Bölüm 9 Demir Karbon Alaşım Sistemi 1
DEMİR-KARBON ALAŞIM SİSTEMİ Demir, mühendislik uygulamalarında kullanılan alaşımların temelini oluşturan bir metaldir. Külçe demir olarak bilinen ve hemen hemen saf durumda bulunan demir çatı, kanalizasyon, soba ve kokil kalıp yapımı gibi bazı uygulamalarda kullanılır. Ancak, saf demirin sertlik ve mukavemeti pek çok uygulama için yetersizdir. Külçe demirin kimyasal bileşimi ile sertlik, çekme dayanımı ve kopma uzaması değerleri aşağıda verilmiştir. Kimyasal bileşim % 0,012 C, %0,017 Mn, %0,005 P, %0,025 S ve çok eser miktarda Si Çekme dayanımı 276 MPa Sertlik 30 RSD-B Kopma uzaması % 40 2
Demir allotropik (polimorfik) bir metaldir, yani kristal yapısı sıcaklığa göre değişir. Saf demirin soğuma eğrisi Şekil 1 de verilmiştir. Bu şekil, oda sıcaklığında HMK yapıya sahip α demirinin 910 ºC de YMK yapılı γ demirine, γ demirinin ise 1400 ºC de HMK yapılı δ dönüştüğünü göstermektedir. Şekil 1. Saf demirin soğuma eğrisi 3
Karbon demir içerisinde çözünerek farklı ara yer katı çözeltileri oluşturur. Katı çözelti dışında kalan karbon ise demirle birleşerek Fe 3 C (sementit) ara yer bileşiğini oluşturur veya serbest yani grafit (C) halinde kalır. Sementit bileşiğinin veya grafitin oluşumuna bağlı demir-karbon alaşım sisteminin incelenmesinde demir (Fe)-sementit (Fe 3 C) veya demir (Fe)-grafit (C) faz diyagramlarından yararlanılır. Çelikler ve dökme demirler % 6,7 den daha düşük oranlarda karbon içerdiklerinden bunların yapılarının incelenmesinde daha çok Fe-Fe 3 C faz diyagramı kullanılır. Ancak tamamen grafitizasyonun gerçekleştiği dökme demirlerin incelenmesinde Fe-C faz diyagramının kullanılması daha uygundur. 4
Demir (Fe)-Sementit (Fe 3 C) Faz Diyagramı Sıcaklık ( o C) 1536 δ 1400 0.18 γ+δ 910 γ+α α 0.025 Sıvı+δ 1492 o C γ Perlit Fe 0.8 Çelikler sıvı γ+sıvı sıvı+fe 1147 o C 3 C 2.14 723 o C α+fe 3 C Dökme Demirler γ+fe 3 C Dönüşmüş Ledeburit Ledeburit 2 4 4.3 6.67 Karbon oranı (% ağırlık)
Demir (Fe)-Sementit (Fe 3 C) Faz Diyagramı Sementit içeren alaşım yüksek sıcaklıklarda yeterince bekletilirse Sementitin ayrışması sonucu grafitlenme görülür. Bu yüzden Sementit yarı kararlı (metastabil) bir yapıya sahiptir. Sementit bileşiği ağırlık olarak %6.67 oranında karbon içerir. Fe-Fe 3 C faz diyagramı peritektik, Ötektik, ötektoid noktaları içermektedir. 6
Ticari saflıkta Fe bileşimi ağırlıkça en fazla %0.008 oranında karbon içerir ve oda sıcaklığında iç yapısında sadece ferrit (α ) fazı bulunur. Kimyasal bileşimi ağırlıkça %0.008 ile %2.14 oranında karbon içeren demir karbon alaşımı çelik olarak adlandırılır. Çoğu çeliğin iç yapısında α ve Fe3C fazları birlikte bulunur. Dökme demirler teorik olarak kimyasal bieşimlerinde ağırlıkça %2.14 ile %6.67 oranında karbon içerirler. Fakat uygulamada kullanılan ticari dökme demirler bileşiminde ağırlıkça %4.5 den daha az oranda karbon içermektedir. 7
Demir-Sementit Faz Diyagramındaki Fazlar Ostenit ( γ ): Karbonun YMK yapılı γ-demiri içerisinde çözünmesiyle oluşan bir ara yer katı çözeltisidir. Bu faz 1147 ºC sıcaklıkta %2 oranında karbon çözündürür. Bu fazın metalografik yapısı Şekil 3a da gösterilmiştir. Çekme dayanımı : 1030 MPa Sertlik : 40 RSD-C Kopma uzaması : %10 Ferrit (α ): HMK yapılı demir içerisinde çok az orandaki karbonun çözünmesiyle oluşan bir ara yer katı çözeltisidir. Bu faz içerisinde 723 ºC de %0,025 oranında karbon çözünürken bu oran oda sıcaklığında %0,008 değerine düşmektedir. Bu fazın metalografik yapısı Şekil 3b de gösterilmiştir. Çekme dayanımı : 270 MPa Sertlik : 90 RSD-B (Fe-C alaşım sistemindeki en yumuşak faz) Kopma uzaması : %40 Sementit (Fe 3 C) : Ortorombik kristal yapıya sahip bir ara yer bileşiğidir. Sert ve gevrek bir faz olan sementitin çekme dayanımı (35 MPa) düşük, basma dayanımı yüksektir.. 8
Perlit (α + Fe 3 C ) : %0,8 C içeren çeliğin ostenit bölgesinden yavaş soğutulması sırasında 723 ºC sıcaklıkta meydana gelen ötektoid dönüşüm sonucunda oluşan bir yapıdır. Perlitin metalografik yapısı ferrit ve perlit lamellerinden oluşur, Şekil 3c. Ledeburit: %4,3 oranında karbon içeren demir-karbon alaşımının 1147 ºC sıcaklıkta ötektik dönüşümle katılaşması sonucunda oluşan bir yapı olup, ostenit ve sementit fazlarından oluşur. Dönüşmüş ledeburit: Fe-Fe 3 C denge diyagramında, ötektoid dönüşüm sıcaklığının altında yer alan ledeburit demektir. Bu yapı perlit ve sementit karışımından oluşur. 9
a b Şekil 3. (a) Ostenit (325X), (b) ferrit (90X) ve (c) perlitin ışık mikroskobu görüntüsü c 10
Demir-Sementit Sistemindeki Faz Dönüşümleri Fe-Fe3C faz diyagramında 3 yatay çizgide izotermal reaksiyon görülmektedir. Bu yatay çizgilerde meydana gelen dönüşüm reaksiyonları (faz dönüşümleri): a) peritektik, b) ötektik, c) ötektoid dönüşümlerdir. 11
12
1536 1400 δ Sıvı+δ 0.18 1492 o C sıvı γ+δ γ+sıvı Sıcaklık ( o C) γ Fe-sementit denge diyagramında çeliklere ait kısım 910 γ+fe 3 C α γ+α 723 o C 0.025 Ferrit+Perlit Perlit α+fe 3 C Perlit+Sementit Ötektoid altı çelik Ötektoid üstü çelik Fe 0.8 Karbon oranı (% ağırlık)
Çeliklerde Soğuma Sırasında Oluşan Yapılar Karbon oranı %0,8 den az olan çelikler ötektoid altı çelikler, %0,8 olan çeliklere ötektoid çelikler, %0,8 den fazla olan çeliklere de ötektoid üstü çelikler denir. Bu çeliklerin ostenit fazından yavaş soğutulması sırasında oluşan iç yapıları demir-sementit denge diyagramının çeliklere ait kısmı üzerinde şematik olarak gösterilmiş, ayrıca oda sıcaklığındaki yapılarının ışık mikroskobu görüntüleri de verilmiştir, Şekil 4, 5 ve 6. 14
(b) (a) Şekil 4. (a) Ötektoid altı bir çeliğin ostenit fazından yavaş soğutulması sırasında oluşan iç yapısının şematik gösterimi, (b) Söz konusu bu çeliğin metalografik yapısı 15
Ostenit fazının perlite dönüşümü sırasında karbon atomları, tane sınırlarından başlayıp içeri doğru büyüyen sementit lamellerini oluşturacak şekilde bir araya gelir ve lamellerin arasında karbonca fakir ferrit bölgeleri kalır. (a) (b) Şekil 5. (a) Ötektoid bileşime sahip çeliğin ostenit fazından yavaş soğutulması sırasında oluşan iç yapısı, (b) Ostenit fazının perlite dönüşümünün şematik gösterimi 16
(b) (a) Şekil 6. (a) Ötektoid üstü bir çeliğin ostenit fazı bölgesinden yavaş soğutulması sırasında oluşan iç yapısının şematik görünümü, (b) bu çeliğin iç yapısının ışık mikroskobu görüntüsü 17
18
Örnek: a) %0.5 C içeren alaşımsız çeliğin oda sıcaklığında iç yapısında bulunan fazların yüzde oranlarını belirleyerek oda sıcaklığındaki iç yapısını çiziniz. 19
b) Ötektoid bileşime sahip alaşımsız çeliğin oda sıcaklığında iç yapısında bulunan fazların yüzde oranlarını belirleyerek oda sıcaklığındaki iç yapısını çiziniz. c) %1.2 C içeren alaşımsız çeliğin oda sıcaklığında iç yapısında bulunan fazların yüzde oranlarını belirleyerek oda sıcaklığındaki iç yapısını çiziniz. 20
Demir-Grafit Faz Diyagramı Demir-karbon alaşımlarının sıvı durumdan yavaş soğutularak katılaştırılması sırasında karbon atomlarının demir atomları ile sementit oluşturmaları önlenerek bunun yerine grafit taneleri oluşturulabilir. Bu durumda demir sementit diyagramı yerine demirgrafit diyagramı kullanılır. Bu diyagram Şekil 7 de gösterilmiştir. Demir-grafit denge diyagramı daha çok dökme demirler için önem taşır. Şekil 7. Demir-grafit faz diyagramı 21
DÖKME DEMİRLER Demir esaslı alaşımlar sınıfına giren dökme demirler %2 den daha yüksek oranda (%3-4,5) karbon içerirler. Karbon dökme demirlerin yapısında ya serbest (grafit, C) ya da bağlı (sementit, Fe 3 C) halde bulunur. Dökme demirlerin yapısında bulunan karbonun grafit ya da sementit hali karbon ve silisyum oranları ile soğuma hızına ve ısıl işleme bağlıdır. En yaygın dökme demir türleri - gri (kır), - küresel (sfero), - beyaz, - temper dökme demirlerdir 22
Gri (Kır) Dökme Demirler Gri dökme demirlerde karbon ve silisyum oranları sırasıyla %2,5-4 ve %1-3 arasında değişir. Bu dökme demirlerin yapısında grafit lamel (flake) biçiminde olup etrafı ferrit veya perlit matrisi ile çevrilmiştir. Kırılma yüzeyleri gri görünümlüdür. Gri dökme demirler çeki durumunda mukavemetleri düşük olup gevrek davranış sergilerler. Bu durum levha biçimindeki grafitlerin ekstra bir çeki uygulanması durumunda kenar ve köşelerinin gerilme yığılmasına yol açmasından kaynaklanır. Ancak, bunlar bası yükleri altında son derce mukavemetli ve sünek davranış sergilerler. Bu dökme demirler oldukça iyi titreşim sönümleme kapasitelerine sahiptir. Makinelerin temel iskeletleri ve ağır yüklere maruz kalan sistemler bu dökme demirlerden yapılır. Ayrıca aşınma karşı oldukça dirençlidirler. Döküm sıcaklıklarında akıcılık özelliklerinin iyi, çekilmesinin düşük olmasından dolayı keskin kenarlı parçaların üretimine elverişlidir. Ayrıca bütün metalik malzemeler arasında en ucuzudur. Gri dökme demir 23
Basma mukavemeti (σ basma )= (3-3,5)σ çekme Burulma mukavemeti (Ԏ burulma )= (1,2-1,4)σ çekme Kesme mukavemeti (Ԏ kesme )= (1,0-1,6)σ çekme Yorulma dayanımı (YS)= %(35-50)σ çekme Çekme mukavemeti (σ çekme )= (0,11-0,14)BSD Dökme demirin gerilme-birim şekil değiştirme diyagramı Lamel ve küresel grafitli dökme demirlerde kuvvet akış çizgileri. 24
Küresel Grafitli Dökme Demirler Dökümden önce gri dökme demire düşük oranlarda magnezyum veya seryum eklenirse grafit levha yerine küresel forma dönüşür. Bu dökme demir küresel veya sünek dökme demir olarak adlandırılır. Isıl işleme bağlı olarak bu dökme demirlerin yapısı küresel grafitleri saran perlit veya ferritten oluşur. Normalde döküm yapısı perlitiktir. Ancak 700 ºC de birkaç saat tavlanırsa matris ferrite dönüşür. Dökümleri güçtür ancak gri dökme demirlerden daha sünektir. Bunların mekanik özellikleri çeliklere yakındır. Çekme dayanımları 380-480 MPa süneklikleri ise %10-20 arasında değişir. Bu dökme demirlerden valf, pompa gövdeleri, krank mili, dişli, diğer otomotiv ve makine parçaları yapılır Küresel grafitli dökme demir 25
Beyaz Dökme Demir ve Temper (Dövülebilir) Dökme Demir %1 den düşük oranlardaki silisyum değerlerinde ve hızlı soğumada karbon yapıda grafite ayrışmaz ve sementit olarak kalır. Bu dökme demirlerin kırılma yüzeyleri beyaz bir görünüme sahiptir. Bu nedenle beyaz dökme demir olarak adlandırılır. Geniş orandaki sementit fazından dolayı beyaz dökme demirler sert ve gevrektir. Bu nedenle işlenmeleri zordur. Çok sert ve aşınma direnci gerektiren uygulamalarda kullanılabilir. Bunun dışında kullanım alanları sınırlıdır. Bu dökme demirler temper (dövülebilir) dökme demirlerin üretiminin başlangıcını oluşturur. Beyaz dökme demir 26
Beyaz dökme demirler nötr ortamda 800 900 C sıcaklıklarda uzun süre tavlandıklarında sementit ayrışarak grafite dönüşür. Bu grafitlerin etrafı ferrit ve matrisi tarafından sarılır. Bunların yapıları küresel dökme demirlere benzer. Bu nedenle yüksek mukavemetlerinin yanı sıra uygun süneklik ve dövülebilirlik özelliğine sahiptirler. Bağlantı rotlarında, transmisyon dişlilerinde ve farklı otomotiv endüstrisinde, boru bağlantı elemanlarında, tren yolları ve denizcilik için valf parçalarının üretiminde kullanılırlar. Temper dökme demir 27
Kimyasal Bileşimin Çeliğin Özelliklerine Etkisi 28
29
30
Çeliklerin Karbon oranına göre sınıflandırılması Karbon oranına göre çeliklerin sınıflandırılması Düşük Karbonlu Ç. %0,25 C Orta Karbonlu Ç. %0,25-0,55 C Yüksek Karbonlu Ç. %0,55-0,9 C Yüksek Karbonlu Takım Çelikleri %0,9-1,6 C Çok Yumuşak Çelikler %0,07-0,015 C Genel Dövme Çelikleri %0,25-0,35 C Yumuşak Çelikler %0,15-0,25 C Mil Çelikleri %0,35-0,45 Aşınmaya Dayanıklı Çelikler %0,45-0,55 C 31
Çeliklerin Türk Standartlarına göre gösterimi Çelik ve Dökme demir kimyasal bileşim ve özelliklerine göre TS1111 standardına göre sınıflandırılır. Çelikler ergitme yöntemlerine göre - T (Thomas konventeri) - O (Oksijen konventeri) - M (Siemens-Martin ocağı) - E (Elektrikli ark ocağı) - I (indüksiyon ocağı) Döküm şekline görede - S (sakinleştirilmiş) - Sy (yarı sakinleştirilmiş) - K (kaynar) Işaretleri ile gösterilir. 32
Çeliklerin Türk Standartlarına göre gösterimi Mekanik Özellikleri Esas Alınan Çelikler Fe işaretine ek olarak çekme dayanımlarının en küçük değeri ile tanımlanırlar. Örnek: Fe 42: Çekme dayanımının en küçük değeri 42 kgf/mm 2 olan genel yapı çeliğidir. MS Fe 37: Siemens-Martin ocağında sakin olarak dökülmüş, çekme dayanımının en küçük değeri 37 kgf/mm 2 genel yapı çeliğidir. Kimyasal Bileşimi Esas Alınan Çelikler 1. Alaşımsız Çelikler C harfi ve ortalama karbon oranının 100 katı ile gösterilirler. %0,35 karbon içeren alaşımsız çelik C 35 şeklinde gösterilir Ortalama karbon oranı %0,45 olan asal çelik Ck 45 şeklinde gösterilir. Ortalama %0,51 karbon içeren ve yüzeyi sertleştirilebilen çelikler Cf 51 şeklinde gösterilir 33
2. Alaşımlı Çelikler 2.1. Az Alaşımlı Çelikler Bu tip çeliklerin gösteriminde C harfi kullanılmaz. Ortalama karbon oranının 100 katı yazıldıktan sonra alaşım elementinin simgesi ve bu elementler aşağıda verilen tablodaki katsayılarla çarpılarak tam sayıya uyarlanmış ortalama yüzdeleri yazılır. Alaşım Elementi Katsayı Cr, Mn, Co, Si, Ni, W 4 Be, Cu, Al, Pb, Mo, Nb, Ta, Ti, V, Zr 10 P, S, Ce, N, C 100 B 1000 Örnekler: Bileşiminde %0,2 C ve %1,25 Mn bulunan az alaşımlı çelik; 0,20x100=20 ve 1,25x4=5 olduğundan 20Mn5 olarak gösterilir. Bileşiminde %0,15 C, %1 Cr ve %0,40 Mo bulunan çelik; 0,15x00=15, 1x4=4 ve 0,40x10=4 olduğundan 15CrMo4-4 olarak gösterilir. 34
2.2. Otomat çelikleri Karbon oranı az alaşımlı çeliklerde olduğu gibi yazılır. Sadece S (kükürt) 100 ile çarpılarak belirtilir. Alaşım elementi yazılım sırası S, Mn, Pb, P şeklindedir. Örnek: Bileşiminde, %0,45 C, %0,20 S ve %0,15-0,30 Pb bulunan otomat çeliği 45SPb20 Bileşiminde, %0,09 C, %0,15-0,30 S, %0,9-1,3 Mn bulunan otomat çeliği 9SMnPb23 şeklinde gösterilir. 2.3. Yüksek alaşımlı çelikler Yüksek alaşımlı çeliklerin gösterimine X harfi ile başlanır. Daha sonra karbon oranının 100 katı yazılır. Bundan sonra alaşım elementlerinin gerçek yüzde oranları belirtilir. İkinci derecede önemli olan alaşım elementlerinin simgesi gösterilmeyebilir. Örnek: Bileşiminde, %0,08 C, %18 Cr ve %8 Ni bulunan yüksek alaşımlı çelik X8Cr18Ni8 şeklinde gösterilir. 35
ABD kodloma: ABD otomotiv mühendisleri odası (SAE), Amerikan demir çelik enstitüsü (AISI) malzeme ve testleri kuruluşu (ASTM) çeliklerin kodlanmasında yeterli olan kuruluşlardır. Çeliklerin kodlanmasında AISI/SAE sistemine göre 4 veya 5 haneli sayılardan yararlanılır. Basit karbonlu çeliklerde ilk iki hane 1 ve 0 sayılarından alaşımlı çeliklerde ise ilk iki hane diğer sayıların değişik kombinasyonlarından (13, 41, 43 gibi) oluşur. Üçüncü ve dördüncü hane çeliğin karbon oranının 100 ile çarpılması ile elde edilen sayıyı gösterir. Örnek: - 1060 kodu alaşımsız çelikte karbon oranının %0.60 olduğunu belirtir, - 10120 basit karbonlu %1.2 C içeren çelik - 4650 kodu, %0,70-2 Ni, % 0.15-0.30 Mo, %0.50 C içeren çeliği ifade eder 36
Çelik konusundaki önemli standartlar aşağıdaki kurumlar tarafından yayınlanmıştır. Bunlar; 1. AISI...: Amerikan Demir Çelik Enstitüsü standartları 2. SAE...: Otomotiv mühendisleri topluluğu standartları 3. ASTM.. : Amerikan malzeme deneme topluluğu standartları 4. AFNOR.: Fransız standartları enstitüsü 5.JIS..: Japon standartları enstitüsü 6. BS. : İngiliz standartları 7. ISO...: Uluslararası standartlar organizasyonu 8. EURONORM : Avrupa standartları 9. DIN : Alman standartları enstitüsü 10. TSE... : Türk Standartlar Enstitüsü Yukarıda belirtilen kuruluşların hepsi çeliği kendi normlarına göre sınıflandırmış bulunmaktadır. Bunlardan sadece AISI ve SAE aynı çelik için aynı kodu kullanır. 37
Demir- Karbon Denge Diyagramı ile ilgili çalışma soruları 1. (a) Demir sementit faz diyagramını çizerek bu diyagramda yer alan faz bölgelerini gösteriniz. (b) Demir sementit faz diyagramında meydana gelen dönüşümlerin denklemlerini yazınız. (c) %0,3 oranında C içeren çelik ostenit faz bölgesinden yavaşça soğutuluyor. Bu çeliğin soğuma eğrisini ve oda sıcaklığındaki metalografik yapısını faz oranlarını belirleyerek çiziniz. (d) Ferrit faz bölgesine Gibbs faz kuralını uygulayarak bulduğunuz sonucu yorumlayınız. 2. Karbonun çeliğin mekanik özelliklerine etkisini şekil çizerek gösteriniz. 3. Aşağıdaki gösterimlerin anlamlarını yazınız. a) Fe60 b) C45 c) 15Cr3 d) X10Cr18Ni9Ti2 4. Aşağıdaki terimleri tanımlayınız. a) Allotropi b) Sıcak yırtılma c) soğuk yırtılma d) hidrojen gevrekliği 5. Küresel grafitli dökme demirlerin çekme mukavemeti neden lamel grafitli dökme demirlerden daha yüksektir. 6. Dökme demirlerin genel özelliklerini yazınız. 7. Temper dökme demir nasıl üretilir. 38