3. MALZEME PROFİLLERİ (MATERİALS PROFİLES) 3.1. METAL VE ALAŞIMLAR Karbon çelikleri (carbon steels) Çelik, bileşiminde maksimum %2 C içeren demir karbon alaşımı olarak tanımlanabilir. Karbon çeliğin en önemli alaşım elementi olup, miktarındaki değişiklik çeliğin karakterini ve özelliklerini belirler. Karbon çelikleri üç gruba ayrılabilir; 1. Düşük karbonlu çelikler 2. Orta karbonlu çelikler 3. Yüksek karbonlu çelikler Şekil 3.1. Fe-C ikili denge diyagramı
Ferrit( ): HMK yapılı demir içerisinde çok az orandaki karbonun çözünmesiyle oluşan bir arayer katı çözeltisidir. Sementit (Fe 3 C): Sert ve gevrek bir arayer bileşiği olan Sementit (demir karbür), %6.67 ağırlık oranında karbon içerir. Ostenit (γ): Karbonun YMK yapılı g-demiri içerisinde çözünmesiyle oluşan bir arayer katı çözeltisidir. Perlit ( +Fe з C): % 0.8 C içeren çeliğin, ostenit bölgesinden yavaş soğutulması sırasında 723 C sıcaklıkta meydana gelen ötektoid dönüşüm sonucunda oluşan bir yapıdır. Demir-Sementit Sistemindeki Faz Dönüşümleri a) Peritektik dönüşüm: ( S + δ γ ), Bu dönüşüm % 0.18 C içeren alaşımsız çelikte 1492 C sıcaklıkta meydana gelir. b) Ötektik dönüşüm: ( S γ + Fe з C ), Bu dönüşüm % 4.3 C içeren Fe-C alaşımında 1130 C sıcaklıkta meydana gelir. c) Ötektoid dönüşüm: ( γ α + Fe з C ), % 0.80 C içeren çelikte 723 C sıcaklıkta meydana gelir. Ledeburit: Sementit (Fe 3 C) ve ostenit (γ) tanelerinden oluşan ve %4.3 oranında karbon içeren ötektik karışımdır. Dönüşmüş Ledeburit: Ötektoid sıcaklığın (723 C) altındaki ledeburit demektir.
Düşük karbonlu çelikler max. % 0,25 C içeren çeliklerdir. Düşük karbon içeriğinden dolayı sünek olan bu malzemeler kolay şekillendirilme ve işlenebilme özelliklerine sahiptir.bu grupta genellikle yapı çelikleri yer alır. Orta karbonlu çelikler % 0,25 0,5 C (max. 0,6) karbon içerir. Bu çeliklerin mukavemeti yüksek olup su verilerek sertleştirilebilirler. Yüksek karbonlu çelikler % 0,5 2,0 C arasında C içeren çeliklerdir. Bu çelikler sert ve işlenilebilirliği zor olan çeliklerdir. Bunlar kesme takımları gibi uygulamalarda kullanılır. Çeliklerin üretimi için gereken enerji göreceli olarak düşüktür. Polimerlerle karşılaştırıldığında yarı yarıya bir enerji gereksinimi gözlenmektedir. Karbon çelikleri kolay geri dönüşüme uğratılabilir. Bunun için gerekli enerji oldukça düşüktür. Ortalama fiyatları 0,40 0,60 $/kg. dır. Servis sıcaklığı -70 360 oc aralığına sahiptirler. Sertlikleri 120 650 HV ve akma mukavemetleri 250 1755 Mpa dır.
Çelikler için iki standart AISI (American Iron and Steel Institute) ve SAE (Society of Automotive Engineers) birleştirilmiş olup SAE AISI ye göre her çelik 4 rakamdan oluşan bir koda sahiptir. İlk iki rakam ana alaşım elementlerini, diğer iki rakamda karbon miktarını temsil eder. Yaygın olarak bilinen düşük karbonlu çelikler, 1015, 1020, 1022, 1117, 1118; orta karbonlu çelikler, 1030, 1040, 1050, 1060, 1137, 1141, 1144, 1340; yüksek karbonlu çelikler, 1080 ve 1095 çelikleridir.
Paslanmaz çelikler (stainless steels) Paslanmaz çelikler ilk olarak korozyon direnci, ikinci olarak mukavemet ve son olarak üretim kolaylığından dolayı tercih edilen malzemelerdir. Birçok türü eğilmeye, çizilmeye ve kesilmeye oldukça dirençlidir. Ortalama fiyatları 1,20 8,50 $/kg.dır. -270 850 oc servis aralığına, 170 2090 MPa akma mukavemetine sahip ve 130 600 HV sertliğe sahiptirler. Paslanmaz çelikler AISI standardında 3 rakam ile ifade edilirler. Bu çeliklerde Cr, yüzeyde Cr2O3 filmi oluşturarak korozyona karşı direnç sağlar. Paslanmaz çelikler 4 ana grupta incelenebilir; 1) Ferritik paslanmaz çelikler; 400 serisi Fe Cr alaşımıdır, manyetiktir, sertleştirilemez, kaynak kabiliyeti iyi değildir. %12 30 Cr ve düşük miktarda C içerirler. Ana kullanım alanları: bilgisayar floppy diskleri (430), otomotiv egzostları (409), sıcak su tankları (444). 2) Martensitik paslanmaz çelikler; Yüksek karbon içeriklerinden dolayı ferritik paslanmaz çeliklerden farklı Fe Cr C alaşımıdır. %12 17 Cr ve %0,1 1,0 C içerirler. Ana kullanım alanları; bıçaklar, cerrahi instrumanlar, şaftlar, miller.
3) Ostenitik paslanmaz çelikler 200 ve 300 serisi (Fe Cr Ni Mn). Bu çeliklerin korozyon dayanımı yüksek, nonmanyetik (ostenit fazı nonmanyetik bir fazdır), sertleşmez ve soğuk işlem ile mukavemeti arttırılabilir. Ni, ostenit fazını stabilize ederek yüksek ve düşük sıcaklıklarda süneklik ve mukavemet sağlar. Ana kullanım alanları; bilgisayar floppy disk kapakları (304), bilgisayar klavye yayları (301), mutfak lavaboları (304), mimari uygulamalar, kimyasal fabrika ve ekipmanları. Bazı ostenitik paslanmaz çeliklerin kimyasal bileşimleri; Tablo 3.1. Paslanmaz çelikler 4) Çökelme sertleşmeli paslanmaz çelikler Bunlar ostenitik veya martensitik esaslı olup bileşimlerine Cu, Ti, Al, Mo, Nb ve N mevcuttur. Ana kullanım alanları; şaftlar, pompalar ve vanalar.