MALZEMELER ve SINIFLANDIRILMALARI

Transkript

1 MALZEMELER ve SINIFLANDIRILMALARI Metalik Malzemeler Polimer Malzemeler Seramik Malzemeler Kompozit Malzemeler Nano Malzemeler 1. Metalik Malzemeler Günümüzde en fazla endüstriyel kullanım alanı olan malzemelerdir. Dayanımı, işlenebilirliği, alaşımlandırılabilmesi, dökülebilirliği, kaynak edilebilirliği, elektrik ve ısı iletkenliği, ışığı yansıtması, sünekliği, plastik şekillendirilebilirliği ve geri dönüştürülebilirliği gibi birçok özelliğinden dolayı vazgeçilemez bir malzeme türüdür. Metaller, demir alaşımları ve demir olmayan alaşımlar olmak üzere iki genel gruba ayrılabilir Demir Alaşımları Tüm demir alaşımlarında, demir ana metali içerisinde karbon daimi bir alaşım elementi olarak bulunur. Demir alaşımları karbon oranına göre çelikler ve dökme demirler olarak iki gruba arılır. Çeliklerde en fazla %1.77 C bulunur. Ancak bazı özel yüksek alaşımlı takım çeliklerinde bu oran %2.2 ye kadar çıkabilir. Dökme demirlerde ise karbon oranı % arasıdır. Dökme demirlerin özel olanları ise temperlenmiş beyaz dökme demirlerdir. Bunlarda karbon oranı % arasıdır Çelik Çeşitleri Yapı Çelikleri Genel yapı çelikleri: (St33, St37-2, St37-3, St44-2, St70-2,...) Kullanımında çekme dayanımı dikkate alınır. C oranının artışı çekme dayanımını arttırır fakat plastik şekil verme (% uzama) ve kaynak kabiliyetini azaltır. Genel yapı çeliklerinin yapı ve özellikleri ısıl işlemle büyük ölçüde değiştirilebilir. Aşınmaya dayanıklı ve yüksek mukavemetli çeşitleri vardır. Yüksek mukavemetli olan genel dövme çelikleri; mil, tel ve dingil yapımında kullanılabilir. Aşınmaya dayanıklı olanları ise ray, ray tekerleği, silindir ve pres kalıplarının yapımında kullanılır. Hem yüksek aşınma direncine hem de yüksek mukavemete sahip olanlar ise torna kalemi, matkap uçları gibi yerlerde kullanılır. Kaynağa elverişli ince taneli yapı çelikleri: (StE315, StE420,...) Genel yapı çeliklerine göre dayanımları daha yüksektir. Otomat çelikleri: (9S20, 9SMn28K,...) Talaşlı üretim için özel olarak üretilen ve kısa talaş vermesi için normalden yüksek kükürt ve fosfor oranına sahip olan çeliklerdir. Bu nedenle kaynak kabiliyetleri düşüktür. Sementasyon çelikleri: (Ck10, 15NiCr6,...) %0.2 den daha düşük karbonlu alaşımsız ve alaşımlı kalite çeliklerinden yapılır. Yüzeyi karbonla sertleştirilmiş çeliklerdir. Bu şekilde hem darbeye dayanıklı (tok) hem de sert çelik parçalar (dişli çarklar, piston pimleri gibi) üretilmiş olur. Nitrürasyon çelikleri: (31CrMo12,...) Bu çeliklerin dışı azotla sertleştirilmiştir. Bunun için nitrürasyon çeliklerinin bünyesinde krom, alüminyum ve titan gibi nitrür yapıcı alaşım 1

2 elementlerinin de bulunması gerekir. Nitrürasyon çelikleri, sementasyon çeliklerinden daha serttir ve benzer alanlarda kullanılabilir. Islah çelikleri: (C25, Cg45, 30CrNiMo8,...) % arası karbon oranına sahip alaşımsız kalite çelikleri ile alaşımlı yüksek vasıflı çeliklerden yapılırlar. Bu çeliklere ıslah ısıl işlemi (sertleştirme + menevişleme) uygulanarak özellikle darbe dayanımları oldukça yükseltilir. Böylece yüksek dinamik yüklere maruz kalan piston kolu (biyel) gibi parçaların yapımında kullanılırlar. Yay çelikleri: (Ck75, 66Si7,...) Alaşımsız kalite çeliklerinden ve alaşımlı yüksek vasıflı çeliklerden yapılırlar. Elastik titreşime dayanıklıdırlar. Yüksek dayanıma sahiptirler. Soğuğa dayanıklı çelikler: (10Ni14, X8Ni9,...) -50 C ın altında bile dayanımını kaybetmeyen çeliklerdir. Sıvılaştırılmış gaz üretimi ve taşınmasında kullanılan kazanlar, borular ve benzeri alanlarda kullanılırlar. Isıya dayanıklı çelikler: (10CrMo9 10, X20CrMoV12 1,...) Yaklaşık 350 C civarındaki çalışma sıcaklığında kullanılabilirler. Isı santrallerindeki boru tesisatları, ısıtma kazanları ve benzeri alanlarda kullanılırlar. Yüksek ısıya dayanıklı çelikler: (X4NiCrTi25 15, X45CrNiW18 9,...) Yaklaşık 700 C civarındaki çalışma sıcaklığında kullanılabilirler. Ventil ve türbin kanatları gibi parçaların yapımında kullanılırlar. Paslanmaz çelikler: (X5CrNi18 9, 10CrNi18 8,...) Rutubete, suya, deniz suyuna, bazı asitlere ve benzeri korozif ortamlara dayanıklı olan çeliklerdir. Paslanmaz çelikler aynı zamanda ısıya da dayanıklı çeliklerdir. Kimya ve gıda endüstrisinde, tank, boru tesisatı yapımı gibi birçok alanda kullanılırlar Takım (Alet) Çelikleri Bütün takım çelikleri, yüksek vasıflı çeliklerden üretilirler. Metal veya metal olmayan malzemeler genellikle takım çeliklerinden yapılan takımlarla işlenirler. Alaşımsız takım çelikleri: (C75W3, C55WS,...) Yaklaşık % C içerirler. 200 C çalışma sıcaklığına kadar kullanılabilirler. Genellikle el takımları, torna kalemi, çekiç makas bıçakları ve balta gibi parçaların yapımında kullanılırlar. Alaşımlı takım çelikleri: (120WV4, 105MnCr4,...) %5 e kadar Mo, W, Cr ve V gibi alaşım elementleri katılan çeliklerdir. Bu çelikler 400 C çalışma sıcaklıklarına kadar kullanılabilirler. Kesme ve pres kalıpları, dövme kalıpları, basınçlı döküm kalıpları, matkap ve kılavuz takımı gibi kesici takımların yapımında kullanılırlar. Yüksek alaşımlı takım çelikleri: (S , X32CrMoV33,...) İçerisinde %5 ten fazla alaşım elementleri katılan çeliklerdir. 600 C çalışma sıcaklıklarına kadar kullanılabilirler. Genellikle yüksek çalışma sıcaklıkları ve yüksek kesme hızlarına kullanılan HSS takım çelikleri bu gruba en iyi verilecek örneklerdir. Ayrıca yüksek sıcaklık dayanımı gerektiren dövme ve döküm kalıplarının yapımında kullanılırlar Dökme Demir Çeşitleri Lamel grafitli dökme demir (Kır Döküm, GG): Döküme oldukça elverişli olması, talaş kaldırılabilir olması, titreşim sönümlendirme özelliği yüksek olması ve düşük maliyetli olması nedeniyle en çok kullanılan döküm metalidir. Takım tezgahları, sütun gövdeleri, şanzıman gövdeleri, motor blokları, silindir kapakları, fren diskleri ve benzeri parçaların yapımında yaygın olarak kullanılır. Küresel grafitli dökme demir (GGG): Dayanım özellikleri çelik dökümlere oldukça yakındır. Dökümle şekillendirilebilme özelliği ise çelik dökümden çok daha iyi olduğu için, bir çok alanda çeliğin yerine kullanılabilir. Dişli çarklar, krank milleri, arka aks, pompa ve türbin muhafaza gövdeleri gibi birçok parçanın yapımında kullanılır. Beyaz dökme demir (Sert Döküm, GH): Karbonlar grafit yerine oldukça sert olan sementit fazını oluştururlar. Bu nedenle oldukça sert ve kırılgan bir yapıya sahiptir. Dayanım özellikleri 2

3 çok iyi olmadığından kullanım alanları sınırlıdır. Aşınmaya dayanıklı fakat kırılmaya zorlanmayan parçaların (kam mili) yapımında kullanılır. Temper dökme demir (GT): Isıl işlem oksitleyici bir ortamda yapılırsa, beyaz temper dökme demir (GTW), nötr ortamda ısıl işlem yapılırsa siyah temper dökme demir (GTS) elde edilmektedir. Dayanım özellikleri (özellikle darbe dayanımı) kır dökümden oldukça iyidir. Bu nedenle piston kolu (biyel), direksiyon milleri, vites çatalı ve benzeri parçaların yapımında kullanılır. Çelik döküm (GS): Çelik dökümlerin en büyük üstünlükleri yüksek darbe dayanımları yani tokluklarıdır. Döküm kabiliyeti diğer dökümlere göre zor da olsa üstün dayanım özellikleri nedeniyle türbin gövdeleri, pres sütunları, dişli çarklar, tarım makineleri ve takım tezgahı parçaları gibi birçok alanda kullanılırlar Demir Olmayan Metaller ve Alaşımları Demir dışı metallerin, demir esaslı metallere göre hafiflik, korozyon dayanımı, yüksek ısı ve elektrik iletkenliği, güzel görünüm ve kolay işlenebilme gibi üstünlükleri vardır. Ancak elastisite modülleri dolayısıyla rijitlikleri düşüktür ve çelik türlerine göre genellikle daha pahalıdırlar. Demir olmayan metaller, ağır metaller (ƍ 5g/cm 3 ) ve hafif metaller (ƍ<5g/cm 3 ) olmak üzere iki sınıfta incelenirler Demir Olmayan Ağır Metaller Bakır ve bakır alaşımları: Saf bakır yumuşaktır ve iyi genleşebilir. Atmosferik etkilere karşı korozyon dayanımı iyidir. Gümüş ve altından sonra ısı ve elektrik iletkenliği en iyi olan üçüncü metaldir. Saf bakır; elektroteknikte, lehim havyasında, ısı eşanjörlerinde, ısıtıcı veya soğutucu sistemler için boru yapımında, dekoratif amaçlı kaplamalarda ve sanatsal eşya yapımında kullanılır. Piyasada bakır veya alaşımları genellikle tel, levya veya ingot yarı mamülü halinde bulunmaktadır. Talaş kaldırma özellikleri, yığma talaş verdiği için çok iyi değildir. Hem döküm hem de talaşlı üretim yönemi ile işlenecek parçalarda saf bakır yerine bakır alaşımları tercih edilmektedir. Bakır-çinko (pirinç) alaşımı, hem döküme hem de talaşlı üretime uygundur. Düşük maliyeti nedeni ile en sık kullanılan bakır alaşımıdır. Bu alaşım; mikro teknikte, yatak yapımında ve gemi endüstrisinde kullanılır. Bronzların ana metali bakır olmakla birlikte alaşım elementlerinin isimleri ile anlırlar. Kalay bronzu, alüminyum bronzu, kurşun bronzu, nikel bronzu... Nikel ve nikel alaşımları: Derin çekmeye çok uygun olan saf nikelin talaş kaldırma özelliği çok kötüdür. Korozyon dayanımı oldukça iyidir. Parlak olması nedeniyle metal kaplamacılığında çok sık kullanılır. Özellikle demir, çelik ve bakır metalleri nikel ile kaplanır (Nikelaj). Saf nikel alaşımlanarak çok daha dayanıklı malzemeler elde edilebilir. Para metali, uçak perçin malzemesi, yay malzemesi ve metal körük malzemesi gibi önemli kullanım alanları vardır. Krom ve krom alaşımları: Kromun başta demir-çelik endüstrisi olmak üzere çok geniş bir kullanım alanı vardır. Dekoratif veya korozyondan koruma amacı ile kaplamacılıkta kullanılır (Kromaj). Kaplama işlemi genellikle elektro kaplama yöntemi ile yapılır. Demir, nikel, mangan ve alüminyumla önemli alaşımlar oluşturur. Bu alaşımlardan en önemlisi bir ara ürün olan ferrokrom alaşımıdır. Demir içerir ve özellikle paslanmaz çelik üretiminde kullanılır. Nikrom adıyla bilinen krom-nikel alaşımı ise elektrik fırınlarının yapımında kullanılır. İçine az miktarda gümüş eldesi ile deniz suyuna karşı dayanıklılık kazandırılır. Çinko ve çinko alaşımları: Çinko en çok yapı çeliklerinin korozyon dayanımı için kaplama elemanı olarak kullanılır (Galvanizleme). Ayrıca pirinç alaşımı (kızıl küm), yatak burçları, kuru pil yapımında kullanılır. 3

4 Mangan ve mangan alaşımları: Mangan genellikle çelik, bakır ve hafif metaller için alaşım elementi olarak kullanılır. Bu metalin çeliğe özel bir sertlik, ısı ve aşınma dayanımı vermesi ve çeliğin içindeki oksijen, azot ve kükürt gibi safsızlıkları da giderek darbe dayanımını arttırması nedeniyle çelik üretiminde çok sık kullanılır. Örneğin, egzoz sübapı malzemesi ve takım çelikleri vb. Korozyona ve tuzlu suya dayanımı nedeniyle gemi endüstrisinde çok sık kullanılır. Ayrıca mangan alaşımlarının elektrik direnci sıcaklıkla çok az değiştiği için elektrik araçlarının ve standart dirençlerin yapımında kullanılır. Kobalt ve kobalt alaşımları: Kesici takımlar, ameliyat araçları, mıknatıslı araçlar çoğunukla kobalt alaşımlarından yapılır. En önemli kobalt alaşımları; alniko (alüminyum+nikel+kobalt+demir), stellit (kobalt+tungsten+krom+molibden), hiperko (kobalt+demir+krom), vikalloy (kobalt+demir+vanadyum)dur. Kurşun ve kurşun alaşımları: Saf kurşunun çekme dayanımı oldukça düşüktür. Kopma uzaması ise iyidir. Alaşımlama ile çekme dayanımı biraz arttırılabilir. Kristal yapısı ymk olan kurşun haddeleme, çekme ve presleme yöntemleri ile çok kolay şekillendirilebilir. Kurşunun yaklaşık %50 si akümülatör plakaları için kullanılır. Ayrıca ve Ɣ ışınlarından korunmak amaçlı kurşun plaka ve blok yapılmaktadır. Yumuşak lehim telleri, kaymalı yatak, yeraltı kablolarının kaplanması ve özellikle kimya endüstrisinde çelik saclarının kaplanması gibi alanlarda da kurşun ve alaşımları kullanılmaktadır. Kalay ve kalay alaşımları: Kalayın çekme dayanımı oldukça düşüktür. Döküm ve haddeleme özelliği oldukça iyidir. Çok ince folyo haline getirilebilmektedir. Kalayın çok yaygın bir kullanım alanı yoktur. Kimyasal kararlılığı iyi ve zehirsiz olduğu için demir veya bakır gibi metallerin kaplanmasında kullanılabilir. Üretilen kalayın %50 si tenekelerin (az karbonlu ince çelik) kaplanmasında kullanılır Demir Olmayan Hafif Metaller Alüminyum ve alüminyum alaşımları: Alüminyum hemen hemen tüm üretim yöntemleri ile şekillendirilmeye uygun olan nadir metallerden birisidir. Bu nedenle alüminyum alaşımlarının üretim maliyetleri çok düşüktür. Dayanım/yoğunluk oranı dikkate alındığında bazı özel alüminyum alaşımlarının birçok yüksek alaşımlı çelikten daha dayanıklı olduğu söylenebilir. Ayrıca elektrik iletkenliği/yoğunluk oranı tüm mazemelerden önde gelmektedir. Bu nedenle yüksek gerilim hatlarında bakırın yerini almaya başlamıştır. Yüksek korozyon direnci, çok iyi sıcak ve soğuk şekil değiştirme kabiliyeti, düşük ergime sıcaklığı (658 C) ve hafiflik gibi üstün özellikleri vardır. Makine, ulaşım, yapı, elektroteknik, ev eşyaları, gıda ve kimya endüstrisi gibi oldukça geniş bir kullanım alanı vardır. Magnezyum ve magnezyum alaşımları: Mukavemeti düşük olduğu halde, dayanım/yoğunluk değerinin yüksek olması sebebiyle tercih edilmektedir. Magnezyum ve alaşımları uzay ve uçak endüstrisi, elektronik, radar ekranları, antenler, telsiz cihazları, kamyon ve otobüs kasaları ve çeşitli muhafaza gövdeleri gibi çok geniş alanlarda kullanılmaktadır. Magnezyum, yüksek elektropozitif karakteri sebebiyle diğer metallerin korunmasında anod olarak da kullanılır. Talaşlı işlemede çıkan talaşların tutuşma olasılığı vardır. Bu nedenle işleme sırasında dikkatli olunmalıdır. Titanyum ve titanyum alaşımları: Titanyum, çok yüksek dayanım ve düşük yoğunluk özelliğinin yanında çok iyi korozyon dayanımına sahip olması nedeniyle çok özel bir metaldir. Hafif metaller içerisinde ergime sıcaklığı (1670 C) ve dayanımı en yüksek olan metaldir. İşlenebilirliği zor bir metaldir. Düşük kesme hızlarında işlenmelidir (1/20). Çıkan talaşların magnezyumda olduğu gibi tutuşma olasılığı vardır. Jet ve yüksek güç motorları, rotorlar, uçak kaburgası, ışınlayıcı ünite parçaları, bazı taşıt şaseleri, anten yapımında, tıp endüstrisinde kalça mafsalı ve benzeri implant malzemesi olarak kullanılabilir. 4

5 2. Polimer Malzemeler Polimerler, çok sayıda mer yapısının birleşmesi ile oluşan organik malzemelerdir. Polimerler, termoset ve termoplastik olarak ikiye ayrılır. Termoset olan polimerler bir kez ısıtılınca geri dönüşü olmayan malzemelerdir. Termoplastikte ise geri dönüşüm olanağı vardır. Ayrıca termoplastiklerde ısıtma ve soğutma ile kimyasal özelliklerde değişme olmaz. Sadece fiziksel özellikler değişir. Termosetler de kendi içlerinde iki gruba ayrılırlar; duroplastikler (epoksi reçinesi, polyester reçinesi, fenol ve melamin reçinesi,...) ve elastomerler (kauçuk, lastik,...). Özgül ağırlıklarının düşük olması, çok farklı mekanik özelliklere sahip olmaları, elektriği izole etmeleri, ısı iletimlerinin düşük olması, renklendirilebilir, parlak ve dekoratif yüzeylere sahip olmaları, kolay ve genellikle ekonomik olarak şekillendirilebilir olmaları gibi birçok nedenden dolayı kullanım alanları çok geniştir. Ancak polimerlerin mekanik özellikleri ve ısı dayanımları düşüktür. 3. Seramik Malzemeler Metal ve ametal elemanların oluşturduğu iyonsan bileşiklerdir. Özgül ağırlıkları metaller ile polimerler arasındasır. Sert, gevrek ve kırılgandırlar. Plastik şekil değiştiremezler. Bu durum kullanım alanlarını sınırlandırmaktadır. Ancak sert olmaları nedeniyle aşındırıcı madde olarak kullanılabilirler. Ergime sıcaklıkları birçok metale göre yüksek olduğundan dolayı refrakter malzeme olarak kullanılabilirler. Isı ve elektrik iletkenlikleri düşüktür. Bu yüzden elektrikli ısıtıcılarda, fırınlarda yalıtım malzemesi olarak kullanılırlar. Yüksek korozyon dayanımları vardır. 4. Kompozit Malzemeler Tek bir malzeme türünden elde edilmesi mümkün olmayan bazı özelliklerin birden fazla malzemenin bir araya getirilerek yeni özellikler kazandırılması ile oluşmuş malzemelerdir. Günümüzde birçok alanda hızlı bir şekilde kullanım alanı bulabilen bu yeni malzeme türü daha da geliştirilerek nano malzemeler üretilmeye başlanmıştır. 5. Nano Malzemeler 1nm=10-9 m boyutlarında (metrenin milyarda biri) üretilen malzemelerdir. Bu malzemeler kendilerine has yapı, boyut ve özelliklere sahiptirler. Günümüzde elektronik, iletişim, kozmetik, cam sanayi, sağlık, temizlik, plastik, kimyasal üretim sistemleri, otomotiv, uzay ve havacılık, tekstil, kağıt üretimi, enerji üretimi gibi sektörlerde yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Kaynak: Üretim Yöntemleri ve İmalat Teknolojileri 2. Baskı Prof.Dr. Muammer GAVAS, Doç.Dr. Mustafa AYDIN, Doç.Dr. Mustafa YAŞAR, Yrd.Doç.Dr. Yahya ALTUNPAK Düzenleme: Selçuk KORKMAZ