Paslanmaz Çeliklerin Kaynak İşlemi Esnasında Karşılaşılan Problemler ve Alınması Gereken Önlemler Paslanmaz çeliklerin kaynak işlemi esnasında

Transkript

1 Paslanmaz Çeliklerin Kaynak İşlemi Esnasında Karşılaşılan Problemler ve Alınması Gereken Önlemler Paslanmaz çeliklerin kaynak işlemi esnasında karşılaşılan ve kaynak kabiliyetini etkileyen problemler şunlardır: (a) ITAB içerisindeki tane sınırlarında krom karbür çökelmesi problemi, (b) kaynak dikişinde oluşan sıcak çatlak problemi, (c) yüksek sıcaklık ortamlarında karşılaşılan sigma fazı oluşumu (d) gerilmeli korozyon çatlaması ve (e) delta ferrit oluşumu.

2 Krom Karbür Çökelmesi Bazı paslanmaz çeliklerde karşılaşılan krom karbür çökelmesi, özellikle östenitik paslanmaz çeliklerde meydana gelir. Paslanmaz çelik, C arasındaki bir sıcaklık aralığında belirli bir süre bekletildiğinde, tane sınırlarında krom karbür çökelmesiyle karşılaşılır. Böylece kromun karbüre dönüşmesi sonucu, tane sınırlarındaki krom miktarı azalır ve çeliğin bu bölgedeki korozyon direnci zayıflar.

3 Östenitik paslanmaz çelik içerisinde çözünmüş halde bulunan karbonun oda sıcaklığındaki difüzyon hızı çok düşük olduğu için, oda sıcaklıklarındaki kullanımı esnasında krom karbür oluşumu söz konusu değildir. Fakat sıcaklık 450 C nin üzerine çıktığı an, karbonun difüzyon hızı artar ve tane sınırlarında birikmeye başlar. Karbonun kroma karşı yüksek ilgisi sebebiyle, tane sınırlarındaki kromlarla birleşerek, krom karbür oluşturur. Oluşan krom karbür, (Fe,Cr)23C6 şeklindedir. Yani krom karbürün ağırlık olarak % 90 nı krom olduğu için, çok az miktardaki karbon bile, östenit tanelerinin çevresindeki krom miktarını aşırı oranda düşürür. Dolayısıyla tane sınırlarındaki krom miktarı azalmış olur. Oysa paslanmaz çeliğin korozyon direncini arttıran ana element krom olduğunu ifade edilmişti. Bu nedenle tane sınırlarının korozyon direnci azalır ve korozif bir ortamda korozyona uğrar. Hatta bu korozyon, zamana bağlı olarak öyle ilerler ki, malzemeyi kullanılamaz hale bile getirir. Paslanmaz çelik içerisindeki karbon miktarı ve sıcaklık arttıkça, karbür çökelme oluşumu daha da şiddetlenir.

4 Paslanmaz çeliklerin kaynağı esnasında, C sıcaklık aralığında kalan ITAB bölgesinde, karbür çökelmesi problemi meydana gelir. Karbür çökelmesi karbon içeriğine, sıcaklık seviyesine ve bu sıcaklık seviyesinde bekleme zamanına bağlı olarak meydana gelir. Karbür çökelmesi başlamadan önce, sıcaklığa bağlı olarak değişen ve kuluçka periyodu adı verilen bir belirli bir süre vardır. Belirtilen sıcaklıkta, bu kuluçka periyodu kadar beklenirse, karbür çökelmeye başlar. Çizelge 1 de krom karbür çökelmesinin karbon miktarına ve sıcaklığa bağlı olarak gerekli kuluçka süresi verilmektedir.

5 Sıcaklık ( C) Karbon Miktarı (% kütlesel) Kuluçka periyodu (saniye)

6 Krom karbür çökelmesinin önlenmesi: (1) Kaynak yapılması düşünülen paslanmaz çeliğin karbon miktarının, düşük olmasına dikkat edilmelidir. Ayrıca paslanmaz çeliğin birleştirmesine uygun düşük karbonlu elektrotlar tercih edilmelidir. Paslanmaz çeliklerin düşük karbonlu olduğunun anlaşılabilmesi için, AISI standardında çelik sembolünün önüne L (low carbon) harfi konur. Örneğin, 316L gibi. Bu çeliklerin karbon miktarı kütlesel %0.03 den daha düşüktür. Krom karbür çökelmesinin oluşabilmesi için, çeliğin karbon miktarının belirli bir seviyenin üzerinde olması gerekir. Çünkü karbon miktarı azalırsa, krom karbürün çökelmesi için çok daha uzun bir süreye ihtiyaç duyulacaktır. Kaynak esnasında, bu kadar uzun süre C sıcaklık arasında çelik kalmayacağı için, düşük karbonlu paslanmaz çeliklerde bu problemin oluşma riski çok zayıftır.

7 (2) Çok pasolu kaynak yerine, tek pasolu kaynak tekniği tercih edilmelidir. Çünkü tek paso ile yapılan kaynak işleminde ITAB, C arasındaki sıcaklıklarda az bir süre kalır. Fakat çok pasolu kaynak işleminde ise, bu sıcaklık aralığında çok daha uzun süre kalınır. Böylece bu süre kuluçka periyodunu aşarsa, karbür çökelme tehlikesi ortaya çıkar. (3) Karbon miktarı kütlesel % 0.03 geçen paslanmaz çeliklerin birleştirilmesinde, alınabilecek en iyi önlem, çeliğin C arasındaki sıcaklıklarda beklenmemesidir. Yani bu sıcaklık aralığında çok hızlı bir soğutma yapılması gerekir. Bunun en pratik yolu da kaynakçı, dikişi çeker çekmez, elinde ıslak üstübü veya sünger bulunan bir kişi tarafından dikişin hızlı bir şekilde soğutulmasıdır.

8 (4) Krom karbür çökelmesinin meydana geldiği paslanmaz çeliklere, kaynak sonrası bir ısıl işlem uygulanabilir. Çelik, 1100 C östenitik sıcaklığına kadar ısıtılıp, su içerisinde ani olarak soğutulursa, yüksek sıcaklıkta (1100 C) östenit yapı içerisinde çözünmüş halde buluna karbürler, hızlı soğuma nedeniyle tekrar oluşamazlar. Bu işlemin en önemli şartı, kaynaklı parça boyutlarının ve konstrüksiyon şeklinin ısıl işlemin uygulanmasına elverişli olması gerekir. Endüstriyel anlamda düşünüldüğünde, böyle bir ısıl işlemin uygulanması kolay değildir. Pahalı olabilir. Parçaların çarpılmalarına sebep olabilir. Kısacası pratik bir işlem olmayabilir. (5) Kaynak esnasında krom karbür çökelmesinin meydana geldiği hassas sıcaklık aralığında kalma süresini azaltmak için, öntav uygulamadan kaynak işlemi yapılabilir. Hızlı soğumayı sağlayacak bakır altlıklar kullanılabilir. Ayrıca ısı girdi miktarının mümkün mertebe düşük tutulmasına dikkat edilmelidir.

9 (6) Krom karbür çökelmesinin önüne geçebilmek için, gerek ana malzemenin gerekse ilave dolgu metalinin üretimi aşamasında uygulanan stabilizasyon işlemidir. Bu işlem, karbonun kroma karşı olan ilgisinde daha ileri seviyede bir ilgiye sahip elementlerin (Ti, Nb, Ta), üretim aşamasında paslanmaz çeliğe ilave edilmesi ile gerçekleştirilir. Böylece karbon, çelik içerisindeki bu elementlerle birleşerek karbür oluşturma eğilimi taşır. Bu sayede krom elementinin tane sınırlarında azalması da önlenmiş olunur. Stabilizatör görevi gören titanyum, niyobyum ve tantalyum elementleri ile karbonun oluşturduğu karbürler, çeliğin tane sınırlarında değil, östenit taneleri içerisinde küçük parçacıklar halinde dağılmış olarak bulunurlar. Kaynaklı birleştirmelerde kaynak dikişlerinde karbür çökelmesi probleminin olmamasını istiyorsak, stabilize edilmiş paslanmaz çelik kaynak elektrotlarını seçmemiz gerekir. ITAB içerisinde bu problemin oluşmaması için de stabilize edilmiş paslanmaz çelikler (örneğin; 321, 321H, 309 Nb+Ta, 347, 348) kaynak işlemi için tercih edilmelidir. (7) Stabilize edilmiş paslanmaz çeliklerde, taneler arası korozyon problemi 1300 C nin üzerindeki sıcaklıklarda meydana gelir. Çünkü titanyum, niobyum ve tantalyum karbürler, bu sıcaklık değeri üzerinde çözünür. Serbest kalan karbonda krom ile krom karbür oluştur ve korozyona karşı dayanım azalır. Genellikle 1300 C nin üzerindeki sıcaklıklara maruz kalan ITAB içerisinde çok dar bir bölgedir. Kaynak metali ile ITAB arasında kalan bu dar bölge hızlı soğutulmazsa, krom karbür çökelmesi problemi ile karşılaşılabilir.

10 Sıcak Çatlak Oluşumu Paslanmaz çeliklerin kaynağında sıcak çatlama oluşumuna, metalin içerdiği yüksek orandaki kükürt ve fosfor elementlerinin varlığıdır. Paslanmaz çelik içerinde bulunan bu elementler, düşük ergime sıcaklığına sahip metaller arası bileşiklerin meydana gelmesine sebep olurlar. Bu bileşikler, tane sınırlarında toplanırlar ve kaynak dikişinin soğuması esnasında meydana gelen çekme gerilmeleriyle, ITAB veya kaynak metalinde sıcak çatlak oluşmasına neden olurlar.

11 Sıcak çatlak oluşumunun önlenmesi: Sıcak çatlak oluşumunun önüne geçebilmenin en kolay yolu, gerek paslanmaz çeliklerin gerekse ilave dolgu metallerinin kükürt ve fosfor miktarları mümkün olduğunca düşük seviyede tutulmasıdır. Fakat çeliklerin üretim maliyetlerini arttıran pahalı bir işlemdir. Sıcak çatlama oluşumunu önlemek için diğer bir metot da kaynak metalinin mikroyapısının %4-8 ferrrit + östenitik olacak şekilde ayarlanmasıdır. Çünkü ferrit, kükürt ve fosfor bileşiklerini kontrol altında tutar. Bu amaçla birleştirilecek paslanmaz çelik için öyle bir kimyasal içeriğe sahip ilave dolgu metali seçilmelidir ki, kaynak dikişinin mikroyapısı sıcak çatlak oluşumu riski taşımayacak hale gelsin. Kaynak metalinin mikroyapısı, ileriki konularda ele alacağımız Schaffler diyagramı yardımıyla, ana metal ve ilave dolgu metalin kimyasal içeriğine bağlı olarak tahmin edilebilir. Ayrıca östenitik paslanmaz çeliklerde ferritin varlığı, manyetik ölçüm aletleriyle de tespit edilebilir.

12 Sigma (σ) Fazı Oluşumu Paslanmaz çeliklerin kaynağında karşılaşılan diğer bir problem de sigma fazı oluşmasıdır. Sigma fazı, gevrek ve çok sert ( Vickers) bir yapıya sahip metaller arası bir bileşiktir. Bu faz, C arasındaki sıcaklıklarda meydana gelir. Sıcaklık arttıkça sigma fazı oluşumu için gerekli süre azalır. Örneğin, 750 C sıcaklıkta sıgma fazının oluşması için 30 saat beklemek gerekirken, 650 C sıcaklıkta ise 1 hafta beklemek gerekir. Bileşik, %52 oranında krom, %48 oranında demir ve diğer alaşım elementlerinden (Mo, Nb, Si) de çok az miktarda içerir. Paslanmaz çeliğin içerdiği niyobyum, molibden, silisyum elementleri, sigma fazının oluşumunu teşvik ederler. Ayrıca soğuk şekillendirme işlemi de sigma fazı oluşumunu hızlandırır.

13 Sigma fazı, en fazla ferritik paslanmaz çeliklerin ve %9 dan daha az nikel içeren östenitik paslanmaz çeliklerin kaynak bölgesinde meydana gelir. Kaynak bölgesinde sigma fazı bulunan bir paslanmaz çeliğin uzama, büzülme ve çentik darbe direnci azalacağından, bu fazın oluşması arzu edilmez.

14 Sigma fazı oluşumunun önlenmesi: Paslanmaz çeliklerde çatlama riskini arttıran sigma fazının oluşmaması için alınan önlemlerden bir tanesi, ısıl işlem uygulamasıdır. Bu uygulamada, kaynak bölgesinde sigma fazı oluşan paslanmaz çelik, C sıcaklık aralığında belirli bir süre tavlanır ve sonra suda hızlı bir şekilde soğutulursa ferrit miktarı azaltılacağından sigma fazı giderilir. Diğer önlem ise, östenit yapı içerisinde %7-8 den az ferrit oluşturmaktır. Eğer kaynak bölgesinde bu orandan az ferrit bulunursa, kaynak esnasında oluşacak sigma fazı, çeliğin çentik darbe direncinin azalmasına sebep olmaz. Çünkü östenit yapı içerisinde ferrit az miktarda bulunursa sigma fazı, yapı içerisinde ağ şeklinde değil de izole edilmiş odacıklar halinde bulunur. Yapıda bu şekilde bulunan sigma fazı, yapıya kırılganlık değil süneklik kazandırır. Çünkü sigma fazı, yapı içerisinde ağ şeklinde bulunmazsa kırılganlığa sebep olmaz.

15 Delta Ferit Oluşumu Delta ferrit fazı, sıcak şekillendirmeyi zorlaştırması ve çatlak oluşturma riskine sahip olması sebebiyle, paslanmaz çeliklerde arzu edilmeyen bir fazdır. Bu faz sürekli östenit tanecik sınırları içerisinde bulunursa, çeliğin korozyon direncini azaltır. Paslanmaz çelik üretimi esnasında dikkate alınması gereken bir problemdir. Östenitik paslanmaz çeliklerin üretim aşamasını düşünelim. Çelik sıvı halden katılaşmaya başlayınca, östenit ve delta ferrit taneleri oluşmaya başlar. Katılaşma sonucunda östenit taneleri arasında serpilmiş halde delta ferrit taneleri bulunan bir yapı oluşur. Delta ferrit, östenitin dönüşümü sonucu meydana gelen ferritten farklıdır. Bu faz krom, molibden, niobyum ve titanyum elementleri yönünden zengin içeriğe sahiptir.

16 Üretim esnasında bir paslanmaz çeliğin katılaşması, içerdiği kimyasal içeriğe bağlıdır. Kimyasal içerikdeki çok küçük değişiklikle bile, faz dönüşümünü etkiler. Paslanmaz çelikte kimyasal içerik değişiminin mikroyapı oluşumuna nasıl etki ettiğini bir örnek vererek açıklamaya çalışalım. Şekil 25 de %68 Fe içeren nikel-krom ikili denge diyagramı gösterilmektedir. Bu ikili denge diyagramının tercih edilmesinin sebebi, çoğu östenitik paslanmaz çeliklerin %68 Fe içermeleridir. Diyagramda gösterilen A paslanmaz çeliği %22 Cr ve % 10 Ni içeriğine sahiptir. Sıvı haldeki A kimyasal içeriğine sahip çelik soğutulmaya başladığında, ilk şekillenecek katı faz, delta ferrittir. Soğuma işlemi devam ettirilirse, delta ferritin çoğu östenite dönüşür. Oda sıcaklığına ulaşıldığında, östenit taneleri içerisinde serpilmiş halde bulunan kalıntı delta ferrit taneciklerine sahip bir mikroyapı elde edilir. Krom miktarı azaltılan ve nikel miktarı arttırılan B paslanmaz çeliğin (%17 Cr, %15 Ni, %68 Fe) ele alalım. Diyagramda da görüleceği gibi, sıvı haldeki B kimyasal içeriğine sahip çelik soğutulmaya başladığında, ilk şekillenecek katı faz östenittir. Metal soğutulmaya devam edilirse, başka herhangi bir yeni faz oluşumu meydana gelmez. Yani oda sıcaklığında da yapı östenitiktir.

17

18 Gerilmeli Korozyon Problemi Gerilim korozyon çatlağı, metalin belirli bir korozif ortamda yüksek çekme gerilmesi altında kullanılırsa meydana gelebilir. Kaynak bölgesinde meydana gelen kalıntı gerilmelerin sebeplerinden birisi, metale uygulanan yüksek gerilmedir. Gerilim korozyon probleminin çözümü için, tavlama işlemi veya gerilim giderme ısıl işlemi önerilir. Karbon içeriği orta düzeyde olan paslanmaz çeliklerde (304 gibi), tavlama işlemi 1000 C cıvarında gerçekleştirilir. Düşük karbonlu ve stabilize edilmiş paslanmaz çeliklerde, gerilim giderme işlemi C sıcaklıkları arasında yapılabilir. Östeniti-ferritik (dublex) çift fazlı çeliklerin gerilim korozyon çatlama direnci, 300 tipi östenitik paslanmaz çeliklerden daha yüksektir. Gerilim korozyonuna çatlama tehlikesi, çeliklerin kaynar haldeki klorürler ve derişik hidroksitler içindeki bir ortamda bulunması halinde ortaya çıkabilir. Özellikle paslanmaz çeliklerin talaş kaldırma işlemlerinde klorür içermeyen kesme sıvılarının kullanılmasına dikkat edilmelidir.

19 Kılcal Çatlak Oluşumu Kaynak dikişinde görülen kılcal çatlaklar, bir kaynak dikişine temas eden yanındaki kaynak dikişinin tekrar ısıtması sonucunda meydana gelir. Şekil 26 da kaynak dikişinde meydana gelen tipik kılcal çatlaklar şematik olarak gösterilmektedir. Kılcal çatlaklar, oldukça küçük olup (2 mm den daha küçük) çıplak gözle görülmeleri zordur. Kaynak dikişi katılaşması esnasında, içerisinde düşük ergime derecesine sahip segregasyon bölgelerinin varlığı, kılcal çatlakların oluşmasına sebep olabilir. Kılcal çatlama riskini önlemek için, kaynak dikişinde az bir miktarda ferrit bulunmasını sağlamak gerekir. Bunun için de içerisinde az ferrit oluşturabilecek kaynak dikişlerini elde etmek amacıyla, uygun elektrotlar seçilmelidir.

20

21