbürü çökeltilerinin, çeliğin ikincil sertleşme
mekanizmasında önemli bir rol oynadığı saptanmıştır. Tokluğu iyileştirir. Karbürleri
yüksek
sıcaklıkta
oluştuğundan,
östenitleme
sıcaklığını
artırır.
Amerikan
standartlarındaki T türü yüksek hız çeliklerinin temel alaşım elemanıdır.
s. Zikron (Zr): Karbür yapıcıdır. Ayrıca; oksijen, nitrojen ve kükürt giderme amaçlarıyla
kullanılır.
ş. Niyobyum (Nb): İkincil sertleşme sıcaklığını yükseltir. Güçlü bir karbür yapıcı ve
ferrit oluşturucudur. Östenit alanını daraltır. Yüksek hız çeliklerinde diğer elemanların
yerine bir katkı maddesi olarak kullanılabilir.
23
t. Tantan (Ta): Kızıl sertliği arttırır; ancak % 6’nın üzerinde, oluşturduğu kararlı
karbürler yüzünden sertleşebilirliği ortadan kaldırılabilir. İkincil sertleşme geliştirmez,
ancak meneviş işleminde en yüksek sertliğin oluşturduğu noktayı 650 oC’a kaydırır.
u. Titan (Ti): Dane inceltme ve tokluğu iyileştirme amacıyla kullanılır. Döküm sonrası
yapıyı iyileştirmek için aşı olarak uygulanır. Ti + V miktarının % 6-7’yi geçmemesine
dikkat edilmelidir.
ü. Nitrojen (N): Kızıl sertliği arttırmak ve dane büyümesini engellemek amacıyla
0.035’e kadar kullanılmaktadır.
v. Selen (Se): İşlenebilirliği arttırmak için kullanılır.
Çelikte bulunan alaşım elemanlarının çeşitli özellikler üzerinde etkilerini Şekil 5’de
görebiliriz.
24
Şekil 5: Alaşım Elemanlarının Çelik Özelliklerine Etkileri
25
III. ÇELİKLERE UYGULANAN TEMEL ISIL İŞLEM YÖNTEMLERİ
Çelikte ana ısıl işlem prosedürleri östenit dönüşümünü içerir. Bu dönüşüm ürünlerinin
özelliği ve görünüşü çeliğin fiziksel ve mekanik özelliklerini belirler. Isıl işlemde ilk
adım östenit oluşturmak için malzemeyi belli bir kritik sıcaklığıyla ısıtmasıyla başlar.
Ancak östenitleme konusuna geçmeden önce, daha düşük sıcaklıklarda yapılan tavlama
yöntemlerine bir göz atalım.
A. ÇELİĞİN TAVLANMASI
1. Perlitik Tavlama (Küreselleştirme Tavı)
Alaşımsız çeliklerin yani % 0.35-0.8 C içeren karbon çelikleri için küreselleştirme tavı
sıcaklığı A1’in hemen altında (680-720 oC), % 0.8’den yüksek karbonlu ötektoid üssü
çeliklerinde ise A1’in üzerindedir.
Perlitik yapılı bir çelik tavlandığı zaman, sementit lamelleri kısa bir süre sonra karmaşık
şekiller alır ve tav işlemine devam edildiğinde lameller uçlardan kürecikler oluşturur.
Küreler halinde parçalanırlar. Küreselleşme adı buradan kaynaklanmaktadır. Sıcaklık
yükseldikçe bu işlemde hızlanır.
Tavlama işlemi A1’in altında yapıldığı zaman soğuma hızı, oda sıcaklığındaki son
sertliğe etki etmez. Tavlama A1 üzerinde yapıldıktan sonra yavaş soğutma yapılırsa
küreselleşmemiş yapı büyük ölçüde aynen kalır. Çelik soğudukça östenitte çözünen
karbon, karbür küreleri üzerinde ayrışır.
Tav sıcaklığı daha yüksek olduğu taktir de daha büyük miktarda karbür çözünür ve
sementit bir lamel şeklinde ayrışır.
Dönüşümün olduğu A1 altındaki pratik sıcaklık (soğuma hızına bağlıdır) elde edilen
yapının görünüşünü belirleyen bir faktördür. Dönüşüm sıcaklığı A1’e yaklaştıkça
26
küreselleştirilmiş yapı daha iri ve yumuşak olur. dönüşüm sıcaklığı A1 den uzaklaştıkça
(hızlı soğuma) elde edilen yapı daha ince ve sert, lamel sayısı daha fazla olur.
Şu halde karbon veya daha düşük alaşım çeliklerinin küreselleştirme tavı söz konusu
olduğunda uygulanacak temel kurallar aşağıdaki gibi özetlenebilir:
- 775 oC da 2 saat süre ile östenitleme (kısmi)
- 725 oC a kadar 10 oC/saatlik bir hızla yavaş soğutma
- Oda sıcaklığına kadar sürekli soğutma
yavaş soğutma fırın içinde yapılmalıdır. 725 oC altındaki sürekli soğutma ise havada
yapılabilir.
Çelikte
başka
yapısal
hiçbir
dönüşüm
olmayacağından
östenit
dönüştürüldükten sonra oda sıcaklığına soğutma mümkün olduğu kadar hızlı
yapılmalıdır.
Elde edilen küreselleşmiş yapı en düşük sertliğe sahiptir, ancak bu yapı, delme, planya,
tornalama veya raybalama gibi bazı işlemler için uygun değildir.
Gerektiğinde tav sıcaklığı arttırılarak daha sert ve daha fazla lamelli bir yapı elde
edilebilir.
Ötektoid üssü çeliklerinin, tane sınırlarındaki sementiti makul bir süre içinde
küreselleştirebilmesi için A1 üzerindeki sıcaklıklarda tavlanması gerekir.
% 0.5-0.8 arasında C içeren karbon ve düşük alaşım çeliklerinin, ya da ötektoid üssü
çeliklerinin küreselleştirilmesi, uygun tavlamadan önce A1’in 25 oC altında ön tavlama
yapmak
veya
hızlandırılabilir.
tav
sıcaklıklarını
A1
civarında
yükseltip
indirmek
suretiyle
27
2. Gerilim Giderme İşlemi
Çelik plastik olarak işlendiği veya deforme edildiği zaman, soğuk işlenen yüzeylerde
gerilmeler oluşur. Bu gerilmeler sertliği bölgesel olarak arttırır ve sürekli işlemeyi
giderek daha da güçleştirir. Ayrıca çeliğin daha sonraki ısıl işlemler sırasında
eğilmesine yol açılabilir, bu yüzden söz konusu gerilmelerin 1-2 saatlik gerilim giderme
tavı ile azaltılması veya yok edilmesi gerekir. Karbon ve düşük alaşım çelikleri için
550-650 oC, sıcak işlem ve yüksek hız çelikleri için 600-750 oC sıcaklık gereklidir.
Bu işlem herhangi bir faz değişimine neden olmaz, ancak yeniden kristalleşmeye yol
açar. Soğuma sırasında ısıl gerilmelerin oluşmaması için, parçaların fırında yaklaşık
500 oC a kadar yavaş soğutulması ve bundan dışarı alınarak havada soğutulması ve
bundan sonra dışarı alınarak havada soğutulması iyi bir uygulamadır.
Kalıcı gerilmelerden en çok arındırılması gereken çok büyük takımların veya makine
parçalarının gerilim giderme işlemlerinde başlangıçtaki soğutma hızı çok düşük örneğin
300 oC altına kadar saatte sadece birkaç oC düzeyinde olmalıdırlar.
Takımlar ve makine parçalarının gerilim gidermeden doğan herhangi bir çalışmayı
karşılayabilecek yeterli işleme payları ile bırakılması gerekir. Gerilim giderme tavı
uygulanacağı zaman ortaya şu soru çıkar: Gerilim giderme tavı belirli bir sıcaklıkta,
belirli bir süre ile ile uygulandığı zaman kalıcı gerilim yüzdesi ne olacaktır?
Tav sıcaklığı yükselip tav süresi uzadıkça daha az gerilim kalacaktır.
Kalıcı gerilim yüzdesini:
Kalıcı gerilim/ oda sıcaklığındaki akma dayanımı olarak alırsak Şekil 6’da gösterilene
benzer diyagramdan faydalanabiliriz.
28
Şekilde ortalama eğriye göre, 450 oC da 1 saatlik bir tavlama sadece % 50lik bir gerilim
gidermeye yol açmaktadır. Tam bir gerilim giderme için örneğin 650 oC da 1 saat veya
600 oC da 15 saatlik bir tavlama gerekmektedir.
Bu diyagramdan faydalanarak, fazla miktarda yapay oksitlenme olmaması için daha
düşük tavlama sıcaklığı ile yeterli süre seçilebilir.
Şekil 6: Gerilim Giderme Sırasında Gerilmelerin Zaman ve Sıcaklığın Fonksiyonu
.
Olarak Değişmesi
B. ÖSTENİTLEME İŞLEMLERİ
Bir çeliği östenitlemede amaç; daha sonraki soğuma işleminde arzu edilen mikroyapıyı
sağlamak içindir. Östenit teşekkülü karbonun diffüzyon hızına bağlı olarak belirli bir
zaman aralığında oluşmaktadır.
Teknik östenitleme genelde izotermik yani çelik tavlanır ve çözünmeyi sağlayacak
miktarda bekletilir.
29
Ötektoidaltı ve ötektoidüssü çeliklerde östenitleşme eğrileri farklıdır.
1. Ötektoidaltı Çeliklerin Östenitlenmesi:
İzotermik Östenitleme: İzotermik tavlama için, ince parçalar tavlanıp, belli süreler
bekletilip, soğutularak değişik mikroyapılar ve mukavemet değerleri kontrol edilir.
Şekil 7’de AC1b ve AC1e veAC3 noktaları görünmektedir.
Şekil 7: Ötektoidaltı Çeliklerde Isıl Tavlama İle Östenit Oluşumu
30
Şekil 14: Östenit Tane İriliği
31
790
C dönüşüm göz önüne alındığında -demir, -demir ve M3C değişimleri
o
görülmektedir. AC1b noktasında ilk -demir oluşmakta ve zaman geçtikçe AC1b-AC1e
noktaları arasında M3C tamamı -demire dönüşmektedir. Bu arada  demirinde bir
kısmı -demire dönüşür.
Bekletme süresi ile, martensit sertliğinin değişimi, AC3 dönüşüm noktasından hemen
sonra
karbonun
östenit
katı
eriyiği
içerisinde
homojen
dağılmamasından
kaynaklanmaktadır. Karbonun östenit katı eriyiği içerisinde heterojen dağılması halinde,
sertleşme yer yer yumuşak noktalara rastlanır.
Östenit dönüşümü homojen yapıldıktan sonra, sertlik en yüksek değere çıkar. Bu
noktadan sonra, sertlik değeri östenit dönüşüm zamanına bağlı kalmaz. Martensit
mikroyapısının sertliği, martensitteki % C oranına bağlıdır.
Homojen östenitteki önemli olan noktalardan biri diğeri de östenit dane büyüklüğüdür.
Östenit dane iriliği ASTM Standartlarına göre verilmiştir. ASTM’ye göre dane irilikleri
şekil 8’de verilmiştir.
Düşük sıcaklıklarda östenitlemelerde zaman fazla olması yanında ince dane oluşması
nedeni ile emniyetli çalışma yapılmış olmaktadır. Yüksek sıcaklıktaki östenitlemelerde,
zaman kısa olması yanında dane irileşmesinden dolayı istenmeyen mekanik özellikler
olmaktadır.
32
Şekil 9: Ötektoid altı Çeliklerde Sürekli Tavlama ile Östenit Oluşumu
33
Şekil 10: Ck Çeliğinin Sürekli Tavlanmasında Östenit Dönüşüm Eğrisi
2. Sürekli Tavlama İle Östenitleme:
Farklı tavlama hızlarında östenit oluşumunun tespiti için eğri şekil 9’de görülmektedir.
Alınan numune belirli tavlama hızlarında AC1b, AC1e ve AC3 noktalarından
geçirilmektedir. Şekil 10 Ck 45 çeliğinin sürekli sıcaklık-zaman-östenitleştirme eğrisini
göstermektedir. Bu eğride östenit dane irilikleri de belirtilmiştir. Bu eğrideki karbürlerin
çözümü çok hızlı olduğu için AC1e eğrisi yok olmuştur.
1 oC/ saniye tavlama hızı ile östenit teşekkülü 730 oC başlar, 785 oC gelindiğinde AC3
sıcaklığına erişerek östenit dönüşümü tamamlanır. Sıcaklığın artması ile östenit
homojenleşir, östenit dane büyüklüğü de değişmeler olur. 1000 oC östenit dane
büyüklüğü ASTM: 9 1100 oC ise ASTM: 6 olur.
1000 oC/saniye hızındaki tavlamada ise östenit dönüşümü 790 oC başlar, 910 oC üstünde
bir sıcaklıkta östenit dönüşümü tamamlar. 1000 oC/saniye hızındaki tavlamalarda,
östenit dane büyüklüğü çok incedir.
34
Sürekli sıcaklık-zaman-östenitleme eğrileri yüzey sertleştirme de kullanılabilecek
niteliktedir. Örneğin, indüksiyon yüzey sertleştirme, alevle yüzey sertleştirme vb.
C.1. Eş Sıcaklık Tavlaması ve Tam Tavlama
Bu işlem önce A1 üzerinde uygun bir sıcaklıkta östenitleme ve daha sonra da A1
altındaki dönüşüm sıcaklığına yavaş soğutma işlemlerini kapsar. Eş sıcaklık tavlamasını
yapabilmek için sözkonusu çeliğin TTT (eş sıcaklık) diyağramından faydalanılır. Şekil
11’de DIN 42 CrMo4 çeliğinin TTT diyagramı görülmektedir. Burada 1 nolu eğri tam
tavlamayı 2 nolu eğri ise eş sıcaklık tavlamasını göstermektedir. 2 nolu eğri, dönüşüm
tamamlandığı
zaman
çeliğin
oda
sıcaklığına
serbestçe
soğutulabileceğini
göstermektedir.
Sözkonusu çelik için en uygun dönüşüm sıcaklığını bulabilmek için bu çeliğin TTT
diyagramı gereklidir. Bu dönüşüm sıcaklığı bulunduktan sonra, şekil 11’den de
görüleceği üzere, dönüşümün tamamlanması için uzun süre gerekebilir.
Büyük ısı kapasitesi nedeniyle sıcaklıkta gerekli hızı düşmeye olanak vermediğinden
pratik nedenlerle böyle bir ısıl işlemin klasik mufl fırınlarında yapılması mümkün
değildir. Bunun yerine her biri farklı sıcaklıklarda tutulan iki mufl fırını veya farklı
sıcaklık bölgeleri bulunan sürekli fırınlardan faydalanılır.
Eşsıcaklık tavlamasından faydalanılarak işlem süresi klasik tam tavlama için harcanan
süreye kıyasla önemli ölçüde kısıtlanabilir. Bununla beraber elde edilen sertlik daha
yüksektir.
AFNOR 15 NC6 gibi alaşımlı yüzey sertleştirme çelikleri çoğunlukla eş sıcaklık
tavlamasına tabi tutulur. Östenitleme 930-940 oC da yapılır, dönüşüm sıcaklığı 610-680
o
C olup, tamamlanması 2-4 saat sürer.
35
Elde edilen yapı kaba ferrit ve perlitten ibaret olup, bir çok işleme yöntemleri için
uygundur.
Genel olarak belirtmek gerekirse, eş sıcaklık tavlaması düşük karbon ve düşük alaşımlı
çeliklerde uygulanır, buna karşılık küreleştirme tavlaması plastik için minimum sertlik,
ya da yüksek karbonlu çeliklerde iyi işlenebilirlik istendiği zaman uygulanmaktadır.
Şekil 11: DIN 42 Cr, Mo4 çeliğinin TTT diyagramı
(1) nolu eğri tam tavlama
(2) nolu eğri eşısıl tavlamanın soğutma eğrileri
C.2. Normalleştirme Veya Normalleştirme Tavı
Bu işlem çeliğin kabaca sertleşme sıcaklığına eşit bir sıcaklığa ısıtılması, burada 10-20
dakika burada tutulması ve sonra havada soğutmaya bırakılmasından ibarettir.
36
Normalleştirme tavının amacı örneğin dövme veya kaynak için yüksek sıcaklığa
ısıtılması sonucu iri taneli hale gelen çeliğin ince taneli bir yapıya getirilmesidir.
Normalleştirme esas olarak karbon ve düşük alaşım çeliklerine uygulanır.
Bu işlemden sonra elde edilen sertlik, çeliğin bileşimine ve soğuma hızını belirleyen
kesit kalınlığına bağlıdır. Ancak normalleştirme sırasında (havada soğutmada) yüzey ile
merkezdeki soğutma hızları arasındaki fark azdır. Bu sebepten tek bir soğutma eğrisi
parçanın soğumasını oldukça iyi bir şekilde temsil edebilir.
Bu tür bir soğuma eğrisi söz konusu çeliğin ZSD diyagramı üzerine konduğunda
normalleştirme sonunda beklenen yapı elemanlarının miktarı ile beklenen sertlik
değerleri önceden bulunabilir. Özellikle farklı kesitlerdeki dövme parçalar normal
olarak normalize edilebilir.
“Widmanstötten” adı verilen yapının ortadan kalkması nedeniyle karbon veya düşük
alaşımlı çelik dökümler daima normalleştirilmelidir.
Normalleştirme dışında başka tavlama işlemleri de vardır.
-Homojenleştirme tavlaması
-Yeniden kristalleştirme tavlaması
-Hidrojen tavlaması
D. SU VERME
Sertleştirme,
östenitleme
işlemi
tamamlandıktan
sonra,
çeliğin
östenitleme
sıcaklığından, bu çelik için kritik soğutma hızından daha hızlı soğutulmasıdır. Amaç
çoğunlukla martensitten oluşmuş su verilmiş bir yapı elde etmektir. Bu yapı uygun
sertliktedir.
37
Şekil 12’de ZSD diyagramında görülen direk su verme yönteminde şüphesiz ilk
sertleştirme yöntemidir. Bu yöntemde çelik parçalar sertleştirme sıcaklığından oda
sıcaklığına veya kullanılan su verme ortamının sıcaklığının biraz üstüne kadar hızla
soğutulur
.
Şekil 18: ZSD (TTT) Eğrisinde Kritik Soğuma Hızı
Su verme işleminin derecesi, su verme işlemi sırasında aynı anda etkin olan birçok
etkene bağlıdır;
Bu etkenleri şöyle sıralayabiliriz:
a-Metalin parçanın kendisi ile ilgili etkenler:
-Sertleşebilirliği (çeliğin kompozisyonu)
-Hacmi ve şekli (kesit kalınlığı, yüzey alanı)
-Yüzey durumu (oksitlenmiş, tufalli metalik ısı transferi katsayısını etkileyen
faktörler)
b-Su verme ortamıyla ilgili etkenler:
38
-Su verme ortamının termo-fiziksel özellikleri (viskozite, özgül ısı vb.)
-Su verme ortamının sıcaklığı
c-Su verme dononımı ile ilgili etkenler:
-Su verme ortamının karıştırılma hızı
-Akış yönü
-Su verme ortamının basıncı
1. Suverme makanizması:
Buharlaşan suverme sıvıları (su, yağ vb.) suverme işlemi sırasında yüksek sıcaklıklarda
buhar oluştururlar. Sıcak bir parçanın buharlaşabilen bir suverme ortamına daldırılması
ile üç tipik soğuma aşaması gözlemlenir .
a) Buhar örtülü soğuma aşaması: Bu aşama buhar örtü oluşumu ile belirlenir. Yani
suverme ortamına daldırılan parçanın etrafı kesiksiz bir su buharı tabakası ile
kaplanmıştır. Bu oluşum metal parçanın yüzeyinden çıkan ısı, parça yüzeyinin birim
alanında maksimum buhar oluşturacak ısıdan fazla olduğu durumlarda görülür.
Bu aşama, yavaş soğuma aşamalarından biridir. Çünkü, parça etrafında oluşan buhar
zarfı, bir yalıtkan gibi davranır ve soğuma prensip olarak buhar tabakasından radyasyon
yolu ile yayılır. Buharlaşmayan çözeltiden oluşan suverme ortamlarında, bu aşama fark
edilmez ve soğuma hemen B aşamasında başlar. Bu durumda su verilen parçadaki
sertleşme derinliği daha büyük olur.
b) Buhar taşıma ve kaynama aşaması: Bu aşamada ısı transferinin ve bağlı olarak
soğuma hızının en yüksek değerlerine ulaşılır.
Bu aşama, metal yüzeyi sıcaklığının düşmesi ve sürekli buhar tabakasının bozulması ile
başlar. Bu anda su verme sıvısının şiddetli kaynaması görülür ve ısı metal yüzeyinden
buharlaşma ısısı olarak çıkar.
39
Buhar kabarcıklarının şekil ve büyüklükleri, “b” aşamasının süresinin kontrolü ve bu
aşamada sağlanan soğutma hızı açısından önemlidir. Buhar örtü veya buhar kabarcıkları
oluşmasının koşulları, suverilen parçanın şekline de bağlıdır. “b” aşaması, suverme
ortamının kaynama noktasına ulaşıldığında sona erer.
c) Sıvı soğuma aşaması: Bu aşamada soğuma hızı B aşamasından daha azdır. C aşaması
metal yüzeyinin sıcaklığı su verme sıvısının kaynama noktasının altına düştüğü zaman
başlar. Bu sıcaklığın altında kaynama durur ve daha sonra taşıma ve konveksiyon
yoluyla yavaş bir soğuma devam eder.
Sıvının kaynama noktası ile suverme banyosunun sıcaklığı arasında fark, ısı transferi
hızını etkileyen ana etkendir. Su verme ortamının viskozitesi de C aşamasındaki
soğutma hızını etkiler.
Su verme olayının karmaşık mekanizması, Şekil 20’deki gibi bir “soğuma eğrisi”
geliştirilerek açıklanabilir. Bu şekil östenitleştirme sıcaklığından, soğuk ve uçucu bir
suverme ortamına daldırılan silindirik bir test çubuğunun merkez ve yüzeyindeki tipik
soğuma eğrilerini göstermektedir. Bu eğriler test parçasının içine yerleştirilmiş
termokapıllar yardımıyla ve ısı değişmelerini kaydeden bir yüksek hızlı kayıt makinesi
yardımıyla elde edilmiştir. Elde edilen zaman sıcaklık eğrileri su verme sırasında metal
yüzeyden su verme ortamına yukarıda bahsedilen ısı transferi aşamalarını belirler.
2 Suverme sırasında, çeşitli su verme ortamlarında, soğuma hızını etkileyen faktörler:
a) Suverme ortamının karıştırılması hızı
b) İş parçasının kütlesi ve kesit kalınlığı
c) İş parçasının yüzey oksitlenmesi
d) Suveme ortamının sıcaklığı
40
a) Suverme ortamının karıştırılmasının etkileri:
Suverme sıvısının dıştan bir etki ile hareket ettirilmesinin bu
sıvının ısı transferi
özellikleri üzerinde son derece önemli etkisi vardır. bu karıştırma mekanik olarak A
aşamasındaki örtünün daha erken kalkmasına neden olur. Ayrıca buhar taşıma
aşamasında daha küçük ve daha sık bağlantısız kabarcıklar oluşmasını sağlar. Bu
etkilere ek olarak, karıştırma ısınmış sıvının yerine soğuk sıvının gelmesini sağlar.
Şurası açıktır ki akış hızının artmasına en büyük etkisi yüzeyin soğuma hızı üzerinde
olacaktır. Bu nedenle, örneğin 75 mm çapında bir silindir, suverme yağının akış hızı
500 ft/dak (2.75 m/sn) üzerinde ise 25 mm çapında bir silindir kadar hızlı soğutulabilir.
Ayrıca karıştırmanın başlıca yararını durgun yağ ile akış hızı 200 ft/dak olan arasındaki
farktan da görebiliriz.
b) Kütle ve kesit kalınlığının etkisi:
Bir çubuğun merkezinin soğuma hızı elbette, çubuğun çapına bağlıdır. Çubuk çapı ne
kadar büyürse soğuma hızı o kadar azalır. Bu değişiklik çeşitli çaplarda karbon
çeliklerinde görülebilir.
c) İş parçasının yüzey oksitlenmesinin etkileri:
şekil 13’de bir alaşımsız çelik (AISI 1095) ve bir 18-8 paslanmaz çeliğin soğuma
eğrileri verilmiştir. İki çelikte yağda soğutulmuştur. Bu diyagrama göre ince bir oksit
tabakası soğuma hızını arttırırken, kalın bir oksit tabakası soğuma hızını düşürmektedir.
d) Suverme ortamının sıcaklığının etkileri:
Suverme sıvısının sıcaklığı onun ısı alma özelliğini önemli ölçüde etkiler. Sıvının
sıcaklığının artması, buhar örtüsünün parçalandığı karakteristik sıcaklığı düşürür ve
böylece A aşamasının süresini uzatır. Böylece ilk soğuma aşamasında soğuma hızını
düşürür. Diğer taraftan yüksek sıvı sıcaklığı suverme sıvısının viskozitesini düşürür,
41
kabarcık boyutlarını ve hareketlerini etkiler. Böylece soğuma hızının ikinci aşamada
artmasına neden olur. üçüncü aşamada soğuma hızı düşer.
Bu nedenle su verme ortamının sıcaklığının, suverme işleminde soğuma hızı üzerindeki
toplam etkisi, iş parçasının çapına göre değişir. Daha kalın kesitli parçalar için su verme
ortamının sıcaklığındaki bir artış elde edilen sertleşme derinliğini az miktarda düşürür.
Şekil 13: Soğuma Grafikleri
3. Kesikli veya “süreli” suverme:
Bu yöntem soğutma işlemi sırasında parçanın soğuma hızının belirli bir aşamada ani
olarak değiştirilmesi gerektiğinde kullanılır. Normal uygulama iş parçasını önce kısa bir
zaman içinde daha şiddetli bir suverme ortamına daldırmak ve parçayı ZSD eğrisinin
kritik uzantısının altına kadar soğutmak ve daha sonra parçayı daha az şiddetli bir
42
suverme ortamına (yağ) almaktır. Parça buradan martensit dönüşüm sıcaklıklarına yavaş
yavaş soğur.
Bu su verme yöntemi, boyutsal değişiklikler, çatlama ve bozulma gibi olayları en aza
indirmek için sık sık kullanılır.
D. MENEVİŞLEME
Sertleştirme sonucu oluşan martensit çok kırılgandır ve pratik amaçlar için kullanılan
bir çelik menevişlemeden kullanılmaz. Menevişleme genellikle toklukta bir artış ve
sertlikte bir yumuşama ile sonuçlanır.
Menevişleme işleminin yapısal oluşumu üç aşamalıdır. Sertleştirilmiş bir karbon çeliği,
sürekli bir sıcaklık artışına maruz kalırsa, şu aşamalardan geçer:
I. 80 oC’ den 160 oC ye – Karbonca zengin “E-Karbür” fazının çökelmesi. Bunun
sonucu martensit matrisdeki karbon yaklaşık % 0.3’e kadar düşer.
II. 230 oC den 280 oC ye _ Kalıcı östenitin, beynit benzeri bir yapıya ayrışması.
IIIa .160 oC den 400 oC ye – “E-Karbür” yerine sementit oluşumu ve büyümesi
IIIb. 400
o
C den 700
o
C ye – Sementit büyümesinin sürmesi ve sementitin
küreselleşmesi
Yüksek alaşımlı krom çelikleri, sıcak-iş çelikleri ve yüksek hız çelikleri için, kalıcı
östenitin ayrışma sınırları daha yüksek sıcaklıklarda olur. Ayrışma ürünü, yani beynit
veya martensit oluşumu, menevişleme sıcaklığına bağlıdır. Beynit oluşum izotermaldir
yani menevişleme işlemi sırasında sabit bir sıcaklıkta olur. buna karşı martensit, çelik
menevişleme sıcaklığından soğutulurken oluşulur. Menevişleme işlemine, suverme
işleminden hemen sonra çelik 50-75 oC ye soğuduğunda başlanmalıdır. Bazı hallerde
43
parçanın menevişleme işleminden önce oda sıcaklığına kadar soğumasına izin verilirse,
çatlaklar oluşur. Menevişleme için ısıtma işlemi konveksiyon tipi muf veya çukur
fırınlarda veya menevişleme işlemlerinde kullanılan bir tuz banyosunda yapılır.
Karmaşık şekilli aletlerin menevişleme sıcaklığına ısıtılmaları yavaş yapılmalıdır.
Menevişlem sıcaklığına ısıtılırken parçaların bu sıcaklığa gelmeleri aşağı yukarı
menevişleme sıcaklığından bağımsızdır. Bu sıcaklık çok yüksek veya düşük olabilir.
Bunun nedeni yüksek sıcaklıklarda radyasyon etkisi ile ısıtma hızı daha büyük olur.
Bu nedenle menevişleme sıcaklığına ısıtma süresi yalnız kesit kalınlığına (çubuğun
çapına) bağlıdır. Her fırın için, çeşitli çaplarda test örnekleri ile yeterli eğri çizilebilir
Menevişleme sıcaklığında bekleme süresi:
Menevişleme işleminin aşamaları hakkında daha önce yaptığımız açıklamalara göre,
martensit ve kalıcı östenit çeşitli yapısal fazlara dönüşür. Bu dönüşüm yalnız sıcaklığa
değil, zamana da bağlıdır. Bu nedenle bazı durumlarda zaman etkeni çok önemlidir.
Hollomon ve Jaffe menevişleme işlemindeki bu zaman-sıcaklık ilişkisini incelemiştir ve
menevişleme parametresi (P) olarak isimlendirilen bir formül geliştirmişlerdir.
P = T (k + logt)
Burada ;
T = menevişleme sıcaklığı ( oK)
k = katsayı (k = 20 )
t = menevişleme süresi (saat)
450 oC ye kadar olan sıcaklıklarda zaman çeliğin menevişlemeden sonraki sertliğini
çok az etkilemektedir. Bununla beraber daha yüksek sıcaklıklarda zaman etkeni
önemlidir. Elde edilen değerler, aynı çelik için ana eğri de toplanır.
Her çeliğin P değeri o çeliğin ana eğrisindeki bir sertlik değerinin karşılığıdır.
44
E.1. MARMENEVİŞLEME
Çeliğin marmenevişlenmesi: Östenitleme sıcaklığından bir sıcak yağ veya tuz banyosu
yardımıyla, Ms (martensit oluşum) sıcaklığının biraz üzerine kadar ani soğutmak, bu
sıcaklıkta bütün parça aynı sıcaklığa gelene kadar bekletmek ve daha sonra havada
soğumaya bırakmak şeklinde olur (Şekil 14).
Şekil 14: Marmenevişleme
Şekil 15: Geliştirilmiş Marmenevişleme
Parça oda sıcaklığına soğurken, martensit oluşumu parçanın her yerinde hemen hemen
aynıdır ve böylece çok fazla miktarda kalıcı gerilim bozulma olmaz. Marmenevişlenmiş
parça oda sıcaklığına geldikten sonra, diğer suverilmiş parçalar gibi normal
menevişleme işlemine tabi tutulur.
Marmenevişleme sırasında son soğuma aşaması oldukça yavan olduğundan, ağır ve
hafif kesitler yüzünden merkeze hemen hemen aynı zamanda dönüşüme uğrarlar.
Böylece marmenevişleme, normal su verme işlemlerinde görülen, eşit olmayan
dönüşümler ve ısısal gerilimler sonucu ortaya çıkan bozunma ve boyutsal değişiklikleri
en aza indirir. Çoğu hallerde marmenevişlemede, normal suverme işlemlerinde parçanın
bozunmasını önlemek için kullanılan suverme aparatlarına gerek duyulmaz.
45
Böylece taşıma ve işleme masrafları da azalır.
Şekil 15’da geliştirilmişmarmenevişleme işlemi görülmektedir. Bu yöntemde, standart
marmenevişlemeden tek fark, suverme banyosunun sıcaklığının Ms sıcaklığının hemen
altında 95 oC sıcaklığa kadar olmasıdır. Böylece daha hızlı soğutma hızları elde
edilebilir.
Marmenevişleme işleminde kontrol edilmesi gereken değişkenler: Östenitleme sıcaklığı,
marmenevişleme banyosunun sıcaklığı, parçanın marmenevişleme banyosunda bekleme
sıcaklığı, tuz banyosunun kirlenmesi, soğutma hızını arttırmak için tuz banyosuna su
ilavesi, karıştırma ve marmenevişleme banyosundan soğum hızı. Şekil 16’nin sol
kısmında düşük sertleşebilirlikleri nedeniyle marmenevişlemeye uygun olmayan
çelikler, sağ tarafta ise marmenevişlemeye uygun çelikler verilmiştir.
Şekil 16: Çeşitli Çeliklerin ZSD Eğrileri
46
E.2. OSMENEVİŞLEME
Osmenevişleme, bir demir alaşımının perlit dönüşüm bölgesinin altında ve martensit
dönüşümün
bölgesinin
üstünde,
eşsıcaklıkta
dönüşümüdür.
Çeliğin
osmenevişlemesinde:
1. Östenitleme sıcaklığına kadar ısıtılır.
2. 260 –400 oC de sabit sıcaklıkta bir banyoda suverilir.
3. Bu banyoda sabit sıcaklıkta bir banyoda suverilir.
4. Genellikle havada oda sıcaklığına soğutulur.
Osmenevişleme, aşağıdaki nedenlerden dolayı bilinen suverme menevişleme işlemi
yerine kullanılır:
a) Daha üstün mekanik özellikler elde etmek
b) Çatlak ve şekil bozulması olasılığını azaltmak
aşağıdaki tablo üç yöntemle ısıl işlemi yapılmış alaşımsız AISI 1095 çeliğinin mekanik
özelliklerindeki farkı gösterir.
47
Gerçek bir osmenevişleme için, metal östenitleme sıcaklığından ösmenevişleme
banyosunun sıcaklığına hızla soğutulmalı ve bu sırada östenitin dönüşmesine olanak
verilmemelidir. Menevişleme banyosu sıcaklığında da östenitin tamamen beynite
dönüşmesine olanak vermek için yeterli süre bekletilmelidir.
Bazı uygulamalarda, ösmenevişleme bilinen suverme ve menevişleme işleminden daha
ucuzdur. Bu durum özellikle otomatik sürekli ocaklarda küçük parçaların işlenmesi
sırasında ortaya çıkar. Böyle uygulamalarda, bilinen su verme ve menevişleme işlemi üç
aşamalı bir çalışma gerektirirken, osmenevişleme de sadece iki aşamalı bir çalışmaya
gerek duyulur.
Osmenevişlemede en çok kullanılan suverme ortamı ergimiş tuz banyolarıdır. Bunun
nedeni:
- Hızlı ısı transferi özellikleri
- Buhar örtü aşaması sorununun ortadan kalkması
- Çok geniş bir sıcaklık aralığında viskositesinin aynı olması
- Viskositesinin osmenevişleme sıcaklığında düşük olması ve bu sayede kayıpların en
aza inmesi
-Suda tamamıyla çözünür olması; böylece daha sonraki temizleme işlerini
kolaylaştırması.
Kesit Kalınlığı Sınırlamaları:
Bir parçanın başarıyla osmenevişlenebilmesinin saptanması için, maksimum kesit
kalınlığının etkisi ağırlıktan daha önemlidir. Eğer tam bir beynitik yapı gerekiyorsa,
alaşımsız çelik türleri en fazla 5-6 mm kesit kalınlığına kadar osmenevişlenebilirler.
Bazı alaşımlı çelik türleri için kesit kalınlığı 20 mm’ye kadar çıkabilir.
Osmenevişleme uygulanacak parçalar, küçük çaplı çubuklardan veya levhalardan küçük
kesitli plakalara kadar değişir. Osmenevişleme özellikle 50 HRC civarında, yüksek
darbe dayanımı istenen ince kesitli karbon çeliği parçaları için elverişlidir.
48
IV. SERTLEŞEBİLİRLİK VE ÖLÇÜM YÖNTEMLERİ
A. SERTLEŞEBİLİRLİK
Sertleştirme işlemi sonunda, bir çelik parçasının yüzeyden çekirdeğine doğru yarıçapı
boyunca sertliğinin ne kadar ilerlediği o çeliğin sertleşebilirliğine bağlı olarak değişir.
Eğer sertlik derinlemesine ilerlememişse böyle bir çelik için düşük sertleşebilirliği olan
çelik ifadesi kullanılır çeliğin derinlemesine sertleşmesini artırmak için iki metot vardır.
1. Metot: Çeliğin kimyasal bileşimindeki alaşım elementleri miktarı arttırılarak zamansıcaklık-dönüşüm eğrisinin burun kısmı sağa doğru kaydırılabilir. Bu, çeliğin kritik
soğuma hızının yavaşlatılması demektir. Böylece aynı sertleşme şartlarında daha yüksek
sertlikler ve daha fazla sertlik derinlikleri sağlanır. Bu şekil 18’de görülmektedir.
Şekil 17: alaşım elemanlarının TTT eğrisi üzerindeki etkisi
49
2. Metot: Çeliğin kimyasal bileşiminde herhangi bir değişiklik yapılmadan, sertleştirme
ortamının soğutma şiddeti artırılarak veya parçanın ortamda hareketi sağlanarak soğuma
hızı artırılır. Böylece daha yüksek sertlikler ve daha fazla sertlik derinliği sağlanır (Şekil
18).
Şekil 18: Su verme ortamının etkisi
Yüksek ve derin sertlik sağlamak için, soğuma hızının artırılması, sertleştirme esnasında
parçanın çarpılma ve çatlama tehlikesini artıracağı için, daha yaygın olan alaşımlı çelik
kullanılır.
Sertleşebilirlik, başka bir ifade ile sertleşme anında malzemenin mikro yapısının
östenitten martensit yapıya dönüşüm oranı olarak ifade edilir. Sertleşebilirlik,
malzemenin sertleşme sonucunda % 50 martensit dönüşümü sağlayabildiği noktaya
kadar geçerlidir.
50
Sertleştirme sonucu sağlanan sertlik, çeliğin karbon miktarına bağlıdır.
Sertleşme anındaki soğuma hızı kritik soğuma hızından düşükse, sertlik yüksek oluşur
fazla ise sertlik düşük oluşur.
Sertleşme derinliği, bütün çelikler için çok önemli olduğu için şekil 19’da görüldüğü
gibi diyagramlar halinde verilir.
Şekil 19: Çelikteki alaşım elemanlarının sertleşebilme derinliğine etkiler
51
Bazı diyagramlarda ise sertleşme derinliği belli çaplar için soğutma ortamları
belirtilerek verilir.
Temel sertleşebilirlik datasının çelik tüketicileri ve ısıl işlemciler için önemli bir
kullanımı olduğundan, sertleşebilirliğin saptanabileceği şu yöntemler geliştirilmiştir.
B.1. JOMİNY ÜÇ SU VERME SERTLEŞEBİLİRLİK DENEYİ
Uluslararası düzeyde standartlaştırılmış detayları Türk Standartları 1381’de verilen
deney için 25 mm çapında 100 mm boyunda bir deney parçası hazırlanır. Uygun östenit
sıcaklığında homojen olarak 30 dak. Tavlanır ve ocaktan alınarak en fazla 5 saniye
içinde deney cihazına yerleştirerek alt düzeyine su püskürtülür. Su püskürme zamanı en
az 10 dakikadır. Parça uzunluk ekseni doğrultusunda karşılıklı iki yüzeyi 0.4 mm
derinlikte taşlanır ve soğutulmuş uçtan itibaren 1,5-3-5-7-9-11-13-15-20-25-30-35-4045-50 mm uzaklıklarda HRC ölçümleri yapılır. Uzaklıklar yatak ve bunların karşılıkları
olan sertlikler düşey eksen üzerinde işaretlenerek bir grafit çizilir (Şekil 20).
52
Şekil 20: Jominy deney parçası ve sertlik eğrisi
Jominy deney parçasındaki her nokta, belli soğuma hızına sahip olduğundan ve tüm
çelikler için ısı iletimi aynı kabul edildiğinden, deney parçasının kimyasal bileşimi
dikkate alınmaksızın, parça üzerindeki belli noktalar için aynı soğuma hızları elde edilir.
Böylece her deney parçası, su püskürtülen uçtan itibaren havada soğuyan dip kısmına
kadar değişen bir seri soğuma hızına sahiptir.
Sonuçta değişik soğuma hızlarına bağlı olarak, deney parçasının değişik noktalarında
çeşitli mikro yapılar elde edilir.
53
Şekil 21: SAE 4140 çeliğinin ZSD diyagramı ve Jominy deney parçasının çeşitli
noktalarında elde edilen soğuma eğrileri
Jominy eğrileri, USA’da 20 yıldan fazladır H çelikleri adı altında kullanılan çeliklere
uygulanır.
Jominy eğrileri çeşitli ortamlarda soğutularak sertleştirilmiş farklı boyutlardaki çelik
çubuklarda beklenilen sertlik dağılımını tahmin etmede kullanılır.
54
Jominy numunesinin farklı mesafelerdeki pratik soğuma hızları, çeşitli ortamlarda
soğutulmuş farklı çaplardaki çubuklarda pratik soğuma hızları ile mukayese edilir.
Bundan şu görülür ki, örneğin 14 mm gibi bir jominy mesafesindeki soğuma hızı, eğer
tüm çubuklar normal bir karıştırma yapılmış bir yağda sertleştirildiği taktirde 75 mm
çaptaki yüzeyin 2 mm altındaki bir noktada soğuma hızı ile veya 50 mm çapındaki
çubuğun yüzeyinin 10 mm altındaki veyahut 39 mm çapındaki merkezindeki soğuma
hızı ile aynıdır.
Şekil 22: 75 mm çapında BS 708 A42 çeliğinin enine kesit sertliği. Bu eğri Jominy
.
eğrisinden elde edilmiştir.
Tablo 1: Su verme şiddeti katsayısı H.
Soğutma ortamı
Yağ
Su
Tuzlu Su
Yok........................
0,25 - 0,30
0,9 - 1,0
2,0
Yumuşak................
0,30 – 0,35
1,0 – 1,1
2,0 – 2,0
Orta........................
0,35 – 0,40
1,2 – 1,3
İyi...........................
0,4 – 0,5
1,4 – 1,5
Kuvvetli..................
0,5 – 0,8
1,6 – 2,0
Şiddetli...................
0,8 – 1,1
4,0
Karıştırma
5,5
55
Belli bir çelik cinsi için, bir çubuğun enine sertliğini öğrenmek isteyelim. Diyelim ki,
çubuk 100 mm çapında ve çok iyi karıştırma sağlanmış bir ortamda (H = 0.5) su
verilmiş olsun. Bu eğride çubuk yüzeyinde olması gereken sertlik, Jominy eğrisinde 12
mm tekabül eden sertliğe eşdeğerdir.
Eğriden tespit edilirse, Jominy eğrisinde 17 mm bir mesafe sertliğine eşdeğerdir. Bu
sertlik aralığı e = r/R = 0.9 olduğu için r = 0.9 x 50 = 45 mm yani yüzeyin 5 mm
altındaki sertlik değeridir. Benzer usulde diğer diyagramlara bakarak birbirleriyle ilişkili
Jominy mesafeleri ve sertlik zonları elde edilebilir. Buraya kadar anlatılanlar dairesel
kesitli parçalar için geçerlidir.
Kare ve dikdörtgen kesitli çubuklar sertleştirildikleri zaman, bu kesitler tahmin
yapılarak diyagramlar mevcut olan eşdeğerlikli dairesel kesitlere çevrilmelidirler.
Örneğin 125 mm kalınlığında ve sakin yağda sertleştirilmiş bir plakanın, 180 mm
çapındaki yuvarlak bir çubukla aynı soğuma şiddetine maruz kaldığı düşünülür.
Uluslararası standart çelik gruplarının toplanması ve düzenlenmesine bağlı olarak, kare
ve dikdörtgen kesitlerin eşdeğer dairesel kesitlere çevrilebildiği bir çevrim diyagramı
oluşturulmuştur (Şekil 23).
56
Şekil 23: Dikdörtgen kesitler ve onların eşdeğer dairesel kesiyleri arasındaki karşılıklı
ilişki
V. DEFORMASYON
Boyutsal değişikliklerin ana nedeni soğuma sırasında malzemenin gösterdiği çekme
sonucu oluşan gerilmeler (yani ısısal gerilmeler). Diğer önemli bir neden de martensit
oluşumu sonucu ortaya çıkan dönüşüm gerilmeleridir.
A. ISISAL GERİLMELER
Metalik bir malzemenin hızlı ısıtılması ve soğuması sonucunda, Şekil 24’de 100 mm
çapında bir çubuğun suda hızlı soğutulması örneğinde görüldüğü gibi, yüzey ve merkez
arasında sıcaklık farklılaşması meydana gelir. Yüzey merkezden daha çabuk soğur ve
belli bir “t” zamanında yüzey ve merkez arasındaki sıcaklık farkı en yüksek değerine
ulaşır. Bu farklı soğuma sonucu yüzeyde çekme gerilimleri ve iç kısımda basma
gerilmeleri oluşur. Eğer malzeme bu gerilmeleri özümseyecek kadar plastik bir yapıya
57
sahipse, yüzey tabakasının gerilim diyagramı Şekil 24’de “a” eğrisinin şeklini alır.
yüzey ve merkez arasındaki ısı farklılığının giderilmesinden sonra gerilmede sıfıra
düşer.
Çeliğin akma sınırı yüksek sıcaklıklarda, oda sıcaklığındaki değerinin oldukça altında
olduğu için malzeme plastik bir sünme gösterir. Bunun sonucu yüzey gerilim diyagramı
Şekil 24 “b” eğrisi gibi olur.
Su verilmiş bir çubuğun merkezindeki gerilmeler “c” eğrisinde gösterildiği gibidir.
Belirli bir T zamanı geçildiğinde merkezdeki çekme yüzeye doğru kayacaktır. Diğer bir
deyişle belirli bir T = 0 zamanında gerilmeler dengelenecek (Şekil 24), ve oda
sıcaklığına inildiğinde yüzeyde basma gerilmeleri, merkezde çekme gerilmeleri
oluşacaktır. Çubuk oda sıcaklığına soğutulduğunda, gerilim dağılımı Şekil 24’nin alt
sağ kısmında görüldüğü gibi olacaktır. Yani merkezde çekme, yüzeyde basma
gerilimleri.
Şekil 24: Soğuma sırasında ısısal gerilimlerin gelişimi.
58
Şekil 25: Düşük karbonlu alaşımsız çelikten plakanın soğutulması ile oluşan boyutsal
değişiklikler.
Su verme ortamının şiddeti ve çubuk çapının artması gerilimlerin şiddetini de arttırır.
Isısal gerilmeler malzemesi yuvarlak hale getirecek bir şekil değişikliğine zorlar. Bu
nedenle yuvarlak bir şekle sahip olmayan parçalarda şekil değişikliği bu yönde olur. küp
şeklindeki parçalarda yüzey bombelenir, tetragonal parçalar kalınlaşır ve kısalır ve
plaka halindeki parçalar aynı zamanda kalınlaşır ve çekerler.
Şekil 25’de 200 x 200 x 200 mm boyutlarında karbon çeliği plakanın soğutma hızından
nasıl etkilendiği gösterilmektedir. Bu şekildeki “a” plakası bir bütündür, “b” plakasının
ortasında 100 x 100 mm boyutlarında bir kare delik vardır. boyutsal değişiklikleri daha
iyi inceleyebilmek için, bunlar daha büyük bir ölçekle çizilmişlerdir. Şekil 25’de
59
görülmektedir ki, daha hızlı su verme, boyutsal değişmelerinde daha hızlı olmasına
neden olmaktadır.
Isıtma sıcaklıklarının da soğutma sırasında oluşan boyutsal değişmeler üzerinde önemli
etkisi vardır. soğutma sırasında sıcaklık düşüşü ne kadar fazla olursa, boyutsal değişme
de o oranda fazla olur.
Çeliğin yüksek sıcaklık dayanımı da önemlidir. Yüksek sıcaklık dayanımı en iyi olan
çelik 18/8 çeliğidir. En iyi boyutsal kararlılık gösterir.
B. DÖNÜŞÜM GERİLMELERİ
Isıtma ve soğutma işlemleri sırasında, çelikler çok sayıda yapı dönüşümlerine uğrarlar.
Çeşitli yapı bileşenleri farklı özgül hacimlere sahiptir (Tablo 1).
Tablo 1:
60
Östenit veya martensit içinde çözünmüş karbon miktarının özgül hacim üzerinde
oldukça fazla bir etkisi vardır.
Uzunluktaki değişmeler bir kilometre (iki kuartz çubuk arasına yerleştirilmiş bir çelik
çubuk) yardımıyla ölçülebilir. Uzunluktaki değişmeler ısıtma ve soğutma sırasında
ölçülür. Isıtma sırasında, Ac1 sıcaklığına kadar sürekli bir uzunluk artışı olur. Ac1
sıcaklığında östenit dönüşümü başladığından çelik çekmeye başlar. Östenit dönüşümü
tamamlandıktan sonra uzunluk tekrar artar. Bununla beraber boyutsal genleşme
katsayısı östenitte ve ferritte farklı farklıdır.
Soğuma sırasında ısısal çekme meydana gelir ve martensit oluşumu sırasında çeliğin
uzunluğu artar. Bu nedenle sertleştirme sırasında daima bir hacim artışı beklemeliyiz.
Örneğin alaşımsız yüksek karbonlu çeliklerde tam bir sertleşmenin olduğunu kontrol
etmek için hacim artışına bakmalıyız.
Martensit ve östenit oranları ile bunların içinde çözünmüş karbon miktarını temel olarak
alarak, Tablo 2’nin de yardımıyla, sertleştirme sırasında oluşan hacim değişikliğini
hesaplamak olasıdır.
Tablo 2: Değişik Fazlara Dönüşüm Sırasında Oluşan Hacim Değişiklikleri
61
Sertleştirme sırasında, martensit oluşumu ile meydana gelen hacim artışı karbon yüzdesi
ile doğru orantılı olarak artar. Bunun nedeni birim hücre kafesinin artan karbon oranı ile
daha fazla bozunmasıdır.
Bu hacim artışı aynı zamanda alaşım elemanlarının miktar ve çeşidinden de oldukça
etkilenir.
En büyük hacim değişikliği, alaşımsız yüksek karbonlu çeliklere su verilmesi işleminde
olur. düşük alaşımlı çeliklerin yağda su verilmesi işleminde daha az bir hacimsel artış
görülür. En düşük hacim artışı ise yüksek alaşımlı krom çeliklerinin havada
sertleştirilmesinde görülür.
C. MENEVİŞLEME SIRASINDA BOYUTSAL DEĞİŞME
Menevişleme sırasında martensit, ferrit ve sementit oluşturmak üzere ayrışır. Bunun
anlamı hacimde sürekli bir düşüş demektir. Yüksek sıcaklıklarda menevişleme sonucu,
hacim tekrar artar ve sertleştirme öncesi orijinal değerine ulaşır
Menevişleme sırasında martensitin sürekli ayrışması aynı zamanda gerilmelerinde
sürekli düşmesine neden olur
VI. ISIL İŞLEM TECHİZATLARI
Isıl işlemde kullanılan başlıca araçları şöyle sıralayabiliriz.
-Atmosfer denetimsiz fırınlar
-Atmosfer denetimli fırınlar
-Vakum fırınları
-Akışkan yataklı fırınlar
-Kurşun banyoları
-Tuz banyoları
62
-Yardımcı araçlar (sıcaklık ölçümü ve denetimi, atmosfer denetimi vs.).
-Suverme ortamları
A. ATMOSFER DENETİMSİZ FIRINLAR
Bunlar otomatik atmosfer denetimi bulunmayan yalnızca yanmalarının ayarlanarak fırın
içinde oksitleyici ya da indirgeyi atmosfer yaratabilen tür fırınlardır. “Mufla fırın” ya da
“kutu fırın” diye anılan bu tür fırınlar fazla ya da elektrikle ısıtılabilirler, ayrıca “tam
kutu” ve “yarı kutu” türleri olabilir.
Kutu fırınların “tam kutu fırın” ya da “kapalı kutu fırın” türünde, kesit ve iç görünüş
olarak fırın dış çerçevesi içine oturtulmuş ya tuğlamsı ya da ısı dirençli alaşımlardan
yapılmış bir kutu bulunur.
Yakıcılarda yakılan gazlar bu kutuya girmez ve ısıl işlem gören parçaya değmezler. Bu
nedenle gazların işlevi ısı sağlamaktadır; kutuda ise hava kalır.
“Yarı kutu fırın” ya da “açık kutu fırın” türünde ise fırının tabanından belirli bir
yükseklikte tuğlamsı (reflakter) yapılmış bir iç taban vardır; yarı kutu ya da açık kutu
görevini bu iç taban görür.
Tam kutu fırındakinin tersine yanma gazları ısıl işlem gören çelik parçaya değer ve
tepkimeye girer.
Bu türlerin kullanımı, özellikle takım ve kalıp çeliklerinin modern ısıl işlem
atölyelerinde hemen hemen kalkmıştır. Bunların yerine elektrik ısıtmalı kutu fırınlar
almıştır. Bunlar iki türdür: Elektrik direnç çubukları kutunun dışında olanlar düşük ve
orta sıcaklık ısıl işlemleri için kullanılır. Daha yüksek sıcaklıklarda
yapılacak ısıl
işlemler için ise doğrudan ışınımdan yararlanarak takımların ısıtıldığı “ışınımlı borulu
fırınlar” daha uygundur. Olağan kutu fırın biçiminde yere gömülü çukur fırın biçiminde
olurlar.
63
B. ATMOSFER DENETİMLİ FIRINLAR
Bu fırınlar da biçim bakımından kutu fırınlar ya da onların bir başka türü olan çukur
fırınlardır. Atmosfer denetimli fırınları bir öncekilerden ayıran, adlarından da
anlaşılabileceği gibi, fırın içerisine dışarıdan ve özel olarak hazırlanmış koruyucu bir
atmosfer verilmesidir. Bu tür fırın atmosferlerini üretmek için ayrıca “gaz üretici” ya da
“atmosfer üretici” adı verilen özel aygıt gereklidir.
Atmosfer denetimli fırınların atmosfer üretici dışındaki fırının kendisi, atmosfer
denetimsiz fırınlarda olduğu gibi gazlı elektrikli ya da ışınımlı olarak ısıtılabilirler. Kuru
fırınlarda kutu dışından elektrik direnciyle ısıtılan türleri düşük ve orta sıcaklıktaki ısıl
işlemler için kullanılırlar; yüksek hız çeliklerinin gerektirdiği yüksek sıcaklıklara uygun
değildirler. Bunların özel karbonlu dirençler kullanılan türleri yüksek hız çeliklerinin
östenitleme işlem sıcaklıklarına da ulaşabilirler.
Işınımlı borulu fırınlar ise yanma gazlarıyla ısıtılırlar; fakat bu gazlar fırın içindeki ısı
dirençli özel boruların içinden geçirilerek ışınım yoluyla ısıtma sağlanır ve ısıl işlem
gören çelik parçaya değmezler.
Kutu fırınların seçiminde büyüklük ve iç hacim için kesin kurallar yoktur. Ekonomiklik
etkeni en önemli etkendir. Fakat uygulama açısından fırın iç hacmi için şöyle genel bir
yaklaşım kullanılır: fırın içi ısıl işlem görecek en büyük parçanın uzunluğunun iki katı
uzunlukta ve üç katı genişliğinde olmalıdır.
Atmosfer denetimli fırınların temel özelliğinin, fırın atmosferlerinin denetlenip
ayarlanabilmeleri olduğunu belirtmiştik. Bunlar; istenildiği gibi oksitleyici, indirgeyici
ve yansız özellikte üretilebilirler. Ayrıca gaz ortamlarda yapılan karbonlama ve
nitrürleme ile karbonitrürleme işlemlerinde de uygulamanın gerektirdiği özellikte gaz
karışımları üretilip fırına verilir ve işlem süresince gereken biçimde denetlenip
ayarlanabilir.
64
Modern gazlı karbonlama atölyeleri hem fırın dışında atmosfer üreteçleri içerir ve hem
de fırın atmosferlerini karbonlama işlemi boyunca otomatik olarak denetleyip
ayarlayabilecek düzeneklere sahiptir. Çalışma kolaylıkları bakımından ve ayrıca yalıtım
üstünlükleri açısından çukur fırınlar bir çok uygulamada yeğlenmektedir. Çukur
fırınlarda gazların etkileri ile sıcaklığın eşdağılımlılığını sağlamak üzere, fırın içinde
ayrı bir bölmeye yerleştirilen üfleçle de gaz dolaşımı sağlanabilir.
B.1. KORUYUCU ATMOSFER
a) Genel Özellikleri:
Koruyucu atmosferler ısıl işlem sırasında gaz sızdırmaz veya yarı kapalı ocaklarda
çeliğin karbon miktarını korumak yani karbonsuzlaşmayı önlemek ve demir ve
demirdışı metallerin yüzey oksitlenmesine veya tufalleşmesine engel olmak için
kullanılırlar.
Başlıca kullanılan gazlar ve reaksiyonlar şunlardır:
Oksijen (O2) : Oksijen çelikte demirle reaksiyona girerek demiroksit oluşturur ve
karbonla reaksiyona girerek yüzeydeki karbonu düşürür (karbonsuzlaşma).
C + O  CO
Azot (N2) : Molekül halindeki azot ferritle reaksiyona girmek ve eğer tam olarak
kuruysa düşük
karbonlu
çeliklerin
tavlanmasında koruyucu atmosfer olarak
kullanılabilir.
Atomik azot koruyucu bir atmosfer olamaz çünkü demirle birleşerek nitrürler oluşturur.
Azot zehirsiz ve alev almaz bir gazdır.
Karbon dioksit ve karbon monoksit (CO2 ve CO) : Östenitleşme sıcaklıklarında CO2
östenit içinde çözünmüş karbonla birleşerek yani karbon monoksit oluşturarak çelik
yüzeyini karbonsuzlaştırır:
65
C + CO2  2 CO
Demir ve oksitleri CO2 tarafından aşağıdaki reaksiyonlara göre yükseltgenirler:
Fe + CO2  FeO + CO
3 FeO + CO2  Fe3O4 + CO
Bu reaksiyonlar, zamana, sıcaklığa ve gazın kısmi basıncına bağlı olarak denge
durumuna ulaşıncaya kadar azalan bir hızla devam ederler.
Hidrojen (H2) : Hidrojen demiroksiti aşağıdaki reaksiyona göre demire indirger:
FeO + H2  Fe + H2O
Çelikte hidrojenin karbonsuzlaşma etkisi; sıcaklık, zaman, nem oranı ve çeliğin karbon
miktarına bağlıdır. Bu etki 700 oC altında ihmal edilebilir. Fakat bu sıcaklığın üstünde
farkedilebilir bir artış gösterir. Hidrojen çelikte çözünmüş karbonla birleşerek metan
oluşturur.
C + 2 H2  CH4
Su buharı (H2O) : su buharı demiri oksitler:
Fe + H2O  FeO + H2
Ve çelikteki karbonla birleşerek karbon monoksit ve hidrojen oluşturur:
C + H2O  CO + H2
Su buharı çelik yüzeyi ile çok düşük sıcaklıklarda ve düşük kısmı basınçlarda
reaksiyona girer. Soğuma sırasındaki “mavileşmenin” ana nedenidir.
66
Hidrokarbonlar : Isıl işlem fırınlarında en çok rastlanan hidrokarbon gazları; metan
(CH4), etan (C2H6), propan (C3H8) ve bütan (C4H20) dir. Bu gazların karbonlama eğilimi
vardır. bunların sıcak çelik yüzeylerini etkilemekteki kimyasal aktiflikleri, ısısal
bozunmalarına ve çok miktarda karbon oluşturmalarına bağlıdır. İş oluşumu
hidrokarbonlardaki karbon atomu sayısı ile doğru orantılıdır.
Su-gaz reaksiyonları : Bu reaksiyonlarda su buharı ve karbon dioksit oksitleyici,
hidrojen ve karbon monoksit indirgeyici gazlardır:
Fe + H2O  FeO + H2
Fe + CO2  FeO + CO
Değişken olarak oluşan indirgen ve yükseltgen gaz miktarları birbirlerinin etkilerini
sıfırlayacak değerlere ulaşabilir. Bu reaksiyonların uygun bir şekilde kontrolü ile; bir
nötr indirgeyici veya yükseltgen gaz elde etmek olasıdır. Su gaz reaksiyonlarına göre
karşıt reaksiyonlar şu şekilde kontrol edilebilir:
CO + H2O  CO2 + H2
Gaz reaksiyonlarına giren gazlar çelik yüzeyini etkileyerek, sistemin sıcaklık ve
kompozisyonuna bağlı olan denge durumuna göre yüzeyinin oksitlenmesine ve
indirgenmesine neden olurlar.
830 oC de karbon dioksit ve su buharının oksitleyici potansiyelleri ve karbon monoksit
ve hidrojenin indirgeyici potansiyelleri eşittir. Bu nedenle bu sıcaklıkta su-gaz
reaksiyonlarının denge sabiti birdir.
830 oC üzerinde, karbondioksit su buharından daha güçlü bir oksitleyici ve hidrojende
karbon monoksitten daha güçlü bir indirgeyicidir. 830 oC altında bu durumun tam
karşıtı geçerlidir.
67
b) Koruyucu atmosfer Türleri:
Kontrollü (koruyucu) atmosferler, Amerikan Gaz Birliği tarafından, hazırlama
yöntemleri ve kullanılan orijinal bileşenlere göre altı ana gruba ayrılmışlardır. Bu altı
grubun en çok kullanılan dördü aşağıda verilmiştir.
-Ekzotermik bazlı atmosferler
-Hazırlanmış azot bazlı
-Endotermik bazlı atmosferler
-Amonyak bazlı atmosfer
Her kontrollü atmosfer belli bir oranda su buharı içerir ve bu nedenle belli bir “çiy
noktası” vardır. atmosferin “çiy noktası” ne kadar düşükse kalitesi o oranda iyidir.
Karbon konsantrasyonu arttıkça, çiy noktasının düşmesi gerekir. Eğer yüksek alaşımlı
çelik türleri kullanılarak oksitlenme olmayan parlak yüzeyler elde edilmek isteniyorsa
atmosferin çiy noktası çok düşük olmalıdır. Yani atmosfer kuru ve su buharından
arınmış olmalıdır.
c) Güvenlik Önlemleri : Toplam % 5 veya daha fazla patlayıcı gaz (H2, CO ve CH4)
içeren ocak atmosferleri, daima yangın ve patlama tehlikesi oluştururlar. Hiçbir
durumda bu atmosferin ocakta 760 0C nin altına düşmelerine izin verilmez. Ocak
soğutma işlemleri sırasında, bir önlem olarak bu atmosferler, ocak 760 0C’nin altına
düşmeden, patlayıcı olmayan oksijensiz gazların yardımıyla boşaltılırlar.
Patlayıcı atmosferler ocak çıkışında yanmış olmalı ve olanaklar dahilinde çıkış binanın
dışına verilmelidir. Havalandırma zorunludur, çünkü gazların birikmesi, bu gazlar
patlayıcı ve zehirli olması bile, ortamdaki oksijen oranının düşmesine neden olurlar.
Hazırlanmış atmosferlerin birim hacimlerinin fiyatı, kullanılacak temel maddenin
maliyeti (yani doğal gaz veya amonyak) ve üreten cihazların maliyetine bağlıdır.
(Üreteç, jeneratör). Kabaca, eğer ekzotermik bazlı atmosferlerin maliyetini baz olarak
(= 0.1) alırsak, diğer gurup atmosferlerin maliyetini şöyle sıralayabiliriz.
68
- Hazırlanmış Azot Bazlı Atmosferler
: 2 misli daha pahalı
- Endotermik Bazlı Atmosferler
: 2.6 misli daha pahalı
- Amonyak Bazlı Atmosferler
: (10 – 25) misli daha pahalı
(a) 1000 ft3 atmosfer başına, 1000 BTU/ft3 tabii gaz oranına dayanarak. Diğer gazlarda
bu rakam, yüksek hidrojenli suni gaz için 2.0 ile, vasat hidrojen – yüksek 00’li suni gaz
için 2,5 ile, propan için 0.4 ile ve bütan için 0.3 ile çarpılır.
(b) Rakamlar bir birim gaza karşılık düşen havanın birimini gösterir. (1000 BTU/ft3
düzeyindeki tabii gaz kullanımı esas alınarak)
(c) Çiğ noktası soğutma suyu ısısının 10 0F kadar üzerindedir. Çiğ noktası, dondurulma
yolu ile + 40 F derecesine, veya absorbent – kule su alma yolu ile – 50 F derecesine
indirilebilir.
(d) Her 1000 ft3 ısıtma gazı başına 250 ft3 eklenir.
C. VAKUM FIRINLARI
Vakum, gaz bulunmama ve tam bir boşluk durumunu simgeler. Bu nedenle ısıl işlemde
en iyi “ atmosfer” olarak değerlendirilir. Vakumlu fırınlar 1950’li yıllarda geliştirilmeye
başladı. Bunlar önceleri yalnızca elektronik araç ve gereçler için kullanılırken özellikle
son 15 – 20 yılda ısıl işlem içinde yaygın olarak kullanılır duruma geldiler. Bugün
çalışma hacmi 0.03 m3 den başlayıp 5 – 10 m3 çıkan vakumlu fırınlar vardır. Büyük bir
çoğunluğu dolumluk fırınlar olmalarına karşın, modern türleri sürekli üretim
sağlayabilecek teknolojiyi taşırlar.
Hepsinin temlinde kapalı fırındaki gaz ya da havayı bir dizi pompalama düzeneği ile
almak vardır. Sanayi uygulamalarında 10-5 torr (1 torr = 1 mmHg) basıncına dek
inilebilmektedir. Bunu sağlamak için;
1) 10-1 – 10-2 torr basınca dek düşebilen mekanik vakum pompaları;
2) Rootes türü, destek pompaları (5 – 10-3 tor)
69
3) Yüksek vakumu sağlayan ve 10-1 – 10-5 torr arasında etkili olan yağ yayınım
pompaları
Isıl işlem için kullanılan vakumlu fırınlar büyük gelişim geçirmiştir. Bunlar ilk
uygulamalarda kutu türü “sıcak duvarlı vakumlu fırınlar” olarak kullanılırdır. Sıcak
duvarlı fırın tanımından anlaşılan bunların, dıştan ısıtmalı kutu fırınlar gibi, dıştan
ısıtılıp içinde ısıl işlem yapılan vakum kutusunun duvarlarının dolaylı ısıtılmış
olmasıdır. Şimdi pek yaygın kullanılmayan bu tür vakumlu fırınlarda kutu, paslanmaz
çelik ya da Inconel’den yapılır. Dıştan ısıtmayı sağlayan elektrik dirençleri ise
“nichrome” dan seçilirdir. Bunların en yüksek çalışma sıcaklıkları 800 – 900 0C
olduğundan kullanıldıkları ısıl işlemler genellikle tavlama ve menevişleme işlemleridir.
“Soğuk duvarlı vakumlu fırınlar” çeliklerin ostenitleme ve sertleştirme işleminde
devrim yarattı denilebilir. Soğuk duvarlı fırınlarda, ısıtıcılar vakum kutusu ya da
sandığının içine yerleştirilir ve ışınım ile ısıya karşı bir dizi yansıtıcı ve koruyucular ile
desteklenir.
Isıl işlem görecek parça refrakter bir metalden yapılmış ve vakum sandığının tam
ortasında duran levha üzerine yerleştirilir. Bunun çevresini saran Mo, W ve Ta gibi
refrakter metal ya da grafit ısıtıcılar ısıtmayı sağlarlar. Bunları çevreleyen ışınım
yansıtıcılar ve hemen arkalarında da yalıtıcı levhalar ile “grafit yünü” gerekli yalıtımı
sağlar. Tüm bu düzenek paslanmaz çelikte yapılmış vakum kutu ya da büyükse kazanı
içine oturtulmuştur. Bunun üzerine de soğutma işlevini gören bir soğutma gömleği
geçirilmiştir.
Bu tür bir fırında ostenitleme işlemi yapıldığında gerekli su verme işlemi olanağının da
sağlanması zorunludur. Bu, çoğu vakumlu fırınlarda basınçlı soy gaz püskürtmesiyle
sağlanabilir. Yeni geliştirilen bazı vakumlu ısıl işlem fırınları tümleşik türleri
oluşturmakta ve yağda su verme düzeneğini de içermektedir.
Vakum altında ısıl işlem, diğer yönetmelere göre üstünlükler taşır. İlk yatırımı çok daha
yüksek olmasına karşın, belirli koşullar altında sağladığı teknik üstünlükler bazı
uygulamalar için bunların semini kaçınılmaz kılabilir. Isıl işlem görecek parçalar soğuk
70
konup ısıtıldıklarında ısıl sarsım (şok) geçirmezler. Isıtma ışınımla olduğundan dengeli
ve sıcaklık eş dağılımlıdır.
Evre dönüşümlerine denk gelen dönüşül sıcaklıklarda, ya da yüksek hız çeliklerinde
olduğu gibi ön ısıtma gereken uygulamalarda sıcaklık ve ısıtma hızı istenildiği gibi
ayarlanabilir. Soğutma sırasında da sıcaklık eş dağılımlı tutulabildiğinden ve azot gibi
basınçlı gazla soğutmalarda parça hiç yerinden kımıldatılmadığından, kasılma çarpılma
olasılığı çok azdır. Tüm bu üstünlükler ve ayrıca oksitlenme, karbonsuzlaşma
tehlikelerinin
bulunmayışı,
vakum
altında
ısıl
işlem
uygulamasına
ağırlık
kazandırmaktadır.
Gazla soğutarak su verme işlemi düşünül olarak H2 gazında en iyi sonuçları verir. Fakat
bu gazın patlama tehlikesi kullanımını engellemektedir. Bunun yerine sıvı azottan
kaynaklanan azot gazı kullanımı çok daha yaygındır. Bunun uygulandığı vakumlu
fırınlarda ısıl işlem yapılabilecek takım ve kalıp çelikleri türleri A, D gibi soğuk iş
çelikleri ile T ve M gibi yüksek hız çelikleridir. Havada sertleştirilemeyen, W, S, O, L,
F ve P türleri gazlı soğutumlu vakumlu fırınlarda ostenitleme ve su verme işlemine
uygun düşmezler. Yalnız bunların arasında yağda su vermeye uygun olanlar son 5 – 6
yıldır geliştirilmiş bulunan vakumlu fırınlarda su verilip sertleştirilebilirler.
Ç. AKIŞKAN YATAKLI FIRINLAR
Akışkan yatak, beli bir basınçla gelen gazların ya da havanın katı parçacıklardan oluşan
bir yığını devindirerek akışkan duruma geçmesiyle oluşturulan ortama verilen addır.
Akışkan yatak sıcak gazlarla sağladığında, bir bakıma, sıvı gibi davranır. Akışkan
yataklı fırınların tarihçeleri eskiye dayanmasına karşın, bunların ısıl işleme
uygulanmaları pek eskiye gitmez.
Çalışma ilkesi olarak, ince öğütülmüş Al2O3 gibi katı parçacıklardan oluşan bir yığın,
alttan gönderilen basınçlı bir bazla sıvı gibi davrandırılır. Gaz basıncı ile akışkan
yatağın akış hızı arasında bir bağıntı vardır. Durgun yatak önce genleşir, daha sonra
kabarır ve içinde oluşan kabarcıklarla akışkan duruma geçer. Basınç çok artarsa yatak
71
dağılabilir. Genel çizgileriyle akışkan yatak, belirli koşullar altında, gaz basıncıyla
belirlenir.
Akışkan yataklarının en önemli özelliklerinden biri ısı iletimindeki yüksek
verimlilikleridir.
Parçacıkların
hızlı
dolaşım
ve
devinimleri
tuz
ve
kurşun
yunaklarındakine yakın ısıtma hızları ve yap yunaklarındakine yakın soğutma hızları
sağlayabilir. Bu bakımdan,16 mm çapında çelik çubuklar üzerinde yapılan deney
sonuçlarında
görüldüğü gibi akışkan yatlar hem ısıl işlemlerde hem de su verme
işlemlerinde kullanılabilmektedir.
Bazı tür akışkan yataklı fırınlarda, akışkan yatak içinde sağlanan bir yanma ortamın
ısınmasını sağlar. Yanma gazları ayarlanarak akışkan yatak içinde istenilen özellikte
atmosfer yaratılabilir. Azot gibi taşıyıcı gazlar kullanarak düşük sıcaklıklarda uygulanan
yüzey sertleştirme işlemleri bile yapılabilmektedir. Diğer gaz ortamlı fırınlarda olduğu
gibi gaz yakıt / hava karışım oranını ayarlayıp, ortam oksitleyici ya da yansız duruma
getirilir. Ayrıca, propan gibi hidrokarbon gazları kullanarak karbonlama işlemi
uygulanmasına da açıktırlar.
Akışkan yataklı fırınların çok çeşitleri vardır. Bunlar elektrik ısıtmalı ve gaz yanmalı
olabildikleri gibi, atmosfer denetimli ile kapalı düşük sıcaklık uygulamalı olanları da
vardır. Isıl işlem uygulamalarında kullanılabildikleri sıcaklık aralığı 100 – 1050 0C
arasındadır.
D. KURŞUN BANYOLARI
Erimiş kurşun banyoları genellikle 400 – 900 0C arası sıcaklıklardaki ısıl işlemler için
kullanılır. Alt sıcaklık kısıtı kurşunun donup takımların yüzeyine yapışmaması için, üst
sıcaklık kısıtı ise kurşunun buharlaşmaması ve kullanılan potaların ömrünün çok
kısalmaması
için
seçilir.
Potalar
ya
dökümden
yapılır
ya
da
presle
biçimlendirilmişlerdir. Bunlar zamanla çatlayıp kaçak yapabildiklerinden, sıcaklığı çok
yüksek tutarak bu tehlike artırılmamalıdır.
72
Kurşun çok zehirli bir metal olduğundan, sağlığı korumak açısından her türlü gerekli
önlem alınmalı ve ayrıca kurşun banyolarının üstüne mutlak çeker ocaklar kurulup
çalıştırılmalıdır.
Erimiş kurşun havayla temas edince kolayca oksitlenir ve bu erimiş kurşunun yüzeyinde
yüzen bir küme oluşturur. Isıl işlem sonunda çelik parça erimiş kurşun ortamdan
çıkarılırken, bu oksitlerde çelik yüzeylere yapışır ve su verme işleminde yapıştıkları
yerlerde yumuşak bölgecikler oluştururlar. Ostenitleme işlemi kurşun banyolarda
yapılan takım çeliklerinde ayrıca karbonsuzlaşmaya da neden olurlar.
Erimiş kurşun banyolarını oksitlenmeye karşı korumak amacıyla üstleri 3 – 5 cm
kalınlığında odun kömürü tozu ile örtülür. Bir başka yöntem ise erimiş kurşunun
üstünde yüzen bir erimiş tuz katmamı oluşturmaktır. Bu amaçla % 50 NaCl – % 50
CaCl2 karışımını kullanılabilir. Bu karışım önce ayrı bir yerde eritilip, doldurulur.
Katılaşmış bu tuz karışımı karılıp hazırlanır ve erimiş kuşunun üstüne bırakılıp erimiş
bir örtü oluşturulur.
Erimiş tuz örtüsü özellikle suda sertleşen (W) türü takım çelikleri için çok uygundur.
Takımı erimiş kurşundan çıkarılırken çelik yüzeyler koruyucu bir tuz katmanı ile
kaplanmış olur. Su verme işlemi sırasında da bu tuz katmanı çözünerek yüzeyden
ayrılır. Bunun etkinliğini artırmak için su verme işleminin taze ve akar su altında
yapılması gerekir.
(O) türü yağda sertleşen takım çeliklerine ise odun kömürü tozu örtüsü altında ısıl işlem
uygulanması daha uygundur. Çünkü tuz yüzeye yapışırsa, bunu yağda su verme işlemi
sırasında yağ içinde çözündürme olanağı yoktur.
Kurşun banyoları gaz, yağ ya da elektrikle ısıtılabilen potalı fırınlarıdır. Fakat yukarıda
değinilen sorunlardan dolayı bunlar yerlerini tuz banyolarına bırakmışlardır.
73
E. TUZ BANYOLARI
Erimiş tuz banyoları, takım ve kalıp çeliklerinin ısıl işlemlerine en uygun olanları ve en
yaygın olarak kullanılanlarıdır. Değişik tuz karışımları kullanarak, düşük sıcaklıklardan
yüksek hız çeliklerinin ostenitleme sıcaklıklarının üst kısıtına dek geniş bir sıcaklık
aralığı kapsanabilir. Hem sıcaklık aralığının genişliğinden ve hem de tuz karışım
işlemlerinin istenilen kimyasal etkiyi yaratacak biçimde ayarlanabildiğinden tuz
banyoları
ön
ısıtma,
ostenitleme,
kesintili
su
verme,
marmenevişleme
ve
osmenevişleme, menevişleme vb. ısıl işlemlere uygun düştükleri gibi ayrıca
karbonlama, nitrürleme, siyanürleme gibi yüzey sertleştirme işlemlerine de yatkındırlar.
Su verme işleminden sonra taşlanamayan ve ok düzgün yüzeyler gerektiren takımlar ile
keski uç ve ayrıt gerektiren takımların ısıl işlemleri için en uygun ısıl işlem ortamları
tuz banyolarıdır. Tuz ortamların bileşimleri denetlenerek ve uygun olarak ayarlanarak,
takım ve kalıplara isteğe karşı karbonlamadan, karbonsuzlaşmaya uğramadan,
oksitlenmeden ve en az kasılma ve çarpıklıkla ısıl işlem uygulanabilir.
Aşağıda bazı ısıl işlemlere en uygun tuz karışımları kısaca özetlenmiştir.
Çalışma
Erimi
Isıl işlem
0
Sıcaklığı C
Aralığı 0C
Önısıtma
1) % 70 BaCl2 - % 30 NaCl
335
700 – 1035
2) % 55 BaCl2 - % 20 NaCl - % 25 KCl
550
590 – 925
3) % 98 – 100 70 BaCl2
950
1035 – 1300
4) % 80 – 90 70 BaCl2 - % 10 - 20 NaCl
870
930 – 1300
5) % 30 BaCl2 - % 20 NaCl - % 50 CaCl2
450
500 – 675
6) % 55 80NaNO - % 20 – 45 KNO3
250
285 – 575
Ostenitleme
Su verme
74
Erimiş tuz banyolarının en büyük üstünlüklerinden biride hızlı ve çok dengeli bir ısıtma
sağlayabilmeleridir. Isıl işlem gören parçada sıcaklık dağılımı eşit ve dengelidir. Isı,
iletim yoluyla aktarıldığından erimiş tuz ortamı hızlı ısıtan bir ortamdır. Ayrıca, çeliğin
yüzeyi ile gövdesi hemen hemen yanı sürede ısınır ve aralarında sıcaklık farkları pek
yoktur. Bu kabımdan hem eş dağılımlı bir sıcaklık sağlanmış olur ve hem de gaz ortamlı
fırınların ısıtma sürelerine oranla 1/4 – 1/6 süresinde ısınmış olurlar.
Tuz banyoları gaz ya da yağ yakılarak ya da elektrik dirençleriyle “dışardan ısıtmalı
banyo” türünde olabilir. Dıştan ısıtmalı banyolar tam – kuru fırınları andırırlar. Fakat,
temelde potalı fırınlardır.
Pota ısı dirençli bir alaşımdan dökülür, ısıtma işlemi, pota ile yalıtım sağlayan fırının
duvarları arasında olur.
“İçten ısıtımlı banyolar” bunlardan daha yaygın olarak kullanılırlar. Bunlar, metal ya da
seramikten mamul pota kullanabilir veya özel tuğla ile örülmüş iç duvarlarla erimiş tuzu
doğrudan taşıyabilir.
Bu banyoların adlandırılması, ısıtmayı sağlayan elektrotlarının erimiş tuz karışımına
giriş biçimine göre yapılır. Eğer elektrotlar üstten daldırılmış konumda ise bu tür “dalık
elektrotlu fırınlar” diye anılır.
Elektrotlar fırın duvarları içine alttan gömülü ya da banyo içinde dipte konumlanmış ise
“batık elektrotlu fırınlar” diye bilinir. İçten ısıtımlı tuz banyoları özellikle takım ve kalıp
çeliklerinin ısıl işlemlerinde kullanılmaları en verimli fırınlardır. Tüm ısıl işlem için
tüketilen elektrik erkinin % 93 – 97’si doğrudan ısıtmaya gitmektedir. Halbuki bu gaz
atmosferli fırınlarda kullanılan erk’in (enerji) yalnız % 50 kadarı ısıtmaya, geri kalanı
ise bacadan gider.
Takım ve kalıp çeliklerinin büyük bir bölümün ısıl işlemleri, seramik artarlı elektrikli
tuz banyolarında yapılır. Tuz banyolarının büyük bir çoğunluğu klorür tuzlarından
75
oluşur. Bunların, elektrot ve astar ömürlerine etkileri de işlem sıcaklığına bağlı olarak
etkilenir.
Bunlarla ilişkin değişik çalışma sıcaklıkları ve elektrot ile astar ömürlerine etkiler
aşağıya bir fikir vermek amacıyla çıkarılmıştır.
Çalışma sıcaklığı
0
Batık elektrotlu fırın
Dalık elektrotlu fırın
Ömür, yıl
Astar
C aralığı
Elektrot
535 – 735
10 – 20
10 – 20
735 – 955
4–8
4–8
1000 – 1285
1–3
1–3
535 – 735
2–4
4–5
735 – 955
1–2
2–3
1000 – 1285
1/4 – 1/2
1 – 1 1/2
İki tür banyo arasında bazı belirgin farklar olduğundan bunlara kısaca göz atmakta yarar
vardır;
Dalık elektrotlu fırınlar : Gördüğümüz gibi, elektrotları üstten daldırılmış olan tuz
banyolarıdır. Bunların seramik astarlı olanları, dıştan ısıtımlı potalı tuz banyolarına
oranla, erimiş tuz banyolarının uygulama ve ısıl işlem sıcaklık aralıklarını çok daha
genişletip, kullanışlarını yaygınlaştırmıştır. Bunların en önemli üstünlükleri şöylece
sıralanabilir.
-
Elektrotları kolayca değiştirilebilir.
-
Erimiş tuz banyosuna daldırılmış elektrotlar elektrik enerjisinin daha verimli
kullanılmasını sağlar.
-
Bu elektrotlar, tuzlar katı iken banyonun başlatılmasında kolaylık sağlar: Bir
saloma ile iki elektrot arasındaki tuzlar eritilip, hemen akım verilebilir.
Bu üstünlüklere karşın dalık elektrotlu fırınlar batık elektrolu fırınlar kadar verimli
değildir. Elektrotların tuz banyosuna girdiği alan, diğer türe oranla daha fazla ısı
76
yitimine yol açar. Banyonun içi yüksek sıcaklığa dayanıklı ve birbirine geçmeli ateş
tuğlasından örülür ve çepeçevre yaklaşık 12 – 5 cm kalınlığında sıvı dökülebilir ve yapı
tuğlası ile yalıtılır.
Elektrotların giriş ayakları saçlardan yapılır ve hepsi de su soğutmalıdır. Bu tür
elektrotlar 85 0C civarında kullanıldığında ömürleri 0.5 – 2 yıl arasındadır. Batık
elektrotlar aynı koşullarda 4- 8 yıl gider.
Batık elektrotlu fırınlar: Bu fırınlar ise iki türlü olabilir: elektrotlar ya duvara gömülü
durumdadır ya da seramik tabanın dibine oturtulmuştur. Bunların üstünlükleri de
şöylece sıralanabilir.
-
Elektrotlar banyoda çalışma alanını işgal etmediklerinden banyo daha küçüktür.
Bu da hem elektrot ömrünü hem de çalışma ekonomisini yükseltir.
-
Altta ısıtma, konveksiyon akımları yaratarak banyo içinde dolaşım sağlar ve bu
da sıcaklığı dengeler.
-
Üç katmanlı duvarlar, erimiş tuzların delip geçebilmesi için çok kalındır.
-
Elektrotların konumu, çalışırken ya da bakım sırasında bir zorluk ve tehlike
yaratmazlar.
Her iki türün iç bölümünde yüksek sıcaklığa dayanıklı ateş tuğlası kullanılır. Yaklaşık
% 42 Al2O3 - % 52 SiO2 içeren tuğlalar iş görür. Bunlar yüksek nitelikli havada
donabilen tür bir harç tutturulur. Bu harcın özenle seçilmesi gerekir. Klorür, florür ve
nitrat – nitrit tuzlarına karşı yenim dirençli olmalıdır. Eğer yalnızca siyanür ya da
karbonat tuzları kullanılacaksa kaynaklanmış bir çelik pota en iyi çözümdür.
En dış duvarlar niteliksiz ateş tuğlası ya da yağı tuğlası ile örülebilir.
İç ve sış duvarlar arasında 50 cm kalınlığında refrakter çimento ile agregat karışımı
dökülür. Bu kalınlık, ısıl işlem sırasında dış duvarın en fazla 60 0C olmasını sağlar.
77
Elektrotlar, banyo biçim ve büyülüğüne göre değişik boy, büyüklük ve biçimlerde
olular. Hepsi alaşımlardan yapılı ve banyo dışında 1020 – 1030 türü bir çeliğe
kaynaklanırlar.
Tuz banyolarında önem verilmesi ve özen gösterilmesi gereken bir husus, erimiş tuz
karışımının tazelenip yenilenmesi gereğidir. Tuz banyosu, kullanım sonucu oksit metal
artıkları ile pislenir. Bunların birikmesi sonucu erimiş tuz banyosu oksitleyici ve
karbonsuzlaştırıcı özellik kazanır. Bu nedenle zaman zaman tazelenip yenilenmelidir.
Klorür tuzlarından oluşan ostenitleme banyoları silika, metil klorür ya da amonyum
klorür ile yenilenebilir. İşlem sıcaklığı yükseldikçe, yenileme de daha sık yapılmalıdır.
Elektrotları erimiş tuz banyosunun yüzeyinin üstüne çıkanlarda ferrosilis ya da SiC ile
günlük yenileme gerekir.
1080 0C üzerindeki sıcaklıklarda çalışan banyolar günde en az 1 kez yenilenmelidir.
Tazeleme ve yenileme işleminde metal oksitleri SiO2 ile tepkimeye girerek silikatlar
oluşturur. Bunlarda çamur olarak dibe çöker. Toplanan çamur zaman zaman alınmazsa,
banyo karbonsuzlaştırıcı etki yaratır.
Tazeleme ve yenilemede metil klorür üfleme ya da amonyum klorür tabletleri daldırma
daha etkin sonular verir. Amonyum klorür, oksitler ile tepkiyerek özgün yansız tuzları
oluşturur ve çamur bırakmaz.
Çözünmüş metalleri uzaklaştırmak için ise, işlem sıcaklıklarında, erimiş tuz banyosuna
grafit çubuk daldırılır. Grafit metal oksitlerini indirgeyip metale dönüştürür. Bunlar da
grafite yapışıp ortamdan alınır. Sonra yüzeyi kazınan grafit yeniden kullanılabilir.
Erimiş tuz banyolarının karbonsuzlaştırıcı özellik taşır duruma geçip geçmediği, özel
deney numunelerine su verilerek anlaşılabilir. Çelik gereken sertliğe çakamıyorsa,
78
banyo karbonsuzlaştırıcı özellikledir. Yüksek sıcaklık banyoları % 0.5’den fazla baryum
oksit içerdiklerinde, çeliği karbonsuzlaştırırlar.
F. YARDIMCI ARAÇ VE AYGITLAR
Tüm ısıl işlem süreçlerinde en önemli değişkenler sıcaklık süre, fırın atmosferi ile
ısıtma ve soğutma hızlarıdır. Eğer takım ve kalıp çeliklerine gereken doğru sıcaklıkta,
gereken doğru süre ve gereken doğru fırın atmosferleri altında ısıl işlem uygulanır ve
gerektiği gibi soğutulabilirlerse gerçekte, hangi tür fırın ve aygıtların kullanıldığı pek
önemli olmaz. Eğer bu tür uygulama birkaç ayrı tür fırından elde edilebiliyorsa, doğru
seçim ekonomiklik etmeni üzerinde yapılır.
Hangi tür fırınlar kullanılırsa kullanılsın, denetlenmesi gereken en önemli iki etmen,
sıcaklık ile fırın atmosferinin daha doğrusu ısıtma ve soğutma ortamlarının bileşimidir.
G. SU VERME ORTAMLARI
1. Bir su verme ortamı seçildiğinde, daima şunları aklımızda bulundurmalıyız.
Gereken su verme ortamının şiddeti, setleştirilecek çeliğin kompozisyonuna ve su
verilecek parçanın kesit kalınlığına bağlıdır. Alaşımsız yüksek karbonlu çelikler için
soğutma ortamı pratik olarak genellikle şudur. (Dar sertleşebilen türler). Çelikte alaşım
oranı arttıkça, daha sakin su verme ortamına gerek vardır. Daha az şiddetli su verme
ortamında bozunma daha az olur.
Günümüzde çok çeşitli ve tipte su verme ortamı ve sıvısı vardır. Bunların bazıları
aşağıda en şiddetlisinden en sakinine göre sıralanmıştır.
-
Tuzlu su
-
Su
79
-
Polimer su verme maddelerinin suda çözeltileri
-
Hızlı yağlar (özel markalar)
-
Geleneksel olarak kullanılan yağlar
-
Ergimiş tuz banyoları (sodyum nitrat – potasyum nitrat)
-
Kaygan yatak (fluid bed) (küçük SiO2 parçaları hava akımı ile hareketlendirilir)
-
Gaz veya hava akımı
-
Durgun hava
-
Vakum
Sıvı buharlaşan su verme ortamlarının soğutma işlemelerinde, buhar örtü (leiden frost)
olgusu (su, polimer çözeltileri) olanlar ve olmayanlar arasında temel bir farklılık vardır.
Bu olguya sahip olanlarda, daha önce açıklanan soğutma sırasında A, B ve C aşamaları
varken, diğerleri bu aşamaların hepsini geçirmezler.
2. Su verme ortamları
Bir sıvının su verme kapasitesi, bu sıvının kaynama sıcaklığının üzerine ısıtılmış bir
metal kütlesini soğutabilme özelliğidir. Su verme sıvılarının, çoğunlukla yağların su
verme kapasitelerini ölçmek için kullanılan bir çok yöntem vardır. Avrupa’da en ok
kullanılan yöntemler gümüş bilye ve gümüş silindir testleridir. “Uluslararası
Malzemelerin Isıl İşlemi Federasyonu” “Su Vermenin Bilimsel ve Teknoloji Yönleri”
adlı teknik komitesi aracılığıyla, gümüş silindir testinin uluslar arası bir standart olarak
kabul edilmesine uğraşmaktadır.
Bu testler yardımıyla çizilen eğriler su verme yağlarının karşılaştırılmasında kullanılır.
3. Bazı çok kullanılan su verme ortamlarının belirgin özellikleri aşağıda verilmiştir:
a) Su
Su, ucuz, kolay bulanabilen, kirlenme sağlık veya yangın tehlikesi yaratmadan
kullanılabilen bir sıvıdır. Su ayrıca koruyucu atmosfer kullanılmayan fırınlarda ısıtılan
80
parçaların su verilmesinde çelik parçanın yüzeyinde oksit tabakasını da etkili bir şekilde
temizler.
Saf su, su verme ortamı olarak pek uygun değildir. Çünkü bu suyun en büyük soğutma
verimi (soğuma hızı) 300 0C civarında olur. Bu sıcaklıkta bir çok çeliğin martenzit
dönüşüm sıcaklığıdır. Martenzit oluşum sıcaklık aralığındaki bu yüksek soğuma hızı, iş
parçasının dönüşüm gerilimleri ve ısısal gerilimler tarafından aynı anda etkilenmesine
yol açar. Bu birleşik etki çatlak oluşumu ve bozunma olasılığını arttırır.
Normal su kullanmanın bir sakıncası, buhar örtü aşamasının uzatılmasıdır. Bu uzatma
su verme ortamının sıcaklığı ile değişir ve sertlik dağılımının bozulmasına ve
gerilimlerin istenilmeyen bir şekilde dağılmasına yol açar. Böylece bozunma ve çatlak
olasılığı artar.
b) Tuzlu Su : (Brine)
Su verme işlemlerinde kullanılan “Brine” terimi, çeşitli oranlarda tuz (genellikle % 10
NaCl) ve belirli bir miktar korozyon inhibitörünün suda çözeltileri için kullanılır.
Tuzlu suyun su ile karşılaştırdığımızda gözlenen üstünlükleri;
-
Eşit derece karıştırmada, tuzlu suyun soğutma hızı normal sudan daha büyüktür.
-
Tuzlu suda sıcaklık normal sudan daha az önemlidir. Bu nedenle daha az
sıcaklık kontrolü gerekir.
-
Normal suda, buhar paketleri nedeniyle görülen sertleşmemiş nokta oluşumu
olasılığı tuzlu suda daha azdır.
-
Parça şeklinin bozulması normal sudan daha azdır.
Tuzlu su kullanmanın sakıncaları ise;
81
-
Korozif özelliği (Tuzlu su ile temasta olan bütün donanım korozyona karşı
korunmalıdır.)
Şekil 60’da 20 mm çaplı gümüş bilye testi ile elde edilen, tuzlu ve normal suyun
soğutma eğrileri verilmiştir. Bu şekilde açıkça görülmektedir ki;
-
Tuzlu suyun verdiği maksimum soğutma hızı normal suyunkinden daha fazladır.
-
Normal su uzun süreli kararlı bir buhar örtü aşaması geçirir, tuzlu suda bu aşama
çok kısadır.
Su ile elde ettiğimi maksimum soğutma hızı 300 0C civarında olur. Tuzlu su ile elde
edilen maksimum soğutma hızı 500 0C civarındadır. Bu sıcaklık çatlak oluşum
tehlikesini azaltır.
Şekilde ayrıca, suyun sıcaklığı 40 0C’ye yükselirse maksimum soğutma hızından ani bir
düşüş görülmektedir. Bu nedenle su 20 – 35 0C sıcaklık aralığında kullanılmalıdır.
c) Su verme yağları
Genellikle iki tip su verme yağı kullanılır. Normal ve hızlı yağlar.
Normal su verme yağında, soğutma özelliğini değiştirecek hiçbir ilave yoktur.
Hızlı su verme yağları, normal su verme yağlarından daha düşük viskoziteli
markalardır. Bu yağlar, soğutma özelliklerini etkileyen ve daha hızlı bir su verme
özelliği veren katkılar içerir.
Normal su verme yağlarında, buhar örtü aşamasının süresi suda olduğundan daha
uzundur .kaynama aşamasında soğutma hızı oldukça düşüktür ve kaynama aşamasının
süresi kısadır. Böylece, bu yağların su verme güçleri sudan daha düşük ve hatta
yetersizdir. Bununla beraber kaynama aşamasından, sıvı soğutma aşamasına geçiş saha
yumuşaktır. Bu nedenle normal mineral su verme yağlarında parçanın bulunması
olasılığı çok düşüktür.
82
Yağların soğutma kapasiteleri, su verme banyosunun şiddetli karıştırılması ile önemli
miktarda artar.
Hızlı su verme yağları, normal yağların su verme işlemlerinde sağladığı üstünlükleri de
koruyarak, normal suyun ilk su verme hızına yaklaşırlar. Bu yağlarda buhar örtü
aşamasının süresi normal yağlarınkinden çok daha azdır. Kaynama aşaması daha erken
başlar ve daha uzun sürer. Bu aşamada soğutma hızı oldukça fazladır. Bu yağlarda, sıvı
soğutma aşamasında soğutma hızı normal yağlarınkiyle aynıdır.
Büyük çaplı parçalara yağda su verilirse;
100, 200, 250, 300, 400 ve 900 mm çaplı çubukların hesaplanmış diyagramlarında göre,
200 0C’ye kadar bütün kesitin soğuma zamanı oldukça uzun olabilir. Bu soğutma
süresince, parçadan sürekli dışarıya ısı atılmalıdır. Eğer soğutma erken kesilirse, iç
kısımlardan gelen ısı sertleşmiş yüzey bölgelerini yumuşatacaktır. (Kendi kendini
menevişleme etkisi) Yüzey ve merkez sıcaklıkları arasındaki büyük farklılık nedeniyle,
yüksek iç gerilimler ve çatlama tehlikesine karşı özel ölçüm yöntemleri kullanılmalıdır.
c) Su Vermede (Marmenevişlemede) kullanılan tuz banyoları
Su verme amacıyla kullanılan tuz banyoları genellikle yaklaşık ayı oranlarda sodyum
nitrür ve potasyum nitrattan oluşur. Bunlar 160 – 500
0
C sıcaklık aralığında
kullanılırlar. Bir tuz banyosu, oldukça iyi setleşebilirliği olan ve kesit kalınlığı fazla
olmayan bir çelik parça için ideal bir su verme ortamıdır. Tuz banyolarında buhar örtü
ve kaynama aşamaları olmaz.
Bir ergimiş tuz banyosunun soğutma kapasitesi 500 0C’ye kadar oldukça yüksektir.
Çeliğin sıcaklığı bu sıcaklığın altına düştükçe soğutma kapasitesi azalır. Banyonun
sıcaklığı ne kadar az ve karıştırma ne kadar fazla olursa, soğutma kapasitesi de o kadar
artar.
83
Eğer tuz banyosu kirlenirse, banyonun soğutma verimi çok düşer. Bu nedenle tuz
banyoları düzenli olarak kontrol edilmeli ve taban oluşan çamur sürekli temizlenmelidir.
Tuz banyosunda bir parçanın “2 – 4 dak / cm kesit kalınlığı” formülüne göre tutulması
önerilir. Hafif parçalar ve düşük sertleşme sıcaklıkları için daha uzun süre önerilir.
Tuz banyosunun soğutma kapasitesi, banyoya az miktarda su ilavesi ile arttırılabilir.
İlave edilen suyun çok dar sınırlarda tutulması ve toplam hacmin % 0.3 – 0.5’i kadar
olması gerekir. Koşullarda soğutma kapasitesi iki katına çıkacaktır. Su, buhar halinde
banyodan devamlı uçacağı için, ilave su belirli aralıklarla veya sürekli yenilenmelidir.
% 10’dan fazla siyanür (cyanide) içeren bir siyanür banyosunda ısıtılan parçalar asla bir
nitrür – nitrat banyosunda soğutulmamalıdır. Çünkü böyle bir durumda patlama olasılığı
artar.
230 0C sıcaklığa kadar marmenevişleme işlemleri için tuz banyolar yerine yüksek ateş
alma sıcaklığı olan sıcak yağlar kullanılır. Marmenevişlemede tuz banyosu veya yağ
kullanımının üstünlük ve sakıncalarının karşılaştırılmaları Metals Handbook Vol 2.
sayfa 37 – 38’de verilmiştir.
d) Suda polimer çözeltileri:
Bu çözeltiler su verme teknolojisinde yeni bir eğilimi temsil ederler. Sıvı organik
polimerler kullanarak su verme işleminin prensipleri aşağıda açıklanmıştır.
Sıcak metal bu polimer çözeltiye daldırılınca, metal ile sıvının teması sonucu, sıcak
metal yüzeyde ince bir organik polimer tabakası oluşur. Bunun nedeni, sıcak metal
yüzey çevresinde yüksek sıcaklıklarda organik polimerlerin suda çözünmemesidir.
Böyle bir çözeltinin soğutma hızı oluşan tabakanın kalınlığına bağlıdır. Bu tabakanın
kalınlığı su verme banyosundaki polimer konsantrasyonu ile ayarlanır. Sıcak metal
84
polimerin ayrılma noktasının altına kadar soğuyunca, sıvı organik polimer metalden
ayrılır ve tekrar suda çözünür hale geçer.
Polimerin su içindeki konsantrasyonunu değiştirerek, sudan ve yağdan farklı değişik
soğutma hızları elde ederiz.
Polimer su verme çözeltilerinin (aquaquench) eğrilerinden de görüleceği gibi bu
çözeltiler ideal bir su verme ortamının bütün özelliklerine sahiptirler. Daha açık bir
şekilde söylemek gerekirse, bu çözeltiler çeliği Ms – sıcaklığının altına hızla soğutup
daha sonra banyo sıcaklığına veya oda sıcaklığına yavaş yavaş soğutma olanağını verir.
Suya orta derecede (% 2) polimer ilavesi, alaşımsız çeliklere su verilmesinde sertlikten
ödün vermeden çatlak oluşumu tehlikesinin azaldığı kanıtlanmıştır. % 15’lik bir ilave
söz konusu olduğunda, bir su verme yağı ile aynı soğutma özelliklerine sahip fakat alev
alma tehlikesi olmayan bir su verme ortamı elde ederiz. Bu çözeltilerde yağlarda olduğu
gibi bir duman oluşmaz. Parçaların temizlenmesi de kolaydır. Banyo sıcaklığının
soğutma hızlarına etkisi yağlar, su ve polimer çözeltiler için farklıdır. Yağlar için
sıcaklığın soğutma hızına etkisi az iken, polimer çözeltiler için oldukça fazla ve su için
çok fazladır. Martenzit oluşum sıcaklıklarında (315 – 205 0C) su, sıcak veya soğuk
olsun çok şiddetli bir soğutma hızına sahiptir. Fakat polimer çözeltiler yavaş bir
soğutma hızına sahiptir.fakat polimer çözeltiler yavaş bir soğutma hızına sahiptir. Hatta
sıvının sıcaklığı düşürülerek daha sakin bir soğutma elde edilebilir. Polimer çözeltiler
aşağıdaki noktalara özen gösterilerek kullanılmalıdır.
-
Sudaki polimer konsantrasyonu her gün kontrol edilmelidir. (Refraktometre testi
ile)
-
1 m/s lik bir karıştırma hızı sağlanmalıdır.
-
Banyo sıcaklığı 25 – 40 0C ler arasında olmalıdır.
4. Su Verme Donanımı: Su verme donanımı, su verilecek parçanın ağırlığı, şekil ve
saatte su verilecek parça miktarına göre seçilir. Tam bir su verme sistemi için aşağıdaki
donanıma gerek vardır.
85
a) Su verme tankı
b) Parçaları taşımaya yarayan donanımlar
c) Karıştırma donanımı
d) Soğutucular
e) Filtreler
f) Havalandırma donanımı ve yangın tehlikesine karşı önlemler
Yeni tümleşik su verme fırınlarında su verme tankı da bulunmaktadır. (Böyle
durumlarda su verme ortamı olarak yağ kullanılır.)
Genel amaçlı su verme tankının tasarımı, su verilecek çeliğin kg başına gereken su
verme sıvısı litresi oranına dayanılarak yapılırsa bazı hatalar ortaya çıkabilir.
Belirli bir süre içinde su verilecek çeliğin kg ağrılığına ek olarak, parçaların şekilleri,
büyüklükleri, kesit kalınlığı ve özellikleri de göz önünde bulundurulmalıdır.
Su verme tankı tasarımı için aşağıda bazı pratik öneriler verilmiştir.
-
Su verme tankının saatlik kapasitesi saptanırken, işlenecek parçaya su verme
zamanı ölçülmeli ve gerekli toleranslar verilmelidir. Bu su verme ortamının hacmi,
diğer hesaplama gerektiren donanımın seçiminde de kullanılır. (Örnek :
Soğutucular)
-
Su verilecek parça etrafında, su verme ortamının hareketinden tam
yararlanabilmek ve su verilecek parçadan maksimum ısı alabilmek için, belirli bir
boşluk bırakılmalıdır.
Pervaneli karıştırıcılar kullanıldığında, su verme sıvılarını karıştırabilmek için gerekli
güç aşağıda verilmiştir.
86
Tanktaki sıvının hacmi
50 fpm hız için gereken güç (hp / ga)
U.S. Galon
Normal yağ
Su veya tuzlu su
50 – 800
0.005
0.004
800 – 2000
0.006
0.004
2000 – 3000
0.006
0.005
3000 – ve yukarısı
0.007
0.005
1 U.S. Galon = 3,785 litre
Gereken karıştırıcı sayısı, gereken toplam güce ve her karıştırıcının gücüne bağlıdır. İki
veya daha fazla küçük karıştırıcı, bir tek büyük karıştırıcıdan daha üniform bir
karıştırma ve daha esnek bir çalışma sağlar.
Motorun beygir gücü pervane çapına göre ayarlanır.
Örneğin;
Motor Beygir Gücü
Pervane Boyutu
1
13”
2
15”
3
16”
5
18”
10
21”
15
23”
20
24”
25
25”
Eğer su verme tankı, polimer çözeltiler kullanılacağı varsayımına göre tasarlanıyorsa,
çözeltinin su verilecek metale oranı;
Her bir pound (0.454 kg) metal için 1.5 – 2 galon (5.677 – 7.57 litre) su verme sıvısı kullanılır.
87
VII. ISLAH ÇELİKLERİNİN ISIL İŞLEMİ
Islah etmek; sertleştirmek ve akabinde yüksek sıcaklıkta meneviş yapmaktır. Islah
etmekle malzemenin mukavemetinin artırmanın yanında sünekliğini de artırmış oluruz.
Islah etme genelde yarı işlenmemiş parçalara uygulanır. Nadiren bitmiş parçalara bu
işlem tatbik edilir. Islah çelikleri karbon miktarı + % (0.2 – 0.6)C olan çeliklerdir.
Sertleştirme ortamının seçimi, çelik kompozisyonuna, parçanın boyutuna ve şekline
bağlıdır. Alaşımsız çeliklerin yada sertleşmesi istenmez. Çünkü düşük sıcaklıkta
meneviş yapma zorunluluğu doğar. Hiçbir zaman meneviş işlemi olmaksızın bir çelik
sadece setleştirme ile ıslah edilmiş olamaz. Çelik önce alabileceği miktarda setliğe
çıkartılmalı daha sonra menevişleme istenen mukavemet değerini sağlayacak sertliğe
düşürülmelidir.
Çeliğin derinlemesine sertleşmesi veya cidarda bir kısmı yerine sertleşmesi çeliğin
alaşım elemanına ve sertleşen parçanın boyutuna bağlıdır. Alaşımsız çelikten büyük
boyutta bir parçanın derinlemesine sertleşmesi mümkün değildir. Ayrıca buna paralel
olarak, kesit boyunca mikro yapı farkı da vardır.
Alaşımlı çeliklerde büyük çaplarda derinlemesine sertleşme yoktur. Islah etmede de
sertleşmede olduğu gibi fazla zaman kaybetmeden hemen meneviş yapılmalıdır.
Sertleştirilmiş olan bir çelik menevişleme anında sertlik, kopma mukavemeti ve akma
mukavemeti düşerken uzama, daralma, çentik mukavemeti ve eğme sayısı artar.
Buna örnek olmak üzere 0.45 % C ve 0.8 % Mn bir çelik 350 0C suda sertleştirilmiş,
değişik menevişleme işlemi ile mukavemet değerlerinin seri Tablo 1’de görülmektedir.
88
TABLO 1. C 45 Çeliğinin Islahı
Aynı çeliğin haddelenmiş veya normalize edilmiş hali ise ıslah edilmiş hali kopma
mukavemeti bazında incelenirse, mukavemet değerlerinde büyük farklılıklar olur.
Mekanik özelliklerin iyileşmesi, ıslah etme işlemi ile malzemenin ince taneli ve
homojen bir yapıya kavuşmasını sağlamaktadır.
Meneviş işleminde, meneviş zamanı ve sıcaklığı karbonun diffüzyonu açısından büyük
önem arz eder. Aynı ıslah edilmiş mikro yağı yüksek sıcaklık düşük meneviş zamanı
veya düşük sıcaklık uzun meneviş zamanı ile sağlanabilir.
Sertleştirilmiş çelikteki iç gerilimlerin tamamen alınması için uzun süreli meneviş
genelde tercih edilir. Mikro yapı ve mukavemet değerleri, derinlemesine sertleşmesi
olmayan çeliklerde, yüzeyde ve merkezde farklılıklar gösterir. Bu genelleme parçanın
kırılan yapısında kendini çok bariz bir şekilde gösterir.
200 0C menevişleme işlemi ile cidardaki martenzit dokusu ile merkezdeki perlit –
martenzit yapısında bariz bir fark görülmektedir.
Fakat meneviş sıcaklığı artırılması ile, daha homojen bir mikro yapı oluşur.
89
Bir çeliğin kesit boyunca ıslah edilmesi istenirse, sertleşme anında çeliğin merkezi ve
cidarının kritik soğuma hızından geçmesi gerekir. Yani çelik sertleştirme anında kesit
boyuca martenzitik yapıya dönüşmüş olması gerekir. Islah edilmiş çeliklerde mümkün
olduğunca serbest halde ferrit bulunmamalıdır.
A. MENEVİŞ GEVREKLİĞİ
Bazı alaşımlı çelikler, bilhassa Cr, Mn ve CrNi bazlı çelikler meneviş işleminden sonra
yavaş soğutulurlarsa, ıslah işleminden sonra çentik mukavemet değerinde düşmeler
olur. Bu görünüme meneviş kırılganlığı ismi verilir.
Örnek: 0.27 % C – 1.15 % Mn – 0.75 % Cr ihtiva eden bir çelik 860 0C yağda
sertleştirilip iki saat 650 0C menevişlenip ve menevişten sonra yağda soğutulursa, çentik
mukavemeti; 21 kpm / cm2 olur.
Aynı çelik menevişleme işleminden sonra (650 0C deki) ocak içinde yavaş soğutulursa
çentik mukavemet değeri ; 7 kpm / cm2 düşer. Bu durumda çelik meneviş kırılganlığına
sahip demektir.
Meneviş kırılganlığına sahip bir çelik, aynı sıcaklıkta tekrar meneviş yapılıp yağda
soğutulursa meneviş kırılganlığı kaybolur. Meneviş kırılganlığının giderilmesi için 0.2
% MO ilave edilmesi yeterlidir.
Normal ıslah etme işlemi çeliği sertleştirip akabinde meneviş yapmaktan ibarettir.
Çeliğin yüksek sıcaklıktan aniden soğutularak sertleştirilmesinde çarpılmalar ve
çatlamalar oluşmaktadır. Bu sebepten son senelerde ıslah etme yerine ostemperleme
yaygın bir şekilde kullanılmaya başlanmıştır.
90
B. ÇEŞİTLİ ISLAH ÇELİKLERİNİN ISIL İŞLEM DEĞERLERİ
91
VIII. ÇELİKLERDE YÜZEY SERTLEŞTİRME YÖNTEMLERİ
Çeliklerdeki yüzey sertleştirme yöntemlerinin kimyasal kompozisyon değişikliği
gerektiren ve gerektirmeyen yöntemler olarak ayırabiliriz.
Alev ve indüksiyonla sertleştirme yöntemleri, kimyasal değişme gerektirmezler. Buna
karşılık, yüzeyde de olsa çeliğin kimyasal kompozisyonunu değiştirerek yüzey sertliği
sağlamaya yönelik işlemleri şöyle sıralayabiliriz.
-
Karbonlama (Sementasyon)
-
Nitrürleme
-
Oksitleme
-
Metalleme – Kromlama
-
Borürleme
A. SEMENTASYON
En yaygın olarak uygulanan yüzey sertleştirme yöntemi olan sementasyon işlemi, çelik
yüzeyine belli bir derinliğe varan karbon verilmesi işlemidir. Bu işlem, değişik karbon
verici ortamlarda yapılabilir. Bunlar;
-
Kutu sementasyonu (katı ortamda sementasyon)
-
Tuz banyosunda sementasyon
-
Gaz sementasyonudur
Uygulanan metot her ne olursa olsun, sementasyon işlemi, çelik parçanın ostenit faz
sıcaklığına kadar ısıtılmasıyla gaz – metal reaksiyonu sonucu oluşur ve her metot kendi
özel karakteristiği ile çelik yüzeyinde farklı sementasyon derinlikleri ve sementasyon
sonrası uygulanan sertleştirme yöntemine bağlı olarak, farklı sertlik neticeleri verir.
92
1. KUTU SEMENTASYON
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 yükselmesi ile odun kömürü kutu içindeki 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 getirir. Atomik karbon,
ostenit faza gelmiş olan çelik tarafından emilerek bünyede çözülür. Böylece çelik
parçanın yüzeyi karbonca zenginleştirilmiş olur. Açığa çıkan CO2 tekrar odun kömürü
ile reaksiyona girer, CO meydana getirir ve reaksiyonlar aynen tekrar eder. Kutudaki
oksijen miktarı giderek azalacağından ve sementasyon için gerekli CO oluşumu yetersiz
kalabileceğinden, odun kömürüne yaklaşık % 20 oranında bazı reaksiyon hızlandırıcı
maddeler karıştırılır. Bu amaçla alkali metal karbonatları kullanılır. Bu ise çoğunlukla
baryum karbonattır. (BaCO3) ve karışıma ilave edilen toplam karbonat miktarının
% 50 – 70’ni oluşturur. Geri kalan kısım kalsiyum karbonat ve bazen sodyum
karbonattır.
Kutu sementasyon metodunun en önemli avantajı, önceden hazırlanması gereken gaz
atmosferine gerek olmamasıdır. Bu metot çoğunlukla büyük parçaların sementasyonun
da kullanılır. Ancak, çelik parçasında hassas toleranslı (0.25 mm), ince sementasyon
derinliği (0.75 mm ’den aşağı) istendiği durumlar için pek uygun bir metot değildir. Bu
metodun kullanımındaki diğer bir dezavantaj ise, ısıtma ve soğutma için her defasında
fazladan zaman ihtiyaç olmasıdır.
93
2. TUZ BANYOSUNDA SEMENTASYON
Tuz banyosunda sementasyon için, karbon verici olarak sodyum siyanür (NaCN) veya
potasyum siyanür (KCN) gibi tuzlar kullanılır. Ancak, tuz seçimi istenilen sementasyon
derinliğine ve buna bağlı olarak çalışılacak sementasyon sıcaklığına göre yapılmalıdır.
İki türlü tuz vardır;
- İnce sementasyon derinliği veren (düşük sementasyon sıcaklığında çalışılan) tuzlar. Bu
durumda, tuz banyosundaki siyanür miktarı % 20 olması durumundadır ve çalışma
sıcaklığı 843 – 899 0C (1550 – 1650 0F) olmalıdır. Böyle bir tuz banyosunda 0.9 mm’ye
kadar sementasyon derinliği elde edilebilir.
- Sementasyon derinliğini arttıran (yüksek sementasyon sıcaklığında çalışılan) tuzlar.
Bu durumda ise, tuz banyosundaki siyanür miktarı % 10’dur ve kullanılan sementasyon
sıcaklığı 899 – 954 0C (1650 – 1750 0F) leri arasındadır. Bu tip tuz banyosunda 3 mm
’ye kadar sementasyon derinliğine ulaşılır. Hatta bazın 6 mm derinliğe kadar ilerlemekte
mümkündür.
Bu metotla sementasyon işlemi aşağıdaki reaksiyonlara göre gaz fazında cereyan eder.
2NaCN + O2
2NaCNO
4 NaCNO
2NaCN + Na2CO3 + CO + 2N+
3 Fe + 2CO
Fe 3C + CO2
İlk reaksiyon siyanür tuzu ile havanın oksijeni arasında olur. Açığa çıkan NaCNO
ayrışarak CO ve atomik azot verir.
94
850 – 950 0C de ostenit fazdaki 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 banyosu kullanımında arzı 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
0
C arasında ön ısıtma
yapılmalıdır. Böylece parçalar üzerindeki nem alınmış ve aynı zamanda tuz banyosu
daha verimli olarak kullanılmış olacaktır.
Tuz banyosu genellikle küçük ve orta büyüklükteki parçaların tuz banyosunda
sementasyonu pota büyüklüğü dolayısıyla bazı zorluklar getirir. Bu metotla yapılan
sementasyon işlemi parça yüzeyinde homojen sementasyon derinliği vermesi ve tuz
banyosunun yüksek ısı iletimi dolayısıyla, çelik parçaların kısa zamanda sementasyon
sıcaklığına ulaşması gibi avantajlar sağlar. Bunun yanında, homojen sementasyon
derinliğinin sağlaması için, banyo kompozisyonunun sık sık kontrol edilerek
ayarlanması gerekir. Ayrıca, siyanür tuzları zehirli olduklarından bu metodun
kullanımında dikkatli olunmalıdır.
3. GAZ SEMENTASYONU
Gaz sementasyonu, son yıllarda yüzey sertleştirme metotlarının en popüler olanı haline
gelinmiştir. Bu metotla oldukça iyi ve güvenilir neticeler elde edilmektedir.
Gaz sementasyonu için 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 fazdaki çelik bünyesine gererek yüzeyde karbonca zengin kabuk
bölgesini meydana getirir.
95
2 CO
C + CO2
CH4
C + H2
CO + H2
C + H2O
Fırın atmosferinde oluşan gaz kompozisyonunun, özellikle nem miktarının çelik
yüzeyinde elde edilecek karbon miktarının çelik yüzeyinde elde edilecek karbon
miktarına önemli tesirleri vardır. Nem miktarı ise gazın yoğunlaşma sıcaklığının tespiti
ile ölçülebilir. Burada yoğunlaşma sıcaklığı olarak tarif edilen, su damlacıklarının gaz
karışımından çökeldiği sıcaklıktır. Aşağıdaki Şekil 26’da nem miktarı ile yoğunlaşma
sıcaklığı arasıdaki ilişki gösterilmiştir.
Şekil. 26.
Aşağıdaki şekillerde ise, yoğunlaşma sıcaklığı kontrol edilerek, sementasyon sıcaklığı
ve gaz kompozisyonun değişimi ile yüzeyde elde edilecek karbon miktarına ait örnekler
verilmiştir.
Şekil 27’de sementasyon sıcaklığı 925 0C ve fırın gaz kompozisyonundaki CO miktarı
% 20 olarak sabittir. Çelik parçasının yüzeyinde meydana gelecek karbon miktarına,
yoğunlaşma sıcakğına ve fırın atmosferindeki hidrojen (H2) yüzdesine bağlı olarak
96
değişmektedir. çelik yüzeyinde % 0.80 karbon miktarı elde edebilmek için, gaz
karışımındaki H2 miktarı % 60 iken yoğunlaşam sıcaklığı –3 0C veya H2 miktarı % 20
olduğunda yoğunlaşma sıcaklığı – 17 0C olmalıdır.
Şekil 27 : 925 0C’de yapılan sementasyon işleminde, gaz karışımındaki CO miktarı %
20 olarak sabit iken, yoğunlaşma sıcaklığının ve H2 miktarının çelik yüzeyinde oluşacak
C konsantrasyonuna etkileri
Şekil 28’de ise, çelik yüzeyindeki karbon miktarının sementasyon sıcaklığına bağlı
olarak değişimi görülmektedir. Burada, gaz kompozisyonundaki CO miktarı % 20 ve H2
miktarı % 40 olarak sabittirler. 925 0C sıcaklık kullanıldığında, yüzeyde % 0.80 karbon
eldesi için, yoğunlaşma sıcaklığı yaklaşık – 60C ve aynı karbon miktarının eldesi için,
815 0C sıcaklık kullanıldığında, yoğunlaşma sıcaklığı 5 0C olması gerekir.
97
Şekil 28 Gaz karışımındaki CO miktarı % 20 ve H2 miktarı % 40 olarak sabit iken,
yoğunlaşma sıcaklığının ve H2 miktarının çelik yüzeyinde oluşacak C konsantrasyonuna
etkileri
Sementasyon derinliği, çelik parçasının fırında kalış süresine bağlı olarak değişir.
İşlem tamamlandıktan sonra kullanılan çelik çeşidine bağlı olarak uygun sertleştirme
yöntemi seçilir. Bu metot, 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.
4. SERTLEŞTİRME YÖNTEMLERİ
Sementasyon sonrasında çelik parçalar bir sertleştirme işlemine tabi tutulurlar.
Sertleştirme işlemi parçanın yüzeyinde veya çekirdeğinde veya beraberce her iki
bölgesinde elde edilmesi istenen sertlik değerine bağlı olarak çeşitli şekillerde yapılır.
98
Aşağıda, sertleştirme yöntemleri 5 başlıkta incelenmiştir.
4.1 DİREKT SERTLEŞTİRME
Sementasyon
sonrası, çelik parça sementasyon sıcaklığından direkt olarak uygun
ortamda (yağ, su, sıcak banyo) soğutularak sertleştirilir ve menevişlenir. Şekilde
yuvarlak içine alınmış bölgede kesik çizgi ile belirtilen yol, sementasyon sıcaklığının
uygun sertleştirme sıcaklığından yüksek olduğu durumlarda parçanın çarpılmasını
önlemek için yüzey dönüşüm sıcaklığına kadar yavaş soğutulmasını ifade etmektedir.
Bu yöntem ince taneli yapıdaki çelikler için uygulanır. Oldukça pratik ve ekonomik bir
yöntemdir.
4.2 BASİT SERTLEŞTİRME
Sementasyon sonrası parça sementasyon fırınından veya havada soğumaya bırakılır.
Daha sonra, isteğe göre 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 hallerde uygulanır.
4.3 BASİT SERTLEŞTİRME ( Ara Tavından Sonra)
Çelik parçalar semente edildikten sonra, sementasyon kutusu veya havada soğumaya
bırakılır. Sonra, A1 ötektoid sıcaklığı altında, genellikle 630 – 650 0C de ara tavı yapılır.
Bunu takiben yüzey veya beraberce yüzey – çekirdek sertleştirmesi için gerekli
sıcaklığa ısıtılır, uygun ortamda (yağ, su veya sıcak banyo) soğutulur ve menevişlenir.
99
4.4 BASİT SERTLEŞTİRME ( İzotermik Dönüşümden Sonra)
Sementasyon soransı, parçalar yüzey dönüşüm sıcaklığı altında (500 – 600 0C) perlit
yapının izotermik dönüşümü tamamlanıncaya kadar bekletilir. Tekrar yüzey veya yüzey
– çekirdek sertleştirilmesi için gerekli sıcaklığa kadar ısıtılır, uygun ortamda (yağ, su
veya sıcak banyo) soğutularak menevişlenir.
4.5 ÇİFT SERTLEŞTİRME
Sementasyon fırınından çıkan malzeme, direkt sertleştirilir. Daha sonra, yüzey dönüşüm
sıcaklığına kadar sertleştirilir ve menevişlenir. Bu yöntemle çok iyi neticeler elde
edilebilir. Ancak, ard arda yağılan sertleştirmelerle parçada çarpılmalar olabilir.
5. MENEVİŞLEME
Bu işlemin gayesi, sertliği bir miktar düşürerek sertleştirme sonrası çelik parçadaki
gerilimleri gidermektedir. Sertleştirme sonrasında çelik parçalar genellikle 160 – 220 0C
arasındaki sıcaklıklarda menevişlenirler. Menevişleme zamanı 1 – 2 saattir. Eğer
sonuçta parça yüzeyindeki sertlik 60 HRC den düşük istenmiyor ise, menevişleme
sıcaklığı 180 0C den fazla olmamalıdır.
100
SEMENTASYON ÇELİKLERİNİN ISIL İŞLEMLERİ
101
IX. TAKIM ÇELİKLERİNİN ISIL İŞLEMİ
Çelik, ısının ve ısı akışının değişimi ile etkileri ısıl işlem, malzemelere belirli bir özellik
sağlanması için uygulanan bir veya birkaç işlemin bileşimidir. Tablo 1’de ısıl işlem
yöntemleri özetlenmiştir.
Tablo 1 Takım Çeliklerinin Isıl İşlemleri
A. YUMUŞATMA
Yumuşatma işleminden, 600 – 800 0C arası uzun süreli tavlama ve daha sonra yavaş
soğutma anlaşılır. Bu durumda takım çeliği oldukça yumuşak, işlenmesi kolay ve
sertleştirme için en uygun durumdadır.
Yumuşatma, ısıl işlemin temelidir. Genel olarak takım çelikleri yumuşak durumda
teslim edilir.
102
B. GERİLİM GİDERME
Malzeme istenilen şekle işlenirken, mekanik işlemler sonucu iç yapısında gerilimler
meydana gelir. Sertleştirme öncesi bu gerilimleri giderme zorunludur. Gerilim giderme
tavı, malzemeleri 600 – 700 0C arasında tavlayıp genellikle yavaş soğutarak elde edilir.
C. SERTLEŞTİRME
Çeliğin önce 780 – 1250 0C arası tavlanması ve daha sonra soğutulması (su verilmesi)
işlemidir.
Takım çeliklerinin sertleştirilmesi imalat çeliklerinden farklı olarak bir dizi ısıtma ve
soğutma işlemini kapsar. İlk ısıtma ili, ön ısıtma olarak adlandırılır. Isıtma sırasında
parçada, yüzey ve göbek arasındaki sıcaklık farklılıklarına bağlı olarak çatlakları
önlemek için ön ısıtma birkaç aşamada uygulanmalıdır. Özellikle, yüksek alaşımlı ve
karmaşık tasarımlara sahip takımlarda çatlama tehlikesi daha da önem kazanır ve ön
ısıtma uygulanmadığında ısınma çatlakları ile karşılaşılabilir.
Ön ısıtma, belli bir sıcaklık noktasında eklenerek yüzey göbek arasındaki sıcaklıkları
dengelemektir. Bekleme süresi düşük sıcaklıklarda milimetre kalınlık başına yarım
dakika, yüksek sıcaklıklarda bir dakika olarak alınır. Son ön ısıtmayı takiben takım
sıcaklığı sertleştirme sıcaklığına yükseltilir. Sertleştirme sıcaklığı, bilindiği gibi ostenit
fazına dönüşüm sıcaklığıdır. Yağının tümüyle ostenite dönüşümüne gereken süreyi
tanımlamak için Şekil 29’den yararlanılabilir. Burada parçanın et kalınlığına bağlı
olarak sertleştirme sıcaklığında bekleme süresi verilmiştir. A harfi ile gösterilen Yüksek
Alaşımlı Çelikler için geçerlidir.
103
Şekil 29. Ostenit dönüşüm süreleri
Söz konusu kalite ve takım geometrisine göre s verme işlemi su, yağ, hava veya tuz
banyosunda yapılır. Genel olarak, alaşımsız çelikler suda, alaşımlılar yağ veya tuz
banyosunda, yüksek alaşımlılar havada soğutulur. Su ve yağda yapılan su verme
işlemlerinde sıvının veya parçanın çalkalanmasına önem gösterilmelidir. Tuz
banyolarında su verme değişik banyo sıcaklıklarında yapılabilir, ancak parça tuz
sıcaklığına geldiğinde havada soğutmaya devam edilmelidir.
Su verme sonucu parça sıcaklığı 80 0C’ye indikten hemen sonra 100 – 150 0C’deki
fırında parça bir müddet yüzey ve göbek arasındaki sıcaklık farkını azaltmak üzere
bekletilir. Özellikle büyük hacimli parçalarda bu dengeleme işlemi, çatlakları önlemek
ve çarpılmaları en aza indirmek amacıyla kullanılmalıdır.
Su verildikten sonra çelik en sert durumuna ulaşır. Bu durumda çeliğin işlemesi zor,
tokluğu düşük ve çatlamaya meyillidir.
Ç. MEVİŞLEME
Menevişleme, 100 – 170 0C arasında birkaç defa ısıtma ve daha sonra soğutma
işlemidir.
Menevişleme, genel olarak sertleştirme sürecinde oluşan gerilimleri azaltmak amacıyla
kullanılır. Ancak takım çeliklerinde menevişlemenin bundan başka amaçları da vardır.
104
1-Yüksek alaşımlı takım çeliklerinde martenzit tamamlanma sıcaklığı (Mf) oda
sıcaklığının altında kaldığından sertleştirme sonunda yapıda önemli oranda artık ostenit
kalır. Menevişleme bu artık ostenitin dönüşümünü sağlar.
2-Yüksek alaşımlı çeliklerde ostenit yapıda dağılan karbürler, menevişleme ile, yapıda
meneviş sertleşmesine veya ikincil sertleşmeye yol açar.
3-Malzemelerin çatlama tehlikesi azalır ve toklukları yükselir. Sertleştirme sonrası elde
edilen birçok özellik daha uygun hale gelir.
Meneviş süresi her 20 mm kalınlık için bir saattir. Ancak bir saatten daha kısa sürede
uygulanmaz.
Şekil 30, bazı soğuk iş (1.1545, 1.2419), sıcak iş (1.2343) ve yüksek hız çeliklerinin
(1.3343) meneviş sıcaklığına bağlı olarak sertlik değişimlerini göstermektedir.
Soğuk iş takım çeliklerinde sertlik, alaşımsız olan 1.1545 de daha fazla olmak zere
meneviş sıcaklığa bağlı olarak aynı oranda azalır. Bu sebeple soğuk iş takım çelikleri
sürekli kullanımda 200 0C altında bulunmalıdır. Genel olarak takım çelikleri, meneviş
sıcaklıkları altında kullanılmalıdır.
Sıcak iş ve yüksek hız çeliklerinin sertlikleri 350 0C üzerinde yükseli ve 550 0C’de
ikincil en yüksek sertliğe ulaşır. Bu durum,i bu çeliklerin neden yüksek kullanım
sıcaklıklarında sertlik kaybına uğramadıklarını açıklar.
105
Şekil 30: Soğuk İş (1.1545, 1.2419), Sıcak İş (1.2343) ve Yüksek Hız Çelikleri (1.3343)
İçin Meneviş Eğrileri
Aşağıdaki tabloda, su verme sıcaklıkları ve çelik kalitelerine göre ısıl işlem yöntemleri,
su verme ortamı, sertleştirme sonucu elde edilen sertlik ve değişik meneviş
sıcaklıklarına göre elde edilen sertlik değerleri verilmiştir. Meneviş sıcaklığı seçimi,
parçadan istenen sertliğe bağlı olarak yapılmıştır.
Tablo : Su verme sıcaklığı 900 0C altında olan alaşımsız ve alaşımlı soğuk iş ve sıcak iş
takım çeliklerinin ısıl işlem yöntemi ve kalitelere göre işlem değerleri
106
Tablo Su Verme Sıcaklığı 900° C Altında Olan Alaşımsız ve Alaşımlı Soğuk İş ve
Sıcak İş Takım Çeliklerinin Isıl İşlem Yöntemi ve Kalitelere Göre İşlem Değerleri
107
X. KARBONSUZLAŞMA VE TUFAL OLUŞUMU
A. KARBONSUZLAŞMA
Çeliğin dayanımı içerdiği karbür miktarına bağlı olduğundan ısıl işlem sırasında makine
parçalarının zayıflamasına ve yumuşamasına yol açar.
Yine bu oluşum nedeniyle aşınma direnci ve birçok durumlarda da yorulma direncinin
önemli bir düşüş gösterdiği açıktır.
Karbonsuzlaşma çelik makine parçalarının işlenmesi ve ısıl işlemi sırasında eğer
koruyucu bir atmosfer altında çalışılmıyorsa kaçınılmaz bir oluşumdur ve bu nedenle
birçok mühendislik parçasında sık sık rastlanır. Çoğu hallerde, kırılmaların, hataların ve
yetersiz çalışmanın nedeni karbonsuzlaşmadır.
Karbonsuzlaşmanın farklı tanımları vardır;
Karbonsuzlaşma derinliğinin etkin tanımı; “Karbon oranının çekirdekten daha düşük
olduğu tabakanın kalınlığı yani, yüzeyden çekirdeğin karbon oranına ulaşıncaya kadar
olan uzaklık”. Şurası gözde uzak tutulmamalıdır ki bu tanıma göre karbonsuzlaşma
derinliğinin sık sık ölçülebilmesi çok zordur.
Karbonsuzlaşma derinliğini fonksiyonel tanımı; “Son ürünün çalışmasını etkileyecek
şekilde, parçanın özellikleri üzerinde önemli bir etki yapacak kadar karbon kaybı olan
tabakanın kalınlığı. “Son veya ya – ürün çelikler için hazırlanacak spesifikasyonlarda,
karbonsuzlaşış tabakanın derinliği ve bu tabakadaki karbon miktarı ve sertlik için de
bazı sınırlamalar getirilebilir.
Karbonsuzlaşama derinliğinin pratik tanımı; “Yapı olarak çekirdekten çok farklı
özellikler gösteren tabakanın kalınlılığı” Bu özellik metalografik yöntemlerle kolayca
ölçülebilir. Pratikte çok kullanılır ve spesifikasyonlar genellikle bu tanım üzerine
hazırlanır.
108
a.
Parçanın işlevi ile ilgili hiçbir özellik taşımaz.
b.
Ölçümler sık sık tekrarlanabilir nitelikte değildir.
1. Tam, Kısmi ve Topla Karbonsuzlaşma
Tam karbonsuzlaşma yüzeyin tamamen ferritik olmasına neden olur. Çoğu
uygulamalarda yüzeyde ferrit oluşumu özellikle zararlıdır.
Kısmi karbonsuzlaşma oluşumunda karbonsuzlaşmış bölgelerdeki karbon miktarı ferrit
bölgesinden çekirdeğe doğru bir artış gösterir.
Toplam karbonsuzlaşmış tabakanın derinliği tam ve kısmi karbonsuzlaşmış tabakaların
derinliklerinin toplamıdır.
2.a. Karbonsuzlaşmış Tabakanın Maksimum ve Ortalama Derinliği
Karbonsuzlaşmanın diğer bir özelliği de, dairesel bir konumdaki dağılımıdır.
Örneğin yarım ay şeklinde tabakalar kare şeklinde bir kütüğün daha sonra haddelenerek
yuvarlak hale getirilmesiyle ortaya çıkan bir oluşumdur.
Çember şeklindeki karbonsuzlaşmış tabakalar, bir telin tavlanması sırasında oluşurlar.
Çevredeki kaymalar gaz akım hızlarının bölgesel farklılaşması nedeniyle meydana gelir.
Girintiler daha önceki aşamalarda düzeltilmiş hataların izleridir.
Bu farklı tabakaların etkisi, parçanın göreceği işe göre değişir. Örneğin bazı
uygulamalarda girintilerden kaçınılırken, bazı uygulamalarda yarım aylara izin
verilebilir.
109
3.b. Karbonsuzlaşmanın Maksimum veya Aşırı Derinliği
Karbonsuzlaşmış tabakanın belirli noktalarda ulaştığı en derin noktalardır.
Karbonsuzlaşmanın ortalama derinliği, basitçe dört veya daha fazla noktadan rasgele
yapılan ölçümlerin ortalamasıdır.
2.c. Karbonsuzlaşmanın “Ortalama Maksimum” Derinliği
Çevre üzerindeki dört noktadan yapılan ve az bir büyümeden sonra yapılan ölçme ile
elde edilen maksimum derinliklerin ortalaması.
3. Karbonsuzlaşmanın Ölçümü
En uygun ve belki de en yararlı yöntem optik metalografi yöntemidir.
Bir parçanın kesiti veya bir örneğin dış çevresi gözlenir ve yüzeyden, kısmi ve tam
karbonsuzlaşmanın ampirik tavlamalarına kadar olan karbonsuzlaşma derinliği ölçülür.
Bu yöntem sadece ferrit – perlit yapılar için uygundur. Bildiğimiz havada soğutulmuş
ferrit – perlit yapıdan bir ayrılma söz konusu ise karbonsuzlaşma sınırının saptanması
zorlaşır ve güvenilir değildir.
Karbonsuzlaşmanın ölçülmesinde kullanılan klasik yöntem yüzey tabakalarının
kimyasal analizlerinin yapılmasıdır. Bu iş için, örnek parçanın kesin kimyasal analiz
almaya yetecek büyüklükte olması gerekir. Ayrıca her yüzey tabakası, karbona karşı
yüzeyden olan uzaklık diyagramının çizilmesine olanak verecek sayıda nokta elde
edilmemizi sağlayacak incelikte olmalıdır.
Fonksiyonel karbonsuzlaşma sınırının bulunmasında kullanılan diğer bir yöntemde, test
parçasının yüzeyinden itibaren alınan mikro sertlik ölçümleriyle, sertlikteki değişmenin
saptanmasıdır. Bu ölçüm yapılmadan önce parçanın sertleştirilmiş olmasına dikkat
110
edilmelidir. Yüzeyden olan derinliğe karşılık sertlik grafiği çizilir ve çekirdek
sertliğinden sapma gözlenir.
B. KARBONSUZLAŞMANIN TEORİSİ
Bir karbon çeliği 910 0C’nin altına ısıtılırsa, yüzeyde bir ferrit tabakası oluşur. Bu
tabaka karbonun ferrit içindeki çözünürlüğünün çok düşük olması nedeniyle, karbon
alışverişi için bir genel meydana getirir. 910
0
C üstünde çelik ostenit olarak
bulunmaktadır ve karbonsuzlaşma şiddetlidir.
Tamamıyla ostenit bölgesindeki işlemi gösteren bir örnek düşünelim. Çelik yüzeyi tufal
oluşturacak şekilde sürekli oksitlenirken, karbon da CO ve Co2 gazlarını oluşturacak
şekilde oksitlenir. Tufal gazların atmosfere karışmasına olanak verecek şekilde
geçirgendir.
Tufal/metal ara yüzeyi belli bir “t” zamanında x = X durumundadır. Bunun anlamı,
tufallaşmanın “t” zamanında X kalınlığında metal harcaması demektir.
Tufal/metal ara yüzeyinde karbon miktarının, tufalın oksijen potansiyeli ile dengede
olduğu varsayılır. Tufalın bu noktadaki oksijen potansiyeli ise demir – demir oksit
(Wüstite) arasındaki denge koşullarına karşılıktır. Karbon konsantrasyonunun dağılımı
yüzeydeki düşük konsantrasyondan, çekirdekte metalin orijinal konsantrasyonuna doğru
belli bir artış gösterir.
Karbonsuzlaşma derinliği, karbonun metaldeki dağılımı hesaplanarak bulunabilir.
Karbon dağılımı Fick’in ilgili denge koşulları için bulduğu ikinci kanunu ile
hesaplanabilir.
111
C 2 C
 2
t
x
x için X
I
C = C0
x = 0; t = 0
II
C = Cs
x = X; t = 0
III
Denklem II, karbon konsantrasyonun başlangıçta örneğin her tarafında aynı olduğunu
gösterir.
Denklem II, karbon konsantrasyonun metal/tufal ara yüzeyinde sabit olduğunu gösterir.
(Tufal ile dengede) Bu koşullarda (Karbonun ostenitteki difüzyon katsayısı,
kompozisyona bağlı değildir) sabit sıcaklıkta solüsyon;
C0  C
C0  C s
erfc ( X / 2 Dt )
erfc (hc / 2 D)1 / 2
Burada “erf” hata faktörü ve “erfc” = 1- erf, “hc” ise çeliğin korozyon sabitidir ve şu
şekilde tanımlanır.
hc = X2/2t
Bu hesaplama ile metalografi ile saptanan karbonsuzlaşma gölgesinin iç sınırında
karbon miktarı orijinal karbon miktarının % 92.5’i kadar olduğu bulunur.
C. TUFALLAŞMA HIZININ KARBONSUZLAŞMA ÜZERİNDEKİ ETKİSİ
Karbonsuzlaşmanın, ortamdaki gazın oksidasyon potansiyelini düşürerek azaltılması
mantıklı bir çözüm gibi gözükebilir. Bu bir yanılgıdır çünkü eğer bir tufal oluşumu
varsa metal/ tufal ara yüzeyindeki karbon konsantrasyonu sabittir ve demir – demir
oksit ile denge durumundadır.
112
Bununla birlikte tufallaşma hızı atmosferin değişmesinden etkilenebilir ve bu etkilenme
gözlenen karbonsuzlaşma derinliğini etkiler. Bu etkilenmenin ise korozyon katsayısı
“hc” arttıkça azaldığı bulunmuştur.
İlginç bir durumu ortaya çıkarıyor; Oksidasyon hızı düşürülürse, karbonsuzlaşmış
tabaka derinliği artıyor fakat metal kaybı daha az oluyor. Böylece eğer bir parça
karbonsuzlaşmış tabakanın alınması için taşlanacak veya işlenecekse, ısıl işlemi daha az
saldırgan bir atmosferde yaparak daha az metal kaybı olması sağlanabilir.
Ç. ALAŞIM ELEMENTLERİNİN KARBONSUZLAŞMA ÜZERİNDEKİ ETKİSİ
Alaşım elementleri aşağıdaki etkilerinden dolayı karbonsuzlaşmaya etki ederler.
a.
Ferrit – ostenit dönüşüm sıcaklığı
b.
Karbonun çözeltideki aktivitesi
c.
Karbonun çözeltideki difüzyon katsayısı
d.
Demirin tufallaşma özellikleri
Alaşım elementlerinin karbonsuzlaşma üzerindeki etkisi birçok etkenleri içeren
karmaşık bir olaydır. Kesin rakamlarda belirtmek zor olmasına rağmen bazı bilinen
alaşım elementlerinin aşağıdaki etkileri yapacakları tahmin edilebilir.
a) Nikel : Nikel, tufal/metal ara yüzeyinde yoğunlaşır. Bu nikel yoğunlaşması nedeniyle
tufallaşma hızı çok etkilenmesine rağmen karbonun yüzey tabakalarındaki çözünürlüğü
azalır. Bu da dış kısımlara doğru karbon difüzyonunu sınırlılar ve karbonsuzlaşma
derinliğini azaltır.
b)-Manganez : Mangan, wüstit ve mangetit tabakaları ile katı çözelti oluşturarak tufal
içinde çözünür. Tufallaşma hızı çok az etkilenir ve karbonsuzlaşma üzerindeki etkisi
sadece karbon aktivitesi ve difüzyon katsayısı üzerindeki etkisiyle sınırlıdır. Mangan
metalin yüzey tabakalarında çok az bulunduğu için etkisi çok azdır.
113
c)-Silisyum : Silisyum tufallaşma hızını azaltır. Bu nedenle görünen karbonsuzlaşmanın
daha derin olmasına neden olur. Silisyum ayrıca karbonun aktivitesini arttırarak,
karbonun tufal/metal ara yüzeyine sızması eğilimini arttırır. Bu durumda silisyumun
genellikle, karbonsuzlaşmayı arttırması beklenir.
d)-Krom : Genel olarak tufallaşma hızını azaltır. Kararlı karbürler oluşturur. Eğer
karbürler tamamıyla çözünürse, krom karbonun çözeltideki aktivitesini düşürecektir.
Böylece karbonun yüzeyde birikmesi hızını da azaltacaktır.
Yukarıdakilerin ışığında iki karşıt etki gözlenmektedir. Düşük tufallaşma hızı gözlenen
karbonsuzlaşma eğilimi arttıracaktır. Diğer taraftan karbon aktivitesinin düşmesi
karbonsuzlaşma eğilimini azaltacaktır. Bu son etkenin karbonsuzlaşmayı azaltması
beklenir. Buna rağmen kesin bir şey söylemek için kesin değerlere gereksinim vardır.
114
Fe-C Alaşım Denge Diyagramının Çelik Bölümü ve Çeliklere
Uygulanan Isıl İşlemler
115
KAYNAKLAR
[1] Prof. Dr. Yük. Müh. Metin Yılmaz GÜRLEYİK, Malzeme Bilgisi ve Malzeme
Muayenesi, (W. Domke, 1977. 7. Baskı Çevirisi), 1981
[2] Prof. Dr. M. Ali TOPBAŞ, Çeliğin Isı İşlemi, (Yıldız Üniversitesi Yayınları sayı =
250), 1992
[3] Prof. Dr. M. Ali TOPBAŞ, Çelik ve Isıl İşlem El Kitabı, (Ekim Ofset Yayınları),
1998
[4] SEGEM, Çelik Isıl İşleminin Temel Prensip ve Yöntemleri, M.Salih OKTAY,
Met.Müh.M.B.A. (1986.)
[5] MKE Normu Özel Nitelikte Çelik Türleri Kataloğu, (Makine ve Kimya Endüstrisi
Kurumu), 1978
[6] Yük. Müh. Turgut TARIKAHYA, Çeliğin Tavlanması, Sertleştirilmesi ve Tretmanı,
(W. Malmberg, 1975. 2. Baskı Çevirisi), Makine Müh. Odası Yayınları, Yayım No: 29
[7] Nejat İZAR, Çelik Seçimi ve Sertleşebilme, (W. Crafts, J. L. Lamont, 1971),
Makine Müh. Odası Yayınları. Yayın No: 58
[8] R. L. TİMİNGS, Malzeme Teknolojisi Seviye 3, 1985, (Çeviri: Rıza GÜRBÜZ,
(1998)
[9] Mak. Yük. Müh. Fettah GÜVENTÜRK, Çelik El Kitabı, 1990