ALAIM ELEMENTLERNN ÇELE ETKS

Transkript

1 1 ALAIM ELEMENTLERNN ÇELE ETKS Ham demirin içerisinde bulunan %4 aırlıktaki karbonun çeitli yöntemlerle %2 nin altına düürülmesiyle çelikler elde edilir. Çelikler içlerinde %0.1<C<%2 oranında karbon içerirler. Çelikler içerisindeki karbon bileimine göre farklı özellikler gösterirler. Az karbonlu çelikler genel amaçlar için kullanılan en ucuz çelik türüdür. Süneklii yüksektir, kolay ilenir ve su verme ile sertlemez. Orta karbonlu çelikler genellikle daha yüksek mukavemetli olup su verme ile sertleebilirler. Yüksek karbonlu çelikler çok sert olup ilenmesi zordur. Genellikle takım ve kalıp üretimine elverilidir. Çeliin bünyesinde karbonun haricinde çeitli alaım elementlerinden belirli oranlarda katarak daha yüksek dayanımlara ve sıcaa, soua, korozyona daha dayanıklı yapılar elde edilebilir. Örnein belirli bir karbon bileiminde çelik göz önüne alındıında katılan alaım elementlerinden kromun çelie sertlik, nikel ve manganezin ise tokluk kazandırdıı bilinmektedir. Kromun çelie sertlik ve aınma dayanımı kazandırdıı söylenirken üphesiz %2 C ve %12 Cr lu takım çelii göz önünde tutulmutur. Çünkü bu çelik sertletirme ileminden sonra gerçekten sert ve aınmaya dayanıklı bir yapıdadır. Bununla beraber eer %0.10 C ve %12 Cr lu çelik seçilirse elde edilen sertlik çok yüksek olmaz. Aynı ekilde manganez. % 13 oranında katıldıında çelie tokluk kazandırır (Hadfield çelii).%1 ile %5 oranında kullanıldıında çeliin özelliklerine deiken bir etki gösterir. Bu durumda Çeliin tokluu ya azalır yada artar. Alaım elementleri çeliin farklı bir iç yapıya ulamasını salayarak pratikte istenilen çekme mukavemeti, akma sınırı, çentik darbe süneklii, gibi mekanik özellikler ile kaynak edilebilme kabiliyeti, sertleme kabiliyeti gibi ilenebilme özelliklerinin iyiletirilmesinde etkili olur. Bir iç yapı genellikle bir ısıl ilem sonucunda elde edilir. Bunun sonucu olarak alaımlı çeliklerin hemen hemen tamamının ısıl ilemden sonra kullanıldıını söylemek mümkündür. Alaım elementlerinin en önemli özellii belli bir fazın oluumunu gelitirmek veya onu kararlı hale getirmektir. Bu özellii veren alaım elementlerini: a) Ostenit oluturucu b) Ferrit oluturucu c) Nitrür oluturuculardır

2 2 Ostenit oluturucu elementler Manganez, nikel, kobalt, azot, çinko bu gruba ait olan elementlerdir. Bu elementler yüksek oranlarda bulunurlarsa, ostenit alanını genileterek oda sıcaklıına ve daha aaılara indirirler. Böylece oda sıcaklıında bile kübik yüzey merkezli kristal kafesine sahip olan ostenitik çelikler meydana gelir. Büyük oranlarda Ni ve Mn, çelii oda sıcaklıında bile ostenitik halde tutar. Buna en tipik örnek olarak bileimi (genel olarak) %1 C, % 13 Mn ve %1.2 Cr olan Hadfield çelii verilebilir. Bu çelikte Mn ile C ostenitin kararlı hale gelmesinde önemli rol oynarlar. Dier bir örnek %18Cr, %8 Ni ostenitik paslanmaz çeliklerdir. Ostenitik çeliklerin kendine özgü özelikleri vardır. Bunlar: En iyi ekil deitirebilme kabiliyeti. Kübik yüzey merkezli kristal kafesi nedeniyle düük sıcaklıklarda (-200 C) dahi sünekliklerini kaybetmezler. Düük akma sınırı ve daha yüksek çekme mukavemetine sahiptirler Manyetik deildirler ve dönüüme uramazlar. Bu nedenle sertletirme ve normalizasyon mümkün deildir. Korozyona dayanıklıdırlar. Ostenitik yapı Yaklaık olarak %1.2 C ve %12 Mn içeren X120Mn12 Manganez sert çelikleri bu yapıya sahiptir. Su verilmi durumda üretimden çıktıkları için tamamen ostenitik yani sünek fakat sert olmayan bir yapıya sahiptirler. Çelik böylece kuvvetli olarak souk sertletirilir. Merkez ise deimez ve sünek kalır. Sürtünme eklindeki aınmalara karı uygun deildir. Sadece basma eklindeki bölgesel darbelerin çelii akma sınırına kadar etkiledii durumlar için bu çelik kullanılır. Böyle etkilere maruz kalan yapı parçaları olarak tren yolu makasları ve sert maddeler için çeneli ve darbeli kırıcıları sayabiliriz. Souk sertletirilmi tabaka zamanla aınmasına ramen devamlı olarak kendini yeniler. Ferrit oluturan elementler Bu grubun en önemli elementleri Krom (Cr), Silisyum (Si), Molibden (Mo), Vanadyum(V),Titanyum (Ti), ve Alüminyum (Al) dur. Bu alaım elementlerinin büyük bir kısmı kübik hacim merkezli sistemde kristalleir. Eer yüksek oranlarda bulunurlarsa demiri de kübik merkezli olarak kalmaya zorlarlar. Bu çelikler katılama sırasında dönümeye uramadan soudukları için ferritik çelikler olarak adlandırılırlar. Sadece düük krom oranlarına sahip çelikler souma sırasında kübik yüzey merkezli olabilirler. Ostenit alanının altında tekrar kübik hacim merkezli hale dönerek ferritik olurlar.

3 3 Ferritik çelie bir örnek olarak transformatör saçlarını malzemesini verebiliriz. Bu malzeme %3 Si içeren düük karbonlu bir çeliktir. Ferritik çeliklerin kendine özgü özellikleri vardır. Bunlar: Manyetiklerdir, kısmen kendilerine özgü manyetik özelliklere sahiptirler. Isıya dayanıklıdırlar, kısmen yüksek sıcaklıa dayanabilirler (kav olumasına rastlanmaz) Korozyona dayanıklıdırlar. Ancak bunun için saf ferritik olmaları gerekir. Souk ekil deitirmeleri zordur, soukta gevrek bir yapıya sahiptirler. Dönümeye uramazlar, sertletirme veya normalizasyon ilemlerinin uygulanması mümkün deildir. Krom ve karbon miktarına balı olarak oluturulan diyagramda çelikler be bölgeye ayrılmıtır: Bölge 1: Düük karbonlu, korozyona dayanıklı yüksek krom miktarında yüksek sıcaklıa dayanıklı, dönüüm yapmayan ferritik çeliklerdir. X 8 Cr 17 malzeme numarası 4016 olan çelik, mutfak aletlerinin, dükkanlarda kullanılan balantı ve kaplamaların yapıldıı korozyona dayanıklı çelikler. X 10 Cr Al 24, malzeme numarası 4762 olan çelik, yüksek sıcaklıa dayanıklı çelik (yaklaık 1200 C ye kadar). Alevle dorudan temasta olan fırın ve kazan parçalarının imalinde kullanılır. Bölge 2: Daha yüksek karbon miktarlarına sahip olduklarından ıslah edilebilen ve sertletirilebilen korozyona dayanıklı çeliklerdir. X 40 Cr 13, malzeme numarası 4034 olan çelik, suni reçine pres kalıpları, her çeit bıçaklar ve hadde merdanelerine ait yatakların yapımında kullanılan çeliklerdir. Bölge 3: Yüksek aınma ve kesme (makaslama) mukavemetine sahip olan sertletirme ile kendini çok az çeken çeliklerdir. ç yapı ledeburittir. X 120 Cr 12, malzeme numarası 2080 olan çelik, hareketli kesme ve delme aletlerinde kullanılan souk ilem çeliklerdir.

4 4 Bölge 4: Düük krom miktarlı sementasyon ve ıslah çelikleridir. Normalizasyon ilemine tabi tutulmu durumdaki iç yapı ferritik-perlitiktir. Cr burada daha kalın kesitlerde ıslah ilemini malzemenin bütününde gerçekletirir. 41 Cr 4 malzeme numarası 7035 olan çelik, DIN e göre ıslah çeliidir. Bölge 5: Perlit üstü yapıda olan düük alaımlı takım çelikleridir. Sertletirme sonrası krom karbürler martenzitik ana kütle içerisine yerleerek çelie iyi bir aınma mukavemeti ve yeterli derecede aınma mukavemeti kazandırırlar. 100 Cr 6, malzeme numarası 3505 olan çelik, ölçü aletleri, spiral matkaplar (deliciler), raybalar ve hadde yataklarının yapımında kullanılır. Karbürler Krom gibi ferrit oluturan elementler (krom) aynı zamanda karbür yapıcıdırlar. Karbür yapıcıların çounluu da demire balı olarak ferrit oluturucu özelliktedirler. Karbür oluturan elementlerin karbona olan afiniteleri sırayla aaıdaki gibidir (soldan saa artar). Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, Ta, Zr Bu elementler takım çelikleri için çok önemlidir çünkü sert karbürler oluturup tala kaldırmaya ve aınmaya karı dirençleri yükselir. Nitrür oluturucular Tüm karbon oluturucular aynı zamanda nitrür yapıcı elementlerdir. Azot, çeliin yüzeyine nitrürleme yoluyla sokulabilir. Farklı alaım elementlerinin sert nitrürler oluturarak veya çökelme sertlemesi yoluyla çeliin sertliini arttırma eilimleri incelendiinde; Cr, Ti, Mo, Al ve V gibi nitrür oluturucu elementlerin sertlikte artıa neden olduu gözlenmitir. Buna karılık Ni gibi nitrür oluturamayan elementlerin sertlikte önemli bir artıa neden olmadıı görülmütür. Birden fazla elementin çelie etkisi Alaımlı çeliklerin büyük bir kısmı sadece bir tek alaım elementi deil, iki veya daha fazlasını içerirler. Burada karbon alaım elementi olarak sayılmaz. Si ve Mn da her çelikte bulunduu için miktarları % 0.5 Si ve % 0.8 Mn ı geçerse alaım elementi sayılırlar. Birden fazla elementin iç yapıya etkisi zannedildii kadar kolay açıklanamaz. Buna örnek olarak krom-nikel alaımlarını inceleyelim. Krom ve nikelin etkileri birbirinin tersidir. öyle ki:

5 5 Krom (Cr): Karbür oluturur. Ostenit bölgesini kapalı duruma getirir ve ferritik çelikleri oluturur. Nikel (Ni): Katı eriyik oluturur. Ostenit alanını geniletir ve ostenitik çelikleri oluturur. Her iki elementin çelikte bulunması zannedildii gibi etkileri ortadan kaldırmaz. Aksine krom nikelin etkisini kuvvetlendirir. Örnek: X 12 Cr Ni 18 8, malzeme numarası 4300 olan çelik 1912 yılında Krupp tarafından patent bürosuna bildirilmitir ve bugün birçok firma tarafından çeitli ticari isimler altında üretilmektedir. (V2A, Nırosta, Remanit ve Novonax gibi.) ALAIM ELEMENTLERNN GENEL ETKLER Ferritin sertliine etkileri Ferrit içinde katı eriyik oluturan tüm alaım elementleri ferritin sertliine etki ederler. Çeliklerde en çok bulunan alaım elementlerinden Si ve Mn ferritin sertliine en fazla etkide bulunan iki elementtir. Cr ise en az etkiyi gösterir. Bu nedenle Cr souk ilem görecek çeliklerde kullanılan en uygun alaım elementidir. Tane büyümesine etkileri Tane büyümesini sınırlandırılmasında en önemli element vanadyumdur. Vanadyumun çelik içinde çok düük oranlarda (%0.1) kullanımı bile sertletirme ilemi sırasında tane büyümesini durdurmak için yeterlidir. Bunun nedeni vanadyumun sertletirme sıcaklıklarında homojen daılmı karbürler ve nitrürler eklinde bulunmasıdır. Bu tür karbürleri veya nitrürleri katı eriyik içine alabilmek için yüksek sıcaklıa çıkarmak gerekir. Bu nedenle alıılagelmi sertleme sıcaklıklarında vanadyum bileikleri tane büyümesi için bir engel tekil ederler. Eer sıcaklık normalinden daha yüksek deere çıkartılırsa vanadyum bileikleri çözündürülebilir. Ancak bu durumda çeliin tane boyutunun büyümesi söz konusu olabilir. Böyle bir özellikte çeliin mekanik özelliklerinde (darbe mukavemeti bata) düme görülür. Ti ve Nb da vanadyuma benzer etkiler gösteren iki elementtir. Yüksek hız çeliklerinde ve dier alaımlı takım çeliklerinde W, Mo çift karbürleri de VC ve VN ve benzer ekilde tane büyümesini engeller. Yüzey sertletirmede kullanılan ince taneli çeliklerin imalinde istenilen etki (sertletirme) ergimi metale Al ilavesi ile salanır. Bunun için uygulanan pratik yöntem, önce oksijen miktarını belli bir seviyeye indirmek ve sonra çelie azot miktarına balı olarak

6 6 Al ilave etmektir. Çelik souk iken Al-N partiküllerinin daılımı salanır ve çeliin normal sertletirme sıcaklıında tane büyümesi bu partiküller tarafından engellenir. Ötektoid noktasına etkileri Ostenit oluturucu elementler A1 sıcaklıını düürücü, ferrit oluturucu elementler ise yükseltici etki gösterirler. Örnein % 12 Cr ve % 0.4 C içeren ötektoid bileiminde bir krom çelii için ötektoid karbon sıcaklıından daha yüksek ostenitleme sıcaklıı gerekirken % 3 Ni içeren çelik 700 C nin altında ostenitik hale geçer. Bu hususların A1 sıcaklıı civarında kullanılan çelikler için büyük önemi vardır. Ötektoid nokta, % 0.8 C oranında ve 723 C sıcaklıkta oluur. Örnein % 5 Cr lu çeliin ötektoid noktası %0.5 C içeriindedir. Tüm alaım elementleri bu noktanın karbon konsantrasyonunu düürür. Martenzitin olutuu sıcaklıa (Ms) etkisi Co dıındaki tüm alaım elementleri Ms (martenzit dönüümünün baladıı sıcaklık) ve Mf (martenzit dönüümünün bittii sıcaklık ) deerlerini düürürler. % 0.5 den daha yüksek karbon içeren çeliklerin büyük bir çounluunun Mf i oda sıcaklıının altındadır. Bu durum, çeliklerin sertletirme sonrası pratik olarak bir miktar dönümemi ostenit içerdikleri anlamına gelir. Aaıda verilen baıntıda her bir alaım elementinin % konsantrasyonunu kullanarak Ms saptanabilir. Bu baıntı tüm alaım elementlerinin ostenit içerisinde çözünmeleri söz konusu olduunda geçerlidir. Ms= C-33Mn-17Ni-17Cr-21Mo Yüksek ve orta alaımlı çelikler için Stuhlmann, Ms için aaıdaki baıntıyı önermektedir. Ms ( C)= C-40Mn-20Cr-10Mo-17Ni-8W-35V-10Cu+15Co+30Al Tüm alaım elementlerinin arasından Ms e en fazla etki eden karbondur. zotermal dönüüm süresinde perlit ve beynit dönüümüne etkileri Co dıındaki bütün alaım elementleri ferrit ve sementit oluumunu geciktirirler. TTT diyagramlarında erileri sola doru kaydırırlar. Alaım elementlerinin dönüümlere etkilerini formüle edecek bir kuralı saptamak oldukça zordur. Ancak bazı elementlerin dierlerine oranla beynitik dönüümleri daha fazla etkiledikleri, dierlerinin de bu konuda ters davrandıkları kesin olarak tespit edilmitir. Belli elementler belirli bir orandan fazla kullanıldıklarında dönüümleri kesin olmamakla beraber arttırabilirler. Ancak bunların ilave miktarları mevcut dier alaım elementleriyle sınırlandırılır. Yüzey sertletirme ilemi uygulanan çelikler ve takım çelikleri için perlit-beynit dönüümünün balaması için geçen süre, karbon miktarı %1 i atıından

7 7 azalır. Takım çelikleri ve yapı çeliklerinde Si konsantrasyonu %1.5 ve daha fazla olduunda perlit dönüümü hızlanır. Sade karbonlu çelikler için C miktarında %0.30 dan %1 e kademeli bir artı, ihmal edilebilir bir etki salar. Fazla etkiler ancak alaım elementlerinin kombinasyonuyla salanır. Kaynak kabiliyetine etkisi Bir çeliin ergitme kaynaına uygun olması, büyük ölçüde içerdii karbon miktarına balıdır. Ayrıca alaım elementleri de mevcut ise kaynak dikiinin souması sırasında havanın ve parçanın souk kısımlarının etkisi ile sertleme yani kaynak bölgesinde kısmen martenzit oluur. Bundan dolayı gevrekleen malzeme, souma sırasında oluan kendini çekme sonucu çatlar. Bileimdeki alaım elementlerinin aynı ekilde etki eden bir edeer karbon miktarı eklinde hesaplanır. Bu hesaplama için deneysel yollarla bulunmu karbon edeeri formüllerinden yararlanılır. Örnein: Ce=C+MN/6+Cr/5+Ni/15+Mo/7 % de oranı Karbon edeeri bir nevi kabul edilen miktarı olarak düünülebilir. Bu deere göre çelikler aaıdaki gibi sınıflandırılır: Ce < % 0.45 ise yi kaynak edilir Ce < % 0.6 ise artlı kaynak edilir Ce > % 0.6 ise Zor kaynak edilir artlı kaynak edilebilmenin anlamı, malzemenin ancak ön ısıtma veya tamamlayıcı bir ısıl ilem gibi belirli artlar altında kaynak edilebilmesidir. Zor kaynak edilebilir çelikler ostenitik elektrodlar (Cr-Ni-Mn alaımlı çelik) ile kaynak edilebilir. Kaynak metali bu malzemeden meydana geleceinden sertlemez ve akma sınırı düük olur. Souma sırasında oluan kendini çekmede ise kaynak metali bir miktar plastik deimeye urayarak kendini bırakır. Böylece kaynak bölgesindeki gerilmeler tehlikeli bir büyüklüe erimez. Krom ve silisyum elementleri kaynak ilemi sırasında yanarlar ve yüksek sıcaklıklarda ergiyen oksitler olutururlar. Bu oksitler kaynak dikiinin kenarlarının akarak birlemesini önler. Aynı ekilde birlikte yanan Manganezin oluan oksidi dier oksitlerin ergime noktalarını düürür. Böylece Mn dier elementlerin olumsuz etkisini telafi eder. Sertleme kabiliyetine etkisi Alaımlı çeliklerin sertleme derinlikleri, alaımsız çeliklerinkinden fazladır. Alaımlı çeliklere daha fazla su verilir.

8 8 Sertliin derecesini (Rockwell birimi olarak) karbon miktarı tayin eder ve bu deer HRc= dan daha yüksek olamaz. a) alaım elementlerinin sertleme derinliine etkisi Uçtan su verme erileri ile alaım elementlerinin sertleme derinliine etkisi çok iyi takip edilebilmektedir. Bu eriler Jominy deneyi olarak bilinen uçtan su verme deneyi ile tespit edilir. Örnek olarak % 0.6 C lu C 60 yüksek sertlie sahip olmasına ramen sertleme derinlii düüktür. % 0.3 C, Cr ve % 0.2 Mo içeren alaımlı çeliin (30 Cr Mo V 9) sertlii daha düük olmasına ramen sertlik uçtan uzaklatıkça düük miktarda azalır. Yani sertleme derinlii daha fazladır. Bir dier çelik türü; 42 Cr Mo 4 özellikleri bakımından bu iki çeliin arasında kalır. Ancak % 1 Cr ve % 0.2 Mo içermektedir. Bu sebepten dolayı, daha yüksek alaımlı olan 30 Cr Mo V 9 a göre sertleme derinlii daha düüktür. Fakat karbon miktarı daha yüksek olduundan yüzey sertlii daha yüksektir. b) Alaım elementlerinin ostenit dönüüm hızına etkisi Demir-karbon denge diyagramı konusunda ostenitin PSK erisi (723 C) altında perlit haline dönütüü söylenmiti. Dönüüm sıcaklıı ve hızı ile ilgili daha kesin deerlerin verilmesi, demir karbon diyagramında mümkün deildir, çünkü bu denge diyagramı dier bütün diyagramlar gibi çok yava souma için geçerlidir. Ostenitin hızlı souma sırasındaki dönüümü, zaman sıcaklık dönüüm diyagramından (TTT diyagramından ) takip edilebilir. Üretilen çeliklerin büyük bir kısmının TTT diyagramları vardır. Bu tip diyagramların çizilmesi için çok geni kapsamlı seri halde deneyler yapılmalıdır. TTT diyagramlarından ostenitin ne kadar zaman içerisinde ve hangi sıcaklıkta dier yapı ekline dönümeye baladıı ve bu dönüümün ne zaman tamamlandıı görülebilir. Ostenitin dönütüü dier iç yapılar; ferrit, perlit, ara kademe iç yapısı ve martenzittir. Ayrıca diyagramlar çeliin bileen miktarını yüzde oranı olarak ve oluan iç yapının oda sıcaklıındaki sertliini vermektedirler. Alaım elementlerinin çeliin özelliklerine genel faydalı etkileri Karbon: Mukavemet ve sertleme kabiliyeti salar Krom: Sertleme derinlii, ısıl mukavemet, korozyona dayanıklılık salar Nikel: Sertleme derinlii, süneklik, ısıl genleme Manganez: Sertleme derinlii, süneklik, sementit oluumu Silisyum: Yüksek sıcaklıa dayanıklılık,manyetik özellikler, grafit oluturma Molibden: Isıl mukavemet, temper gevreklii, korozyona dayanıklılık Vanadyum: Isıl mukavemet, temperlenmeye dayanıklılık

9 9 Tungsten: Isıl sertlik, temperlenmeye dayanıklılık, aınma mukavemeti Kobalt: Isılı mukavemet, manyetik özellikler,aınma mukavemeti Alüminyum: Kavlanmaya karı dayanıklılık