Isıl işlem: Metal veya alaşımlara amaca uygun özellikler kazandırmak için yapılan kontrollü ısıtma ve soğutma işlemleridir.

Transkript

1 ISIL İŞLEM Isıl işlem: Metal veya alaşımlara amaca uygun özellikler kazandırmak için yapılan kontrollü ısıtma ve soğutma işlemleridir. Isıl işlem; uygulamada, ısıtma, belli bir süre bekleme ve amaca uygun olarak soğutma gibi ardışık işlemlerden meydana gelir. Örnekler: a) Ön ısıtma: Yüzey ve merkez sıcaklıkları arasındaki farkı azaltmak için farklı sıcaklıklarda ön ısıtma veya çok düşük bir hızla ısıtma yapılabilir. Aksi halde, özellikle büyük parçalarda, iç-dış sıcaklık farkı nedeniyle büyük ısıl gerilmelerin tesiriyle çarpılma olur. b) Sürekli soğutma: Isıtma ortamından sonra belirli bir ortamda soğutma. c) Kademeli soğutma: Farklı soğutma hızına sahip ortamlarda peş peşe soğutma. d) Kesintili soğutma: Önce sürekli soğutma, burada belli bir süre bekleme, başka bir ortamda soğutma işlemine devam. e) İzotermal soğutma: Belli sıcaklıktaki tuz banyosuna önce sürekli soğutma, burada dönüşüm tamamlanana dek bekleme. f) Derin soğutma: Sıfır derecenin altındaki sıcaklıklara soğutma. 1

2 a) Ön ısıtma b) Sürekli soğutma c) Kademeli soğutma d) Kesintili soğutma e) İzotermal soğutma f) Derin soğutma T ( C) d f b e a c 0 t (zaman) 2

3 Isıl işlemle sağlanabilecek bazı kazanımlar Herhangi bir yöntemle sertleştirilmiş yapı yumuşatılıp, malzemede işlenebilirlik arttırılır. Ötektik ya da ötektoid yapıdaki intermetalik bağlantılar, lamelli halden küresel hale dönüştürülebilir. Tane sınırlarında bulunan intermetalik bağlantılar parçalanır ve küresel forma dönüştürülebilir. Özellikle yüksek karbonlu çeliklerde bu işlem malzemenin plastik şekil değişim kabiliyetini artırmaktadır. Soğuk şekillendirmede uzamış taneler, daha küçük ve küresel forma dönüştürülerek, malzemeye yeniden soğuk şekillenebilirlik özelliği kazanır. Dökümden sonraki katılaşmada, tane sınırları arasındaki arıtılamayan elemanlardan çözülebilenleri, tane içerisinde homojen olarak dağıtılabilir. 3

4 Isıl işlemle sağlanabilecek bazı kazanımlar Talaşlı şekillendirmeyi kolaylaştırmak amacı ile tane kabalaşması sağlanabilir. Katı halde dönüşüm meydana getirebilen alaşımlarda, normal dönüşmenin engellenmesi ve özelikleri tamamen farklı yeni yapının oluşturulmasıyla sertliğinin önemli ölçüde artması sağlanabilir. Aşırı doymuş karışık kristalli yapılarda, çökelme sertleşmesi uygulanabilir. Difüzyon yoluyla, malzeme yüzeyinde sertlik artışı sağlanabilir. Soğuk veya sıcak şekillendirme ya da ısıl işlem sonucu oluşmuş kalıcı gerilmeler giderilebilir. Bu özellikler çoğu metal ve alaşımlara kısmen de olsa kazandırılabilir. ÇELİKlerde ise hemen hemen tamamı elde edilebilir. Çeliklerin tüm metal ve alaşımlar içindeki kullanımı yaklaşık %80 lerdedir. Bu nedenle bu ders kapsamında çeliklerin ısıl işlemi üzerinde durulacaktır. 4

5 Metaller Seramikler Polimerler Yoğunluk ( ): Yüksek Düşük Çok Düşük Ergime Sıcaklığı ( C): Orta Yüksek Düşük Dayanım ( ): Orta-Yüksek Yüksek Çok Düşük Elastisite Modülü (E): Orta-Yüksek Çok Yüksek Çok Düşük Süneklik ( ): Yüksek Çok Düşük Çok Yüksek Reaktiflik (Kimyasal kararlılık): Düşük Çok Yüksek Çok Düşük 5

6 Demir-Karbon Alaşımları %2 Çelikler Dökme demirler Sade karbonlu çelikler Düşük alaşımlı çelikler Yüksek alaşımlı çelikler Kır dökme demir Küresel dökme demir Beyaz dökme demir Dövülebilir dökme demir 6

7 Demir esaslı alaşımlar Çelikler Sade C lu çelikler Otomat Çelikleri Alaşımlı Çelikler Takım Çelikleri Paslanmaz Çelikler Mukavemet Çelikleri Yüksek Mukavemet Düşük Alaşım (HSLA) Çelikleri Dökme Demirler Gri (Kır) Dökme Demir %2.5-4 C, %1-3 Si içerir. Kolay işlenir. Kırılgan. Yapıdaki fazla karbon; demir karbür yerine lamelli grafit halinde bulunur. Beyaz Dökme Demir Gri DD in çok hızlı soğutulmasıyla üretilir. Bu yüzden grafit oluşmaz. Çok sert, kırılgan ve aşınma direnci yüksek. Resimde beyaz alanlar sementit. Temper Dökme Demir Grafit, düzensiz yumrular halindedir. İşlenebilirlik iyi. Beyaz DD in dökümden sonra özel yumuşatma tavlamasıyla elde edilir. (Ör: 940 C de boyuta bağlı 3-20h bekle. ~6h te 700 C ye düşür. Havada soğut) Küresel Grafitli Dökme Demir Gri dökme demirin; süneklik ve mukavemeti yüksek özel bir türü. İşenebilirlik iyi. Kupol Ocağından alınan ergiyik içine katılan Mg; S ve O ile tepkimeye girerek, bu elementlerin küresel grafit oluşumunu engellemelerini önlemektedir. 7

8 Karbon miktarına göre çelikler Düşük karbonlu çelik: C < % 0.3 (Yapı çeliği. Ör: inşaat demiri) Orta karbonlu çelik: % 0.3 < C < % 0.65 (Makine yapım çeliği) Yüksek karbonlu çelik: C > % 0.65 (Takım çeliği) 8

9 Sade Karbonlu Çelikler(1XXX serisi) (Plain carbon steels) % 1.65 Mn Sade karbonlu çelikler max. (10XX serisi; Örnek: 1040) % 0.60 Si % 0.60 Cu içerir. Bu elementleri belirtilen miktarlardan daha az bulunduran çelikler, alaşımlı çelik sınıfına girmez. Sertleşebilirlikleri düşüktür. Yani büyük bir kesitin tamamında sertleştirilemezler. Oksitlenme ve korozyon dirençleri düşük, düşük sıcaklıklarda kırılgandırlar. S ve P kırılganlığa neden olduğundan çelikte istenmeyen elementtir. Ancak sade karbonlu çeliklerde de bir miktar bu elementler mevcuttur. 9

10 Sade Karbonlu Çeliklerin Mekanik Özellikleri 10

11 Alaşım Elementlerine Göre Genel Çelik Kodları (SAE) Çelik türü Çelik Kodu (SAE) Ana Alaşım Elementi KARBON ÇELİKLERİ 10XX --- Karbon çeliği Mangan çeliği 2XXX, Nikel çeliği 3XXX, Ni-Cr çeliği 4XXX, Mo çeliği 5XXX, Cr çeliği 11XX 12XX 15XX 13XX 14XX 23XX 25XX 31XX 32XX 33XX 40XX 41XX 43XX 46XX 48XX 50XX 51XX 52XX 51XXX Kükürt Fosfor Silisyum ALAŞIMLI ÇELİKLER %1.75 Mn Yüksek Mn %3.5 Ni % 5 Ni 6XXX, Cr-V çeliği 61XX %1 Cr 7XXX, Tungsten çeliği 7XXX W %1.25Ni+%0.6 Cr %1.75 Ni+%1.0 Cr %3.5 Ni+%1.5 Cr % Mo % Mo+ %1 Cr % Mo+ + %1 Cr+%1.75 Ni % Mo+ %1.75 Ni % Mo+ %3.5 Ni %0.4 Cr %0.8 Cr Yüksek Cr Korozyon ve ısı direnci 8XXX, Cr-Ni-Mo çeliği 86XX %0.55Ni+%0.50Cr+%0.2Mo 9XXX, Si-Mn çeliği 92XX %2 Si 11

12 Bazı Çeliklerin (ve dökme demirler) Kodları (DIN) 34 12

13 Kod Çözümleme SAE (Society of Automotive Engineers) Kodlarının Çözümü DIN Kodlarının Çözümü: 9S20 100Cr6 X 5 CrNi Yüksek alaşımlı çelik C=9/100=%0.09 S=20/100=%0.2 C=100/100=%1 Cr=6/4=%1.5 C=5/100=%0.05 Cr=%18; Ni=%10 Alaşım elementi ÇARPAN Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4 Al, Pb, Cu, Mo, Nb, Ta, Ti, V, Zr 10 C, P, S, N 100 B

14 Bazı çeliklerin DIN Kodları ve Kompozisyonları (Kod çözümü) Malzeme no DIN Kodu Kompozisyon Malzeme no DIN Kodu Kompozisyon Elementler fazladan aza doğru sıralı!!! 14

15 Otomat Çelikleri (11XX ve 12XX serisi) (Free machining steels) Otomat çelikleri Kükürt ilaveli (resulfirized), %0.35 S. (11XX serisi) Alaşımsız çelik sınıfında değerlendirilirler. Çok iyi işlenebilirliğe, ancak düşük mukavemete sahiptirler. Hızlı üretim için avantaj sağlarlar. Kükürt ve fosfor ilaveli (resulfirized+rephosphorized), (12XX serisi) %0.12 P Pb, S, S-P, Se, Te (Tellur) ve Bi elementlerinin sade karbonlu çeliklere ilavesiyle elde edilir. (Ucuz olduğundan, ilk üç ilave yaygın) Bu elementlerin ilavesiyle oluşan MnS ve FeS gibi sülfürler kesici takım uçlarında yağlayıcı gibi rol oynar. Tezgahın işleme hızına uygun yüksek kalem ömrü sağlar. Düşük kesme kuvvetleri nedeniyle yüzey kalitesi iyidir. 15

16 Otomat Çelikleri(11XX ve 12XX serisi) KARŞILAŞTIRMA TABLOSU / TABLE OF EQUIVALENT GRADES Kalite Malzeme No. Avrupa (EN) AMERİKA (SAE) İtalya (UNI) İngiltere(BS) Fransa(AFNOR) Japonya(JIS) Quality Material No. Europa USA İtaly Great Britain France Japan ISIL İŞLEM UYGULANMAYANLAR/ STEELS NOT INTENDED FOR HEAT TREATMENT 9 SMn SMn SMn M 07 S 520 SUM 22 9 SMn Pb SMnPb L 13 9 SMnPb M07LEADE D S 250 Pb SUM 23 9 SMn SMn SMn M07 S 300 SUM 25 9 SMnPb SMnPb L 14 9 SMnPb 36 S 300 Pb SUM 24 SEMENTASYON İŞLEMİ UYGULANANLAR / CASE HARDENING STEELS 10 S S M MF4 10 SPb SPb L SPb 13 MF4+Pb ISLAH İŞLEMİ UYGULANANLAR / QUENCHED AND TEMPERED STEELS 35 S S M MF 6 35 SMnPb SMnPb L SMnPb M MF 6 Pb 45 S S S

17 Otomat Çelikleri KİMYASAL ANALİZLER ÇELİK KİMYASAL BİLEŞİM (% Ağırlık) Kısa işaretli Malzeme No. C Si Mn P S Pb ISIL İŞLEM UYGULANMAYANLAR / STEELS NOT INTENDED FOR HEAT TREATMENT 9 S Mn S Mn Pb S Mn S Mn Pb SEMENTASYON İŞLEMİ UYGULANANLAR / CASE HARDENING STEELS 10 S S Pb ISLAH İŞLEM UYGULANANLAR / QUENCHED AND TEMPERED STEELS 35 S S S

18 Alaşımlı Çelikler Alaşımlı çelikleri Islah Çeliği (Quenched+tempered steels) (Bütün kesitte sertleşebilen-through hardenable) % C Sementasyon çeliği (Carburizing steels) % C Alaşım elementlerinin miktarı genellikle %5 ten az. Dayanımları, sade karbonlu çelikten daha fazla. Yaygın alaşım elementleri: Cr, Mn, Ni, Mo ve W. Bunların dışında: V, Co, B, Cu, Al, Pb, Ti vb. Bu çelikler ısıl işlem için çok uygun. Nitrürleme çeliği (Nitriding steels) % C+Al, Cr, Ti 18

19 Alaşım Elementlerinin Çeliğe Etkisi 19

20 Islah Çelikleri ISLAH İŞLEMİ: SERTLEŞTİRME + MENEVİŞLEME ISLAH ÇELİĞİ: Kimyasal bileşimleri özellikle karbon miktarı bakımından, sertleştirilmeye elverişli olan ve ıslah işlemi sonunda belirli bir çekme dayanımında yüksek tokluk özelliğine sahip, alaşımsız ve alaşımlı imalat çeliği. Alaşımsız ıslah çelikleri Islah çelikleri Mangan alaşımlı ıslah çelikleri Krom alaşımlı ıslah çelikleri Krom-molibden alaşımlı ıslah çelikleri UYGULAMA ALANLARI: Islah çelikleri inşaat ve alaşımsız çeliklerden sonra, en yüksek oranda üretilen ve kullanılan çelik türleridir. Çeşitli makine ve motor parçaları, dövme parçalar, çeşitli cıvata, somun ve saplamalar, krank milleri, akslar, kumanda ve tahrik parçaları, piston kolları, çeşitli miller, dişliler vb. 20

21 Islah Çelikleri KARŞILAŞTIRMA TABLOSU Kısa İşareti (DIN) Malzeme No. SAE/AISI C Ck C Cm Ck C Cm Ck C Cm Ck C Cm Ck Mn KARŞILAŞTIRMA TABLOSU Kısa İşaretli Malzeme No. 37 CrS SAE/AISI 41 Cr CrS CrMo CrMo CrMoS CrMo CrMoS CrMo CrMo CrNiMo Mn CrNiMo Cr CrNiMo Cr CrV Cr CrMoV

22 Sementasyon Çelikleri Yüzeyde sert ve aşınmaya dayanıklı, çekirdekte ise yumuşak ve tok özelliklerin istendiği, değişken ve darbeli zorlanmalara dayanıklı parçaların imalinde kullanılan, düşük karbonlu, alaşımsız veya alaşımlı çeliklerdir. Parçaya bu özelliklerin kazandırılması, çelik yüzeyine karbon emdirilmesi suretiyle olur. UYGULAMA ALANLARI Dişliler, miller, piston pimleri, zincir baklaları, zincir dişlileri ve makaraları, diskler, kılavuz yatakları, merdaneler, bir kısım ölçü ve kontrol aletleri, orta zorlamalı veya zorlamalı parçalar, soğuk şişirilerek veya ekstrüzyon ile şekillendirilen parçalar vb. 22

23 Sementasyon Çelikleri SINIFLANDIRMA TABLOSU Kısa işareti (DIN) Malzeme No. AB (EN) AMERİKA (SAE) C C Ck C10 E 1010 Ck C15 E 1015 Cm MnCr MnCrS MnCrS MnCr MnCrS MnCrS MoCr Cr MoCrS MoCrS4 25MoCr MoCrS NiCr NiCr CrNi CrNi CrNiMo NiCrMo NiCrMo

24 Nitrürleme Çelikleri Nitrürleme yapılacak çelikler Al, Cr, Mo, V gibi nitrür oluşturabilen elementlere sahip olmalıdırlar. Yüzeye emilen azot, malzemede bulunan Al, Cr, Mo ve V ile nitrür oluştururlar. Bu nitrürler çok serttir. İş yüzeyinde bu sert kabuk ~0.5 mm kadardır. Malzeme kodu Kısa İşaret (DIN) Bazı nitrürleme çelikleri C Mn Si Cr Ni Mo S P Others CrMoV V CrAl Al CrAlMo CrAlNi

25 Düşük Alaşımlı Çeliklerin Mekanik Özellikleri 25

26 Takım Çelikleri Takım çelikleri talaşlı veya talaşsız imalatta kullanılan, sıcak veya soğuk haldeki iş parçasını kesme, dövme ve sıkıştırma yöntemlerinden biri veya birkaçı ile biçimlendiren yüksek nitelikli çeliklerdir. Suda sertleşen (Grup W) Water hardening Darbeye dayanıklı (Grup S) Shock resisting Takım Çelikleri Soğuk iş takım çelikleri (Grup A, O, D) Air hardening, Oil hardening, Heavy Duty Sıcak iş takım çelikleri (Grup H) Hot working Yüksek Hız Çeliği (HSS) Mukavemet, sertlik ve aşınma dirençleri çok iyi ve yüksek sıcaklıkta bozulmaya karşı dayanıklıdırlar. Alaşım elementleri toplamı, genellikle 5 ten fazladır. Genellikle yüksek karbonludurlar. 26

27 Paslanmaz Çelikler Fe-Cr alaşımıdır. Cr miktarı %12 den fazladır. Isı direnci istenen uygulamalarda ayrıca Ni (>%8) eklenir. Ferritik paslanmaz çelik Ni içermez. Cr % C<%0.15. En ucuz paslanmaz çelik. Paslanmaz Çelikler Martenzitik paslanmaz çelik %12-17Cr. % C. Su verilerek sertleştirilir. Östenitik paslanmaz çelik Fe-Cr-Ni alaşımı. %16-25 Cr. %7-20 Ni. C<%0.2. Isıya dirençli Uygulamalarda kullanılır. Oda sıcaklığınd a yapı östenit. Çökelmeyle sertleşen paslanmaz çelik Cr>%20. Ni>%20. Yüksek ısı ve korozyon direnci. 27

28 Paslanmaz Çeliklerin Mekanik Özellikleri 28

29 Mukavemet Çelikleri (Steels for strength) Yüksek miktarda alaşım elementi içeren, yüksek mukavemetli çelik. Çökelme (MARAGING) çelikleri: Karbon içermeyen Fe-Ni alaşımı. Ti, Mo, Co gibi diğer bazı elementler içerir. Isıl işlem uygulanabilir ve çökelme ile sertleşir. (Ni 3 Mo, Ni 3 Ti gibi bileşikler çökelir.) Bu yolla çok yüksek (~3000 MPa) mukavemet seviyelerine ulaşılabilir. Tipik bir örnek: 17-19% Ni, 7-9% Co, 4.5-5% Mo ve % Ti. Bu alaşımlar, martenzit dönüşümünden sonra ~500 C de temperlenir. Uygulama alanları: Şiddetli iç basınca ve şok etkilerine dayanıklı, hafif roket motor gövdeleri ve hassas uçak elemanları vb. 29

30 HSLA çelikleri (Yüksek Mukavemet Düşük Alaşım Çelikleri) Mekanik özellikler karbon çeliklerinden %25-30 daha iyi. Atmosferik korozyon direnci de benzer şekilde birkaç kat yüksek. Şekillendirilebilirlik ve kaynak edilebilirlik iyi. C: % %2.0 ye kadar Mn ve küçük miktarlarda Cu, Ni, Ni, N, V, Cr, Mo, Ti, Ca, Zr içerir. Cu, Ti, V ve Ni mukavemet amaçlı ilave edilir. 30