Sare ÇELİK, Naci OTMANBÖLÜK, Levent FİDAN

TİMAK-Tasarım İmalat Analiz Kongresi
26-28 Nisan 2006 - BALIKESİR
ÇELİKTEKİ ALAŞIM ELEMENTLERİNİN
SERTLEŞEBİLİRLİĞE VE SERTLEŞME DERİNLİĞİNE ETKİSİ
Sare ÇELİK1, Naci OTMANBÖLÜK1, Levent FİDAN2
1
Balikesir Üniversitesi, Müh. Mim. Fak., Makine Bölümü, BALİKESİR
[email protected]
2
Balıkesir Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, BALİKESİR
[email protected]
Özet
Kaliteli imalat, ancak uygun malzeme seçimine bağlıdır. Çünkü üretim, öncelikle
kullanılacak malzeme seçimi ile başlamaktadır. Makine imalat ve yapı sanayiinde en çok
kullanılan malzeme çelik olduğuna göre çelik seçimi son derece önemlidir. Sertleşebilirliğin
önemi ise farklı çeliklerin hangi sertlik düzeylerine erişebileceğini belirlemede ortaya çıkar.
Bu çalışmada da, çok kullanılan Ç1040 ve Ç1050 karbon çelikleri ile Ç8620 ve Ç4140
alaşım çelikleri seçerek ostenize sıcaklıkları belirlenmiş ve su verilerek sertleştirme işlemi (jominy
deneyi ) yapılmıştır. Deneylerden sonra numunelerin HRC sertlik ölçümleri yapılmış ve bu veriler
ışığı altında sertleştirilmiş alın yüzeyden itibaren sertleşme derinlikleri tespit edilmiştir. Elde
edilen bu sonuç ve çizilen grafiklere göre sertleşebilirlilik ve sertleşme derinlikleri irdelenerek
alaşım elementlerinin etkisi incelenmiştir.
Anahtar Kelimeler : Jominy deneyi, Sertleşebilirlilik
Abstract:
High – Quality production depends just on the choice of proper metarial. Because,
producting begins first by the choice of metarials that will be used. Considering that stell is the
metarial mostly used in the machine production and construction industry, the choice of steel is
extremely important. The importance of hardenability appears in determining the level of
hardness to which the differents steels can reach.
Also in this work, the austenite heat has been determined by choosing the mostly used
Ç1040 – Ç1050 carbon steels and Ç8620 – Ç4140 alloys steels with carbon and by giving water
the hardening process (Jominy experiment) has been done. After the experiments, the HRc
hardness measuring of the samples has been done and upon these datums, beginning from
hardened brow surface, hardening depth has been determined. According to this acquired
result and the drawn graphics, hardenability and the effects of alloy elements has been
examined.
Key Keywords : Jominy experiment, Hardenability
157
1. GİRİŞ
Günümüz endüstrisinde, başarının yakalanabilmesi için malzeme seçimi çok önemlidir.
Zira üretim öncelikle kullanılacak malzeme seçimi ile başlamaktadır. Seçimin amaca uygunluğu
büyük önem taşımaktadır. Makine imalat ve yapı sanayinde en çok kullanılan malzeme çelik
olduğuna göre çelik seçimi son derece önemlidir.
Sertleşebilirlilik, çeliğin su verme işlemiyle martenzite dönüşümü sonucu sertleşme
kabiliyetidir. Sertleşebilirlilik su verme ile elde edilen sertliğin derinliğini saptar. Bu derinlik
yüzeyden itibaren % 50 martenzit ve beynitin mevcut olduğu mesafe olarak belirlenir. Yüksek
sertleşebilirliliğe sahip bir çeliğin, büyük bir sertleşme derinliği göstermesi anlamına gelir.
Sertleşme derinliği, takım ve yapı çelikleri için çok önemlidir. Sertleşebilirlilik genellikle sertlik
değişimi cinsinden tarif edildiğinden, çelik cinsine C (karbon) başta olmak üzere alaşım
oranlarına bağlı olarak sertlik değişimidir. Aynı zamanda mikro yapı değişimi olarak da
görülebilir. Genel olarak, alaşım elementleri perlit, beynit dönüşümleri geciktirerek
sertleşebilirliliği arttırır [1]. Ana alaşım elementi olan karbon, çelik özelliklerine en fazla etkili
elementtir. Krom dayanımı ve sertleşebilme özelliğini arttırır. Karbonla birleşerek çok sert olan
krom karbürü oluşturur. Krom ile birlikte kullanılan nikel, sertliğin derinliğe inmesini sağlar. Cr ve
Ni ile beraber kullanılan molibden ise, az miktarda katılması rağmen sertlik ve dayanımı arttırır.
Ancak gevreklik oluşumunu ortadan kaldırır [2].
Çeliğin sertleşme sonrası kazanacağı sertlik, tercih faktörlerinden en başta gelenidir. Bu
sebepten çeliğin sertleşebilirliliğini belirlemek için ostenize edilmiş çeliğe bir uçtan su verilerek
Sertleşebilirlilik Deneyi, diğer yaygın adıyla Jominy Deneyi uygulanır. Bu deney, uluslar
arası düzeyde standartlaştırılmıştır. Detayları Türk Standartları 1381’de verilmiştir [3].
2. MATERYAL VE METOD
Jominy deneyi basit bir prensiple çalışan yüzeyden soğutarak malzemelerin
sertleşebilirliliklerinin incelenmesi yöntemidir. Standartlara bağlı kalınarak jominy deney
düzeneği hazırlanmıştır. Buna göre dikey su besleme borusunun çapı, su püskürtme yüksekliği,
deney parçası ile su borusu ucu arasındaki uzaklık belirlidir. Standartlara bağlı kalınarak
hazırlanan deney parçaları 25mm çapında 100mm uzunlukta işlenmiş silindirik çubuklardır.
Deney numunesi olarak yüksek mukavemet istemeyen makine parçaları, akslar, milleri
ve saplama imalatında kullanılan Ç1040, krank ve akslar , pres ve kalıp parçaları, dişliler, piston
kolları, dişli çubukları imalatında kullanılan Ç1050, Orta dayanımlı parçalar, dişliler, miller, kamalı
miller, piston pimleri imalatında kullanılan Ç8620 ve Yüksek dayanımlı makine parçaları, krank
milleri, şaft, biyel kolları, dişliler, cıvata imalatında kullanılan Ç4140 çelikleri alınmıştır [4].
Çeliklerin kimyasal bileşimleri Çizelge 1’de verilmiştir.
Deney parçaları, malzemelerin özelliklerine uygun ve homojen olarak A3 eğrisinin
üzerine bir sıcaklığa kadar ısıtılır. Fırın ve malzeme arasında rejim sıcaklığı yakalanır ve bu
sıcaklıkta 30 dakika tutulur. Deneyde kullanılan çeliklere göre rejim sıcaklıkları; Ç1040 çeliği için
870°C, Ç1050 çeliği için 840°C, Ç8620 çeliği için 915°C, Ç4140 çeliği için 830°C ‘dır. Deney
parçası fırından çıkartılıp 5 saniye içinde deney düzeneğine bağlanarak üzerine su
püskürtülmüştür. Su püskürtme zamanı en 10 dakika dır [3,5]. Deney düzeneği ve numune
yerleştirildikten sonraki su püskürtme esnasındaki görüntü Şekil 1’de verilmiştir.
158
Çizelge 1: Deneylerde kullanılan çeliklerin kimyasal bileşimleri [4,6]
Çeliğin Cinsi
Ç8620
SEMENTASYON ÇELİĞİ
DIN NORMU 21NiCrMo2
Ç4140
ISLAH ÇELİĞİ
DIN NORMU 42CrMo4
Ç1050
ISLAH ÇELİĞİ
DIN NORMU C45
Ç1040
ISLAH ÇELİĞİ
DIN NORMU C35
C
Si
Mn
P
0,170,23
0,150,40
0,600,90
0,380,45
0,150,40
0,420,50
0,320,39
S
Cr
Mo
Ni
0,035 0,035
0,350,65
0,150,25
0,400,70
0,500,80
0,035 0,035
0,901,20
0,150,30
---
0,150,35
0,500,80
0,035 0,035 ---
---
---
0,150,35
0,500,80
0,035 0,035 ---
---
---
Şekil :1 Jominy deney düzeneği ve deneyin uygulanışı
3. DENEYSEL BULGULAR
Sertleştirmeden sonra ölçüm yapmak için hazırlanan yüzeyler zımparalanarak yine
standartlarda belirtildiği gibi uçtan başlayarak belirli aralıklarla 19 noktadan toplam 52mm
boyunca Rockwell C sertlik ölçümleri yapılmıştır. (Şekil2).
159
Şekil 2 : Sertleştirmenin ölçülmesi için deney parçasının hazırlanması ve sertlik
ölçme noktaları [6]
Jominy deneyleri yapılan Ç1040, Ç1050, Ç8620 ve Ç4140 çeliklerinin uç kısımdan
itibaren ölçülen sertlik değerleri Çizelge 2’de verilmiştir. Ölçülen sertlik değerleri ile çizilerek elde
edilen mesafeye bağlı sertlik değişim grafikleri de Şekil 3 – 6 ‘da gösterilmektedir.
Çizelge 2 : Sertleşebilirlilik deneyleri sonucu çelik numunelerden alınan sertlik değişimleri
160
Ç1050
ÖLÇÜLEN SERTLİK DEĞERİ (HRc)
ÖLÇÜLEN SERTLİK DEĞERİ (HRc)
Ç1040
60
50
40
30
20
10
0
1,5 3
5
7
9
11 13 15 20 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52
60
50
40
30
20
10
0
1,5
3
SERTLEŞTİRİLMİŞ UÇTAN MESAFE (mm)
5
7
9
11 13 15
Şekil 3: 1040 Çeliğinin mesafeye bağlı sertlik
Değişimi
31 34 37
40 43 46
49 52
Şekil 4: 1050 Çeliğinin mesafeye bağlı sertlik
değişimi
Ç8620
Ç4140
70
60
50
40
30
20
10
0
ÖLÇÜLEN SERTLİK
DEĞERİ (HRc)
ÖLÇÜLEN SERTLİK
DEĞERİ (HRc)
20 25 28
SERTLEŞTİRİLMİŞ UÇTAN MESAFE (mm)
40
30
20
10
0
1,5 3
5
7
9 11 13 15 20 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52
SERTLEŞTİRİLMİŞ UÇTAN MESAFE (m m )
Şekil 5: 4140 Çeliğinin mesafeye bağlı
değişimi
1,5 3
5
7
9 11 13 15 20 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52
SERTLEŞTİRİLMİŞ UÇTAN MESAFE (m m )
Şekil 6: 8620 Çeliğinin mesafeye bağlı sertlik
sertlik değişimi
Sertlik değerlerinin mesafeye bağlı olarak değişimlerini aynı grafik üzerinde gösterirsek
çelik cinsine bağlı olarak sertleşebilirlilik ve sertlik derinliği değişimlerini görebiliriz. (Şekil 7).
Buna göre karbonlu çeliklerde yüzeydeki sertlik yüksek olmasına rağmen sertleşme derinliği
daha azdır. Alaşımlı çeliklerde ise sertleşme derinliği artmıştır.
4. SONUÇLAR
Elde edilen sertlik değerleri göz önünde bulundurularak, sertleştirilmiş alın yüzeyden
itibaren sertlik değişim grafikleri oluşturulmuştur. Su verilen çeliğin yüzeyindeki elde edilen
sertlik, çeliklerin sertleşebilme özelliklerini verir. En çok etkileyen faktörde çeliğin kimyasal
bileşimidir. Çelik üzerinde en çok etkili olan alaşım elementi karbonun sertleşme üzerindeki etkisi
açıktır. Karbon oranı kullanılan diğer çeliklere göre daha az olan Ç 8620 çeliğinin uç kısımdan
itibaren sertliğin düşüklüğü görülmektedir. Karbon oranları birbirine yakın olan Ç 1040, Ç 1050
ve Ç 4140 çeliğinin uç kısımdaki sertlik değerleri de birbirine yakındır. Ancak karbonun dışında
diğer alaşım elementlerinin bulunduğu Ç 8620 ve Ç 4140 çeliklerinde bulunan krom, nikel ve
molibdenin özellikle sertleşme derinliğinin artması üzerine etkisi açıktır.
161
Şekil 7: Deneylerde kullanılan çeliklerin birlikte mesafeye bağlı sertlik değişimi
Bu bilgiler dikkate alındığında şöyle bir sonuca varabiliriz. Karbon çelikleri ( Ç0140 –
Ç1050 ) , içindeki karbon miktarı arttıkça sertleşebilirliliği artan ve sertleşme derinliği az olan
çeliklerdir. Alaşımlı çelikleri ( Ç8620 – Ç 4140 ) ise içindeki alaşım elementlerinin katkısıyla ısıl
iletkenlikleri yüksek olduğundan, sertleşebilirlikleri yüksek ve sertleşme derinliği fazla olan
çeliklerdir. İçindeki alaşım miktarı arttıkça, sertleşebilirlikleri ve sertlik derinliklerinin arttığı
sonucuna varılmıştır.
5. KAYNAKÇA
[1] A. , Tekin, Çelik ve Isıl İşlemi ( Bofors El Kitabı , Hakan Ofset, İstanbul, 1984
[2] Mesleki ve Teknik Öğretim Okulları İçin Malzeme Bilgisi , MEB,2001
[3] TS 1381, ‘’ Çeliğin Ucuna Su Vererek Sertleşebilme Deneyi ( Jominy Deneyi ), Haziran, 1974
[4] M. Ali Topbaş, Çelik ve Isıl İşlem El Kitabı, İstanbul, 1998, Ekip Ofset
[5] W., Weissbach Çevirenler: Prof Selahaddin Anık – E. Sabri Anık, Malzeme Bilgisi ve
Muayenesi, İstanbul, 1998, Birsen Yayınevi
[6] Islah Çelikleri Asil Çelik Teknik Yayınları, 1990, 5.Baskı
[7] W. F., Smith, Principles of Metarials Science and Engineering, 2th Edition, 1990
[8] Bitirme Çalışması, Levent Fidan, Balıkesir Üniversitesi, 2003
162