MALZEME BİLGİSİ DERS 10 DR. FATİH AY www.fatihay.net fatihay@fatihay.net
GEÇEN HAFTA TEMEL KAVRAMLAR FAZ DÖNÜŞÜMLERİNİN KİNETİĞİ DEMİR-KARBON ALAŞIMLARINDA MİKROYAPI VE ÖZELLİK DEĞİŞİMİ DEMİR-KARBON ALAŞIMLARININ MEKANİK ÖZELLİKLERİ
BÖLÜM 8 UYGULAMALAR VE METAL ALAŞIMLARIN İŞLENMESİ DEMİR ESASLI ALAŞIMLAR DEMİR DIŞI ALAŞIMLAR METALLERE UYGULANAN İMALAT YÖNTEMLERİ METALLERE UYGULANAN ISIL İŞLEMLER
ÖĞRENECEKLERİNİZ: Dört farklı çelik sınıfını bilir, her birinin kimyasal bileşimindeki farkı, birbirinden ayırıcı belirgin özelliklerini ve kullanım yerlerini belirtebilirsiniz Beş farklı dökme demir türünü bilir, önemli mekanik özelliklerini, iç yapı özellikleri ile birlikte tanımlayabilirsiniz Metal ve alaşımların şekillendirilmesinde kullanılan dört mekanik şekil verme yöntemini bilir ve tanımlayabilirsiniz Beş metal dökme yöntemini bilir ve tanımlayabilirsiniz Aşağıdaki ısıl işlemlerin amacını ve uygulanış yöntemlerini açıklayabilirsiniz: yeniden kristalleşme tavı, gerilme giderme tavı, normalleştirme tavı, tam tavlama işlemi ve küreselleştirme tavı
ÖĞRENECEKLERİNİZ: Çeliklerde sertleşebilme kabiliyetini tanımlayabilirsiniz Belirli bir çeliğin sertleşebilme eğrisi, su verme sırasındaki soğuma hızı ve çubuk boyutlarına ait bilgilerin verilmesi durumunda, silindirik bir çelik için östenitlenme ve su verme sonrasında elde edilecek sertlik profilini oluşturabilirsiniz Faz diyagramlarından yararlanarak metal alaşımlarına çökelme (yaşlandırma) sertleştirilmesi işlemi sırasında uygulanacak iki ardışık ısıl işlemi tanımlayabilir ve açıklayabilirsiniz Çökelme sertleşmesi için sabit sıcaklıkta uygulanan yaşlandırma işlemi sırasında, alaşımın oda sıcaklığındaki sertliğinin yaşlandırma süresinin logaritmik değeriyle değişimini veren grafiği şematik olarak çizebilir ve eğrinin şeklindeki değişimleri çökelme sertleştirmesi mekanizmalarından yararlanarak açıklayabilirsiniz
GİRİŞ
Ticari alaşımların kısa gösterimleri, genel özellikleri ve kullanım sınırlamalarının bilinmesi malzeme seçim süreçleri için önemlidir İmalat yöntemleri ile alaşım özellikleri değiştirilebilir, uygun ısıl işlemler ile değişik özellikler kazandırılabilir Kimyasal bileşimlerinde esas bileşen Fe olan alaşımlar demir esaslı alaşımlar olarak adlandırılır Diğerleri ise demir-dışı metaller olarak isimlendirilir
Demir esaslı alaşımların sınıflandırılması
DEMİR ESASLI ALAŞIMLAR Çok yaygın olarak kullanılırlar: 1- Demir içeren bileşikler doğada bol miktarda bulunur 2- Demirin cevherden ayrıştırılması, arıtılması, alaşımlandırılması ve imal edilmesi işlemleri göreceli olarak daha ekonomiktir 3- Demir alaşımlarına çok değişik aralıklarda mekanik ve fiziksel özellikler kazandırılabilir
ÇELİKLER Düşük-karbonlu çelikler: Orta-karbonlu çelikler: Yüksek-karbonlu çelikler: En çok üretilen ve en çok kullanım alanına sahip çelik türüdür %0,25 de daha az miktarda karbon içerir Daha çok soğuk şekillendirme ile dayanımı arttırılır Maliyeti diğer çelik türlerine göre daha düşüktür Karbon oranı %0,25 ile %0,60 arasındadır Isıl işlem için uygundur Krom, nikel, molibden gibi elementler ile ısıl işlem kapasiteleri geliştirilebilir Karbon oranı %0,60 ile %1,40 arasındadır Bu tür çelikler her zaman su verilerek temperlenmiş halde kullanılır Aşınma direnci gerektiren ve sert, aynı zamanda keskin kenarlara sahip olunması durumunda tercih edilir
ÇELİKLER Düşük-karbonlu çelikler: Orta-karbonlu çelikler: Otomotiv sektöründe araç gövdesi ve parçalarının imalatında, I profil, U profil gibi yapı çelikleri olarak inşaat sektöründe, boru hatları, binalar, köprüler ve içecek kutularının imalatında kullanılır Raylar, raylı araçlara ait tekerlekler, dişliler, krank milleri ve performansta yüksek dayanım, aşınma dayanımı ve tokluğun aynı anda gerekli olduğu durumlarda tercih edilir Yüksek-karbonlu çelikler: Kesici takımlarn, şekillendirme kalıplarının imalatında, bıçak, jilet, testere, yay ve yüksek dayanımlı tellerin üretiminde kullanılır
ÇELİKLER KOROZYON DİRENCİ TOKLUK SÜNEKLİK Düşük-karbonlu çelikler Orta-karbonlu çelikler Yüksek-karbonlu çelikler DAYANIM SERTLİK Yüksek-karbonlu çelikler Orta-karbonlu çelikler Düşük-karbonlu çelikler
Karbon oranı Basit karbonlularda 0 ve 1 Çelikler için harf Tüm alaşımlar için AISI/SAE kodu Diğer alaşım elementlerini içeren çelikler
Korozyon direnci için en az %11 krom katılır Paslanmaz çelikler: Martenzitik Ferritik Östenitik Sadece soğuk şekillendirme Nikel ve molibden ilavesi korozyon direncini daha da arttırır Mekanik özellikleri geniş bir aralıkta değerlendirilebilir Paslanmaz çelik, ana matris elemanına göre adlandırılır En iyi korozyon direnci östenitik paslanmaz çeliklerindir Bu çelikler yüksek sıcaklıklarda da mekanik dayanım ve korozyon dirençlerini koruyabilirler
DÖKME DEMİRLER Karbon oranı ağırlıkça%2,14 üzeri demir alaşımlarıdır. Pratikte %3 ile %4,3 karbon ve diğer alaşım elementlerini içerir Gevrek olduklarından döküm yöntemi ile üretilmeleri en uygundur Kır (Gri) Dökme Demir Küresel (Sfero) Dökme Demir Beyaz Dökme Demir Temper Dökme Demir Kompakt Grafitli Dökme Demir
DÖKME DEMİRLER Grafitin dayanımı demirin yanında ihmal edilebilecek kadar küçüktür Dolayısıyla grafit bölgeler boşluk gibi davranır Bir de keskin köşelerin oluşturduğu çentik etkisi ilave olunca yapı çok gevrek-kırılgan davranır Dolayısı dökme demirler genelde basıya karşı zorlanan parçalarda kullanılır. Çekme zorlanmaları olan yerlerde kullanılmaz. Lameller 21
DÖKME DEMİRLER Kararsız sementit fazının dönüşümü Fe 3 C 3Fe (α) + C (grafit) Ötektik ve ötektoid reaksiyon sıcaklıkları değişmiştir (1147 ve 727 C) Çoğu dökme demirlerde karbon yerine grafit bulunur
DÖKME DEMİRLER Kır (Gri) Dökme Demir: Karbon oranı %2,5 ile %4, Silisyum oranı %1 ile %3 arasında değişir Grafit lameller, ferrit ve perlit fazı içinde kuru yaprak gibi görülür Çekme Basma Nispeten zayıf ve gevrek davranış Daha dayanıklı hatta sünek Titreşim sönümleme kapasitesi çok iyidir Tüm metalik malzemeler arasında en ucuz olanıdır!
Küresel (Sfero) Dökme Demir: DÖKME DEMİRLER Magnezyum ve/veya seryum ilavesi ile elde edilir Bu yapıda oluşan grafit lamel yerine küre şeklinde olduğu için küresel (sfero) olarak adlandırılır. Matris fazı olan perlitik veya ferritik yapı içinde küresel grafit taneleri vardır Mekanik özellikleri çeliklerinkine yakındır
Beyaz Dökme Demir: DÖKME DEMİRLER %1 den daha az Silisyum içeren dökme demirler, karbon grafit şeklinde ayrılmaz ve oluşan sementit içinde kalır Beyaz renkli kırık yüzeyler oluşturduğundan bu ismi alır Sementit fazından dolayı hem çok sert hem çok gevrektir Temper dökme demirin ham maddesi olarak kullanılır
Temper Dökme Demir: DÖKME DEMİRLER Beyaz dökme demirin 800-900 C arasına ısıtılması ve burada uzun süre tavlanması neticesinde grafit sementitten ayrılarak patlamış mısır görünümünde temper grafitlerini oluşturur Kır dökme demirlere göre oldukça dayanıklı ve çok daha sünektir Üretimleri diğer dökme demir türlerine göre daha azdır
Kompakt Grafitli Dökme Demir: DÖKME DEMİRLER İçeriğinde %1,7 ile %3 oranında silisyum ve %3,1 ile %4 oranında karbon bulunur Yapıda grafit kurtçuk şeklinde bulunur Yapı kır dökme demir ile küresel dökme demir arasındadır Yorulma dayanımı iyidir Isıl iletkenliği daha yüksektir Isıl şoka daha dirençlidir Yüksek sıcaklıklarda oksitlenme özelliği daha düşüktür
DÖKME DEMİRLER 28
DEMİR DIŞI ALAŞIMLAR Çelik ve demir esaslı alaşımlar geniş bir aralıkta mekanik özellikler sunabilmesi, ekonomik olması ve kolay üretimi dolayısıyla daha yüksek miktarlarda kullanılmaktadır Ancak - Özgül ağırlıkları yüksektir - Diğer metal alaşımlar ile karşılaştırıldıklarında elektriksel iletkenlikleri düşüktür - Normal ortamlarda korozyondan daha fazla etkilenirler
DEMİR DIŞI ALAŞIMLAR Gevrek ve normal şartlarda şekillendirebilme özelliğine sahip olmayan alaşımlar döküm alaşımlar olarak adlandırılır Mekanik şekillendirebilme özelliğine sahip olan alaşımlar ise yoğruk alaşımlar olarak adlandırılır
Bakır ve Alaşımları: DEMİR DIŞI ALAŞIMLAR Saf bakır son derece yumuşak ve son derece yumuşak olduğu için talaşlı imalatı zordur Soğuk şekillendirme kabiliyeti çok yüksektir Korozyon direnci iyi olmakla birlikte alaşımlar ile çok daha iyi hale getirilebilir Isıl işlem yöntemleri ile sertleştirilemez En önemli bakır alaşımı içinde baskın elementi çinko olan pirinçtir Berilyumlu bakır; ısıl işlem uygulanabilen, çekme dayanımı yüksek, elektrik iletkenliği mükemmel, iyi korozyon ve aşınma dayanımına sahip bir alaşımdır Kurşun, alüminyum, silisyum, nikel Bakır Bronz
Alüminyum ve Alaşımları: DEMİR DIŞI ALAŞIMLAR Yoğunluğu çelik ve diğer metallere göre oldukça düşüktür (2,7g/cm 3 ) Isıl ve elektrik iletkenlikleri yüksek, korozyon direnci oldukça iyidir Yüksek süneklik özelliği dolayısıyla kolayca şekillendirilebilir (folyo haline getirilebilir) Erime noktası çok düşük olduğu için yüksek sıcaklık uygulamaları için uygun değildir Ana alaşım elementleri bakır, çinko, magnezyum, mangan ve silisyumdur Özgül dayanımları çelikten daha iyidir
Magnezyum ve Alaşımları: DEMİR DIŞI ALAŞIMLAR Magnezyumun en önemli özelliği yapı elemanları içinde en düşük yoğunluğa sahip olmasıdır (1,7g/cm 3 ) Nispeten yumuşak ve düşük elastiklik modülüne sahiptir Alüminyum, mangan, çinko ve bazı nadir toprak elementleri ana alaşım elementi olarak kullanılır Uçak ve roket parçalarında, bavul ve bagaj gibi uygulamalarda tercih edilir Son yıllarda daha düşük yoğunlukta olmaları, katı olmaları, daha kolay geri dönüştürülebilmeleri ve daha düşük maliyetle üretilebilmeleri nedeniyle, birçok uygulamada plastiklerin yerini aldıkları görülmektedir
Titanyum ve Alaşımları: DEMİR DIŞI ALAŞIMLAR Çekme, akma dayanımı ve özgül dayanımı oldukça iyidir Sünek olduğu için kolayca şekillendirilebilir, ayrıca talaşlı imalata uygundur Yüksek sürünme özelliklerinden dolayı yüksek sıcaklık uygulamalarında tercih edilir Al, Sn, V, Mo genellikle kullanılan alaşım elementleridir Korozyon dirençleri çok iyidir Yüksek sıcaklıklarda imalat sırasında reaktif olduklarından özel imalat yöntemleri gerektirirler Üretim maliyetleri yüksektir
Refrakter Metaller: DEMİR DIŞI ALAŞIMLAR Ergime sıcaklıkları çok yüksektir Niyobyum (Nb), molibden (Mo), tungsten (veya wolfram) (W) ve tantal (Ta) refrakter metallerdir En düşük ergime sıcaklığı 2468 C (Nb), en yüksek ergime sıcaklığı 3410 C (W) dir Elastiklik modülü yüksek, dayanımı oldukça iyidir Yüksek sıcaklıklarda dahi sertlik değerleri yüksektir Ta ve Mo paslanmaz çeliklerin korozyon direncini arttırmak için eklenir Mo W Ta Ekstrüzyon kalıplarında uzay araçlarının bazı parçalarında, elektrik ampul flamanlarında, x-ışını tüplerinde, kaynak elektrotlarında Yüksek korozyon direnci istenen uygulamalarda
Süper Alaşımlar: DEMİR DIŞI ALAŞIMLAR Yüksek sıcaklıklara ve bu sıcaklıklardaki aşırı oksitlenmeye dirençlidirler Yoğunlukları düşüktür Demir-nikel esaslı, nikel esaslı ve kobalt esaslı olmak üzere sınıflandırılırlar Nb, Mo, W ve Ta gibi refrakter metaller ile alaşımlandırılırlar Bu özelliklerinden dolayı jet türbinleri ve nükleer reaktörlere ait bazı parça imalatında ve petro-kimya rafinerilerinde kullanılırlar
METALLERE UYGULANAN İMALAT YÖNTEMLERİ
METALLERE UYGULANAN İMALAT YÖNTEMLERİ Arındırma Alaşımlama Isıl İşlemler İmalat Yöntemleri Plastik şekil verme Döküm Toz metalürjisi Kaynakla birleştirme Talaşlı imalat
PLASTİK ŞEKİL VERME YÖNTEMLERİ Sıcak şekil değiştirme: Yeniden kristalleşme sıcaklığı üzerinde gerçekleşir Büyük şekil değişimleri elde edilebilir Tekrar tekrar işlem yapılabilir Yüksek sıcaklıklarda metallerin çoğu korozyona uğrar Soğuk şekil değiştirme: Ergime sıcaklığının %30 altında yapılan işlemlere denir Sıcak şekillendirmeye göre enerji maliyetleri daha yüksektir Daha iyi yüzey görünümü, daha hassas boyut toleransı ve daha iyi mekanik dayanım elde edilebilir
PLASTİK ŞEKİL VERME YÖNTEMLERİ
PLASTİK ŞEKİL VERME YÖNTEMLERİ Dövme: Şekillendirme işlemi ardı ardına gerçekleştirilen vuruşlar ya da sürekli basınç uygulama ile sıkıştırılarak gerçekleştirilir Kapalı kalıpta dövme ile iki veya daha fazla parçadan oluşan kalıplar vasıtası ile kuvvet uygulanır Açık kalıpla dövmede, basit şekilli değişik şekilli kalıp çiftleri arasında metal ezilerek şekillendirilir Büyük parçaların kademeli olarak dövülmesinde kullanılır
PLASTİK ŞEKİL VERME YÖNTEMLERİ Haddeleme: En çok kullanılan metal şekillendirme yöntemidir Metal iki merdane arasında ezilerek kalınlığı merdaneler arası boşluk seviyesine düşürülür Sac, levha veya folyo gibi yassı ürünler soğuk haddeleme ile üretilir Yuvarlak kesitli metaller, I-profiller ve tren rayları üzerinde uygun oluklar işlenmiş merdaneler kullanılarak üretilirler
PLASTİK ŞEKİL VERME YÖNTEMLERİ Ekstrüzyon: Kovan içine yerleştirilmiş bir metale basma gerilmeleri uygulanarak, metalin kalıp deliğinden kesit alanını küçülterek geçmesi sağlanır Kuvvet bir piston yardımı ile uygulanır Bu yöntem ile çubuklar, dikişsiz borular, tüpler ve değişik kesit geometrisine sahip profiller üretilebilir
PLASTİK ŞEKİL VERME YÖNTEMLERİ Çubuk Çekme: Bir metalin ürün kesitine sahip kalıp deliğinden küçültülerek çekilmesiyle gerçekleştirilir Konik şekildeki kalıbın çıkış tarafındaki malzemenin ucundan tutularak çekme kuvveti uygulanır Kesit küçülmesi sonucu malzemenin boyu uzar Çubuk, tel, bazı tüp ve borular bu yöntem ile üretilir
DÖKÜM Ergimiş durumdaki metalin istenen geometride boşluğa sahip olan bir kalıp içine dökülür ve burada katılaşır Katılaşma sonrasında parça kalıbın şeklini alır ve hacmi kalıp boşluğuna göre bir miktar küçülür Kum Kalıba Döküm: Basınçlı Döküm: Ergimiş metal kumdan kalıbın içine dökülür. Kalıp kumdan hazırlandığı için bu adı alır. Alt ve üst kalıp parçası kapatılarak içeriye yolluk sistemi ile ergimiş metal akıtılır ve soğutulur. Motor gövdeleri, yangın vanaları, büyük boru tesisat armatürleri bu yöntem ile üretilir. Sıvı metal basınç yardımıyla ve nispeten yüksek hızlarla kalıp içerisine akmaya zorlanır. Kalıplar basınç kullanıldığı için kokil adı verilen iki parça çelikten oluşur. Tek bir kalıp seti binlerce parça üretiminde kullanılabilir. Düşük ergime sıcaklığına sahip alaşımlar ve küçük parça imalatı için uygundur.
Hassas Döküm: DÖKÜM Model mum veya plastik gibi düşük sıcaklıklarda eriyen malzemelerden yapılır. Mumun etrafına dökülen gevşek malzeme (genelde alçı veya seramik) model etrafında katılaştırılarak, içerideki malzeme eritilerek dışarı atılır. Böylece kalıbın içindeki boşluk parça imalatına hazır hale gelir. Kuyumculuk sektöründe, dişçilikte dolgu ve kaplama imalatında, gaz türbinlerinde ve jet motorlarının yanma odalarında kullanılan kanatçıklar bu yöntem ile üretilir. Strafor Modelli Kalıba Döküm: Polisitiren adı verilen köpük malzemesi istenen şekilde hazırlanır. Hazırlanan model kum ile sıkıştırılarak şekli alması sağlanır. Daha sonra metal dökülüp, köpüğün yanıp yok olması sağlanır ve kum kalıp kırılarak imalat tamamlanır. Bu yöntemle karmaşık şekilli malzemeler, ekonomik olarak üretilebilir. Araç motor blokları, motor silindir kafaları, araç krank milleri, deniz motor gövdeleri ile elektrik motor gövdeleri bu yöntemle üretilir.
Sürekli Döküm: DÖKÜM Sıvı metal büyük ingot kalıplar içerisine dökülerek katılaştırılır. Katılaşma sonrasında haddeleme işlemi ile hammadde dikdörtgen veya kare kütüklere dönüştürülür. Bununla birlikte ingot şekline göre silindir üretimler de yapmak mümkündür. Bu yöntemde kimyasal bileşim ve mekanik özelliklerin kesit boyunca dağılımı oldukça homojendir.
Toz Metalurjisi (Sinterleme): DİĞER YÖNTEMLER Metal veya alaşım tozların istenen şekle uygun kalıp içine yerleştirilip, yüksek basınç ile sıkıştırılır ve ısıl işlem uygulanarak yoğunluğun arttırılması sağlanır. Sinterleme teknolojisi ile neredeyse hiç boşluk (porozite) içermeyen ve tam yoğunluğa sahip, ana malzemenin tüm özelliklerini sağlayan üretimler yapmak mümkündür. Düşük sünekliğe sahip metaller için uygundur. Kaynakla Birleştirme: Bir parçanın bütün imalatının uygun olmadığı veya masraflı olduğu durumlarda iki veya daha çok metal parçaların birleştirilerek tek parça haline getirilmesi yöntemidir. Hem aynı hem farklı metaller kaynak ile birleştirilebilir. Ark kaynağı, yanıcı gaz kaynağı, sert lehimleme ve yumuşak lehimleme gibi bir çok türü mevcuttur.
10. DERSİN SONU