7. DÖKME ÇELİKLER Alaşımsız dökme çelikler

Transkript

1 7. DÖKME ÇELİKLER Demir, metallerin en ucuzudur ve yeryüzünde alüminyum yanında en çok bulunanıdır. Demir ve alaşımları dünya metal üretiminin %90 nını oluşturmaktadır. Saf demir özel uygulamalar dışında kullanılmaz. Yaklaşık %2 e kadar karbon içeren Fe-C alaşımına çelik denir. Demir karbonun yanında çok az miktarlarda silisyum ve mangan gibi alaşım elamanı içeriyorsa sade karbonlu çelik adı verilir. Gelişmiş ülkelerde üretilen çeliğin %75 ila 80 ninin sade karbonlu çelikler oluşturur. Sade karbonlu çeliklerin önemli olmasının nedeni sağlam, sünek, tok ve ucuz oluşlarıdır 2. Bu çelikler dökülebilir ve işlenebilir niteliktedir. Buna karşın sade karbonlu çeliklerin atmosferik özelikleri zayıftır. Çeliklerin soğuğa, sıcaklığa ve korozyona dayanımını artırmak ve de yüksek mukavemetin yanında yüksek süneklik ve tokluk özellikleri kazandırmak için alaşımlandırılırlar. Dökme çelikler kulanım alanına göre aşağıdaki gibi sınıflandırma yapmak mümkündür. -Alaşımsız dökme çelikler -Paslanmaz ve Aside dayanıklı dökme çelikler -Yüksek sıcaklığa dayanıklı dökme çelikler -Aşınmaya dirençli dökme çelikler -Soğuğa dayanıklı dökme çelikler Alaşımsız dökme çelikler Alaşımsız çeliklerde karbon oranı %1.5 u geçmemekle birlikte kükürt ve fosfor belirlenen üst sınır değerlerinin altındadır. Bu tip çeliklerde Mangan ve silisyum oranı %1 in altındadır. Karbon çelikleri alaşım elemanlarının çok az rol oynadığı çelik olup değişik şekillerde sınıflandırılırlar. Karbon oranı %0.8 olan çelik yavaş soğutulduğunda tamamen perlitik yapı içerir. Karbon oranı %0.8 den düşük olanlar ötektoid altı çelik olarak ifade edilir ve ferrit ve perlitik bir yapıya sahiptir. Ötektoid üstü çeliler %0.8 den daha fazla karbon içerir, ötektoid dışı sementit ve perlit içerir. Bunun dışında az, orta ve yüksek karbonlu olmak üzerede sınıflandırılırlar. Yukarıda kısaca değinildiği gibi bu çeliklerin kimyasal bileşiminde demir, karbon, silisyum, manganez, kükürt ve fosfor bulunur. Demir ve karbon çeliğin oluşumu için gerekli elementler olup, silisyum ve magnezyum temizleyici element olarak katılır. Kükürt ve fosfor cevherlerden gelir. Çelikte en önemli alaşım elementi karbondur. Karbon çeliğin sınıflandırılmasını, iç yapısını ve birtakım özelliklerini belirleyen elamandır. Pratikte kullanılan alaşımsız çeliklerde karbon miktarı %0.10 ila 1.5 dur. Karbon miktarı %0.3 dan az olanlar yapı çeliği olarak, bu miktardan fazla olanlar takım çeliği olarak kullanılır. Silisyum, çelikte oksit giderme için kullanılır. Fazlası ferrit fazında eriyerek katı eriyik oluşturur. Ayrıca silisyumun mekanik özellikler üzerinde olumlu etkileri vardır. Silisyum çeliğin akma ve çekme mukavemetini artırır buna karşın sünekliği düşürür. Silisyum γ-alanını daraltır, kritik soğuma hızını düşürür. Mangan iyi deoksidandır. Çeliğin oksijen ve kükürdüyle birleşir. Bu alaşım elementi katı eriyik halinde ve karbon ile birleşerek karbür (Mn 3 C oluşturur). Mangan karbür oluşturmaktan ziyade 94

2 katı eriyik oluşturma meylindedir. Ostenitte katı eriyik halinde bulunan mangan kritik su verme hızını kuvvetle düşürür, yani su vermeyi kolaylaştırır. Mangan γ-alanını genişletir. Kükürt demir ile birleşerek FeS oluşturur, çeliği gevrek ve kırılgan yapar. Bu yüzden miktarı mümkün olduğu kadar düşük tutulmalıdır. Genel olarak % oranlarında kükürde müsaade edilmelidir. Fosfor demirle asalyer katı çözeltisi oluşturur. Diğeri kalay olmak üzere tokluğu en çok azaltan iki elementten biridir. Fosfor miktarının üst sınırı % dir. Kuvvetli makrosegregasyon gösteren fosforun, demir içindeki yayınma hızı düşük olduğundan mikrosegregasyonuda olağanüstü belirgindir. Bu sebeple fosforun kontrolü güç olup özelliklerin fevkalade değişimine sebebiyet verir. Alaşımsız çeliklerde çekme mukavemeti artan karbon miktarı ile artar, perlit noktasında bir maksimumdan geçer ve ötektoidüstü çeliklerde azalır. Çekme mukavemetinde bu artışı lamelli perlitin çeliğin şekil değiştirme direncini artırmasından ileri gelir. Ötektoidüstü çeliklerde perlit tane sınırlarında bir ağ meydana getiren ikinci sementit çekme mukavemetini düşürür. Sertlik aynı nedenlerle artar ve ötektoidüstü çeliklerde artmaya devam eder. Süneklik ise artan karbon oranı ile düşer Paslanmaz ve Aside dayanıklı dökme çelikler Normal alaşımsız ve az alaşımlı çelikler korozif etkilere dayanıklı değillerdir. Bileşimlerinde en az %12 krom bulunanlar ise yüzeylerine kuvvetle bağlanan yoğun, tok ve çok ince bir oksit tabakasından ötürü pasifleşir; yani indirgeyici olmayan ortamlarda korozyona karşı direnç kazanırlar. Ancak bu çeliklerde krom karbür oluşursa, α veya γ kafesi içinde çözünmüş olan krom miktarı %12 lik sınırın altına düşebilir. Böylece korozyona dayanıklılık özelliği kaybolur. Dolayısıyla çelik bileşimindeki karbon derişikliği yükseltildikçe, - krom miktarı arttırılmalı veya, - karbür yapma eğilimi kromdan fazla olan belirli elementler katılarak krom karbürün meydana gelmesi engellenmelidir. Paslanmaz çeliklerdeki başlıca alaşım elementleri önem sırasına göre krom, nikel, molibden ve mangandır. Bunlardan öncelikle krom ve nikel iç yapının ferritik veya ostenitik olmasını belirlerler. Şekil 7.1 de Fe-Cr ve Fe-Ni sistemlerine ait faz diyagramları görülmektedir 8. Şekil 7.1. Fe-Ni ve Fe,Cr faz diyagramları (ABORN a göre) 8 95

3 Tablo 7.1 de korozyona dayanıklı çeliklerin sınıflandırılması, Tablo 7.2 de ise seçilen bazı örneklerin özellikleri verilmiştir. Tablo 7.1. Korozyona dayanıklı çeliklerin sınıflandırılması 8 Korozyona Dayanıklı Çelikler Paslanmaz çelikler Isıya tufal oluşuma dayanıklı çelikler Perlitik * Martenzitik Yarı * Ferrritik Ferritik Ferritik Ostenitik Ostenitik Ostenitik Ferritik X40Cr13 X15Cr13 X35CrMo17 X90CrMOV18 X10Cr13 X10CrAl7 X8Cr13 X8Cr17 X10CrSi13 X10CrAl24 X20CrNiSi25 4 X5CrNiMo18 10 X8CrNiNb16 13 X5CrNi18 9 X12CrNiTi18 9 X12CrNi18 8 X12CrNi17 7 X3CrNiMo18 10 C miktarı ve ısıl işlem durumuna göre perlitikmartenzitik içyapı Büyük ölçüde ferrritik olan ve bir miktar perlit,martenszit içeren içyapı Saf ferritik içyapı Bir miktar ostenit içeren ferritik içyapı Saf ostenitik iç yapı Bir miktar δ-ferrit içeren ostenitik içyapı * Perlit ve martenzit yüksek sıcaklıkta ostenite dönüşür; soğumada tersi. Söz konusu çeliklerden çökelme sertleştirmesi uygulanabilenler dışında kalan standart türlerin özellikleri iki genel başlık altında incelenecektir. - Ferritik Cr çelikleri (tam ferritik, yarı ferritik, perlitik martenzitik) - Ostenitik Cr-Ni çelikleri (tam ostenitik, ostenitik-ferritik). Tablo 7.2. Korozyona dayanıklı bazı çeliklerin özellikleri 8 Çelik İşareti Isıl İşlem Akma Sınırı Çekme Dayanımı Kaynağa İçyapı 1 Durumu N/mm 2 N/mm 2 Uygunluk X15Cr13 Islah >500 >700 Orta M X20CrMo13 Islah >550 >750 Sınırlı M X90CrMoV18 Islah -- >750 Uygun değil P-M X8Cr17 Tavlanmış >300 >450 İyi F X10CrAl24 Tavlanmış >300 >500 Sınıtlı F X10Cr13 Tavlanmış >300 >500 İyi F-P X12CrNi177 7 Su verilmiş >350 >700 Çok iyi O+F X5CrNi18 9 Su verilmiş >220 >550 Çok iyi O X10CrNiMoTi Su verilmiş >250 >550 Çok iyi O+F 1 M = (temperlenmiş) martenzit O= Ostenit Ayrıntılı bilgi ve kesin değerler DIN dan akınabilir. P = Perlit F=Ferrit 96

4 Ferritik Krom Çelikleri Ferritik çelikler α γ dönüşümü göstermezler. Dolayısıyla iç yapı ve mekanik özellikleri ısıl işlemlerle değiştirilmez. Ancak kuvvetli ostenit yapıcı olan karbon belirli bir miktara ulaşınca kromun ferrit yapıcı etkisi ortadan kalkar. Böylece yüksek sıcaklıkta oluşan ostenitin soğuma hızına bağlı dönüşüm ürününe göre perlitik veya genellikle havada su alan martenzitik paslanmaz krom çelikleri, örneğin bıçaklar için çok kullanılan x 40 Cr 13 elde edilir. Öte yandan karbon oranı arttırıldığı halde gene ferritik iç yapı isteniyorsa, krom yüzdesinin de yükseltilmesi gerekir (Şekil 7.2). Sadece kısmi dönüşüm gösteren x 10 Cr 13 vb. çelikleri ise yarı ferritik olarak adlandırılır (bk. Tablo 7.1). Şekil 7.2. Krom çeliklerinde Cr ve C miktarının iç yapı oluşumuna etkisi (TOFAULTE a göre) 8. Ferritik çeliklerin taneler arası gerilme korozyonuna duyarlığı azdır. Ostenitik krom-nikel çeliklerine oranla kükürtlü gazlara karşı daha dirençlidirler. Temelde HNO 3 gibi oksitleyici asitlere ve genel korozyona dayanıklı olan bu çelikler noktasal, taneleriçi ve tanelerarası türden ayırımlı korozyona uğrayabilirler. Söz konusu durum öncelikle içyapı hetorojenliklerinden (çökeltiler, plastik şekil değiştirmiş bölgeler, mikro segregasyonlar, farklı içyapı bileşenleri) kaynaklanır. Dolayısıyla korozyon davranışı, uygun ısıl işlemler yardımıyla olumlu yönde etkilenebilir. Korozyona ve özellikle ısıya dayanıklılık krom miktarına paralel olarak artar. Ayrıca alüminyum ve silisyumda tufal oluşumunu azaltır. Geçiş sıcaklığının (hmk kafes!) yüksekliğinden ötürü, çentik vurma toklukları oda sıcaklığında düşük olan ferritik çeliklerde, üst sıcaklıklara gidildikçe tutma süresine de bağlı olarak aşağıda açıklanan üç gevrekleşme bölgesi görülür: o C ile 550 o C arasında uzun süre kalmış veya yavaş soğutulmuş %15 ten fazla kromlu çeliklerde, çökelmelerin yol açtığı ve 475 o C gevrekleşmesi diye anılan durumla karşılaşılır. Böyle bir çelik 650 o C 750 o C düzeyine ısıtılıp hızla soğutulursa, bu çökeltiler ve gevrekleşme etkisi giderilmiş olur o C ile 800 o C arasında uzun süre tutma sonucu, yüksek kromlu ferritik ve bazı ostenitik çeliklerde, bileşimi yaklaşık %50 Cr - %50 Fe olan gevrek sigma arafazı oluşur. Bu fazın meydana gelişi soğuk şekil değiştirme ile kolaylaşır; molibden, silisyum, niyob, titan gibi elementlerin varlığıyla da krom oranının alt sınırına doğru ötelenir. Sigma fazı, çeliği 950 o C ın üzerinde tavlama ve bunu izleyen su verme ile yok edilebilir o C ın üzerinde ise belirgin tane irileşmesine ek olarak, özellikle tane sınırlarında krom karbür çökeltileri ortaya çıkar. Titan veya tantal/niyob elementlerinin (stabilizatörler) katılması krom karbür oluşumuyla birlikte, bir ölçüde tane irileşmesini de engellerler. Öte yandan stabilize edilmemiş çeliklerin özellikle kaynak bağlantılarında 700 o C-800 o C arasında yapılacak bir tavlama, krom karbürleri küreleştirdiği gibi olası martenzit fazını da temperleyerek tokluğun daha fazla düşmesini önler. Ayrıca tane sınırı dolaylarında krom dağılımını yayınma yoluyla bir 97

5 miktar düzgünleştirip, pasiflik sınırına (çözünmüş Cr % 12) yeniden ulaşılmasına yardımcı olur. Ferritik çeliklerde en başta düşük tokluk ve tane irileşmesinden ötürü, ostenitik çeliklerdeki kadar güvenle gerçekleştirilmeyen kaynak işlemi için aşağıdaki noktaların dikkate alınması gerekir: - Başlangıç tokluğunu arttırmak üzere 150 o C ile 200 o C arasında ön ısıtma ve yukarıda açıklanan nedenlerle kaynak sonrası tavı (700 o 800 o C) yararlıdır. - Tane irileşmesi ve karbür çökelmesine karşı kaynak sırasındaki ısı girdisi olabildiğince küçük tutulmalıdır. -Tokluğu yüksek olan ostenitik türden ilave malzemelerin kullanılması bazı sorunlar yaratsa bile, soğuma sırasında büzülme kuvvetlerinin etkisi ile kaynak dikişinin çatlama eğilimini önemli ölçüde azaltır Ostenitik Krom-Nilkel Çelikleri Korozyona dayanıklı çeliklerin en önemli bölümünü oluştururlar. Manyetik olmayan bu çeliklere, ostenitik iç yapıları dönüşüm göstermediği için normalleştirme ve sertleştirme ısıl işlemleri uygulanamaz. Korozyonu önlemek üzere gerekli olan kromun ferrit yapıcı etkisi, ostenit yapıcı alaşım elementleri katılarak giderilir. Ancak bu amaçla, kuvvetli bir ostenit yapıcı olmasına karşın karbür meydana getirerek korozyon davranışını zayıflatan karbonun oranını yükseltmek yerine aynı zamanda oksitleyici ve redükleyici asitlere de dayanıklı olan nikelden yararlanılır. Kükürtsüz olan korozif ortamlarda ostenitik çelikler ferritiklerden genellikle daha iyi sonuç verirler. Molibden katılmasıyla organik ve çeşitli mineral asitlere (örneğin H 2 SO 4 ) karşı direnç artar. Bileşimlerine göre farklı iç yapılara sahip olabilen Cr-Ni çeliklerinde, korozyona dayanıklılık bakımından ostenit ve ostenit/ferrit alanlarında bulunanlar ilginçtir (Şekil 7.3). Görüldüğü gibi C %0,2 ve C %13 için ostenitik bir içi yapı en az %9 Ni ile elde edilebilir. Şekil o C sıcaklıktan suda soğutulmuş Cr-Ni çeliklerinde (C %0,2) elde edilen iç yapının bileşime bağlılığı (MAURER e göre) 8. Tümüyle γ - katı çözeltisinden oluşan (tam) ostenitik paslanmaz çelikler ısıya ve asitlere dayanıklı, yüksek sıcaklıktaki mekanik özellikleri iyi olan malzemelerdir. Ancak sıcak çatlama (yırtılma) eğilimi gösterirler. Ostenitik ferritik veya başka bir değimle dubleks yapılı ostenitik çelikler ise ferrit yapısı elementlerin oranına bağlı olarak %10 a kadar δ - ferrit (bk. Şekil 7.1) içerirler. Eriyikte ilk önce katılaşan δ - ferrit kristalleri iç yapının ince taneli olmasını sağlar. Sıcak çatlama duyarlığını 98

6 arttıran fosfor, kükürt, silisyum gibi elementler de büyük ölçüde δ - kafesinden çözünerek ostenit fazından uzaklaşır. Dolayısıyla bu çeliklerde sıcak çatlama tehlikesi çok daha azdır; yalnız yüksek sıcaklıkta uzun süre kalma sonucu sigma fazı oluşabilir. Ostenitik çeliklerde en büyük sorun krom karbür çökelmesidir. Kritik sıcaklıklar olarak nitelenen 400 o C ile 850 o C arasında yüksek enerjili tane sınırları boyunca ayrışarak yan yana dizilen kromca zengin karbürler, malzemenin korozif ortamda bulunması halinde tanelerarası korozyona ve tane ayrılmasına yol açarlar (bk. Şekil ). Söz konusu olayda, katı çözeltideki krom miktarının korozyona dayanıklılık sınırının altına düşmesi (Şekil 7.4) önemli rol oynar. Şekil 7.4. Ostenitik Cr-Ni çeliklerinin tane sınırlarında krom karbür çökelmesi (şematik, WIRTZ e göre) 8. Tanelerarası korozyon aşağıdaki önlemlerle engellenebilir; - Çeliğe stabilizatörlerin katılması. Stabilizatörler karbon ilgileri kromunkinden fazla olduğu için, karbonu yüksek işletme sıcaklıklarında dahi krom karbür oluşturmayacak şekilde bağlayan elementlerdir. Bu amaçla bileşiminde uygun miktarda titan, tantal veya niyobyum içeren çelikler stabilize edilmiş olarak nitelenir: X10 CrNiTi 18 9 titanla stabilize edilmiş, X10 CrNiNb 18 9 niyobla stabilize edilmiş vb. -ELC (Extra Low Carbon = çok düşük karbonlu) çeliklerin kullanılması. Ostenitik çeliklerde 650 o C sıcaklıkta karbon çözünürlüğü yaklaşık %0,05 tir. Dolayısıyla daha düşük derişiklikteki karbon bu sıcaklıklarda pratik olarak tümüyle ostenite çözüneceğinden, anılan çeliklerde krom karbür çökelmesi söz konusu değildir. Örneğin x 5 CrNi 18 9, x 2 CrNi 18 9 çelikleri gibi. -Çözme tavı. Stabilize edilmemiş çeliklerde meydana gelen karbürler 1050 o C ile 1150 o C arasında yapılan bir tavlama ile çözündürülür. Bunu izleyen hızlı soğutma tekrar çökelmeyi engeller. Ancak bu yöntem kritik sıcaklık bölgesine yeniden ısınma durumunda karbür oluşmasını önleyemez. Ostenitik çelikler, süneklikle birlikte yüksek tokluğu (ymk kafes) sahip oldukları ve ısıdan etkilenen bölgede herhangi bir sertleşme göstermedikleri için kaynağa çok elverişlidirler. Yalnız kaynak dikişi yanında kritik sıcaklığa ısınan ve yavaş soğuyan dar bir şerit boyunca karbürler ayrışabilir. Bu nedenle kaynak edilecek çelikler gerektiğinde stabilize türden seçilmelidir. Ayrıca ostenitik çeliklerin ısı iletim katsayısı küçük, ısıl genleşme katsayısı büyük olduğundan çarpılma tehlikesine karşı kaynak sırasındaki ısı girdisinin düşük tutulması yararlıdır 8. 99

7 7.3. Yüksek Sıcaklığa Dayanıklı Dökme Çelikler Yüksek sıcağa dayanıklı dökme çelik, gazların, bilhassa 600 C dan yüksek sıcaklıklardaki oksitleyici (yakıcı ) etkilerine dayanıklı bir alaşımdır. Dört ara soğutma uygulanan 120 saatlik bir çalışmadan sonra, (X C) sıcaklığında oksitlenmiş, (yanmış) metal kütlesi, ortalama olarak 1 g/ m 2 h ve (X + 50) C sıcaklığında 2g/m 2 h değerlerini aşmazsa, o dökme çelik sıcağa dayanıklıdır denir. Bundan başka sıcak durumda iyi bir mukavemet ve yanmış yağın oluşturduğu korozyona karşı dayanıklılık da aranan özelliklerdendir Kullanma yerleri Sıcağa dayanıklı dökme çelik bir çok yerde kullanılabilir. Batı Almanya'da şu anda ayda 700 ton sıcağa dayanıklı çelik üretilmektedir. Devamlı çalışan ve sıcağa dayanıklı dökme çelikten yapılmış konveyör, ızgara, kutu ve zincirlerle içine tav malzemesi gönderilen ısıl işlem fırınlarının imali bu çelik sayesinde mümkün olmuştur. Sıcağa dayanıklı savurma dökümden yapılan borular, ocakların ve döküm potalarının ısıtılmalarında kullanılır. Kükürtlü havi filizlerin kızdırma fırınlarındaki işlemlerinde kullanılan kromlu dökme çelikten karıştırıcılar ve ızgara çubukları diğer bütün malzemelerden daha ekonomiktir. Çimento endüstrisi, döner fırınlarında sıcaklığa dayanıklı malzeme kullanılır. Petrol Endüstrisinde ve Petro - Kimyada fırınlarda kullanılmak üzere sıcaklığa dayanıklı, savurma dökümle elde edilmiş borulara, dirseklere ve boru askılarına çok ihtiyaç vardır. Diesel motorlarında supap gövdesi ve tablası sıcaklığa dayanıklı malzemelerden yapılmaktadır Kimyasal bileşim Sıcaklığa dayanıklı yüksek alaşımlı dökme çelik çeşitlerinin karbon miktarı dövme malzemeye göre biraz fazladır. Karbon fazlalığı döküm kabiliyetini iyileştirir ve ostenit, krom - nikel çeşitlerinin sıcaktaki mukavemetini yükseltir (Tablo 7.3), Dökme Çelik Cinsi DIN : ya göre kısa adı Tablo 7.3: Sıcaklığa dayanıklı dökme çeliklerin kimyasal bileşimi 7 DIN yaprak (2) ye göre malzeme numarası % olarak kimyasal bileşim C St Mn Cr Ni G x 30, Cr, Si 7 1,4710 0,2-0,4 1,0-2,5 0,3-1,0 6,0-8,0 - G x 45, Cr, Si 17 1,4740 0,3-0,6 1,0-2,5 0, G x 45, Cr, Si 29 1,4776 0,3-0,6 1,0-2,5 0,3-1, G x 35, Cr, Ni, Si ,4826 0,2-0,5 1,0-2,5 0,3-1, ,0-11 G x 35, Cr, Ni, Si ,4848 0,2-0,5 1,0-2,5 0,3-1, Bileşimlerine göre iki guruba ayrılabilirler : Kromlu dökme çelik cinsleri. Sahip oldukları krom miktarlarına göre 600 ile 1200 C arasında oksidasyona dayanıklıdır

8 Krom - Nikel alaşımlı dökme çelikler Bu ostenitik dökme çelik tipleri, oksidasyona karşı iyi bir dayanıklılık gösterir. Ayrıca artan nikel oranı ile sıcak durumdaki mukavemet artar. Isıl zorlanmaların yanında mekanik zorlanmaların bulunduğu durumlar için de elverişlidir. Oksidasyona dayanıklılığı elde etmek için en önemli eleman kromdur. (Şekil 18.1) de artan krom miktarı ile birlikte dökme çeliğin oksidasyona dayanıklılığının 1200 C sıcaklığa erişebileceği görülmektedir. Kromun bu etkisi yüksek sıcaklıklara dayanıklı yoğun ve iyi tutunan bir tabakadan doğar. Bu tabakanın kristal yapısı Si. FeO. Cr 2 O 3 Krom - demir spineline benzer. Krom miktarı arttıkça mazot ateşinden doğan küllere karşı dayanıklılık artar, Oksidasyona dayanıklılığı nikel de arttırır, fakat bu artış kromdaki kadar değildir. Nikelin sıcak durumdaki mukavemet üzerine etkisi oksidasyona dayanıklılığından daha fazladır. Bu bilhassa fazla nikel ilavesi ile yapının Ostenitik olduğu durumda söz konusudur (Şek. 18.2). Yüksek değişken ısıl gerilmelerde oluşan çatlaklar yüksek nikel miktarı ile azalır. Sıcaklığa dayanıklı çeliklerde artan nikel miktarı yardımı ile koklaşma önlenir, bu nedenle bu malzemeler kömürden gaz elde eden tesislerde kullanılır. Nikelli çeliklerin kükürtlü gazlarla temasta bulunması uygun değildir. Bu durum bilhassa gazlar indirgeyici olarak etkirse ve kükürt H 2 S halinde bulunursa çok kötüdür. Alçak sıcaklıklarda ergiyen nikel - sülfitlerin oluşması yapıyı çok bozar. Ergime noktası : Nikel - sülfit (787 C), ötektik nikel - sülfit (644 C). Vanadyum - pentaoksit ve sodyum - sülfat içerisinde küller oksidasyonu ilerletirler. Karbon, ostenit oluşumuna yol açtığından nikele benzer etkiler gösterir. % 0,3 e kadar artan karbon miktarı ile dökme çeliklerin sıcak durumdaki mukavemetleri artar. Bu artışın nedeni bilhassa krom - nikel alaşımlı malzemede, ostenitin artması ve kayma düzlemlerinin bloklaşmasından doğan karbür oluşumunun fazlalaşmasıdır (Şekil 7.4). Şekil 7.4. Krom miktarının 700 C da ostenitik krom-nikelli çeliklerin çekme mukavemetine etkisi 7 Karbon miktarının artışı sınırlandırılmıştır, çünkü artan tavlama süresi ile çekirdek sınırlarında karbür yığılması fazlalaşır. Bu durum sünekliğin azalmasına sebep olur. Sıcak durumda çatlamalara karşı eğilim artar. Bu durumlar nedeni ile Ostenit, krom - nikel alaşımında takriben % 0,4 C üst sınır olarak alınabilir. 101

9 Kuvvetli bir aşınma etkisi altındaki parçalarda, karbon miktarı %0,6-% 0,8 değerlerine çıkarılır. Bu parçalar döküm tekniği bakımından bir zorluk göstermemelidirler, örneğin: damıtmada kullanılan borular, bazı fırınlar için raylar. Sıcaklığa dayanıklı dökme parçaların döküm yolu ile eldesinde sıcak durumdaki mukavemetin yüksek karbon miktarları ile arttırılabilmesi, döküme sıcak şekil vermeye göre üstünlük sağlar, çünkü sıcak haddeleme ve dövme de karbon miktarı zorluklar nedeniyle % 0,10 ile sınırlandırılmıştır. Döküm alaşımlarında ise karbon miktarının % 0,3 0,4 sırasında seçilmesi bir zorluk çıkarmaz. Petro kimya endüstrisinde haddelenmiş borulara nazaran büyük üstünlük gösteren savurma dökümlü borular buna iyi bir örnektir. Eskiden yapılan kısa süreli deneylerde artan karbon miktarı ile sıcak mukavemet artışı yanılmalara sebep olmuştur, çünkü fazla yüksek karbon miktarlı Krom nikel çelikleri uzun süreli çalışmalarda küçük yüklemelerde bile kırılmışlardır. Silisyum, oksidasyona dayanıklılığı oldukça artırır ve kromun yerini tutabilir. ( Şekil 7.5 ) sıcaklığa dayanıklı dökme çelik cinsleri % 2,5 dan fazla Si bulundurmazlar. Yoksa oda sıcaklığındaki süneklik kötüleşir. Yüksek silisyum miktarında kuvvetlenen sigma fazı nedeni ile kırılganlık tehlikesi vardır. Şekil7.5. Krom ve silisyumun bir arada dökme çeliğin oksidasyonuna etkisi 7 Mangan, oksidasyona dayanıklılığı arttırmaz. Ostenit oluşumu bir miktar iyileştirdiğinden %2 oranına kadar katılabilir. Molibden, küçük oranlarda bile sıcak durumdaki mukavemeti arttırır. Fakat bu çeliklerin kullanıldığı yüksek sıcaklıklarda molibdenin % 10 oranında ilavesi bile etkisizdir. Alkalik yanma ürünleri havi çeliklerin yüzeyinde alçak sıcaklıklarda ergiyen bileşimler oluşurlar. Bu bileşimlerden doğan hasarlar epey derinlere inebilir. Alüminyum, olumlu bir alaşım elemanıdır. Milimetrenin sadece kesri kadar kalınlıkta bir Al 2 O 3 tabakası oluşur. Bu tabaka çok sıkı olarak tutunur ve mekanik zorlanmalardan etkilenmez. Ne var ki bu alaşımların döküm kabiliyetleri kötüdür. Bunlar kalıp içinde iyi akmazlar, çirkin görünüşlü yüzey verirler. 102

10 Azot, Ostenitik dökme çelik cinslerinde, Ostenit oluşumuna yardım eder. Nitrütlerin ayrışması ile mukavemet yükselir. Diğer taraftan kırılma tehlikesi artar. Niob/Tantal, yüksek sıcaklıklardaki mukavemeti biraz arttırırlar. (Bilhassa ostenitik alaşımlarda). Ostenitik krom-nikel döküm malzemelerinin sıcak durumdaki mukavemetleri, Wolfram ve Kobalt yardımı ile oldukça iyileşir. Çok zorlanan fırın parçaları, örneğin: 1000 C in üstünde çalışan boru taşıyıcıları son zamanlarda aşağıdaki bileşime sahip dökme çelikten yapılır : C : % 0,35 Si : % 1,5 Mn : % 0,5 Cr : % 26 Ni : % 35 Co : % 15 W : % 5. % 50 Co ve yaklaşık % 30 Cr. lu (gerisi Fe) alaşım da son zamanlarda fırın imalinde kullanılmaya başlanmıştır. Bu malzeme oksidasyona 1250 C ve hatta 1300 C ye kadar dayanıklıdır. Bundan başka sıcaklık değişimlerine ve yüksek sıcaklıklardaki aşınmaya karşı pek dayanıklıdır. Dökme çeliğin sıcaklığa dayanıklılığı yüksek sıcaklıkta ergiyen ve alaşımların fırın gazlarıyla reaksiyonları sonucu ortaya çıkan asit tabakasının reaksiyon eylemsizliğinden ve mekanik direnç kabiliyetinden türer. Feritik krom çelikleri ve östenitik krom - nikelli çelikler her yönde eş bir lineer genleşme gösterirler. Bu nedenle sıkı bir şekilde tutunmakta olan tabakanın çatlama ve patlama tehlikesi azalır. Bu tabaka altındaki malzemeyi oksidasyondan korumaktadır. Krom veya krom - nikel oksit tabakasının oksidasyona dayanıklılığı ve ergime noktası silisyum ve alüminyum oksitleri ile daha da yükseltilir. Fakat yukarıda anlatıldığı gibi dökme alaşımlarda bunlar ancak sınırlı olarak kullanılabilir. Yanma gazlarının bileşiminin oksidasyona dayanıklılığa etkisi fazladır, koruyucu oksit tabakası en iyi olarak oksitleyici koşullar altıda yani hava fazlalığında oluşur. indirgeyici fırın gazlarında yani genellikle pas fazlalığında oksit tabakası oluşmaz. Ostenitik nikel içeren alaşımlarda kükürt içeren indirgeyici fırın gazlan nedeniyle yapıda derinlere kadar inen bir harabiyet görülebilir. Çünkü alçak sıcaklıklarda (644 C) ergiyen nikelsülfürler kristaller arası bir çekirdek parçalanmasına yol açarlar. Oksitleyici gazlarda kükürt SO 2 şeklinde ise zararlı hiç bir etki yoktur. (Şekil 18.5), kükürdün: % 0,15 C, % 2 Si, % 18,5 Cr ve % 12 Ni bileşimlerindeki bu çeliğin oksidasyonlaşmasına olan etkisini göstermektedir. Kükürdün malzemeye yaptığı bu tahribat nedeniyle yüksek nikelli alaşımlar kullanılmaz. Normal olarak bir kaç gr/nm 3 değerlerindeki kükürt miktarına müsaade edilir. 650 C C arasında çalışan pirit yakma firmalarında, kükürdün etkilerine dayanıklılığı olan kromlu dökme çelik kullanılmaktadır. Aynı zamanda bir de sıcak durumda mukavemet aranırsa, bir ara çözüme gidilmelidir. Küllerin alçak sıcaklıklarda ergiyen kısımları ve yüksek alkali miktarlı cüruflar çok büyük hasara yol açarlar. Çünkü krom oksit alkaliler ile kolay ergiyen bir madde olan kromatları oluşturur. Vanadin pentaoksit ve sodyumsülfat da yanma ürünleri arasındadırlar. Otektoidin ergime sıcaklığının alçak oluşu, (takriben 600 ) cüruf oluşumuna ve böylece sıcaklığa dayanıklı fırın parçalarının tahribine yol açar Sıcaklığın 900 C kadar çıkabildiği ve çok miktarda vanadin ve alkali içeren yakıtların kullanıldığı durumlarda yaklaşık% 50 Cr ve % 40 Ni tavsiye edilen değerlerdir. Bu alaşımlar soğuk durumda kırılgandırlar. Fakat 600 C üstünde bir süneklik kazanırlar. Yanma ürünlerinin etkileri diğer bütün krom - nikel alaşımlarına göre daha azdır. Krom - nikelli dökme alaşımların üst sıcaklık limiti olarak şu tablo verilebilir. Cr, Ni 50/ C Cr, Ni 60/ C nin üstünde. Yanma ürünlerinin etkisi daha az ise yüksek sıcaklıklara çıkılabilir. 103

11 35/65 Cr - Ni alaşımı soğuk durumda yukarıdaki iki malzemeden de sünektir. Buna rağmen küllerin korozyonuna dayanıklı değildir. Ancak 750 C'a kadar kullanılabilir. Tav firmalarında, bilhassa sürekli çalışan sac tavlama firmalarında, alaşımsız iş parçalarından dökülen yabancı maddeler sıcaklığa dayanıklı iş parçalarını tahrip edebilirler. Aynı şey toz kmürü yakılmasında FeO havi tozlar içinde geçerlidir. Oksidasyona karşı dayanıklılık konusu bilhassa G. Bandıl ve K. E. Volk tarafından incelenmiştir. Oksidasyon ile malzemedeki ağırlık kaybı metre ve saat başına gram olarak verilir. Bu değerler taşlanmış numunelerin 5 kez yirmidörder saat kontrol sıcaklığında tutulması ile elde edilir. 4 kez soğutma yapılan bu 120 saatlik deneyden sonra tabaka itina ile uzaklaştırılır. Sonra ağırlık kaybı ölçülür. Sıcaklığa dayanıklı çeliklere bir ısıl işlem genellikle gereksizdir. Fakat kromla alaşımlandırılmış olanlar istisna teşkil edebilirler Oda sıcaklığındaki mukavemet özellikleri GX - 30/CrSi7, GX - 45/CrSil7 kromlu dökme çelik tiplerinin, Krom-Karbon yapı diagramından gorüldügü gibi, ferritik - perlitik bir yapısı vardır. Daha yüksek krom miktarına sahip (% 20 ve daha fazla) olanlarda ferritik - karbürlü bir yapı gösterilir. Buna baglı olarak birinciler, oda sıcaklığında belli bir sünekliğe sahiptirler. Diğerleri ise kırılgandırlar ve mekanik özellikleri bakımından dökme demire benzerler. Krom - Nikelli dökme çelik tiplerinde, yapıdaki ostenitik kısım arttıkça sünekliğide yükselir. % 4-5 Ni havi GX-35, CrNi 27 dahi yapisında ferrit yanında ostenitin nedeni ile darbeli zorlanmalara karşi nikel bulundurmayan dökme çelik tiplerine göre daha hassastır. Fakat sigma fazinın oluşması nedeni ile bilhassa C arasında malzeme kırılganlaşır. Bu malzeme oda sıcaklıgına kadar sogursa kırılgan kalır. Ancak tam Ostenitik bir yapı halinde sigma fazı azaltılır Yüksek sıcakliklarda mukavemet özellikleri Konumuz olan çeliklerde, oda sıcaklığındakinden fazla, sıcak durumdaki mukavemetin önemi vardır. Sıcaklığa dayanıklılık ve sıcak durumdaki mukavemet bakımından, saf kromlu ve krom - nikelli dökme çelik tipleri arasındaki mukavemetleri kötüdür ve zorlanmaların az olduğu yerde kullanılır, örneğin: Tav fırınalarında taban plakaları, sinterleme fırınlarında ızgara çubukları, karıştırıcı dişler, potalar. Şekil (7.6),(7.7), (7.8), (7.9) 7 Şekil 7.6. Çeşitli karbonlu G-XCrNiSi 2520 Krom çeliklerinin saate kadar yüksek sıcaklığa dayanma özellikleri 7 104

12 Şekil 7.7. Çeşitlisıcaklıklarda soğutulan GX-35/CRNi27 çeliklerin sıcaklığa bağlı olarak özelliklerinin etkisi 7 Şekil 7.8. Çeşitli kromlu dökme çeliklerin 1000 saate kadar yüksek sıcaklığa dayanma özellikleri 7 105

13 Şekil 7.9. G-XCrNiSi 3716 çeliğinin saate kadar yüksek sıcaklığa dayanma özellikleri Aşınmaya Dayanıklı Dökme Çelikler Aşınma, çalışma sırasında metalin bir bölümündeki boyutta istenilmeyen degişiklikler meydana getirir. Malzeme kaybı olmaksızın plastik deformasyonla da olabilir (Tren raylarının aşınmış uçlarında olduğu gibi). Aşınma, sürtünen parçalar arasındaki çarpma ile de olabilir Karbürler Adi karbonlu çeliklere karşı, karbürize edilmiş. alaşımlı çelikler, özel C ihtiva etmelerinden dolayı, aşınma direncini biraz değiştirmiş olabilirler. Bu münakaşalı bir konudur. En çok kullanılan karbürleyici çeliklerin alaşım miktarı, özel karbürleri doğurmak için yetersizdir. Hultgren ve Hagglund (1) göre içinde kafi miktarda Krom ve Molibden bulunan çeliklerde, özel karbürler, sementit bölgelerinin iç tabakalarında bulunur ve yüzeye doğru bu tabakalar, yer değiştirmiş sementitlere dönüşür. Bu hal doğrudan doğruya yağda soğutulmuş, 1650 F (940 C) de derin karbürize edilmiş ve kuvvetli sementasyon etkileyicilerle yapılmıştır. Bu semantasyon tabakaları hiper - ötektoiddir. Bu yer değiştirilmiş sementit tabakalarında yalnız Mn gözükmektedir. Yeniden ısıtma ve su verme ihtiva eden daha kompleks ısıl işlemlerde, özel karbürün, çözülmüş kalıp - kalmayacagı ostenitizasyon şartlarına bağlıdır. Bir çok aşınma problemlerinde alt tabakadan daha önemli olan yüzey, sadece değiştirilmiş sementit ihtiva eder. Karbürün dağılımı daha ziyade süreksiz partiküller şeklindedir ve aşınma mukavemetini arttırır Ostenitik mangan dökme çeliği Ticari ostenitik - manganlı çeliklerdeki ostenit, kararlı ostenittir. Şekil 7.10 ve 7.11 deki denge diyagramları % 2,5 H- 13 Mn için karşılaştırılmıştır. Yüksek manganlı çeliğin göze çarpan etkisi, otektoid yapıyı alçak karbonlu bileşime itmek ve perlit alanını yaymaktan ibarettir. 106

14 Şekil %2.5 Mn lı C-Mn çelik diagramı 7 Şekil %13 Mn lı C-Mn çelik diagramı 7 Ostenit, orta soğuma hızını haiz olmasına rağmen, relativ olarak kararlıdır. Eğer alaşıma C ilave edilirse, su ile soğutmalarda dahi, ayrışma olmadan soğutma mümkündür. Ticari Mangan çeliklerinde suda soğutma neticesinde, oda sıcaklığında % 0,5 C ihtiva eden ostenitik yapı meydana gelir. Fakat bu bileşimde sıvı - hava işlemleri kısmi dönüşümler yaratır. Bu dönüşümler martenzit ve ε (epsilon) fazı denen dönüşümler olabilir (Şekil 7.12). Şekil ºF dan itibaren, suda soğutulduğunda ve oda sıcaklığındaki C-Mn lı çeliklerin bileşimi

15 Daha stabil ostenit elde etmek için, yüksek karbonlu ve 1740 P (930 C) den yukarı yüksek ostenitleme sıcaklıklarına ihtiyaç vardır. Ostenit içerisinde erimiş % 1 civarında karbon miktarı, ostenitin stabilitesini yükseltir. Öyleki 1800 F (982 C) üstündeki soğutmada ostenitik yapı korunur. Fakat yavaş, soğuma, karbürün parçalanmasına ve bazı mümkün dönüşümlere yol açar Yapı % 1 C ve % 10 -H 14 Mn ihtiva eden yüksek manganlı ticari çeliklerde dökümden sonraki yavaş soğumalarda, kaba tanelerin çevresinde karbür şebekeleri ayrılır. Haddeleme ve dövme işlemlerinden sonraki yavaş soğumalarda, tanelerin çevresinde bu karbür şebekeleri daha iyi oluşur. Bu şartlardaki çelik yumuşaklıktan yoksundur Soğuğa Dayanıklı Dökme Çelikler Soğuğa dayanan dökme çelik cinsi olarak, yaklaşık -10 C den düşük sıcaklıklarda bile, yeteri derecede yüksek çekme mukavemeti, özellikle de iyi süneklik gösteren çelikler anlaşılır. Bu malzemelerin söz konusu kullanma sıcaklıklarında belirli minimum bir çentik sünekliğine sahip olması gerekir Uygulama amaçları Soğuğa dayanıklı dökme çelik, kutup şartlarında (çok düşük soğuklarda) kullanılan taşıtlarda, ayrıca 70 C civarındaki stratosfer sıcaklıklarına düşen şartlarda uçan uçaklarda kullanılır. Bununla beraber ana uygulama yeri, son yıllarda, çok önemli bir iktisadi alan olarak gelişmiş bulunan endüstriyel soğutma tekniğidir. Yeni çelik imalatı metotlarındaki yüksek oksijen sarfiyatı, oksijen istihsalini çok miktarda arttırmıştır. Petro - Kimya sanayinde organik ürünlerin ayrılması, dondurma yolu ile yapılmaktadır. Bunların içinde bilhassa plastiklerin ana başlangıç maddesini teşkil eden «Etilen» in istihsal ve fraksiyonu önemlidir. Yüksek soğutma tekniğinde metanın sıvılaştırılması, yeni bir kullanma alanı ortaya çıkarmıştır. Buralarda dökme çelik esas olarak soğuğa dayanıklı armatürlerde kullanılır. Soğuğa dayanıklı çelikten, kullanma sıcaklığında genel olarak en aşağı K kg/cm 2 (DVM - Deneu) lik çentik - darbe mukavemeti aranır. Bu ise malzemenin, dik düşüş bölgesinin, yani sünek şekil değişimi kırılmasından ani kırılmaya geçiş bölgesinin üstünde olması gerektiğini gösterir.düşen sıcaklıkla birlikte çentik - darbe mukavemetinin sıçrama şeklinde düşmesi, fiziksel olarak şu şekilde açıklanabilir: Malzemelerin plastisitelerinin, bilhassa alçak sıcaklıklarda kristal kafesinin tipine bağlı olduğu gorülür. Kübik yüzey merkezli (γ - demiri) ve hegzagonal (magnezyum) metaller, + 4 K de (-269 C) plastik Şekil değiştirebilirler. Kübik hacim merkezli metaller ise (α - demiri), genellikle daha sıvı azotun sıcaklığında ani olarak kırılırlar. Bu olayın nedeni, kübik yüzey merkezli ve hegzagonal metaller içinde ergiyen yabancı maddeler kafes yapısı içinde kayma olayına kübik hacim merkezli metallerde olduğundan daha az engel olabilmeleridir. Metallerin plastisitelerinin azalan sıcaklıkla düşmesi ise şöyle açıklanabilir: Kayma sırasında bir atomun yer değiştirmesi veya bir dislokasyonun gezinebilmesi için belli bir aktifleştirici enerjiye 108

16 ihtiyaç vardır. Bu enerji atomların ısıl hareketlerinden veya bir diş etki olan kayma gerilmesinden doğabilir. Azalan sıcaklıkla birlikte, atomun kayma gerilmesine bağlı olarak en yakın ilk kayma yönünde yer değiştirme ihtimali azalır;yani kayma için gerekli kesme gerilmesi yükselir ve alçak sıcaklıklarda malzemenin çekme mukavemeti durumuna geçer ve şekil değişimsiz bir kırılma oluşur Kimyasal bileşim Soğuğa dayanıklı dökme çelik olarak 3 malzeme cinsi söz konusu olabilir (1). 1. Alaşımsız, ferritik - perlitik yapıdaki dökme çelik. Çekme mukaveti : Kg/mm 2. Kullanma alanı : - 40 C kadar. 2. Tamamen iyileştirilmiş yapıda dökme çelik (örnegin: Krom -Molibden veya Nikel alaşımlı dökme çelik). Çekme mukavemeti : Kg/cm 2. Kullanma alanı : -120 C kadar. 3. Ostenitik dökme çelik (eriyik halde tavlanmış ve su verilmiş). Çentik mukavemeti : 6-12 Kgm/cm 2. Kullanma alanı : -196 C kadar. Alaşımsız ve alçak alaşımlı dökme çeliklerde, Fosfor ve Azot miktarı mümkün olduğu kadar az olmalıdır. Çünkü her iki elemanın da ısıl işlem sırasında darbeye karşı kırılganlık üzerine etkisi fazladır. Çentik menevişlenme kırılganlığına, karbon miktarı da etki eder. Bu mukavemet artan perlit ile birlikte tavlanmış durumda da iyileştirilmiş durumda da düşer. Bu nedenle karbon miktarı % 0,30 aşmamalıdır. Soğuğa dayanıklı çeliğin ergimesine özel dikkat gösterilmelidir. Alçak sıcaklıklarda iyi bir süneklik için malzeme saf olmalıdır. Ametalik yabancı malzemeler bulunmamalıdır. İlave metal itina ile seçilmeli ve dezoksidasyona çok dikkat etmelidir Isıl işlem Isıl işlem, her an kontrol altında olmalıdır. Kalın kesitlerin de tamamen sertleşmesine dikkat etmelidir; bu nedenle sıvı ile iyileştirme, hava ile iyileştirmeye tercih edilmelidir. Alaşımsız çeliklerde tam anlamıyla boydan boya bir iyileşme ancak ince parçalarda elde edilebilir. (Şekil 20.2) den ısıl işlemin, alaşımsız GS - CK 16 dökme çeliğinde alçak sıcaklıklardaki dik düşünün ötelenmesi üzerindeki etkileri görülüyor. Temper gevrekliği engellemelidir. Buna eğilim gösteren dökme çelik cinsleri temperleme işleminden sonra su içinde soğutulmalıdır. Şekil (20.3) menevişlenmiş bir çeliğin çentik darbe mukavemetinin dik düşüşünün Konumuna soğuma hızının etkisi görülüyor Temperleme işleminden sonra su ile soğutma, dik düşüşü alçak sıcaklıklara doğru öteler. Bu öteleme 660 C/h lık yavaş bir fırın soğumasına 100 C dan daha fazla bir şekilde soğuk bölgelere doğrudur. Temperleme sıcaklığı mümkün olduğu kadar yüksek seçilmelidir. Çünkü yalnız yüksek sıcaklıklardaki temperleme işleminde elde edilmiş iyileştirilmiş yapı soğukta da sünektir (Şekil 7.13). 109

17 Şekil İyileştirilmiş dökme çeliğin düşük sıcaklıklarda ki sünekliğine, iyileştirme mukavemetinin etkisi 7. Çentik - darbe deney parçasının sekli, yani sivri çentik veya yuvarlak çentik olması kafi, dik düşüşün gidişine büyük etki yapar. Yuvarlatma ne kadar büyükse, artan soğuklukla çentik - darbe mukavemeti de o kadar yavaş düşer. Sıcaklığın çok düşük olduğu makine kısımlarında kesitler birbirine yan çaplarla geçmeli ve yüzeyler hassas işlenmiş olmalıdır