Paslanmaz çeliklerle çalis mak dswsdddssda 8e yazan Pierre-Jean Cunat by Pierre-Jean Cunat ISBN 978-2-87997-181-0 978-2-87997-186-5 Diamant Building Bd A. Reyers 80 1030 Brussels Belgium Tel. +32 2 706 82 67 Fax -69 e-mail info@euro-inox.org www.euro-inox.org Materials and Series,Cilt Volume 2 Malzemeler ve Applications Kullanımları Serisi, 2
yazan Pierre-Jean CUNAT I
Euro Inox Euro Inox, paslanmaz çelik için Avrupa pazarını geliştirme birliğidir. Euro Inox un üyeleri arasında şunlar bulunmaktadır: Avrupadaki paslanmaz çelik üreticileri Ulusal paslanmaz çelik geliştirme birlikleri Alaşım elementi endüstrilerini geliştirme birlikleri. Euro Inox un öncelikli hedefi, paslanmaz çeliklerin eşsiz özellikleri hakkındaki bilinci oluşturmak ve paslanmaz çeliklerin hem mevcut uygulamalardaki hem de yeni pazarlardaki kullanımını daha ileri götürmektir. Bu amaç doğrultusunda Euro Inox, mimarların, tasarımcıların, uzmanların, imalatçıların ve son kullanıcıların malzemeyi daha iyi tanıyabilmeleri için konferanslar ve seminerler organize etmekte, basılı ve elektronik formatta kılavuzlar yayımlamaktadır. Euro Inox ayrıca teknik araştırmaları ve pazar araştırmalarını da desteklemektedir. Telif hakkı uyarısı Bu çalışma telif haklarına tabidir. Euro Inox, herhangi bir dilde çeviri, yeniden basım, resimlerin, ifadelerin ve yayımın yeniden kullanımı konusundaki bütün hakları elinde tutmaktadır. Bu yayımın hiçbir kısmı, telif hakkı sahibi olan Euro Inox, Lüksemburg un yazılı izni olmaksızın yeniden üretilemez, bilgi deposunda saklanamaz ve hiçbir şekilde elektronik, mekanik, fotokopi, kayıt veya diğer yöntemlerle herhangi bir biçime aktarılamaz. İhlaller, ihlalden kaynaklanan maddi zararların yanı sıra maliyetlerin karşılanması ve avukatlık ücretlerini de dâhil edecek biçimde Fransız ve/veya Lüksemburg telif hakları yasası kapsamında yasal işleme tabi tutulacaktır. Pierre-Jean CUNAT, Fransız telif hakları yasasına ait 11 Mart 1957, 3 Temmuz 1985 ve aşağıdaki: Art. L121-1 ila L121-9, Art. L122-1 ila L122-12, Art. L123-1 ila L123-12 kanun ve tüzükler kapsamında işbu çalışmanın yazarı olarak tanımlanmaktadır. Tam üyeler Acciai Speciali Terni www.acciaiterni.it Acerinox www.acerinox.com Aperam www.aperam.com Outokumpu www.outokumpu.com Ortak üyeler Acroni www.acroni.si British Stainless Steel Association (BSSA) www.bssa.org.uk Cedinox www.cedinox.es Centro Inox www.centroinox.it ConstruirAcier www.construiracier.fr Industeel www.industeel.info Informationsstelle Edelstahl Rostfrei www.edelstahl-rostfrei.de International Chromium Development Association (ICDA) www.icdacr.com International Molybdenum Association (IMOA) www.imoa.info Nickel Institute www.nickelinstitute.org Paslanmaz Çelik Derneği (PASDER) www.turkpasder.com Stowarzyszenie Stal Nierdzewna www.stalenierdzewne.pl SWISS INOX www.swissinox.ch
Paslanmaz çeliklerle çalışmak Birinci Baskı 2013 ISBN 978-2-87997-186-5 EDP Sciences ve Euro Inox 2013 İngilizce çeviri ISBN 978-2-87997-181-0 Flemenkçe çeviri ISBN 978-2-87997-182-7 Lehçe çeviri ISBN 978-2-87997-185-8 Yayımcı EDP Sciences 17 avenue du Hoggar P.A. de Courtaboeuf BP112 91944 Les Ulis Cedex A France Tel.:+33 1 69 18 17 62 / Fax: + 33 1 69 86 07 65 www.edpsciences.org Euro Inox Tescil Edilmiş Merkezi: 21 st Century Building 19, rue de Bitbourg 1273 Luxemburg, Lüksemburg Büyük Dükalığı Tel.: +352 26 10 30 50 Fax: +352 26 10 30 51 Yönetim Ofisi: Diamant Building, Bd. A. Reyers 80 1030 Brussels, Belçika Tel.: +32 2 706 82 67 Fax: +32 2 706 82 69 info@euro-inox.org www.euro-inox.org Yazan ve koordine eden Pierre-Jean Cunat, Joinville- Le-Pont (France), Destekleyen kurum: Compagnons du Devoir du Tour de France Türkçe çeviri Dr. Caner Batıgün ODTÜ Kaynak Teknolojisi ve Tahribatsız Muayene Araştırma/Uygulama Merkezi, Ankara, Türkiye İçindekiler Giriş Önsöz 1. Paslanmaz çelikler 1.1 Korozyon biçimleri 1.2 Paslanmaz çelik ailesi 1.3 Paslanmaz çelik kalitesinin seçilmesi 1.4 Isıl İşlem 1.5 Ticari olarak bulunabilir paslanmaz çelik mamuller 2. Paslanmaz çeliklerle çalışmak 2.1 Kesme Termik kesme 2.2 Mekanik işleme 2.3 Soğuk şekillendirme 2.4 Sıcak şekillendirme 3. Birleştirme işlemleri 3.1 Kaynak 3.2 Sert lehimleme ve yumuşak lehimleme 3.3 Yapıştırma 3.4 Mekanik birleştirme 4. Yüzey durumu 4.1 Yüzeyin karakterizasyonu 4.2 Yüzey hazırlığı ve işlemleri 5. Testler ve muayeneler 5.1 Metalürjik testler ve muayeneler 5.2 Mekanik testler 6. Ekler 6.1 Paslanmaz çeliklerin fiziksel ve kimyasal özellikleri 6.2 Paslanmaz çeliklerin tanımlanması ve gösterimi 6.3 Dizin, akronim ve kısaltmalar 6.4 Resimlere ait referans liste ve atıflar dizini 6.5 Bibliyografik referanslar Bildirim EDP Sciences ve Euro Inox bu kitapta verilmekte olan bilgilerin teknik açıdan doğru olduğunu temin etmek için her türlü çabayı göstermiştir. Fakat, okuyucuların burada mevcut materyali sadece genel bilgi amaçlı olarak algılaması tavsiye edilmektedir. EDP Sciences yayın hakemleri, Euro Inox üyeleri ve çevirmen işbu kitap içerisinde sunulan bilgilerin kullanımı sonucunda meydana gelecek herhangi bir kayıp, hasar veya yaralanmaya bağlı hiçbir yükümlülük veya sorumluluk kabul etmeyeceklerini özellikle bildirirler. 1
Gözden geçirilmiş baskıya ait giriş Kuşku yoktur ki, demir ve onunla çalışma tarzı, insanlığın doğaya karşı üstün gelmesinde ve gücünü artırmasında önemli bir rol oynamıştır. Genelde yaygın olan düşünce, Hititler ve Kafkasya halklarının M.Ö. 1700 lere uzanan geçmişte, hematitten demir çıkartmayı bilmekte oldukları şeklindedir. Bununla birlikte, esasen demir ve karbon alaşımı olan dökme demir M.S. 1300 lerden önce ortaya çıkmamışken, çeliğin endüstriyel anlamda üretimi sadece XIX. yüzyılda gerçekten önem kazanmaya başlamıştır. Günümüzde çelik, ağır sanayide iyi tanınıp yaygın kullanılıyor olmasına rağmen, küçük ve orta ölçekli girişimcilerde ve küçük atölyelerde halen daha bilgi ve uzmanlık eksiklikleri mevcuttur. İşte bu ihtiyacı karşılamak amacıyla 1998 yılında Çelikle çalışmak ustalar ve teknisyenler için bir kılavuz isimli el kitabı yayımlanmıştır. Paslanmaz çeliklerin tarihçesi ise daha yakın zamanlı olup, endüstriyel anlamdaki ilk gelişmeler yaklaşık 1910 tarihlidir. Bu tarihten itibaren, paslanmaz çelikler olağanüstü korozyon dirençleri, çekici görünüşleri ve yüzey durumlarının dayanıklı olması bakımlarından iyice tanınmışlardır. Yine de, korozyon ve oksitlenme direncinin dahil olduğu sadece paslanmaz çeliklerin kendine özgü problemleri hakkında değil, yapı malzemesi olarak kullanılmaları için gerekli diğer bütün karakteristik özellikleriyle birlikte yüksek sıcaklıktaki mekanik dayançları, fakat özellikle de çeşitli soğuk ve sıcak şekillendirme teknikleri ve farklı birleştirme metotlarıyla işlem görebilme kapasiteleri hakkında daha detaylı bilgiye duyulan ihtiyaç sürmektedir. Halihazırda kitap içerisinde de bahsedildiği gibi, Paslanmaz çeliklerle çalışmak bu malzemelerle ilgili genel anlamda temel bir bilgiyle beraber, seçim ve uygulamalar için gereken temel teknik bilgiyi sağlamayı amaçlamakta ve bilginin kolay ulaşılabilir ve pratik tarzda sunulmasına çaba göstermektedir. Son olarak bu yayım, Société d Ingénierie, de Recherce, de Prospective et d Edition genel müdürü Roger Drouhin in ( ) bilirkişiliği ve gayretleri olmadan gerçekleşemezdi. Paslanmaz çeliklerle çalışmak el kitabı, bu örnek işbirliğinin sonucu olup kuşkusuz belirlenen hedefe ulaşacaktır. Pierre-Jean CUNAT 2
Önsöz Paslanmaz çeliklerin erken tarihçesi, kroma ve bu metalin 1797 de keşfedilmesinde öncülük eden Fransız kimyacı Nicolas Louis Vauquelin in (1763-1829) çalışmalarına dayanmaktadır. Demir-krom alaşımlarının paslanmaz özellikleri ilk önce Berthier tarafından 1821 de gözlenmiştir. Bununla birlikte, demir-krom alaşımları üzerindeki ilk sistematik çalışmalar Fransa da L. Guillet (1904) ve Almanya da W. Giesen e (1909) ait olanlardır. 1909 da Guillet, Fe-Cr ve Fe-Cr-Ni alaşımları üzerindeki çalışmanın sonuçlarını yayımlamış ve bunları yapılarına göre martensitik (%13 Cr), ferritik (%17 Cr) veya östenitik (%18 Cr - % 8 Ni) şeklinde sınıflandırmıştır. Bu laboratuvar çalışmaları, 1910 sonrasına kadar endüstriyel imalat tarafından takip edilmemiştir. Sheffield li İngiliz metalürji uzmanı Harry Brearley nin adı, martensitik paslanmaz çeliklerin 1913 deki ilk endüstriyel imalatı ile birlikte anılmaktadır. Halihazırda adı geçen kişilere ilave olarak, 1900 ve 1915 arasında paslanmaz çelik elde etmek için yürütülen başlıca çalışmalar arasında Fransa da A. Portevin (1909) ve Almanya da P. Monnartz, B. Strauss ile E. Maurer inkiler (1912) tanınmaktadır. Bahsedilen bu zaman aralığında çok sayıda laboratuar çalışması yapılmışken, yaklaşık yarım yüzyıl sonrasına kadar gerçek endüstriyel ölçekte paslanmaz çelik üretilmemiştir. Geliştirilmelerinde karşılaşılan en büyük zorluk, özellikle krom ve karbon gibi bazı alaşım elementlerinin hassas kontrolüdür. 1920 lerin sonlarından itibaren, mimari uygulamalarda farklı biçimlerdeki paslanmaz çelik mamuller kullanılmıştır. Bunların en ünlülerinden bir tanesi, Avrupa da imal edilmiş % 18 Cr - % 9 Ni alaşımı saclardan inşa edilmiş New York daki Chrysler binasının çatısıdır. Kentsel ve deniz karışımı karaktere sahip olan New York un agresif atmosferine rağmen, çatı günümüzde neredeyse seksen yıllık servis ömrü sonrasında halen daha mükemmel durumdadır. Aynı zaman aralığına (1926-1930) uzanan başka bir örnek, Londra daki Saint Paul katedralinin kubbe tabanını güçlendirmekte kullanılan iç ve dış yüzeylerle bağlantılı çevresel bir halka ile kiriş kollarından ibaret çubuk sistemidir. Bu uygulamada, paslanmaz çelik hem mekanik özellikleri hem de korozyon direnci için seçilmiştir. Önceki örnekte olduğu gibi malzeme halen daha mükemmel durumda olup fonksiyonunu tam olarak yerine getirmeye devam etmektedir. Daha etkileyici konstrüksiyonlar arasında 1985 de Paris de La Villette Bilim ve Endüstri Şehrinde inşa edilen Geode den bahsetmek özellikle kayda değerdir. Bu, 1.5 mm kalınlığında % 17 Cr - % 11.5 Ni - % 2 Mo östenitik paslanmaz çelikten yapılmış 6433 adet üçgenden oluşan 36 metre çapında bir küredir. Tamamlanmış yapıda tamamen olağanüstü bir yansıtma kabiliyeti verecek istenilen etkiyi elde etmek üzere, ayna parlatma yüzey durumu uygulanmıştır. Son olarak, Brüksel de bulunan 1958 de inşa edilmiş Atomiumun dış yüzeyi 2005 yılında tamamen yenilenmiştir. Bu sefer kaplama için 1.2 mm kalınlığında X2CrNiMo17-12-2 / 1.4404 kalite paslanmaz çelik sacdan kesilmiş ve kıvrılmış yüzlerce üçgen kullanılmıştır. Üçgenler, düzgün bir yüzey elde etmek ve dolayısıyla yabancı parçacıkların yapışmasına 3
karşı direnç sağlamak amacıyla elektro parlatılmıştır. Açıkçası, bu teknik aynı zamanda temizlikte kolaylığı arttırmakta ve çekici, kalıcı bir ayna yüzey temin etmektedir. André Malicot un dikkatli ve titiz koordinasyonuyla birlikte ticari birliğin uzman elemanları Messrs. Prusvot, Robinet ve Gaubert tarafından özel uygulamalara ait bir dizi özel koşula işaret edilmiş, Paslanmaz çeliklerle çalışmak kitabının gelecekteki versiyonlarının bu malzemelerle birlikte atölye zemininde karşılaşılan gerçek problemlere çok daha bağıntılı bir hale gelmesi gerektiği önerilmiştir. Bu nedenle, Compagnons du Devoir e katkılarından dolayı minnetle şükranlarımı sunarım. Pierre-Jean CUNAT 4
PASLANMAZ ÇELİKLERLE ÇALIŞMAK 1 Paslanmaz çelikler 1.1 Korozyon biçimleri Metallerin ve alaşımların çevredeki ortamla Pasiflik olgusunun kararlı biçimde meydana etkileşmesi sebebiyle değişim göstermesine gelebilmesi için, paslanmaz çelik en az % 11 korozyon adı verilmektedir. Bu saldırı metal seviyesinde krom içermek zorundadır. Ayrıca yüzeyinde, yani çevre ile olan sınırda başla- bu seviyedeki kromla beraber, pasif film örne- makta ve içeriye doğru farklı mekanizmalar ğin bir çizik sebebiyle bölgesel biçimde hasar vasıtasıyla ilerlemektedir. gördüğünde, kendisini çok sayıda farklı ortam Korozyona direnen metalik malzemeler içerisinde iyileştirebilme temel özelliğine sa- arasında paslanmaz çelikler, pasiflik olarak hiptir. Bununla birlikte, paslanmaz çelik kali- bilinen olgu sebebiyle çok sayıda ortam içe- tesi ilgili ortam için zayıf seçildiyse, pasiflikte risinde mükemmel direnç göstermektedirler. bozulma meydana gelir ve malzeme korozyo- Paslanmaz çelikler, yüzeylerinde meydana na uğrar. gelen ve alt tabakaya sıkıca bağlanmış halde bulunan ve metal ile az ya da çok saldırgan Korozyonun birkaç karakteristik tipi bulunmaktadır, bunlar aşağıda özetlenmiştir. çevresi arasında doğrudan teması engelleyen çok ince bir pasif film veya pasif tabaka ile çevrelerinden korunurlar. Resim 1: Parlak tavlama hattı muayene standı 5
Resim 2: Atomium Brussels. Yenilenen küreler artık 1.2 mm kalınlıkta X2CrNiMo17-12-2/1.4404 kalite paslanmaz çelikten yapılmış sandviç panellerle kaplanmıştır. - Brüksel (B) Düzenli korozyon Tam olarak söylemek gerekirse, düzenli korozyon sadece paslanmaz çelik aktif durumdayken, yani pasif tabaka kararsızken, görülmektedir. Bu durumda çözünme bütün yüzeyde düzenli biçimde meydana gelerek malzeme kalınlığındaki incelmenin ve ağırlık kaybının kurallı olmasını sağlamaktadır. Düzenli korozyon ile ilgili veriler, genelde yabancı maddeler içermeyen farklı asit ortamları içerisindeki paslanmaz çeliklere ait davranışları veren korozyon tablolarında toplanmıştır. Sonuç olarak, bu veriler çeliklerin maruz kalıp kullanılacağı mümkün olan bütün ortamlar için geçerli değildir. Bunlar sadece malzemenin ilk seçiminde yönlendirici bir kılavuz vazifesi görmekte olup, bu seçim bir korozyon uzmanı ile görüş alış verişi yapılarak doğrulanmak zorundadır. Bölgesel korozyon Paslanmaz çelikler, çukurcuk korozyonu, aralık korozyonu, taneler arası korozyon ve gerilmeli korozyon çatlaması olarak adlandırılan dört tür bölgesel korozyon tipine maruz kalabilirler. Çukurcuk korozyonu Bu tip saldırı, çelik yüzeyinde çok sınırlı bir bölgede meydana gelmekte olup, bu bölge haricindeki yüzey pasif bir film ile korunmaktadır. Pasif filmde bölgesel yırtılma görülür ve kendiliğinden iyileşme meydana gelmezse bir korozyon çukuru oluşa- 6
rak metalin sonuçta tamamen delinmesine yol açabilir. Bu nedenle, hakim olan servis koşulları için uygun kalitede bir paslanmaz çeliğin seçilmesi yoluyla bu olayın mey dana gelmesine engel olmak önemlidir (Şekil 1.1.1). Çukurcuk korozyonu geliştirecek en yatkın ortam türü, şüphesiz deniz suyudur. Fakat musluk suyu veya tatlı su olarak adlandırılanlar da saldırgan olabilirler. Çukurcuk korozyonuna direnci etkileyen parametreler şunlardır: malzemenin yüzey durumu (pürüzlülüğün düşük olması yararlıdır); esas alaşım elementleri, yani, krom, molibden ve nikel; metal içerisinde bulunan metal-dışı kalıntıları değiştirebilen ikincil elementler. Elektrokimyasal bakımdan incelendiğinde, anodik polarizasyon eğrisinde bir alaşım için aşıldığında bölgesel korozyonun başlayabildiği kritik bir çukurcuk potansiyeli değerinin mevcut olduğu gösterilebilmektedir. Farklı çelik kalitelerinin verilen bir ortam için (örneğin, musluk suyu, deniz suyu) bu tür saldırıya karşı gösterdiği direnç bakımından sıralan- ması amacıyla, çukurcuk potansiyeli kullanılabilmektedir. Bunun için, tipik NaCl içeriği 1.2 g/l den daha az (yani molaritesi* 0.02 M seviyesinde) ve ph değeri 6.6 olan 25 C deki musluk suyunda Tablo 1.1.1 de verilen sonuçlar elde edilmiştir. Çok daha korozif 70 C deki deniz suyunda NaCl içeriği 30 g/l (yani 0.5 M) olup, elde edilen sıralama Tablo 1.1.1 de verilmektedir. Çukurcuk: Anot * yüksek Cl konsantrasyonu * düşük ph Oksidasyon Cl M + H + Serbest yüzey: Katot *yüksek ph *yüksek O 2 konsantrasyonu İndirgeme e O 2 OH Şekil 1.1.1 Bir çukurcuğun, klorür içeren bir ortam içerisinde büyümesinin şematik gösterimi O 2 : oksijen molekülü OH : hidroksit iyonu Cl : klorür iyonu H + : hidrojen iyonu M + : metal iyonu e : elektron Kalite : standart gösterim EN 10088-2 Direnç indeksi (çukurcuk potansiyelinin fonksiyonu) Musluk suyu Deniz suyu X6Cr17 / 1.4016 2.5 X3CrTi17 / 1.4510 4.5 0.5 X2CrMoTi18-2 / 1.4521 7.0 2.0 X2CrNi19-11 / 1.4306 5.0 1.0 X2CrNiMo22-5-3 / 1.4462 4.0 X2CrMoTi29-4 / 1.4592 6.0 (Çukurcuk yok) Tablo 1.1.1 Farklı paslanmaz çeliklerin musluk suyu ve deniz suyundaki çukurcuk korozyonu direnci (*) Mol, bir gram-formül ağırlığındaki madde miktarıdır. Herhangi bir maddenin bir molü, 6.10 23 (Avogadro sayısı) molekül veya atom içermektedir. Eskiden bir gram molekül olarak adlandırılmaktaydı. Bir çözeltinin molaritesi, 1 litre çözelti içerisinde çözünen maddenin mol sayısı olarak ifade edilen konsantrasyondur. 7
Aralık korozyonu Aralık M + H + Cl H + Cl M + Serbest yüzey: Katot *yüksek ph *yüksek O 2 konsantrasyonu İndirgeme O 2 e Cl OH Şekil 1.1.2 Klorür içeren bir ortamdaki aralık korozyonunun şematik gösterimi İç taraf Düz taban: tortu biriktirme Destek halkası Boru 1 Dış taraf Aralık Kaynak Kaynak Küresel veya eliptik taban Yarıçap Paslanmaz verilmiş çelik etek taban 1: Kötü 2: Daha iyi 3: En iyi Şekil 1.1.3 Kaynaklı kap tabanı tasarımları Çevresel kaynak 1: Kötü (tasarım) Aralık Aralık Boru 2 Tam nüfuz etmeyen çevresel kaynak Boru 1 Şekil 1.1.4 Alın kaynaklı borular Aralık 2: Kötü (uygulama) Aralık Boru 2 Boru 1 O 2 : oksijen molekülü OH : hidroksit iyonu Cl : klorür iyonu H + : hidrojen iyonu M + : metal iyonu e : elektron Aralık-oyuk: Anot * düşük ph * düşük O 2 konsantrasyonu * yüksek Cl, M +, H + konsantrasyonu Oksidasyon Kaynaklar Paslanmaz çelik destek Çevresel kaynak Kök nüfuziyeti iyi (aralık yok) Boru 2 3: İyi (tasarım ve uygulama) Depasivasyon ph Asitlik Kalite : Standart gösterim EN 10088-2 1 X2CrNiMo22-5-3 / 1.4462 1.1 Çok yüksek X2CrMoTi29-4 / 1.4592 1.2 X1NiCrMoCu25-20-5 / 1.4539 1.8 X2CrNiMo17-12-2 / 1.4404 Yüksek 2.1 X5CrNi18-10 / 1.4301 2.5 X3CrTi17 / 1.4510 Orta 3.0 X6Cr17 / 1.4016 Tablo 1.1.2 - Önemli paslanmaz çelik kalitelerinin standart bir çözelti içerisindeki depasivasyon ph değerleri Adından da anlaşılabileceği gibi, bu tip saldırı parça veya montaj tasarımı sebebiyle veya servis esnasında oluşan birikintilerin mevcudiyeti nedeniyle meydana gelen aralıklarda veya sınırlanmış boşluklar içerisinde görülmektedir (Şekil 1.1.2). Bir aralık içerisindeki sınırlandırılmış veya yarı kapatılmış bölge, kimyasal maddelerin toplanmasını ve ortamın asitliğinin giderek artmasını destekleyerek, pasif filmin bu bölgesel daha saldırgan ortam içerisinde bozulmasını kolaylaştırmaktadır. Bu bölge içerisindeki ph*, depasivasyon ph olarak adlandırılan kritik bir değere ulaştığında korozyon başlamaktadır. Korozyonun başladığı ilk andan önceki kuluçka süresi, aralığın şekline (ciddiyetine) bağlıdır. Depasivasyon ph değeri, bir alaşımın aralık korozyonuna direnme kabiliyetini karakterize etmek için kullanılmaktadır. Depasivasyon ph değeri ne kadar az ise, korozyon direnci o kadar yüksektir. Önemli paslanmaz çelik kalitelerinin standart bir çözelti içerisindeki depasivasyon ph değerleri Tablo 1.1.2 de verilmektedir. Aralık korozyonu şu yollarla önlenebilir: a) ekipmanı aralıklardan kaçınacak biçimde uygun tasarlamak (Şekil 1.1.3 ve 1.1.4); b) servis esnasında oluşan katı birikintileri (tortu) sistematik biçimde gidermek; (*) ph, su bazlı bir çözeltinin asitliğinin veya hidrojen iyonu miktarının bir ölçüsüdür. 7 seviyesindeki bir ph nötral bir ortama karşılık gelirken, örneğin 3 gibi çok düşük bir değer asidik bir ortamı, 7 den daha büyük değerler ise alkali veya bazik çözeltileri göstermektedir. ph, logaritmik bir skala üzerinde değişecek şekilde tanımlanmıştır. Yani ph değerindeki bir birim değişim, konsantrasyonda on-katlık bir farka karşılık gelmektedir. 8
c) metale zayıf yapışarak aralık oluşturabileceğinden, lastik bağlantıları kullanmaktan kaçınmak; d) malzemenin uygun seçilmesi. Özellikle östenitik paslanmaz çelikler (Fe-Cr-Ni alaşımları) ferritik kalitelere (Fe-Cr alaşımları) kıyasla daha iyi direnç göstermektedirler. Bununla birlikte, aralık korozyonuyla savaşmak için kullanılan esas alaşım elementi molibdendir. Bu kapsamda, Fe-%18 Cr-%2 Mo ferritik paslanmaz çeliği, Fe-%18 Cr-%8 Ni östenitik alaşımına kıyasla daha iyi bir dirence sahiptir. Gerilme Ortam: Cl, 60 C Pasif tabaka Çatlak çekirdeği Gerilmeli korozyon çatlamasının başlaması Ortam: Cl,..., 60 C Gerilme Şekil 1.1.5 Gerilmeli korozyon çatlamasının şematik gösterimi Gerilmeli korozyon çatlaması 100 m Gerilmeli korozyon çatlaması, mekanik bir yük ile korozif bir ortamın bileşiminin çatlakların başlamasına yol açabildiği bir prosestir. Çatlama, bazen uzun bir kuluçka süresinin ardından başlayıp sonradan hızla ilerleyebilmekte ve ilgili ekipmanın kırılmasına yol açmaktadır (Şekil 1.1.5). Bu olgu, çatlamanın tesisatın hayatını tehdit eder boyuta ulaşmasından önce çoğunlukla zor tespit edilebilmektedir. Gerilmeli korozyon çatlamasının görülmesinden kaçınmak için alınacak önlemler şunlardır: a) mümkün olduğu durumlarda, ferritik kalitelerin kullanılması. Bunlar genellikle bu tür korozyona karşı hassas değildir; b) ortamın saldırgan (agresiv) olduğu durumlarda, ya bir dupleks östenitikferritik kalitenin veya yüksek oranda nikel ve molibden içeren östenitik bir alaşımın kullanılması; Taneler arasından Taneler içerisinden Taneler içerisinden c) ekipmanın servise alınmasından önce kalıntı gerilmelerinin gerilme giderici bir işlem ile azaltılması ve servis yüklerinin sınırlandırılması (özellikle titreşimler, ısıl genleşme vb. sebepleriyle). 9
Taneler arası korozyon Bazı malzemeler 500 ve 800 C arasına ısıtıldıklarında, tane sınırları hassaslaşır ve takiben korozif bir ortama maruz bırakıldıklarında tercihen bu bölgeler saldırıya uğrar. Bu durum çoğunlukla kaynak işlemleri esnasında bu sıcaklık aralığına maruz kalan ısıdan etkilenmiş bölgede (HAZ) (Şekil 1.1.6) meydana gelmektedir. Taneler arası korozyonu önlemek için birkaç çözüm yolu mevcuttur: a) Östenitik alaşımlar (Fe-Cr-Ni veya Fe-Cr- Ni-Mo) için, seçilen kalitenin ya düşük bir karbon oranına sahip (C < % 0.03) olması veya titanyum gibi stabilize edici bir element içermesi. b) Ferritik alaşımlar için, (Fe-Cr veya Fe-Cr- Mo), titanyum veya niyobyumla stabilize edilmiş bir kalitenin seçilmesi zorunludur. c) Bir paslanmaz çelik hassaslaştığı taktirde, bir tavlama işlemini takiben gerçekleştirilen hızlı soğutmayla iç yapısı yenilenebilir. Bu amaçla kullanılan uygun sıcaklıklar, ferritik malzemeler için 700 ila 800 C, östenitik kaliteler için ise 1050 C dır. a A Krom karbür Cr 23 C 6 Tane sınırı B a % Cr Cr 23 C 6 : % 95 Cr % 5 C Kesit a a Tane sınırı (Cr 23 C 6 krom karbür ekseni) Tane A Tane B % 18 Cr Kromca fakirleşen bölge Cr 23 C 6 % 11 Cr Kromca fakirleşen bölge Şekil. 1.1.6 - X5CrNi18-10 / 1.4301 tipinde bir paslanmaz bir çelikte, tane sınırlarındaki krom fakirleşmesi sebebiyle meydana gelen taneler arası korozyona hassaslaşmanın şematik gösterimi. 10
Yüksek sıcaklıkta korozyon Gerçekte, yüksek sıcaklık bölgesini tarif eden mutlak bir tanım yoktur. Fakat, paslanmaz çeliklerin tipik uygulamaları için alt eşiğin genellikle 500 C civarında olduğu düşünülür. Bu aralıkta, korozyon mekanizmaları atmosferin oksitleyici potansiyeline bağlı olarak farklılık göstermektedir. Yüksek düzeyde oksitleyici gaz atmosferleri arasında hava, oksijen, su buharı, kükürt ve oksitleri (SO 2 ve SO 3 ), karbondioksit (CO 2 ), azot oksitler (NO x ) ve klor gazı sayılmaktadır. İndirgeyici gazlar ise, hidrojen, hidrojen-sülfür (H 2 S), karbon monoksit (CO), hidrokarbonlar, amonyak vb. içeren gazlardır. Sıvı haldeki tuzlar, paslanmaz çeliklere karşı oksitleyici veya indirgeyici olabilirler. Son olarak, bazı sıvı metaller de doğrudan alaşımsızlama etkisiyle korozyona sebep olabilirler. Oksitleyici atmosferler Paslanmaz çelikler oksitleyici bir atmosfer içerisinde ısıtıldığında, kromun mevcudiyeti koruyucu bir kabuk oluşmasına yol açmaktadır. Bu tabaka, krom oksit bazlı Cr 2 O 3 olup bazen FeCr 2 O 4 gibi bir spinel tabakası ile örtülmüştür. Oksit ve metal altlık arasındaki ısıl genleşme farkı, özellikle servis koşulları sık döngüsel ısı değişimleri içerdiğinde kabuğun kalıcılığı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Esasen, ferritik (Fe-Cr) kalitelerin östenitik (Fe-Cr-Ni) alaşımlara kıyasla ciddi döngüsel ısı değişimi şartları altında daha iyi performans sergilemesinin sebebi de buna dayanmaktadır. Östenitin ısıl genleşme katsayısı, ferritinkinin yaklaşık 1.6 katı iken, kabuk tabakasınınki çok daha küçüktür. Tablo 1.1.3 oksitleyici atmosferler içeren uygulamalar için tavsiye edilen maksimum servis sıcaklıklarını vermektedir. Kalite EN 10088-2 Sınırlayıcı servis sıcaklığı ( C) Standart gösterim Sürekli Döngüsel Östenitik kaliteler X5CrNi18-10 / 1.4304 930 870 X8CrNi25-21 / 1.4845 1150 1030 Ferritik kaliteler X6Cr17 / 1.4016 820 870 X2CrMoTi29-4 / 1.4592 1090 1170 Tablo 1.1.3 - Oksitleyici atmosferler içerisindeki ferritik ve östenitik paslanmaz çelikler için tavsiye edilen maksimum servis sıcaklıkları 11
En az % 2 ve imkan dahilinde % 5 veya 6 oranında alüminyum ile beraber az miktarda sezyum, lantanyum ve/veya itriyum ilavesi, güçlü ve yüksek miktarda koruyucu bir alümina kabuk tabakası üretmektedir. Örneğin, % 20 Cr ile beraber alüminyum ve bu tür nadir toprak elementi ilaveleri içeren ferritik alaşımlar, otomobil egzoz gazı arıtma sistemleri için metal katalizör altlığı olarak kullanılmaktadır. Bu uygulamada sıcaklık, motor tam hızdayken yaklaşık 1000 C a ulaşabilmekte ve gaz, azot oksitler (NO x ), hidrokarbonlar (HC), uçucu organik bileşikler (VOC) ve karbon monoksit (CO) içermektedir. Bütün bu gazlar, katalitik reaksiyon ile CO 2, H 2 O, N 2 ve O 2 gibi kirletmeyen gaz türlerine dönüştürülmektedir. İndirgeyici atmosferler İndirgeyici atmosferler arasında en bilinen türler, karbonlamayı destekleyebilen karbon monoksit veya hidrokarbonca zengin olanlardır. Kroma ek olarak, nikel ve silisyum da bu tip saldırıya karşı direnci arttırmak için etkili olan alaşım elementleridir. Ve bunların birleşik etkisi, % Ni + 9 x % Si formülü ile verilen bir indeks tarafından sayısal olarak ifade edilmektedir. Düşük sıcaklıkta gerçekleşen genel bir karbonlama biçimi de metal tozlanması olarak bilinen olaydır. Burada, gazdan çökelen karbonun aşırı miktarda emilimi sebebiyle yüzeydeki metal ufak parçalara ayrılmaktadır. Nitrürleme, yüksek sıcaklıkta metal yüzeyiyle temas altında parçalanan amonyağın ürettiği atomik azot ile birlikte reaksiyon sayesinde meydana gelebilmektedir. Azotun titanyum, alüminyum ve kroma karşı güçlü ilgisi bulunduğundan, metal içerisinde tercihen nitrürler oluşturmaktadır. Nitrürlemeyi sınırlayacak biçimde yeterli seviyede koruyucu bir oksit kabuk tabakası sağlayabilmek için genellikle % 35 den daha fazla nikel içeriği gerekmektedir. Bununla birlikte, % 21 Cr - % 11 Ni ve seryum içeren bir kalitenin, parçalanmış amonyak içerisinde 1100 C ye kadar iyi direnç gösterdiği tespit edilmiştir. Sıcaklığı 800 C üzerinde olan hidrojen sülfür içeren atmosferlerde, düşük sıcaklıkta eriyen bir Ni/Ni 3 S 2 ötektik fazı oluşturduğundan nikel zararlıdır. Burada en iyi sonuçlar ferritik kalitelerle elde edilmektedir. Son olarak, basınç, hidrojen içeren atmosferlerde hidrojen emilme riski bakımından önemli bir rol oynamaktadır. Basıncın 300 bar civarında, sıcaklığın 600 C üzerinde olduğu durumlarda genellikle % 12 Cr içeren martensitik kaliteler kullanılmaktadır. 12
1.2 Paslanmaz çelik ailesi Başlıca paslanmaz çelik aileleri Aşağıdaki tablo, ticari anlamda mevcut, yani, pazar ihtiyaçlarının hacimsel olarak % 90 ını karşılayacak biçimde büyük miktarlarda imal edilen temel paslanmaz çelik ailelerini özetlemektedir. Yüksek verimli imalat rotası tipik olarak, elektrik ark ocağı ile eritme, argon oksijen dekarbürizasyon (A.O.D) konverteri içerisinde rafinasyon, bant veya Steckel haddehanesinde sıcak haddeleme, ilk tavlama, sürekli paklama, Sendzimir tipinde haddehanede soğuk haddeleme, sürekli son tavlama, ve sonlama işlemlerini kapsamaktadır. Martensitik kaliteler karbon % 0.1 % 12 ila 18 krom Su verme esnasında östenitten martensite dönüşme kabiliyeti bulunan paslanmaz çeliklerdir. Bileşimine ve ısıl işleme bağlı olarak elde edilen sertlik değeri 40 ila 60 HRC aralığında olabilir Ferritik kaliteler % 0.02 ila 0.06 karbon % 0 ila 4 molibden % 11 ila 29 krom Bu kalitelerin akma sınırı (YS) tipik olarak 250 ila 380 N/mm 2, çekme dayancı (UTS) 410 ila 700 N/mm 2 uzama değerleri ise, % 20 ila 32 aralığındadır. Genel olarak bir ısıl işlemle sertleştirilemezler. Östenitik kaliteler % 0.015 ila 0.10 karbon % 0 ila 4 molibden % 7 ila 25 nikel % 17 ila 20 krom Bu kalitelerin akma sınırı (YS) tipik olarak 215 ila 360 N/mm 2, çekme dayancı (UTS) 600 ila 800 N/mm 2, uzama değerleri ise % 40 ila 55 aralığındadır. Sünekliklerinin yüksek olması bu malzemelere şekillendirme bakımından dikkate değer bir kapasite sağlamaktadır. Isıya dirençli östenitik kaliteler karbon % 0.2 % 11 ila 22 nikel % 19 ila 26 krom Bu alaşımların mekanik özellikleri sıradan östenitik kalitelerinkine benzemektedir. Bununla birlikte, karbon oranlarının daha yüksek olması sebebiyle yüksek sıcaklıkta dayançlarını iyi muhafaza ederler. Dupleks östenitik-ferritik kaliteler % 0.02 karbon % 3 molibden % 22 krom % 5.5 nikel Tipik Bu kaliteler çok yüksek bir akma sınırı (YS) (> 620 N/mm 2 ) ve çekme dayancı > 800 N/mm 2 ile bileşim beraber % 40 dan daha fazla bir uzama değerine sahiptirler. Tablo 1.2.1 Başlıca paslanmaz çelik aileleri 13
Piyasada bulunabilen başlıca paslanmaz çelik kalitelerine ait mekanik özellikler çeliklerin standart gösterimleriyle beraber Tablo 1.2.2 de verilmektedir. Tablo 1.2.2 Çeşitli paslanmaz çeliklerin tavlanmış durumdaki mekanik özellikleri Avrupa gösterimi (EN 10088-2) AISI (1) veya ticari Amerikan gösterimi Ortalama mekanik özellikler İsim Numara UTS (2) % 0.2 YS (3) El. (%) (4) Martensitik paslanmaz çelikler X20Cr13 1.4021 550 340 24 X30Cr13 1.4028 420 600 340 24 X46Cr13 1.4034 650 400 23 Ferritik paslanmaz çelikler X6Cr13 1.4000 410S 480 330 26 X2CrTi12 1.4512 409 410 250 32 X2CrNi12 1.4003 510 370 27 X8Cr17 1.4016 430 500 340 26 X3CrTi17 1.4510 430Ti 450 300 30 X2CrMoTi18-2 1.4521 444 540 380 27 Östenitik paslanmaz çelikler X10CrNi18-8 1.4310 301 740 320 50 X5CrNi18-10 1.4301 304 630 300 52 X2CrNi18-9 1.4307 304L 620 310 50 X2CrNi19-11 1.4306 304L 600 300 50 X6CrNiTi18-10 1.4541 321 610 280 48 X4CrNi18-12 1.4303 305 580 250 52 Molibden içeren östenitik paslanmaz çelikler X5CrNiMo17-12-2 1.4401 316 620 340 48 X2CrNiMo17-12-2 1.4404 316L 610 310 45 X6CrNiMoTi17-12-2 1.4571 316Ti 610 310 47 X1NiCrMoCu25-20-5 1.4539 904L 650 340 40 Dupleks östenitik-ferritik paslanmaz çelikler X2CrNiMo22-5-3 1.4462 840 620 30 Isıya dirençli östenitik paslanmaz çelikler (EN 10095) X15CrNiSi20-12 1.4828 620 310 50 X12CrNi23-13 1.4833 309S 630 330 45 X8CrNi25-21 1.4845 310S 600 300 42 (1) AISI: Amerikan Demir ve Çelik Enstitüsü (American Iron and Steel Institute). (2) UTS: Çekme dayancı (N/mm 2 ). (3) % 0.2 YS: % 0.2 uzama sınırı (N/mm 2 ). (4) El. (%): 80 mm boyda meydana gelen uzama oranı (%). 14
Başlıca uygulamalar Farklı kalitelere ait en karakteristik uygulamalar aşağıda verilmektedir. Östenitik paslanmaz çelikler (% 0.015 0.1 C, % 17 20 Cr, % 7 25 Ni, % 0 4 Mo) Başlıca uygulamalar, gıda maddelerinin depolanması ve işlenmesi, toplu yiyecek içecek hizmeti ve hastane teçhizatı ile ilgilidir. Aynı zamanda kimya mühendisliği teçhizatı için standart malzeme teşkil etmekte ve ev ile ilgili kaplar ve gereçlerde geniş ölçüde kullanılmaktadır. Ferritik paslanmaz çelikler (% 0.02 0.06 C, % 11 29 Cr) % 11 Cr içeren çelikler, atmosferin orta seviyede saldırgan olduğu otomobil egzoz sistemlerinde kullanılmaktadır. % 17 Cr içeren kalitelerin başlıca kullanım alanı, ev alet ve gereçlerinin imalatıdır. % 29 Cr içeren alaşımlar, olağanüstü korozyon direncine sahiptirler ve esasen deniz suyu ile temasta kullanılırlar. Dupleks östenitik-ferritik paslanmaz çelikler En yaygın kullanılan dupleks kalite, standart Avrupa gösterimi X2CrNiMo22-5-3 / 1.4462 olan % 0.02 C % 22 Cr % 5.5 Ni - % 3 Mo alaşımıdır. Başlıca uygulamaları, kağıt imalatı, kimya ve deniz dibi (offshore) mühendisliği teçhizatı ile ilgilidir. Martensitik paslanmaz çelikler (C % 0.1, % 12 14 Cr) Birçok yalın karbon çeliği gibi, bu alaşımlar su verilmiş ve menevişlenmiş halde kullanılmaktadırlar. Bu durum, son mamulde amaçlanan kullanıma mükemmel uyum sağlayan bir sertlik temin etmektedir. İlgili kaliteye bağlı olarak, esas uygulamaları kesici aletler ve ameliyat aletleri içindir. 15
1.3 Paslanmaz çelik kalitesinin seçilmesi Paslanmaz çelik seçimine ait çeşitli kriterler Bir paslanmaz çelik kalitesinin seçimi, genellikle, tasarlanan uygulama için işlevsel gereksinimlerin karşılanması, imal edilebilirlik ve maliyet etkinliğini içeren bir dizi kritere dayanmaktadır. Genel anlamda paslanmaz çelikler için uygun olan temel faktörler aşağıdadır: Korozyon direnci ve genel dayanıklılık: Paslanmaz çelikler çok çeşitli ortam türlerine karşı mükemmel korozyon direncine sahiptirler. Yüksek sıcaklıklarda yüksek mekanik dayanç ve düşük sıcaklıklarda olağanüstü dayanç ve süneklik: Paslanmaz çelikler, sıfır altı sıcaklıklardan 1000 C üzerine kadar çok geniş bir sıcaklık aralığında mükemmel dayanç, süneklik ve tokluk değerlerine sahiptirler. Çekici görünüm: Paslanmaz çelik, başlıca özelliklerinden birisi uzun ömürlü görünümü olan modern bir malzemedir. Uygulanmasının kolaylığı: Paslanmaz çelikler kolayca biçimlendirilip (çekme, kenar biçimlendirme, vb.) birleştirilebilirler (kaynak, yapıştırıcı ile bağlama, vb.). Paslanmaz çelikler gıda maddelerinin tadını değiştirmezler: Bu, tarımsal ürün, gıda ve meşrubat işleme endüstrileri için önemli bir özelliktir. Paslanmaz çelikleri temizlemek, dezenfekte etmek ve sterilize etmek kolaydır: ve bu amaçla kullanılan maddelere karşı mükemmel dirence sahiptirler (örneğin sterilize etmek için kullanılan yüksek basınçlı buhar). Toplam maliyetleri düşük (mülkiyet veya kullanım süreci maliyeti): Ekipman satın alma fiyatı ve kullanım süreci bakım maliyetleri dikkate alındığında, paslanmaz çelik etkin maliyetli bir malzemedir. Geri dönüştürülebilirlik: Paslanmaz çelikler, başlangıçtaki malzemede bulunan kalite seviyesinin aynısını elde edecek şekilde etkin biçimde ve % 100 geri dönüştürülebilirler. Yukarıdaki kriterlerin birleşimi, paslanmaz çeliklerin aşağıdaki uygulamalar dahil olmak üzere tarımsal ürün, gıda ve meşrubat işleme endüstrilerinde yaygın olarak kullanımını sağlamaktadır: meyve suları, bira (işlenmesi ve dağıtımı), çikolata, domates (hasat ve işlenmesi), balık (taşınması ve işlenmesi), peynir (sağımdan son koşullandırmaya), şarap (üzüm hasadı, şaraplaştırma, depolama). Aynı zamanda, taşıt araçlarında (raylı taşıtlar, vagonlar, kamyon tankları, donduruculu konteynerler, otobüs gövdeleri, vb.), kimya ve petrokimya mühendisliğinde, petrol endüstrisinde, 16
elektronikte (elektron tabancaları için manyetik olmayan parçalar, cam-metal sabitleme iğneleri) ve inşaat endüstrisinde (perde betonlama, asansör kafesleri, yürüyen merdivenler, çatılar, duman kanalları, dış mekan mobilyaları vb.) de yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu liste hiçbir şekilde eksiksiz değildir ve paslanmaz çelikler aralarında madeni paraların iyi bir örnek olduğu çok sayıda günlük nesnede kullanılmaktadır. Yukarıdaki temel kriterlere dayanarak, aşağıda verilen uygulamalar listesi ve uygun çelik kaliteleri daha önce tarif edilen beş ana paslanmaz çelik ailesine göre sınıflandırılarak hazırlanmıştır. Hangi özel durumlarda bir paslanmaz çelik seçilmelidir (beş aileye göre) Östenitik paslanmaz çelikler (% 0.015 0.1 C, % 17 20 Cr, % 7 25 Ni, % 0 4 Mo) Süt depolama tankları X5CrNi18-10 / 1.4301 Beyaz şarap depolama tankları X2CrNiMo17-12-2 / 1.4404 Küçük bira fıçıları X5CrNi18-10 / 1.4301 Toplu yiyecek içecek hizmeti, hastane, yiyecek maddelerinin taşınması, vb. için kullanılan gereçler X5CrNi18-10 / 1.4301 X2CrNiMo17-12-2 / 1.4404 X2CrNi18-9 / 1.4307 Eviye ve lavabo ünitesinin tamamı X5CrNi18-10 / 1.4301 Bulaşık makinesi tekne kısmı ve kapak astarı X5CrNi18-10 / 1.4301 Pişirme gereçleri X5CrNi18-10 / 1.4301 Çatal-bıçak-kaşık ve tabaklar X5CrNi18-10 / 1.4301 Şehir içi ve şehirler arası otobüs gövdeleri X5CrNi18-10 / 1.4301 Duman kanalları X5CrNi18-10 / 1.4301 X2CrNiMo17-12-2 / 1.4404 X1NiCrMoCu25-20-5 / 1.4539 Teknolojiye bağlı olarak (sabit, esnek, tek veya çift duvarlı, yoğuşmalı veya yoğuşmasız, yakıt tipi, vb.). Sıcak su tankları X2CrNiMo17-12-2 / 1.4404 X6CrNiMoTi17-12-2 / 1.4571 17
Ferritik paslanmaz çelikler (% 0.02 0.06 C, % 11 29 Cr) Evle ilgili gereçler: çamaşır makinesi ve kurutucu tamburları, bulaşık makinesi tekne kısmı X6Cr17 / 1.4016 Lavabo ve lavabo üniteleri X6Cr17 / 1.4016 X3CrTi17 / 1.4510 Çatal-bıçak-kaşık, tabaklar, tava kapakları X6Cr17 / 1.4016 Otomobil hortum kelepçeleri X6Cr17 / 1.4016 Dekoratif otomobil süsleri X6Cr17 / 1.4016 X6CrMo17-1 / 1.4113 X6CrMoNb17-1 / 1.4526 Çamaşır makinesi kazanları X3CrTi17 / 1.4510 Sıcak su tankları X2CrTi17 / 1.4520 X2CrMoTi18-2 / 1.4521 Otomotiv egzoz sistemleri X2CrTi12 / 1.4512 X2CrTiNb18 / 1.4509 Kurutucu-kızdırıcı boruları (elektrik santralleri) X3CrTi17 / 1.4510 Buharlaştırıcı ve tekrar ısıtıcı boruları ve şeker rafinasyon kazanları X3CrTi17 / 1.4510 Duman kanalları X2CrMoTi18-2 / 1.4521 X2CrMoTi29-4 / 1.4592 Deniz suyunu tuzdan arındırma fabrikaları için kullanılan borular X2CrMoTi29-4 / 1.4592 Taşıma bandı zincirleri X6CrNi17-1 / 1.4017 Yapı elemanları, konteyner çerçeveleri, vagonlar, huniler, şehir içi ve şehirler arası otobüs gövdeleri X2CrNi12 / 1.4003 Madeni paralar X6Cr17 / 1.4016 düşük karbon oranlı Dupleks östenitik ferritik paslanmaz çelikler En yaygın kullanılan dupleks kalite, standart Avrupa gösterimi X2CrNiMo22-5-3 / 1.4462 olan % 0.02 C % 22 Cr % 5.5 Ni % 3 Mo alaşımıdır. Bunun başlıca uygulamaları aşağıdaki gibidir: Kimya mühendisliği PVC fabrikaları için ısı eşanjörleri organik asitleri işleyen ekipman tanklar ve borular Kağıt imalatı basınçlı kaplar eczalandırma üniteleri kazanlar kraft hamuru kazanları Deniz dibi (offshore) mühendisliği spiral dikişli borular ateşe dirençli duvarlar Çeşitli elektrostatik çöktürücüler için plakalar 18
Martensitik paslanmaz çelikler (C % 0.1, % 12 14 Cr) Birçok yalın karbon çeliği gibi, bu alaşımlar su verilmiş ve menevişlenmiş halde kullanılmaktadırlar. Bu durum, son mamulde amaçlanan kullanıma mükemmel uyum sağlayan bir sertlik temin etmektedir. İlgili kaliteye bağlı başlıca uygulamaları aşağıdaki gibidir: Bıçak ağızları X20Cr13 / 1.4021 X30Cr13 / 1.4028 X46Cr13 / 1.4034 Kağıt endüstrisi için makas bıçakları X30Cr13 / 1.4028 Kompresör membranları, yaylar X20Cr13 / 1.4021 Ameliyat aletleri X30Cr13 / 1.4028 X46Cr13 / 1.4034 Isıya dirençli östenitik paslanmaz çelikler Fırın parçaları, ısı eşanjörleri X12CrNi23-13 / 1.4833 X8CrNi25-21 / 1.4845 Brülörler X12CrNi23-13 / 1.4833 Fırın çanları X15CrNiSi20-12 / 1.4828 Otomobil egzoz manifoltları X15CrNiSi20-12 / 1.4828 19
1.4 Isıl işlem Martensitik paslanmaz çelikler Martensitik paslanmaz çelikler, genelde % 11.5 ile 18 aralığında krom ve % 0.15 ile % 1.2 arasındaki seviyelerde karbon içermektedirler. Kayda değer bir uygulama alanı, kesici aletlerin imalatıdır. Bu malzemelerin teslim halindeki mikro yapıları genellikle ferrit içerisinde düzenli biçimde dağılmış karbür parçacıkları içermektedir. Buna karşın, bazı ince şeritler su verilmiş durumda sunulmaktadır. Dolayısıyla, örneğin kesici aletlerde kullanımdan önce krom karbürsüz tam martensitik bir iç yapı elde etmek için normalde su verme ve menevişleme yapmak gerekmektedir. Tamamen martensitik bir içyapı ortaya çıkarmak için, metali tek fazlı östenit bölgesine, krom ve karbon içeriğine bağlı olarak genelde 900 C seviyelerinde Ac 3 dönüşüm noktası üzerine ısıtmak gereklidir. Cr oranı % 11.5 ile 13.5 ve karbon içeriği % 0.15 den az olan alaşımlar için Ac 3 noktası 920 C civarında bulunmakta ve östenitleme işlemi 950 ile 1100 C arasında gerçekleştirilmektedir. Karbon içeriği % 0.15 ile 0.5 arasında ve krom seviyesi % 12 ila 16 olduğunda, Ac 3 850 ile 900 C arasında yer almakta ve östenitleme işlemi yine 950 ile 1100 C aralığında yürütülmektedir. C içeriği % 0.6 ila 1.2 ve Cr içeriği % 17 ila 18 olan kaliteler için, Ac 3 830 ve 860 C arasındadır ve su verme işlemi 1000 ve 1050 C arasındaki sıcaklıklardan gerçekleştirilmektedir. Son olarak, C miktarı % 0.2 den az ve Cr miktarı % 12 ila 18 olan ve aynı zamanda % 1.5 ila 5 Ni içeren, 950 ve 1000 C aralığında östenitlenip Ac 3 çizgisi 800 ve 900 C arasında yer alan, dördüncü bir paslanmaz çelik kategorisi mevcuttur. Östenitleme sıcaklığındaki bekletme süresi kalınlığa bağlıdır ve bütün krom karbürleri tamamen çözündürmeye müsaade edecek biçimde yeterince uzun olmak zorundadır. Takiben gerçekleştirilen ortam sıcaklığına soğutma işlemi, bir dakikadan daha kısa sürecek biçimde etkin olmak zorundadır. İnce kesitler için doğal veya basınçlı hava ile soğutma çoğunlukla yeterli olmaktayken, yaklaşık 5 mm den fazla kalınlıklarda yağda hızlı soğutma gerekmektedir. Soğutmadan sonra krom karbürler görülüyorsa, ya östenitleme sıcaklığı çok düşük veya bekletme süresi çok kısa demektir. Bu durumda, martensitin karbon içeriği azalacağından, sertlik çok düşük olacak ve korozyon direnci de zarar görebilecektir. Yüksek karbonlu kalitelerde, östenit oda sıcaklığına soğutulurken tamamen martensite dönüşmez ve kalıntı östenitin mevcudiyeti genel sertliği düşürür. Dönüşüm, yaklaşık 80 C de yapılan bir sıfır altı işlem yardımıyla etkin biçimde tamamlanabilmektedir. Hızlı soğutma esnasında ortaya çıkan ısı şoku, gevrekleşmeye yol açabilen iç gerilmeler oluşturmaktadır. Bu nedenle, süneklik ve tokluğu geliştirebilmek üzere, 150 ila 300 C de birkaç saat ısıtmayı kapsayan bir gerilim giderme işlemi yapılmaktadır. 400-600 C sıcaklık aralığından kesinlikle kaçınmak gerekmektedir. Bu aralıkta, krom karbür çökelmesi ve bununla beraber alaşımı taneler arası korozyona hassas kılabilen kromca fakir bölgeler görülebilmektedir. 20
Ferritik paslanmaz çelikler Ferritik paslanmaz çelikler metalürjik bakımdan tamamen aynı değillerdir. Çünkü, bazıları bütün sıcaklıklarda ferritik kalmakta, yarı-ferritik adı verilen kaliteler ise yüksek sıcaklıklarda % 30 a varan nispette östenit oluşturabilmekte ve bu östenit soğuma esnasında martensite dönüşmektedir. Ayrıca, yarı ferritik kaliteleri kapsayan stabilize edilmemiş alaşımlarda 900-950 C sıcaklık aralığında bekletmeyi takiben gerçekleştirilen yavaş soğutma, krom karbürlerin çökelmesine ve tane sınırlarının kromca fakirleşmesi sebebiyle taneler arası korozyona karşı hassaslaşmaya neden olabilmektedir. Yarı-ferritik alaşımların sünekliği ve korozyon direnci 750 ve 850 C arasında ısıl işlem yaparak eski haline getirilebilmektedir. Burada ısıl işlem süresi mamul kalınlığına bağlı olmakla beraber milimetre başına bir veya iki dakika gibi bir değer tavsiye edilmektedir. Bunu takiben gerçekleştirilen soğutma işlemi, özellikle 475 C sıcaklık aralığı civarında gevrekleşmeden kaçınmak üzere yeterince hızlı olmak zorundadır. Gerçekte, 400 ve 500 C sıcaklıkları arasında, ferritik matriks birbirine kıyasla yüksek ve düşük krom içeriğine sahip iki ayrı hacim merkezli kübik (h.m.k.) faza ayrışmaktadır. Burada reaksiyon hızı 475 C da maksimum seviyeye ulaşmaktadır. % 11 Cr içeren ferritik kaliteler buna karşı neredeyse hiç hassas değilken, % 17 Cr içeren alaşımlarında bu olgu hafif miktarda görülmektedir. Buna karşın, % 25 Cr içeren malzemeler ise yüksek miktarda eğilim göstermektedirler. Cr oranı % 25 den fazla olan kaliteler, 500 ve 800 C arasında gevrek karakterli kromca zengin sigma fazı oluşturmaya karşı da hassastırlar. Bu faz, 1000 C da yaklaşık yarım saatlik bir ısıl işlem ve takiben gerçekleştirilen hızlı soğutmayla tekrar çözelti içerisine geri alınabilmektedir. Yarı ferritik % 17 Cr alaşımları, 850 ve 1100 C arasında yer alan iki fazlı bir östenit + ferrit bölgesine sahiptir. Alaşım bu bölgede bekletildiği taktirde, oda sıcaklığına kadar soğutma esnasında martensit ortaya çıkacaktır. Gerçekte, bu malzemelerde martensit nedeniyle görülen gevrekleşme sadece görecelidir. Yalnızca korozyon direncine zarar vermekle kalmayıp yüksek gerilmeler altında taneler arası kırılmayı da destekleyen tane sınırlarındaki krom karbür mevcudiyetiyle kıyaslandığında, martensit oluşumu daha az zararlıdır. Yarı ferritik kalitelerde (örneğin X6Cr17 / 1.4016) krom karbür, nitrür veya karbonitrür çökeltileri sebebiyle gevrekleşme 900-950 C üzerindeki sıcaklıklarda bekletme sonrasında ortaya çıkmaktadır. Bu olgudan, doğru dengelenmiş bir alaşım kimyası vasıtasıyla kaçınılabilmektedir. Bunun için, ara yer elementleri olan karbon ve azotun toplam miktarını % 0.020 yi aşmayacak biçimde sınırlandırılmak ve bunları sıvı fazdan katılaşma gerçekleşirken TiN nitrürler oluşturan titanyumla ve/veya niyobyumla bağlamak zorunludur. Her iki element de katı fazda karbonitrürler oluşturmaktadır. Ferritik kalitelere dahil edilebilecek diğer bir alaşım grubu, yüksek sıcaklıktaki iç yapıları % 50 ye varan miktarda östenit içeren ve ortam sıcaklığında ferrit ve % 10 martensitten ibaret olan çift fazlı ferritik-martensitik malzemeleri kapsamaktadır. Bu alaşımlar için uygulanan ısıl işlem, son içyapıda gereken ölçüde martensit üretmek amacıyla ihtiyaç duyulan östenit miktarını oluşturmak üzere tasarlanmıştır. Kalıntı östenit mevcudiyetini önlemek için, soğutma hızı 20 C/saat den daha yüksek olmak zorundadır. 21
Östenitik paslanmaz çelikler Çözündürme tavlaması Çözündürme tavlamasının amacı, ortam sıcaklığında tamamen homojen bir östenitik yapı elde etmektir. Tavlama işlemi, kaliteye bağlı olmak üzere 1000 ila 1150 C da gerçekleştirilmektedir. Bu sıcaklıkta bekletme süresi, kalınlığın milimetresi başına bir ila üç dakika seviyesinde olup bunu takiben havada veya su içerisinde çok hızlı soğutma uygulanmaktadır. Anti-ferrit işlemi Östenitik paslanmaz çeliklerde belirli bir miktarda yüksek sıcaklık delta ferrit fazı kalabilir. Bu faz genel olarak zararlı olmamakla birlikte, 550 ve 900 C arasında sigma fazı oluşumu nedeniyle gevrekleşebilmektedir. Bu kalıntı ferrit, 1150 C da 36 saat bekletip, ardından fırında 1050 C a yavaşça soğutulduktan sonra ortam sıcaklığına hızla soğutularak giderilebilmektedir. Gerilim giderme işlemleri Bir parçanın imalatı esnasında uygulanan çeşitli işlemler, ekipmanın bulunduğu ortamdaki servis ömrü üzerinde kötü etkiye sahip olabilen iç gerilmeler üretebilirler; örneğin gerilmeli korozyon çatlaması gibi. Bu kalıntı gerilmeleri ortadan kaldırmak veya azaltmak için iki tür gerilme giderici işlem uygulanabilmektedir: a) 200 ve 400 C arasında bir sıcaklıkta uzun süre bekletme (kalınlığın her milimetresi için 10 ila 20 dakika) ve takiben yavaş soğutma. Bu işlem, herhangi bir faz dönüşümüne yol açmama avantajına sahiptir. b) Taneler arası korozyona eğilimi olmayan kaliteler için yaklaşık 850 C da kısa süre bekletme (kalınlığın her milimetresi için yaklaşık 3 dakika). 22
Dupleks östenitik-ferritik paslanmaz çelikler Çözündürme tavlaması Dupleks östenitik-ferritik paslanmaz çelikler için çözündürme tavlaması işleminin amacı, intermetalik fazlar veya diğer çökelti parçacıkları mevcut olmadan, oda sıcaklığında genellikle kabaca % 50 östenit ve % 50 ferrit elde etmektir. Özellikle dupleks kaliteler içerisindeki ferritin de 475 C gevrekleşmesi olgusuna hassas olması sebebiyle, soğuma esnasında intermetalik fazların çökelmesinden kaçınmak gerekmektedir. Sigma fazı oluşma riskini sınırlamak için, 950 ila 700 C aralığında kalma süresi mümkün olduğunca kısa tutulmak zorundadır. Molibden içeren kalitelerde, tehlikeli bölge 1050 C a kadar uzanmaktadır. Dolayısıyla tavsiye edilen tavlama sıcaklığı, molibdensiz alaşımlar için yaklaşık 1050 C ve bu element mevcut olduğunda ise 1100 C dır. Bu hatırda tutularak, östenit ve ferritin gerekli hacimsel oranlarına göre sıcaklık 1000-1150 C aralığında seçilmek zorundadır. Kaynak sonrası ısıl işlem Dupleks östenitik-ferritik paslanmaz çelikler taneler arası korozyona karşı hassas olmadıklarından, gerçekte kaynak sonrası ısıl işlem gerektirmezler. Bununla beraber, kaynak işlemi, özellikle de ilave metal kullanılmadan yapılan tek pasolu bir proses, kaynak bağlantısındaki östenit ve ferrit arasındaki dengeyi bozmaktadır. Burada, ferrit içeriğinin % 90 ve üzerinde bulunmasına çok rastlanmaktadır. Yeniden daha dengeli bir faz karışımı oluşturabilmek için çözündürme tavlaması bölümü altında tarif edilen bir çözündürme tavlaması işleminin gerçekleştirilmesi tavsiye edilmektedir. 23
1.5 Ticari Olarak Bulunabilir Paslanmaz Çelik Mamuller Başlıca ayrım genellikle yassı (dünya paslanmaz çelik tüketiminin yaklaşık % 85 i) ve uzun mamuller (dünya paslanmaz çelik tüketiminin yaklaşık % 15 i) arasında yapılmaktadır. (Tablo 1.5.1 ve 1.5.2). Cr, HC Fe Cr şarjları Hurda paslanmaz çelik Hurda karbon çeliği Ferro-Nikel (Molibden) Tablo 1.5.1 Rulo haldeki paslanmaz çelik şerit mamullerin temel imalat yolu Resim 3: Faaliyet halinde bir dilme hattı Elektrik ark ocağı Rafinasyon: AOD konvertörü (argon oksijen karbonsuzlaştırma) Pota rafinasyonu (stabilize edicilerin ilavesi, deoksidasyon vb.) Tablo 1.5.2 - Paslanmaz çelik uzun mamullerin temel imalat yolu Cr, HC Fe Cr şarjları Hurda paslanmaz çelik Hurda karbon çeliği Ferro-Nikel (Molibden) Sürekli döküm (yassı kütükler) Sıcak haddeleme (sürekli band haddehanesi, Steckel haddehanesi) Elektrik ark ocağı Rafinasyon: AOD konvertörü (argon oksijen karbonsuzlaştırma) Tavlama ve paklama Soğuk haddeleme (Sendzimir haddehanesi) Pota rafinasyonu (stabilize edicilerin ilavesi, deoksidasyon vb.) Tavlama ve paklama Parlak tavlama Sürekli döküm (kalın kütükler) İnce pasolu haddeleme Sıcak haddeleme (sürekli ince ve kalın çubuk haddehanesi) Sonlama: -soğuk haddelenmiş rulolar -boyuta kesilmiş saclar -dilinmiş şeritler Soğuk işlem (kaba taşlanmış, mekanik işlenmiş, ince taşlanmış, çekilmiş vb. kare çubuklar, çekilmiş teller) 24
Yassı mamuller Yassı mamuller dünya paslanmaz çelik tüketiminin yaklaşık % 85 ini temsil etmektedir. Bunlar, aşağıdaki alt gruplara ayrılabilirler: Aşağıdakileri içeren rulo halde bantlar: sıcak haddelenmiş bant; kalınlığı 2.0 mm den 13.0 mm ye kadar, soğuk haddelenmiş bant; kalınlığı 3.0 mm den 8.0 mm ye kadar olanlarla birlikte 1000 mm genişliğe kadar sunulabilen ve kalınlığı en düşük 50 μm ye kadar olan ekstra-incelikte bantlar. En yaygın bant genişliği 1250 mm olmakla beraber, bazı kalınlıklarda 1500 mm genişliğe kadar ve istisna durumlarda da 2000 mm genişlikte olanlar bulunabilmektedir. Kalınlığı 150 mm ye ve genişliği yaklaşık 4000 mm ye kadar olan saclar ve levhalar. En büyük hacmi, toplam yassı mamul kullanımının % 75 inden fazlasını tek başına temsil eden soğuk haddelenmiş bantlar karşılamaktadır. Bu mamuller, ya tavlanmış (ferritikler) veya çözündürme işlemine tabi tutulmuş ve su verilmiş (östenitikler, dupleks kaliteler) durumda veya daha yüksek akma ve çekme dayancı elde etmek üzere soğuk işlenmiş durumda kullanılmaktadır. Gerçekte, X6Cr17 / 1.4016 ve X6CrMo17-1 / 1.4113 ferritik kaliteleri sıklıkla soğuk işlenmiş durumda kullanılmaktadırlar. Bu durum, mekanik dayançları kontrollü soğuk işlemle önemli ölçüde artırılabilen X10CrNi18-8 / 1.4310, X5CrNi18-10 / 1.4301 ve X2CrNiN18-7 / 1.4318 östenitik alaşımları için hatta daha da geneldir. Bu farklı dayanç seviyeleri, uygun miktarlarda soğuk haddeleme yoluyla elde edilmektedir. Sınıf C850 kabaca çeyrek haddeleme sertliğine, sınıf C1000 yarı sertliğe, sınıf C1150 üççeyrek sertliğe ve sınıf C1300 ise tam sertliğe, yani izin verilen maksimum soğuk haddeleme indirimine karşılık gelmektedir. Bu yassı mamuller alıcıya çok çeşitli yüzey durumlarında sunulabilmektedirler. Bunların başlıcaları şunlardır: N. 1 sonlama, sıcak haddelenmiş bir bandın tavlama ve paklamadan sonraki yüzey durumuna karşılık gelmektedir (1D durumu). N. 2 sonlama, soğuk haddelenmiş bir bandın tavlama ve paklamadan sonraki yüzey durumuna karşılık gelmektedir (2D durumu). Standart gösterim EN 10088-2 farklı soğuk işlem dereceleri için çekme dayancı UTS (N/mm 2 ) C700 C850 C1000 C1150 C1300 X6Cr17 / 1.4016 700/850 850/1000 X6CrMo17-1 / 1.4113 700/850 850/1000 X10CrNi18-8 / 1.4310 850/1000 1000/1150 1150/1300 1300/1500 X5CrNi18-10 / 1.4301 850/1000 1000/1150 1150/1300 1300/1500 X2CrNiN18-7 / 1.4318 850/1000 1000/1150 Tablo 1.5.3, en temsili ferritik ve östenitik kaliteler için soğuk işlenmiş durumda elde edilen mekanik özellikleri vermektedir. 25