MÜHENDİSLİKTE KULLANILAN MALZEMELER 1. DEMİR VE ÇELİK

Transkript

1 MÜHENDİSLİKTE KULLANILAN MALZEMELER 1. DEMİR VE ÇELİK Dünyada üretilen metallerin % 90'nı demir ve çelikten oluşmaktadır. Bunun büyük bir bölümünü mukavemeti ve işlenebilme özelliği olan, ucuz maliyetli düşük alaşımlı karbon çeliğidir. Aynı zamanda korozyona karşı gerekli önlemler alınarak karbon çeliği en uygun olarak gösterilebilir Dökme demir Dökme demirde karbon oranı % 4 - % 2.5 ve silisyum oranı % 1.5 tir. Mukavemetleri ve sertliklerine göre sınıflandırılmıştır. Dökme demirler beyaz dökme demir, gri dökme demir ve dövme demir olmak üzere üç grupta toplanmıştır Beyaz Dökme Demir Demir içinde bulunan karbon sementit halindedir ( Fe 3 C ). Bu nedenle sert yapıdadır ve düktilite özelliği yoktur Gri Dökme Demir Demir içinde bulunan karbon ince grafit levhaları halinde ferrit ve perlit yapısındadır. Demir içinde bulunan silisyum nedeni ile sıvı halde metalin akıcılığı çok iyidir. Gri dökme demir çok kırılgandır Nodüler ve Dövme Demirler Yüksek karbonludur ve çok iyi düktilite özelliği gösterir. Nodüler demir içinde az miktarda nikel bulunur. Bu nikel çekirdek oluşturarak grafitin plaka biçiminde çökelmesini önler ve birbirinden ayrı topaklar halinde dağılmasını sağlar. Dövme demirde de ısı etkisi ile grafit plaklar bir araya gelerek yumrular oluşturur. Bu tip dövme demirler içinde bulunan grafitin birbirinden ayrı zararsız topaklar halinde dağılması sonucu sanki çelik gibi özellik gösterirler. Ayrıca demir içine % 14 e varan oranlarda Silisyum katılarak korozyona dayanıklılığı yüksek dökme demir elde edilir. Fakat çok sert ve kırılgan olurlar. Yine demir içine % 30 a varan oranlarda Nikel katılarak korozyon ve erozyon özelliği çok yüksek alaşım elde edilebilir Demir ve Çelik Alaşımları Bu alaşımlar en çok kullanılan metal grubunu oluştururlar. Hem fiyatları ucuzdur hem de bir çok üstün özellik taşırlar. Demir içine katılan az miktardaki karbon demire sertlik ve mukavemet kazandırırken, düktilite özelliğini de korur. Bunlar çok kolay üretilen alaşımlardır. Kaynak yapılabilir, tornada işlenebilir ve korozyona karşı dayanıklılığı da oldukça iyidir. Basınçlı kap üretiminde % 0.1 ile % 0.35 Karbon içeren çelik malzeme kullanılır. Çelikler iki ana grup altında toplanabilir. Birinci grupta kimyasal bileşimi göz önüne alınmaksızın yalnızca mukavemet özellikleri yeterlidir. Bu tip çeliklerin çekme, eğilme ve kopma gerilimi değerleri esas alınır. İkinci grupta ise kazan ve ocaklarda ateşe dayanıklı tipte çelikler bulunur.

2 2. DEMİR DIŞI METAL VE ALAŞIMLAR 2.1. Nikel ve Nikel Alaşımları Nikel alkali ortamlar için en uygun metaldir. Yüksek sıcaklık uygulamalarında da paslanmaz çelik veya diğer alaşımlar halinde kullanılır. Nikel kimyasal etkilere karşı da dayanıklıdır. Nikel alaşımlarına genellikle iyi kaynak yapılabilir. Ancak kaynak yapılan nikel alaşımı içinde kurşun ve kükürt bulunmaması gerekir. Çelik üzerine elektroliz yolu ile nikel kaplanarak korozyona dayanıklı bir malzeme elde edilebilir Bakır ve Bakır Alaşımları Bakır ısı ve elektriksel iletkenliği çok yüksek olduğu için ideal bir ısı transfer metalidir. Bakır- Çinko alaşımı pirinç, bakır- kalay alaşımına bronz denir. Bu alaşımlar içine az miktarda silisyum veya berilyum katılarak mekanik özellikleri geliştirilebilir. Berilyum bakır alaşımı 1300 Mpa çekme mukavemeti sağlayabilir. Bu alaşım kıvılcım çıkarmama özelliği nedeni ile patlayıcı maddelerin bulunduğu bölgelerde kullanılır. Silisyum katılmış bronzun mukavemeti oldukça yüksek olup, kolaylıkla kaynak edilebilen iyi bir mühendislik malzemesidir. Bakır alaşımları amin ve amonyak bulunan ortamlarda stres korozyonuna karşı dayanıksızdır Alüminyum ve Alüminyum Alaşımları Alüminyumun korozyona dayanıklılığı yüzeyinde daima mevcut olan oksit filminin yapısına bağlıdır. Alüminyum elektriksel ve ısı iletkenliği yüksek olan bir metaldir. Alaşımlarda kullanılması halinde dayanım / kütle oranını arttırıcı rol oynar yüksek alaşımların dış yüzeyleri saf alüminyum ile ince bir tabaka halinde kaplanarak stres korozyonundan korunabilir. Alüminyumun Mg ve Si ile yapılmış korozyona dayanıklı çok sayıda alaşımı vardır. Alüminyum suya, organik asitlere ve bazı oksitleyici asitlere karşı mükemmel bir dayanım gösterir. Alüminyum ve alaşımları alkali ortamlarda kolayca korozyona uğrar. Ph ın 10 değerini aşması halinde şiddetli korozyon görülür. Bu nedenle alüminyumun katodik koruma yapılması halinde aşırı koruma sonucu ph ın artması çok tehlikeli bir durum ortaya çıkarır Titanyum ve Titanyum Alaşımları Uçak ve kimya endüstrisinde kullanma alanına sahiptir. Aktif metal olmasına rağmen yüzeyinde oluşan aktif filmi sayesinde korozyondan korunur. Hafif ve mekanik dayanım özellikleri mükemmeldir. Titanyum pahalı olmasından dolayı daha uzun ömürlü malzemelerde kullanılması istenir. Titanyum saflık derecesine göre dört ayrı kalitede sınıflandırılmıştır. ( ASTM-B ) Safsızlık arttıkça mukavemet açısından avantaj sağlanırken korozyon dayanımının azaldığı görülür. Titanyum için en önemli sorun bünyesine azot ve oksijen girmesine karşı duyarlı oluşudur. Bu yüksek sıcaklıklarda tehlikeli kırılganlık olaylarına sebep olduğundan inert gaz atmosferinde yapılmalıdır Magnezyum ve Magnezyum Alaşımları Magnezyum yüzeylerin florür, fosfat ve kromat gibi pasifleştirici iyonlarla muamele edilerek sağlam bir kabuk oluşturulması gerekir. Bu şekilde kaplama yapılmış magnezyum alaşımları uçak sanayinde ve otomobillerde kullanılmaktadır. Ancak bunlar klorür iyonu bulunması halinde stres korozyon çatlamasına karşı son derece duyarlı malzemelerdir. Li-Mg alaşımı diğer alaşımlara göre daha kolay işlenebilen ve korozyon özellikleri daha iyi olan bir alaşımdır. Magnezyum ve alaşımları katodik koruma sistemlerinde galvonik anot olarak çok kullanılan bir malzemedir.

3 2.6. Kurşun ve Kurşun Alaşımları Kurşun kimyasal maddelere dayanıklı oluşu nedeniyle uzun zamandan beri özellikle sülfürik asit endüstrisinde çok kullanılan bir metaldir. Fakat kurşunun özgül ağırlığı çok yüksektir. Antimon alaşımı yapılarak mekanik dayanımı arttırılabilir. Kalay, tellür ve kalsiyum ile yapılan kurşun alaşımlarının korozyona dayanıklılığı oldukça iyidir. Kaynak yapılırken kurşun buharların sağlığa zararı nedeni ile iyi havalandırma yapılmalıdır. Kurşun bakıra göre anodik özellikte olduğundan, bakır su kaplarının, kurşun esaslı lehimler ile lehimlenmesi doğru olmaz. Bu durumda gümüş kaynak kullanılmalıdır. 3. METAL OLMAYAN MALZEMELER 3.1. Doğal ve Sentetik Kauçuk Kauçuk, biri doğal diğeri sentetik olmak üzere iki sınıftır. Doğal kauçuk kükürt ile reaksiyona sokularak sertleştirilir. Elastisitesi çok yüksektir. Kimyasal maddelere karşı dayanıklıdır. Fakat petrol ve türevlerine dayanıksızdır. Sentetik kauçuk neopren polimeri olup organik maddelere karşı doğal kauçuktan daha dayanıklıdır. Slastik adı ile anılan silikon kauçuklar, yüksek sıcaklığa dayanıklı malzemelerdir. 260 C sıcaklığa kadar kullanılabilir. Bu özelliği nedeni ile lastik conta ve tıpa yapımında silikon kauçuk malzeme tercih edilir. Bükülebilir hortumlar ve lastik borular sentetik kauçukların diğer bir uygulama alanıdır. Lastik kaplama olarak da kullanılır. 4. PASLANMAZ ÇELİKLER Paslanmaz çelikler krom sayesinde pasifleşme özelliği gösterirler. Eğer paslanmaz çelikte pasif filmi oluşmaz ise bilindiği gibi paslanmaz çelikler esas itibarı ile demir alaşımı olduğuna göre korozyona uğrar. Paslanmaz çelikler metalurjik yapıları göz önüne alınarak şu şekilde incelenir Martensitik Paslanmaz Çelikler % arasında krom ve az miktarda karbon içeren demir karbon alaşımlarıdır. Bunların diğer paslanmaz çeliklerden ayıran yönleri ısıl işlem yapılarak sertleşebilmeleridir. Korozyona dirençleri yumuşak çeliklerden iyi olmasına rağmen ostenitik paslanmaz çeliklere göre azdır. Şiddetli korozif olmayan ortamlarda örneğin tatlı sularda ve atmosfer içinde korozyona karşı dayanıklıdırlar. Ayrıca 650 ye kadar sıcak ortamlara da dayanıklıdırlar Ferritik Paslanmaz Çelikler Ferritik paslanmaz çelikte krom yüzdesi % dur. Krom miktarının yüksek olması korozyona karşı direncinin yüksek olmasını sağlar. Bu tür çelikler normal atmosferik koşullardan ve oksitleyici kimyasal bileşiklerden etkilenmezler. Bu nedenle kimyasal ekipmanlar, depolama tankları ve özellikle mutfak eşyaları yapımından kullanılır. Bu çeliklerde karbon miktarını belli bir limitin altında tutarak kaynak yapılabilme ve soğuk şekillendirme gibi fiziksel özellikleri iyileştirilir Ostenitik Paslanmaz Çelikler Bu tür çelikler demir - krom nikel alaşımlarıdır. 300 serisi ostenitik paslanmaz çeliklerin bileşiminde % krom ve % 7-22 oranında nikel bulunur. Bu tip çelikler kolay şekillendirilebilir, kaynak edebilirler ve korozyona dayanıklıdırlar. Bunlardan en çok kullanılan AISI paslanmaz çeliktir.

4 200 serisi ostenitik paslanmaz çeliklerde ostenitleştirici olarak nikel yanında mangan ve azot bulunur. Bu seri 300 serisine göre mekanik dayanımları iyi olmakla beraber korozyona dayanım özellikleri düşüktür. 4.4 Dubleks ( Çift fazlı ) Paslanmaz Çelik Bu tür çeliklerde demir krom nikel alaşımlı çeliklerdir. Ancak çift faz içerirler. Bileşiminde % 28 krom ve % 6 civarında nikel bulunur. Fazlardan biri ostenik, diğeri ferrit yapıdadır. Bu tür çelikler korozyon ve mekanik özellikler açısından, faz yapıları gereği ferritik ve ostenitik paslanmaz çelikler arasında yer alır Çökelmeyle Sertleşebilen Paslanmaz Çelikler Bu tür çelikler korozyona ve mukavemet / ağırlık oranları yüksektir. Bu nedenle uçak ve uzay endüstrisinde tercih edilirler. Bu tür çelikler mortensitik, yarı ostenitik ve ostenitik olmak üzere üç ayrı tipte üretilmektedir PASLANMAZ ÇELİKLERİN KİMYASAL BİLEŞİMLERİ Karbonun Etkisi Çelik içindeki karbon yüzdesi çeliğin mekanik özelliklerini etkiler. Karbon miktarının artması paslanmaz çeliğin sertleşmesine, mukavemetinin artmasına neden olur ve düktilitesini, korozyon dayanıklılığını azaltır Kromun Etkisi Çelik içindeki krom yüzdesinin en önemli faktörü çeliği belirli krom miktarı ile korozif ortamda pasifleştirerek korozyondan korur. En az % 12 kromun olması istenir Nikelin Etkisi Nikelin artması ostenitik bir yapıda korozyona karşı direnci ve mukavemetinin iyi olmasını sağlar Minor Elementler Molibden, klorürlü ortamlarda alaşımın çukur korozyonuna karşı dayanıklılığı artar. Buna karşılık 18Cr 10Ni paslanmaz çeliğin sıcak nitrik asit içinde korozyon dayanıklılığını azaltır. Titanyum 321 ve niobyum 347 ostenitik paslanmaz çeliklerine ilave edilerek bu alaşımların duyarlılığı azaltılabilir. Paslanmaz çelikler içine bakır katılarak asit ortamlara ve klorür etkisine dayanıklılığı arttırılabilir. Bakır katılması ile oksitleyici asitlere karşı korozyon direnci de artar. Selenyum ve kükürt paslanmaz çelik alaşımlarının işlene bilme özelliklerini arttırıcı rol oynarlar. Silis katılması ile alaşımın yüksek sıcaklık oksidasyonu azaltılabilir PASLANMAZ ÇELİĞİN PASLANMASI 1.Duyarlaşma Eğer paslanmaz çelik içinde karbon yüzdesi çok yüksek ise, bu çelik belli sıcaklık aralığında duyarlı hale gelebilir ve böylece çeşitli ortamlarda taneler arası korozyona uğrayabilir. 2. Karbürleşme Karbürleşme olayı, et kalınlığı ince olan boruların iç yüzeylerinde sıkça görülür. Çelik içine karbon tutabilen maddeler katılarak tavlanmak suretiyle karbürleşme olayı önlenebilir. 3. Kaynak Çürümesi

5 Kaynak yapılan bölgenin yaklaşık 6mm lik çevresinde görülür. Kaynak sırasında bu bölge C sıcaklıkta yeterli süre sıcak halde kalarak duyarlı hale gelebilir. 4. Yanlış Tavlama Eğer paslanmaz çelik tavlanırken, duyarlaşma sıcaklığında fazla olarak bekletilir veya uygun olmayan şekilde soğutma yapılırsa, çelik kısmen veya bütün olarak duyarlaşabilir. 5. Ferrit ferrit içeren paslanmaz çelikler oksitleyici özellik gösteren kimyasal maddelere karşı dayanıksızdır. Molibdenin ferritleştirme etkisi fazladır. 6. Farklı Stresli Bölgeler Çelik yüzeyinde stres etkisinde kalan küçük bir bölge, örneğin bir çekiç darbesi, stres farkı nedeniyle korozyon hücresi oluşmasına neden olabilir. 7. Yorulma Büyük bir çelik yapının zorlanan küçük bir bölümü yorulma nedeniyle sorun yaratabilir. 8. Çatlak Korozyonu 9. Pitting 10. Yüzey Sonu Etkisi Çelik plaklarda merdaneleme yönünde yüzeyde enlemesine iğne biçimli kırışmalar meydana gelir. Bu bölgeler pitting veya çatlak tipi korozyon için uygun bir ortam oluşturur. Korozyon bu bölgelerden başlar. Bileşiminde selenyum veya kükürt bulunan paslanmaz çeliklerde bu olay daha şiddetle kendini gösterir. 11. Sigma Fazı Sigma fazı tetragonal FeCr den oluşur. Paslanmaz çelik içine bazen görülür. Özellikle yüksek oranda molibden bulunduğu zaman meydana gelir. Bu bileşik çeliğin korozyona dayanıklılığını azaltıcı olarak rol oynar. 12. Sıvı Metal Etkisi Paslanmaz çelik kaynak edilirken, ortamda bir miktar çinko, kurşun, kadmiyum, alüminyum veya bakır gibi sıvı halde olan taneler arasına girebilen bir yabancı metal bulunması halinde bu metal çatlamaya neden olur. 13. Paslanmaz Çeliğe Karbonun Etkisi Eğer karbon çeliği ince bir paslanmaz çeliğe kaynak edilirse, karbon çeliği içinde çözünmüş olan karbon, paslanmaz çelik içine penetre olur. Bu nedenle karbon çeliği 6mm den daha ince paslanmaz çelik yapılara doğrudan kaynak edilmemelidir. 14. Klorür Etkisiyle Stres Çatlaması Eğer ortamda az miktarda klorür varsa, 70 C civarında paslanmaz çelik kendiliğinden çatlar.