METALLERİN ISIL İŞLEMİ

Transkript

1 METALLERİN ISIL İŞLEMİ 1. Tavlama 2. Çelikte Martenzit Oluşumu 3. Çökelme Sertleşmesi 4. Yüzey Sertleştirme 5. Isıl İşlem Yöntemleri ve Donanımları Isıl İşlem Malzeme içinde, mekanik özelikleri iyileştirecek yapısal değişiklikler oluşturmak için uygulanan değişik ısıtma ve soğutma işlemleri En yaygın uygulamaları Metaller üzerinedir Benzer işlemlerin uygulandığı malzemeler Cam-seramik Temperlenmiş cam Toz metaller ve seramikler 1

2 İmalatta Isıl İşlem Metal parçalara, imalat sırasında değişik zamanlarda ısıl işlemler uygulanır Bir metali şekillendirmeden önce yumuşatmak için Şekillendirme sırasında oluşan pekleşmeleri gidermek için İmalat sırasının sonlarına doğru metalin dayanımını arttırmak ve sertleştirmek için Temel Isıl İşlemler Tavlama Çelikte martenzit oluşumu Martenzitin temperlenmesi Çökelme sertleşmesi Yüzey sertleştirme 2

3 Tavlama Metali uygun bir sıcaklığa ısıtma ve belirli bir süre o sıcaklıkta tutma, ardından yavaşça soğutma Tavlamanın nedenleri: Sertlik ve gevrekliği azaltma İstenen mekanik özellikleri elde etmek için mikroyapıyı değiştirme Talaş kaldırabilirliği ve şekillendirilebilirliği iyileştirmek için metalleri yumuşatma Soğuk şekil verilmiş metalleri yeniden kristalleştirme Şekillendirmenin neden olduğu artık gerilmeleri azaltma Çeliğin Tavlanması Tam tavlama alaşımı ostenit bölgesine kadar ısıtıp tutma ve ardından kaba perlit oluşturmak üzere yavaşça soğutma Genellikle düşük ve orta karbonlu çeliklere uygulanır Normalizasyon tam tavlamadakine benzeryen ısıtma ve tutma çevrimi, ancak daha yüksek soğutma hızlarıyla soğutma, İnce perlit, yüksek dayanım ve sertlik ancak düşük süneklik oluşturur 3

4 Soğuk Sertleşmenin (Pekleşmenin) Azaltılması İçin Tavlama Soğuk şekillendirilmiş parçalar, genellikle pekleşmiş (soğuk sertleşmiş) metalin kısmen veya tamamen yeniden kristalleşmesine izin vererek pekleşmeyi azaltmak ve sünekliğini arttırmak için tavlanır Eğer tavlama, parçanın daha fazla soğuk şekillendirilmesini sağlamak amacıyla yapılıyorsa proses tavlama olarak adlandırılır İlave şekillendirme yapılmayacaksa, bu durumda sadece tavlama denilir Gerilme Giderme İçin Tavlama Tavlama işlemleri bazen sadece eritme kaynağının veya önceki şekillendirme işlemlerinin neden olduğu artık gerilmeleri gidermek için uygulanır Gerilme giderme tavlaması olarak adlandırılır Yapılmaması durumunda gerilme içerecek olan parçada oluşabilecek distorsiyonların ve boyutsal bozulmaların azaltılmasına yardımcı olur 4

5 Çelikte Martenzit Oluşumu Demir-karbon faz diyagramı, demir ve demir karbür ün denge koşulları altındaki fazlarını gösterir Yüksek sıcaklıktan soğutmanın, ostenitin ferrit ve sementit (Fe 3 C) karışımına dönüşmesine izin verecek derecede yavaş olduğu kabul edilir Ancak hızlı soğuma durumunda, denge engellenir ve ostenit, martenzit denilen sert ve gevrek bir denge dışı faza dönüşür Demir-Karbon Faz Diyagramı 5

6 Zaman-Sıcaklık-Dönüşüm (ZSD) Diyagramı (TTT:Time-Temperature- Transformation) Yaklaşık % 0,80 C içeren çelik için ostenitin zaman ve sıcaklığın fonksiyonu olarak diğer fazlara dönüşümünü gösteren TTT diyagramı. Gösterilen soğuma yörüngesi martenzit oluşturur. Martenzit Bileşimi, kendisini oluşturan ostenitinkiyle aynı olan bir demir-karbon çözeltisi içereren özgün bir faz Yüzey Merkezli Kübik (YMK) ostenit yapısı, Hacim Merkezli Tetragonal (HMT) martenzit e dönüşür Bu son derece sert martenzit, HMK içinde sıkışan karbon atomlarının kafeste çarpılma oluşturmasının ve dolayısıyla kaymayı engellemesinin sonucudur 6

7 Basit Karbonlu Çeliğin Sertliği Basit karbonlu çeliğin sertliğinin martenzit ve perlitteki (tavlanmış haldeki) karbon içeriğiyle değişimi Çeliklerde Tipik Isıl İşlem Çeliklerde tipik ısıl işlem: ostenitleştirme, su verme ve temperleme 7

8 Martenzit Oluşturma Isıl İşlemi İki adımdan oluşur: 1. Ostenitleştirme çeliğin, tamamen veya kısmen ostenit e dönüştürmeye yeterli uzunlukta bir süre gerekli seviyede yüksek sıcaklığa ısıtılması 2. Su verme ostenit in ZSD diyagramının burun bölgesini kesmesinden kaçınacak derecede hızlı soğutulması ZSD Diyagramı 8

9 Su Verme Ortamları ve Soğutma Hızları Su verme hızını etkilemek için farklı su verme ortamları kullanılmaktadır Tuzlu su (genellikle karıştırılan) (en yüksek su verme hızı) Hareketsiz tatlı su Hareketsiz yağ Hava (en düşük su verme hızı) Soğutma ne kadar hızlı olursa üründe iç gerilmeler, distorsiyon ve çatlaklar oluşma eğilimi de o derece yüksek olur Martenzitin Temperlenmesi Gevrekliğini azaltmak, tokluğunu arttırmak ve gerilmelerini gidermek amacıyla martenzite uygulanan bir ısıl işlem İşlem, ısıtma, ötektoid noktasının altında bir saat süreyle tutma ve ardından yavaş soğutmadan oluşur Kristal yapıyı yavaşça HMT den HMK ya dönüştürerek, demir-karbon çözeltisi olan martenzitten çok ince karbür parçacıklarının çökelmesine neden olur Yeni yapı temperlenmiş martenzit olarak adlandırılır 9

10 Sertleşebilirlik Bir çeliğin martenzite dönüştürülerek izafi sertleştirilebilme kapasitesi Çeliğin sertleştirildiği, su verilen yüzeyinin altındaki derinliği belirler İyi sertleştirilebilirliğe sahip çelikler, yüzeyin altında daha derine kadar sertleştirilebilir ve yüksek soğutma hızlarına gerek duymazlar Sertleşebilirlik, ulaşılabilecek maksimum sertliği göstermez Sertleşebilirlik Çeliğin sertleşebilirliği alaşımlama ile artar En büyük etkiye sahip alaşım elementleri krom, manganez ve molibden dir Bu alaşım elementlerinin etki mekanizması, ostenitten perlite dönüşüm başlamadan önceki süreyi uzatmaları şeklindedir Geçerli TTT diyagramı, daha yavaş su verme hızlarına izin verecek şekilde sağa doğru ötelenir 10

11 Sertleşebilirliğin Tayini İçin Alından Su Verme (Jominy) Deneyi Jominy alından su verme deneyi: (a) deney numunesinin alın kısmından su vermeyi gösteren deney tesisatı; ve (b) su verilen uçtan uzaklığın fonksiyonu olarak tipik bir sertlik okuma örneği Çökelme Sertleştirmesi Dislokasyonların hareketini engelleyen ve dolayısıyla metali sertleştirerek dayanımını arttıran ince parçacıkları çökelten ısıl işlem Alüminyum, bakır, magnezyum, nikel ve diğer demir dışı metallerin alaşımlarının dayanımının arttırılması için temel ısıl işlem Ayrıca geleneksel ısıl işlemle martenzit oluşturulamayan bazı çelik alaşımlarının dayanımının arttırılması için de kullanılmaktadır 11

12 Çökelme Sertleştirmesinin Koşulları Bir alaşım sisteminin çökelme sertleştirmesiyle dayanımının arttırılıp arttırılamayacağı için gerekli koşul, faz diyagramındaki eğimli solvus çizgisidir Çökelme sertleştirilmesi uygulanabilen bu sistemdeki bir bileşim, oda sıcaklığında iki denge fazını içeren ancak ikinci fazı çözen bir sıcaklığa ısıtılabilen bir alaşımdır Çökelme Sertleştirmesi Çökelme sertleştirmesi: (a) çökelme sertleştirmesi uygulanabilen A ve B metallerini içeren bir alaşım sisteminin faz diyagramı; ve (b) ısıl işlem: (1) çözme tavı, (2) su verme, ve (3) çökelme ısıl işlemi 12

13 Çökelme Sertleştirmesindeki Aşamalar 1. Çözme tavı alaşım, solvus çizgisinin üzerinde alfa fazı bölgesindeki bir T s sıcaklığına ısıtılır ve beta fazını çözmeye yeterli bir süre tutulur 2. Su verme oda sıcaklığında aşırı doymuş bir katı çözelti oluşturmak için oda sıcaklığına soğutulur 3. Çökeltme işlemi alaşım, çökelmiş ince beta fazı parçacıkları oluşturmak için T s nin altında bir T p sıcaklığına ısıtılır Çökelme Sertleştirmesi Çökeltme sertleştirmesi işlemi (yaşlandırma) sırasında zaman ve sıcaklığın etkisi: (a) yüksek çökeltme sıcaklığı; ve (b) düşük çökeltme sıcaklığı 13

14 Yüzey Sertleştirme Parça yüzeyinin bileşiminin değişik elementler ekleyerek değiştirildiği, çeliklere uygulanan termokimyasal işlemler Daha çok kabuk sertleştirme (case hardening) olarak adlandırılır En yaygın işlemler karbürleme, nitrürleme ve karbonitrürleme dir Genellikle, iç kısmını tok olarak bırakmak ancak dışında sert ve aşınmaya dayanıklı bir kabuk oluşturmak için düşük karbonlu çeliklere uygulanır Karbürleme Düşük karbonlu çeliğin bir kısmının, yüzeyden içeriye C difüzyonu oluşması için karbonca zengin bir ortamda ısıtılması Uygulanan yüzey, düşük C lu iç kısma göre daha yüksek sertlik kapasitesine sahip yüksek karbonlu bir çeliğe dönüştürülür Karbürleme ve ardından su verme, yaklaşık HRC=60 olan bir yüzey sertleştirme oluşturur İç bölgeler düşük sertleşebilirliğe sahip düşük C lu çeliktir; böylece su vermeden etkilenmez ve nispeten tok ve sünek kalır En yaygın yüzey sertleştirme işlemi 14

15 Nitrürleme Su vermeden ince bir sert yüzey tabakası oluşturmak için azotun (nitrojenin) özel alaşımlı çeliklerin yüzeyine yayındığı işlem Yaklaşık 500 C de gerçekleştirilir En yüksek seviyede etkili olabilmesi için, çeliğin sertleştirilecek yüzeyinde çok ince parçacıklar olarak çökelmiş azot bileşikleri oluşturmak için alüminyum veya krom gibi alaşım elementleri içermesi gerekir HRC 70 ye kadar sertlikler Kromlama Sertleştirme işlemlerine göre daha yüksek sıcaklıklar ve daha uzun süreler gerekir Genellikle düşük karbonlu çeliklere uygulanır Sert yüzey tabakası sadece sert ve aşınmaya dayanıklı değil, aynı zamanda sıcağa ve korozyona da dirençli olur 15

16 Isıl İşlem Fırınları Yakıt yakılan fırınlar Normal olarak doğrudan yakılan parça doğrudan yanma ürünlerine maruz bırakılır Yakıtlar: atomize olabilen doğalgaz veya propan ve fuel oil ler Elektrikli fırınlar Isıtma için elektrik direnci Daha temiz, daha sessiz ve daha üniform ısıtma Satın alması ve işletmesi daha pahalı Parti Fırınları veya Sürekli Fırınlar Parti fırınları Isıtma sistemi yükleme ve boşaltma için bir kaısı olan, izole bir hacimdir Partiler halinde üretim Sürekli fırınlar Genellikle daha yüksek üretim hızları Parçanın fırın boyunca transport mekanizması, döner tablalardan ve düz giden konveyörlerden oluşur 16

17 Diğer Fırın Türleri Atmosfer kontrollü fırınlar Aşırı oksitlenme veya dekarbürizasyon dan kaçınmak için geleneksel ısıl işlemde tercih edilir Parça yüzeyine difüzyon için C ve/vaya N ce zengin ortamlar içerir Vakumlu fırınlar Parçaları ısıtmak için radyant enerji kullanılır Sakıncaları: vakum uygulamak için her çevrimde zamana ihtiyaç vardır Belirli Yüzey Sertleştirme Yöntemleri Bu yöntemler sadece parça yüzeyini veya parça yüzeyindeki yerel bölgeleri ısıtır Yüzey sertleştirme yöntemlerinden, kimyasal değişim oluşturmama bakımından ayrılırlar Bu yöntemle arasında: Alevle sertleştirme Endüksiyonla sertleştirme Yüksek frekanslı dirençle sertleştirme Elektron ışınıyla sertleştirme Lazer ışınıyla sertleştirme bulunur 17

18 Alevle Sertleştirme Parça yüzeyini bir veya birkaç üfleçle ısıtma ve ardından hızlı su verme Karbon ve alaşımlı çeliklere, takım çeliklerine ve dökme demirlere uygulanmaktadır Kullanılan yanıcı gazlar arasında asetilen (C 2 H 2 ), propan (C 3 H 8 ) ve diğer gazlar bulunur Fırınların boyut kapasitesini aşan büyük dişliler gibi büyük parçaların yanı sıra yüksek üretimlerde de kullanılabilir Endüksiyonla Sertleştirme Bir endüksiyon sarımı tarafından sağlanan elektromanyetik olarak endüklenmiş enerjinin, elektrik iletkenliğine sahip bir parçaya uygulanması Sert ve yumuşak lehimleme, yapıştırıcı sertleştirme ve değişik ısıl işlemler için geniş çapta kullanılmaktadır Çelik sertleştirme işlemleri için kullanılacağı zaman, ısıtmadan sonra su verilmesi gerekir Çevrim süresi kısa olup prosesin kendisi yüksek üretim sağlar 18

19 Endüksiyonla Isıtma Tipik endüksiyon ısıtma tesisatı. Bir sarımdaki yüksek frekanslı alternatif akım parça içinde ısıtma etkisi oluşturmak için akım endükler. Yüksek Frekanslı (HF) Dirençle Isıtma Yüksek frekansta (çoğu kez 400 khz) yerel direnç ısısı uygulayarak çelik parçanın yüzeyinin belirli bölgelerinin sertleştirilmesinde kullanılır Kontaklar, parçanın yüzeyinin dış kenarlarına yerleştirilir HF akım uygulandığında, iletkenin altındaki bölge, hızla yüksek sıcaklığa ısıtılır ostenit alanına ısıtma çoğu kez bir saniyeden daha kısa sürer Akım kesildiğinde mevcut ısı, bölgeyi çevreleyen metale iletilerek su verilmiş hale gelir 19

20 Yüksek-frekanslı Dirençle Isıtma Tipik bir yüksek frekanslı dirençle ısıtma tesisatı Elektron Işınıyla (EB) Isıtma Hızlı bir ısıtma oluşturacak şekilde, elektron ışınının küçük bölgelerin üzerine odaklanması Çeliğin yerel yüzey sertleşmesini sağlar ostenitleşme sıcaklıklarına bir saniyeden daha kısa sürede ulaşılmasını sağlayabilecek şekilde parçanın küçük bir bölgesindeki yüksek enerji yoğunluğu Işın uzaklaştırıldığında, çevredeki metale ısı transferi yoluyla, ısıtılan bölgeye hemen su verilmiş ve sertleştirilmiş olur Zayıflıkları: en iyi sonuçlara bir vakum ortamında ulaşılır 20

21 Lazer Işınıyla (LB) Isıtma Küçük bir bölge üzerine odaklanmış yüksek yoğunluklu koheran ışık - ışın genellikle parça yüzeyinde belirlenmiş bir yörünge boyunca hareket eder Laser light amplification by stimulated emission of radiation ifadesinin baş harflerinden oluşan kısaltma Işın uzaklaştırıldığında, bölge çevreleyen metale ısı transferi yoluyla bölgeye hemen su verilmiş olur LB nin EB ye göre üstünlüğü, lazer ışınının vakuma ihtiyaç duymamasıdır 21