MMT440 Çeliklerin Isıl İşlemi 1 Isıl İşlem Yöntemlerinin Sınıflandırılması ve Tanımlanması Yrd. Doç. Dr. Ersoy Erişir 2011-2012 Bahar Yarıyılı
TS EN 10020 Standardına göre çelikler TS EN 10020 ye göre çelik kütlece bütün diğer elementlerin her birinden daha fazla demir içeren, karbon oranı % 2 den daha düşük olan, başka elementler de içeren malzemelerdir. I. Alaşımsız çelikler I.A. Alaşımsız kaliteli çelikler I.B. Alaşımsız özel çelikler II. Paslanmaz çelikler III. Diğer alaşımlı çelikler III.A. Alaşımlı kalite çelikleri III.A. Alaşımlı özel çelikleri TS EN 10020 Standardına göre çelikler 2
Bunun dışında çelikler özelliklerine, kullanım alanlarına veya üretim yöntemlerine göre sınıflara ayrılabilir. Özelliklere göre Korozyona dayanıklı Yüksek sıcaklığa dayanıklı Üretim yöntemlerine göre Sementasyon çelikleri Otomat çelikleri Kullanım yerlerine göre Yay çelikleri Takım çelikleri Çelikler özelliklerine, kullanım alanlarına veya üretim yöntemlerine 3
I. Alaşımsız çelikler I.A. Alaşımsız kaliteli çelikler I.B. Alaşımsız özel çelikler Belirtilmiş Element Sınır Değer (Kütlece %) Belirtilmiş Element Sınır Değer (Kütlece %) Belirtilmiş Element Sınır Değer (Kütlece %) Al Alüminyum B Bor Bi Bizmut Co Kobalt Cr Krom Cu Bakır La Lantanitler (her biri) 0,30 0,0008 0,10 0,30 0,30 0,40 0,10 Mn Mangan Mo Molibden Nb Niyobyum Ni Nikel Pb Kurşun Se Selenyum Si Silisyum Te Tellür 1,65 a) 0,08 0,06 0,30 0,40 0,10 0,60 0,10 Ti Titan V Vanadyum W Tungsten Zr Zirkonyum Diğerleri (Karbon, fosfor, kükürt, azot hariç) 0,05 0,10 0,30 0,05 0,10 a) Manganın yalnızca maksimum olarak belirtildiği yerlerde sınır değer % 1,80 dir ve % 70 kuralı uygulanmaz. Alaşımsız çelikler 4
II. Paslanmaz çelikler % 10,5 Cr % 1,2 C Alt sınıflara ayrılabilir; - Nikel içeriğine (Ni % 2,5 den az ve Ni % 2,5 den çok) göre - Ana özelliğine göre korozyona dayanımı yüksek sıcaklığa dayanım ve sürünme dayanımı Paslanmaz çelikler 5
III. Diğer alaşımlı çelikler III.A. Alaşımlı kalite çelikleri (Sertleştirme yada yüzey sertleştirme ön görülmemiş) Kaynaklanabilir ince taneli çelikler Ray çelikleri Sıcak ve soğuk haddelenmiş yassı ürün çelikleri III.A. Alaşımlı kalite çelikleri (Belirli bir özellik doğrultusunda tasarlanmış) Basınçlı kap çelikleri Rulman çelikleri Takım çelikleri Yüksek hız çelikleri Alaşımlı çelikler 6
Yapı çelikleri TS EN 10025 Belirli mekanik özelliklere ve kaynaklanabilirliğe sahip çeliklerdir. S235 Basınç amaçlı, ince taneli çelikler TS EN 10028 Yapı çeliklerine benzer şekilde tanımlanırlar. Ancak özellikle ince taneli olarak üretilirler (B, Ti, Ta, Nb). P275NH (P... NH) yüksek sıcaklık kalitesi Su verilmiş ve temperlenmiş çelikler (Islah çelikleri) TS EN 10083 Kimyasal bileşimleri sertleştirmeye uygun ve sertleştirilmiş durumda yeterli tokluğa sahip çeliklerdir. Makina parçaları bu çeliklerden üretilir. 42CrMo4 (1.7225) Sementasyon çelikleri TS EN 10084 Sementasyon sonrası sertleştirilmesi düşünülen düşük karbonlu çeliklerdir. Merkezde tok ve yüzeyde sert çeliklerdir. 16MnCr5 (1.7131), C10 Önemli çelik grupları - 1 7
Paslanmaz çelikler TS EN 10088 Paslanmazlık özelliği gösteren çelikleridir. Mikroyapısına göre, ferritik, martenzitik, çökelti sertleşen, östenitik, ferritik-östenitik (dubleks) şeklinde sınıflandırılabilir. X5CrNi18-10 (1.4301), östenitik paslanmaz çelik Takım çelikleri TS EN ISO 4957 Takım çelikleri malzemeleri şekillendirme ve kesmede kullanılan özel çeliklerdir. özelliği gösteren çeliklerdir. Bu çeliklerden yüksek sertlik, yüksek aşınma direnci ve tokluk gibi özellikler beklenir. - Soğuk iş takım çelikleri Yüzey sıcaklığı 200 ºC nin altındaki sıcaklıklarda kullanılır. - Sıcak iş takım çelikleri Yüzey sıcaklığı 200 ºC nin altındaki sıcaklıklarda kullanılır. - Yüksek hız takım çelikleri Bu çeliklerin kimyasal bileşimleri ikincil sertlik gösterecek şekilde tasarlanır. Çalışma sıcaklıkları 600 ºC ye kadar yükselebilir. Önemli çelik grupları - 2 8
Ana kalite sınıfına göre: Temel Çelikler Kaliteli Çelikler Özel Çelikler Garanti konusuna göre: Kimyasal bileşimine göre Dayanç değerlerine göre Isıl işlem durumuna göre Alaşımsız çelikler (Düşük-) alaşımlı çelikler (Yüksek-) alaşımlı çelikler (Avrupa standardı EN 10020 ye göre sadece alaşımsız ve alaşımlı) Yapı çelikleri Eskiden çekme dayancına göre, Akma sınırına göre (günümüzde) İnce taneli yapı çelikleri akma dayancına göre Çelik boru çekme dayancına veya akma sınırına göre Sementasyon çelikleri Islah çelikleri Takım çelikleri Kullanım özelliklerine göre İnce plakalar Beton çelikleri Otomat çelikleri Soğukta tok çelikler Yüksek sıcaklıkta dayançlı çelikler Isıya dirençli çelikler Çelikler DIN EN 10027 ye göre 9
xx nnn aa Ana Sembol Özellik Ek S Çelik yapı çelikleri Minimum akma dayancı N: Normalize edilmiş P Basınçlı kap çelikleri L Boru hattı çelikleri E Makine imalat çelikleri B Beton çelikleri Y Gerilim çelikleri R Ray çelikleri H Soğuk haddelenmiş yassı ürün D şekillendirilebilir yassı ürün G Çelik döküm Örnek S235J0W Minimum akma dayancı Minimum akma dayancı Minimum akma dayancı Minimum akma dayancı Minimum akma dayancı Minimum akma dayancı Minimum akma dayancı C: soğuk haddelenmiş D: soğuk şekillendirme için X: haddeleme tipi verilmemiş Minimum akma dayancı En düşük 235 MPa akma dayanımı ile birlikte 0 ºC de 27 Joule darbe dayanımı olan ve hava etkilerine dayanıklı yapı çeliği M: Termomekanik haddelenmiş +U: İşlem görmemiş-haddeleme durumu W: Hava etkilerine dayanıklı C: Özellikle soğuk şekillendirilebilir +S: Soğuk kesilebilirliğe işlenmiş S: Gemi yapımı için +Q: Su verilmiş veya sertleştirilmiş Q: Islah edilmiş QA: Havada ıslah edilmiş QL: Sıvı içinde ıslah edilmiş H: Yüksek sıcaklık için (Yüksek sıcaktaki dayanç garantili) J: Oda ve düşük sıcaklıklar için tabloya bakınız Joule = tüketilen çentik darbe enerjisi K: Oda ve düşük sıcaklıklar için tabloya bakınız L:Oda ve düşük sıcaklıklar için tabloya bakınız (ince taneli yapı çelikleri hariç) G: Diğer kaliteler --G veya G1, G2, G3 Aynı cins malzeme tipleri ayırabilmek için (örneğe bakınız) DIN EN 10027 ye göre çelikler 10
Örnek : C60 (EN 10083-1) % karbon x 100 %0,6 karbonlu alaşımsız bir asil çelik Alaşım tanım sayısını Elementlerin kimyasal sembolü oluşturmak için kullanılan çarpım faktörü 4 Co, Cr, Mn, Ni, Si, W 10 Al, Be, Cu, Mo, Ta, Zr, Nb, Ti, V, Pb 100 C, N, P, S 1000 Bor (B) Düşük alaşımlı çelikler 11
Çelik gösterimi Eski Yeni - DIN EN 10 084 e göre alaşımsız sementasyon çeliği Alaşımsız karbon çeliği için işaret Karbon oranı % 1/100 C 10 C10 - DIN EN 10 084 e göre alaşımlı sementasyon çeliği Karbon oranı % 1/100 Alaşım elementleri (mangan ve krom) Alaşım tanımlama sayısı (Mn % 1.25, Cr % 1,25) 16 MnCr 5 16MnCr5 - DIN EN 10 083 e göre alaşımsız ıslah çeliği Alaşımsız karbon çeliği için işaret Karbon oranı % 1/100 C 22 C22 - DIN EN 10 083 kısım 1 e göre alaşımlı ıslah çeliği Karbon oranı % 1/100 Alaşım elementleri (krom ve molibden) Alaşım tanımlama sayısı (Cr % 1; Mo için tanımlama sayısı verilmemiştir). 34 CrMo 4 34CrMo4 Isıl işlem imkanlarına göre adlandırma 12
Isıl işlemler ile ilgili kodlar 13
Peritektik (1493 ºC) a) a) Sınırlı demir-karbon sistemi. b) Oluşan reaksiyonlar ve faz oranları (kütle-%) % C H 0.1 I 0.16 B 0.5 Ötektik Metastabil (1147 ºC) Stabil (1153 ºC) % C E 2.06 C 4.3 F 6.67 Ötektoid Metastabil (723 ºC) Stabil (738 ºC) % C P 0.02 S 0.8 K 6.67 b) 14
İsim % C Ötektoid-altı Çelikler 0 0,80 Ötektoid Çelikler 0,80 Ötektoid-üstü Çelikler 0,80 2,06 Ötektik altı Dökme Demirler 2,06 4,3 Ötektik Dökme Demirler 4,3 Ötektik üstü Dökme Demirler 4,3 6,67 Ötektik ve ötektoid denge konumuna göre demir-karbon alaşımları 15
Ferrit % 0,10 C % 0,16 C % 0,25 C % 0,35 C % 0,45 C % 0,60 C % 0,85 C Ötektoid altı ve ötektoid mikroyapılar 16
% 1,1 % 1,15 C % 1,3 C takım çeliği % 1,5 % 1,31 C % 1,61 C hızlı soğuma Ötektoid üstü mikroyapılar 17
Widmanstaetten ferrit Normalize edilmiş F-P mikroyapı % 0,28 C döküm çelik Çelik mikroyapıları % 0,28 C döküm çelik 18
Haddelenmiş F-P mikroyapı Haddelenmiş+Normalize edilmiş F-P mikroyapı % 0,25 C sac çelik Çelik mikroyapıları % 0,25 C lu çelik 19
Östenit Östenit %18 Cr % 8 Ni %12 Mn Çelik mikroyapıları Alaşımlı çelikler 20
Perlit % 0,85 C Sorbit % 0,85 C Troostit % 0,85 C Martenzit % 0,85 C Perlit ve denge dışı mikroyapılar 21
Primer (birincil) mikroyapı: katılaşma sırasında oluşur. Primer yapıyı karakterize etmek için: - İkincil dendritler arası mesafe ölçümü yapılır Sekonder (ikincil) mikroyapı: soğuma, deformasyon ve ısıl işlemler sırasında oluşur. Sekonder yapıyı karakterize etmek için: - Mikroyapıyı oluşturan fazların hacimsel miktarları (ferrit, perlit,...) - Fazların dağılımı (ısılatma tipi, matriks karakteri) - Fazların şekli (en-boy oranı) - Fazların boyutu (tane boyutu, hücre boyutu, lamellar arası mesafe,...) - Oryentasyon Mikroyapı ile ilgili parametreler ve tanımlar Kaynak: Bleck, 2008 22
Tane boyutu d : Östenit d Fe : Ferrit d BL : Blok d PA : Paket d CO : Koloni d LA : Lata l : Lameller arası mesafe Karbür Hacimsel miktarı, boyutu, yöresi Östenit d Ferrit d Fe Perlit Beynit Martenzit l d CO d BL d FeC 3 LA d PA Üst beynit Alt beynit d LA d PA d BL Fe-C alaşımlarında faz ve mikroyapılara ait parametreler Kaynak: Bleck, 2008 23
Primer döküm yapısı Kaynak: Bleck, 2008 24
Perlit Kaynak: Bleck, 2008 25
Kaba taneler yaklaşık 60 µm İnce taneler yaklaşık 20 µm Ferritik-perlitik mikroyapı Kaynak: Bleck, 2008 26
Martenzit Kaynak: Bleck, 2008 27
Önceki östenit tane sınırları Kaynak: Bleck, 2008 28
Widmanstaetten ferrit Kaynak: Bleck, 2008 29
Çelik tipi Parametreler Fazlar Tek faz (Düşük karbonlu çelik) a - Tane boyutu - Tane şekli a = ferrit İki faz (Dual fazlı çelik) a a - Tane boyutları - Hacimsel miktar - Yöresel kimyasal bileşim a = ferrit a = martenzit İki faz (Dupleks çeliği) a - Tane boyutları - Hacimsel miktar - Yöresel kimyasal bileşim a = ferrit = östenit Çok fazlı (TRIP çeliği) a B R a - Tane boyutları - Hacimsel miktar - Yöresel kimyasal bileşim - Faz stabilitesi a = ferrit a B = beynit = kalıntı östenit R Çeliklerin mikroyapılarına göre sınıflandırılması Bleck, 2006 30
Birim yüzey alanındaki (1 mm 2 ) tane sayısı m ASTM tane boyutu Ortalama tane boyutu, mm Ortalama tane yüzey alanı, mm 2 Ortalama değer üzerinde altında Tane boyutu ile ilgili parametreler Kaynak: Bleck, 2008 31
Sülfürler, Uzamış şekilde (Mangan sülfür) Oksitler, dağılmış şekilde (Aluminyum oksit) Oksitler, küresel şekilde (Silisyum oksit) Çeliklerde düşük mikroyapısal temizlik örnekleri Kaynak: Bleck, 2008 32
TS 3868 ISO 4967 / DIN 50062 ye göre kalıntıların değerlendirilmesi SS Sülfür, Uzamış şekilde OA Oksit, dağılmış şekilde (Aluminyum oksit) OS Oksit, uzamış şekilde (Silikat) OG Oksit, Küresel şekilde M yöntemi: Belirli bir ölçüm alanında (200 mm2) en büyük boyutlu kalıntının ölçülmesi [örn: OG=8.8; SS=1.4] K yöntemi: Belirli bir ölçüm alanında (1000 mm 2 ) belirli bir boyuttaki ve üstündeki kalıntıların sayılması [örn: OG=40; SS=26] Metalik olmayan kalıntıların belirlenmesi Kaynak: Bleck, 2008 33
Bir entegre çelik tesisinde üretim akışı 34
Amaç Mekanizma Homojenleştirme Yumuşatma Gerilim giderme Sertleştirme Tokluk arttırma Bir kimyasal elementi emdirme Bir kimyasal elementi uzaklaştırma Alaşım elementlerinin difüzyonu Kafes hatalarını, tane büyümesi ve çökelti kabalaşması oluşturarak mikroyapıyı değiştirmek İç gerilmeleri yapılandırma Mekanik yüklenme sırasında kayma oluşumunu Engelleyemek amacıyla mikroyapıyı değiştirmek Çatlak oluşumunu güçleştirmek ve çatlak ilerlemesini yavaşlatmak amacıyla mikroyapıyı değiştirmek Yüzeyden içeri difüzyon Yüzeyden difüzyon, çökelti oluşturmak Isıl işlem yoluyla mekanik ve kimyasal özelliklerin değiştirilmesi 35
Tavlama Temperleme Menevişleme Sertleştirme Termokimyasal işlemler Termomekanik işlemler Toparlanma tavlaması Rekristalizasyon tavlaması Yumuşatma tavlaması Küreselleştirme tavlaması < 200 C nin altında temperleme 500-600 C de temperleme =Temperleme ve su verme Gerinmesiz temperleme Tam kesitte sertleştirme Yüzey sertleştirme Sementasyon Sertleştirme gerektirmeyenler: Sülfürleme Oksitleme Nitrürleme Nitrokarbürleme Sertleştirme gerektirenler: Sıcak deformasyon Yarı sıcak deformasyon Normalizasyon tavlaması Sementasyon Patentieren Karbonitrürleme Patentleme Kaba tane tavlaması Bazen sertleştirme gerektirenler: Borürleme Difüzyon tavlaması Kromlama Stahl-Informations-Zentrum Merkblatt 450 36 Çeliğin ısıl işlemleri
Sıcaklık Set sıcaklığı Yüzey Merkez Yüzey Merkez Yüzey-merkez sıcaklık farkı Sıcaklığın eşitlenme süresi Ön ısıtma süresi Bekleme süresi Soğuma süresi Sıcaklığın eşitlenme süresi Toplam ısıtma süresi Süre Bir ısıl işlem sırasında sıcaklık-süre değişimi ve karakteristik büyüklükler Bleck, 2008 37
Sıcaklık, C 1600 1600 L + d 1536 1500 d L 1500 A d + 4 1392 1400 L + 1300 1300 Tavlama renkleri Sarımtrak beyaz A 3 A 2 A 1 1200 Difüzyon tavlaması 1200 Açık sarı 1147 1100 1100 Sarı Kaba tane 1000 tavlaması 1000 A 911 cm Sarı-kırmızı + Fe 3 C 900 Açık kırmızı 769 800 +a Kiraz kırmızı 723 Yumuşatma tavlaması 700 700 Koyu kırmızı a 600 Gerilim giderme tavlaması Kahverengimsi kırmızı 600 500 Yeniden kristallenme tavlaması 500 Koyu kahverengi 400 a + Fe 3 C 400 300 300 M s 200 200 Ötektoid altı Ötektoid üstü çelik çelik 100 100 Temper renkleri Gri Mavimsi gri Açık mavi Mavi Mor Kırmızı Sarı-kahverengi Saman sarısı 20 20 0 0.5 0.8 1 1.5 2 Karbon miktarı, kütle-% Bleck, 2008 38 Fe-C alaşımlarında tavlama sıcaklık aralıkları
Isıl işlemler genellikle 3 e ayrılır; Tavlama Temperleme Sertleştirme Tavlamada genellikle bir proses özelliğini (talaş kaldırma, soğuk şekillendirme gibi) iyileştirmek için mikroyapısal değişiklikler amaçlanır. Sertleştirme ve temperlemede kullanım özellikleri (Sertlik, tokluk, aşınma gibi) optimize edilir. Aşağıda verilen mekanizmalardan faydalanıyoruz; Mikroyapısal bileşenlerin boyutu, şekli ve dağılımı değiştirilir (Kaba tane tavlaması, yumuşatma tavlaması gibi), İç gerilmelerin yapılandırılması ve dağılımlarının değiştirilmesi (Gerilim giderme tavlaması, temperleme gibi), Denge koşullarında yada denge dışı koşullarda mikroyapısal bileşenlerin dönüşümü (Normalizasyon tavlaması, sertleştirme gibi) Bir ısıl işlem sırasında sıcaklık-süre değişimi ve karakteristik büyüklükler Bleck, 2008 39