CALLİSTER METALLER Metallere Uygulanan Isıl İşlemler

CALLİSTER METALLER Metallere Uygulanan Isıl İşlemler

Demir esaslı alaşımlar, demir elementinin ana element olarak yer aldığı ve diğer metal ve alaşımlardan daha fazla kullanılan malzeme gurubunu oluşturur. Bu alaşımlardan özellikle mühendislik yapılarını oluşturmada yararlanılır.

Çok kullanılan bazı çeliklerin düşük karbonlu, orta karbonlu ve yüksek karbonlu çelikler olarak da alt gruplara ayrıldığı görülür. Aynı şekilde içerdikleri diğer alaşım elementleri miktarına bağlı olarak da bazı alt gruplandırmalar söz konusudur. Örneğin basit (yalın) karbonlu çelikler, sadece karbon ve az miktarda manganez içerirken alaşımlı çelikler, özellikle belirli miktarlarda ilave edilmiş olan diğer alaşım elementlerini de içerirler.

Tablo 11.1b

Düşük alaşımlı çeliklerin diğer bir grubu da, yüksek dayanımlı düşük alaşımlı (YDDA) çeliklerdir. Bu çelikler bileşimlerinde bakır, vanadyum, nikel ve molibden gibi diğer alaşım elementlerini, ağırlıkça toplam en çok % 1 mertebesinde bulundurur ve düşük karbonlu çeliklere oranla dayanımları daha yüksektir.

Tablo 11.2b

Paslanmaz çelikler muhtelif ortamlarda, özellikle atmosfere açık koşullarda korozyona ve paslanmaya karşı direnç gösteren çelik grubunu oluşturur. Bu çeliklerde korozyon direncini sağlamaya yardımcı olan en önemli alaşım elementi krom olup paslanmaz çeliklerin kimyasal bileşimde en az ağırlıkça %11 oranında bulunması gerekir.

Devam ediyor

Dökme demirler karbon oranı ağırlıkça %2,14 ün üzerinde olan demir alaşımı sınıfı olarak tanımlansa da pratikte çoğu dökme demir türleri ağırlıkça % 3 ile 4,3 arasında karbonla birlikte diğer bazı alaşım elementlerini de içerir.

Kır dökme demirlerin kimyasal bileşimlerindeki karbon oranı ağırlıkça % 2,5 ile % 4 ve silisyum oranı da % 1 ile % 3 arasında değişir. Bu tür dökme demirlerde grafit lameller kuru yaprak şeklinde ferrit veya perlit matris fazı içine gömülü halde bulunur. Ferritik bir matris içinde, lamelli grafit içeren kır dökme demire ait mikroyapı fotoğrafı Şekil 11.3a da gösterilmiştir.

Şekil 11.3cde

Denklem 11.1

Döküm öncesinde, dökme demire küçük oranlarda yapılan magnezyum ve/veya seryum elementi ilavesi çok farklı mikroyapılar ile buna bağlı olarak da farklı mekanik özelliklerin elde edilmesine yol açar. Grafit oluşumu bu tür dökme demirlerde de söz konusudur, ancak oluşan grafit lamelli görünüm yerine küresel görünüme sahiptir. Bu şekilde elde edilen malzemeler, küresel veya sfero dökme demir olarak tanımlanır ve bu malzemenin iç yapısına ait tipik bir görüntü Şekil 11.3b de verilmiştir. Şekil 11.5 Tablo 11.5

Bileşimlerinde ağırlıkça % 1 den daha az silisyum içeren dökme demirler ve yüksek soğuma hızlarında Şekil 11.5 te gösterildiği gibi, karbon grafit halinde ayrışamaz ve oluşan sementitin içinde kalır. Bu şekildeki bir iç yapıya sahip dökme demir beyaz renkli kırık yüzeyleri oluşturduğundan, bu malzemelere beyaz dökme demir adı verilmiştir. Şekil 11.3c de, beyaz dökme demire ait tipik bir mikroyapı fotoğrafı gösterilmiştir.

Genellikle beyaz dökme demirler diğer bir dökme demir türü olan temper dökme demirin elde edilmesinde bir ara ürün olarak kullanılır.

Dökme demir ailesine sonradan katılan diğer bir türü de kısaca KGDD şeklinde gösterilen kompakt grafitli dökme demirlerdir. Kır, temper ve küresel dökme demirler farklı şekillerde sementitten ayrışmış grafit parçalarını içerir ve bu durum kimyasal bileşimde bulunan silisyum elementinin katkısıyla gerçekleşir. Silisyum elementi dökme demirlerde ağırlıkça % 1,7 ile 3 aralığında, karbon ise % 3,1 ile 4 arasında yer alır. Tablo 11.5 te iki kompakt grafitli dökme demire ait özellikler verilmiştir. Şekil 11.3e

Bazı durumlarda döküm ve yoğruk yapılı alaşımlar arasında bir ayırım yapılır. Gevrek ve normal şartlarda şekillendirilebilme özelliğine sahip olmayan alaşımlar döküm alaşımlar olarak sınıflandırılır. Diğer taraftan, mekanik olarak şekillendirilebilme özelliğine sahip olanları ise yoğruk alaşımlar olarak isimlendirilir.

En önemli bakır alaşımı, bileşiminde baskın alaşım elementi olarak çinkonun yer aldığı pirinçlerdir. Bronzlar bakırın kurşun, alüminyum, silisyum veya nikel gibi diğer bazı alaşım elementleriyle yaptığı alaşımlardır. Bu alaşımlar pirinçlerden biraz daha yüksek dayanıma sahip olmakla birlikte, korozyon direnci bakımından daha üstün özelliklere sahiptir. Tablo 11.6 da muhtelif bronz alaşımların kimyasal bileşimleri, özellikleri ve kullanış yerleri verilmiştir.

Devam ediyor

Dört haneli gösterim kodundan sonra konan bir tire sonrasında, harf ve sayılarla ifade edilen temper gösterimleri yer alır. Temper gösterimleri bir harf ve sonrasında yer alan birden, üçe kadar sayı içerebilen kodlar şeklinde ifade edilir ve alaşımın geçirmiş olduğu termo-mekanik (ısıl işlemler, soğuk deformasyon vb.) işlemler hakkında ipucu verir.

Devam ediyor

Alüminyum ile magnezyum ve titanyum gibi düşük yoğunluğa sahip diğer metallerin özellikle düşük yakıt tüketimi sağlaması nedeniyle, taşıtların ve bunların parçalarının üretiminde yaygın olarak kullanıldığı dikkati çekmektedir. Bu tür malzemelerin özelliklerini ifade etmede, çekme dayanımının özgül ağırlığa oranı olarak tanımlanan özgül dayanım değerlerinden yararlanılır.

Ergime sıcaklıkları çok yüksek olan metaller, refrakter metal grubunda değerlendirilir. Niyobyum (Nb), molibden (Mo), tungsten (veya volfram) (W) ve tantal (Ta) bu sınıf metallerdendir. Bu gruba ait metallerin ergime sıcaklıkları, en düşük Nb için 2468 o C ile en yüksek W için 3410 o C arasındadır. Bu metallerin atomlararası bağları çok kuvvetli olduğu için, ergime sıcaklıkları da buna bağlı olarak yüksektir.

Soy veya değerli metaller bazı fiziksel özellikleri ortak olan sekiz metalin oluşturduğu malzeme grubudur. Bunlar pahalı metaller olup yumuşaklık, süneklik ve oksitlenme direnci gibi dikkate değer bazı özelliklere sahiptir. Bu grupta gümüş, altın platin, paladyum, rodyum, rutenyum, iridyum ve osmiyum gibi metaller yer alır ve bunların ilk üçü mücevher ve takı sektöründe çok yaygın olarak kullanılır.

Nikel ve alaşımları, özellikle alkali (bazik) çözeltilere karşı çok üstün korozyon direncine sahiptir. Bazı mühendislik uygulamalarında kurşun, kalay ve bunların alaşımlarından yararlanılır. Her iki metal de mekanik açıdan yumuşak ve zayıf özellikler gösterir. Alaşımlandırılmamış çinko da nispeten yumuşak bir metal olup oda sıcaklığından daha düşük seviyelerde yeniden kristalleşme sıcaklığına sahiptir. Zirkonyum ve alaşımları sünek olup diğer mekanik özellikleri paslanmaz çelikler ve titanyum alaşımları ile benzerlik gösterir.

Şekil değişiminin metalin yeniden kristalleşme sıcaklığının üzerinde gerçekleşmesi durumunda işlem sıcak şekillendirme olarak tanımlanır, bunun dışında mutlak erime sıcaklığının yaklaşık % 30 unun altında gerçekleştirilen işlemler ise soğuk şekillendirme olarak nitelendirilir.

Sıcak koşullarda gereken şekil değişimi enerjisi, soğuk şekillendirmedekinden çok daha düşüktür. Ancak metallerin çoğu sıcak koşullarda yüzeylerinin çabuk ve fazla oksitlenmesi nedeniyle, malzeme kaybına uğrar ve dolayısıyla kötü bir yüzey görünümü kazanır. Soğuk şekil verme işlemi sırasında meydana gelen pekleşme nedeniyle bu işlem, sıcak şekil vermeye göre malzemenin dayanımında artışa ve bunun sonucunda da süneklikte azalmaya neden olur.

Dövme, metalleri normal olarak sıcak koşullarda mekanik olarak işleyen veya şekillendirmeye yarayan bir imalat yöntemidir. Dövme işlemi, açık veya kapalı kalıpta dövme olarak sınıflandırılır.

Haddeleme, en çok kullanılan metal şekillendirme yöntemidir. Metal iki merdane arasından geçirilmesi sırasında ezilir ve kalınlığı merdane arasındaki boşluk değerine düşürülür.

Ekstrüzyon işleminde kovan içine yerleştirilmiş takoz biçimindeki metale basma gerilmeleri uygulanır ve metal bir kalıp deliğinden kesit alanını küçültülerek geçmeye zorlanır. Kalıp deliği imal edilmesi istenen ürünün kesitine sahip olup kuvvet bir piston yardımıyla ve takoz şeklindeki metalin kalıba doğru ittirilmesiyle uygulanır.

Çubuk çekme, bir metalin ürün kesitine sahip bir kalıp deliğinden kesiti küçültülerek çekilmesiyle gerçekleştirilir. Konik şekildeki kalıbın çıkış tarafındaki malzemenin ucundan tutularak çekme kuvveti uygulanır ve kesitteki küçülmenin sonucunda çekilen malzemenin boyu uzar.

Bir parçanın dökümü ergimiş durumdaki metalin istenen geometride boşluğa sahip olan bir kalıp içine dökülmesi ve burada katılaştırılmasıyla gerçekleştirilir. Katılaşma sonrasında parça kalıbın şeklini alır ve hacmi de kalıp boşluğuna göre bir miktar küçülür. Döküm yöntemleri genellikle; (1) parça çok büyük ve/veya çok karmaşık bir geometriye sahipse, (2) alaşım sıcak veya soğuk şekillendirilemeyecek kadar düşük bir süneklik özelliğine sahipse ve (3) diğer imalat yöntemlerine göre daha ekonomik şartlar sunuyorsa tercih edilir.

Kum kalıba dökümde, ergimiş metal kumdan hazırlanmış bir kalıbın içine dökülür. İki parçalı bir döküm kalıbı bir model etrafına kumun sıkıştırılmasıyla hazırlanır. Model tahtadan veya daha kolay şekillenebilir bir malzemeden hazırlanmış olup üretilmek istenen parçanın geometrisine sahiptir.

Basınçlı dökümde, sıvı metal basınç yardımıyla ve nispeten daha yüksek hızlarda metal kalıp içindeki boşluğa akmaya zorlanır ve kalıp boşluğunu doldurduktan sonra orada katılaşmaya bırakılır. İşlemde çelikten hazırlanmış olan iki parçalı kokil kalıptan yararlanılır.

Hassas dökümde model, mum veya plastik gibi düşük sıcaklıklarda eriyebilen malzemeden yapılır. Mumun etrafına dökülen gevşek çamur kıvamındaki seramiğin (çoğunlukla alçı) model etrafında katılaşması sonrasında kalıp ısıtılarak içindeki mum veya plastik eritilmek suretiyle ya da yakılarak dışarı atılır. Böylece kalıbın içinde geriye kalan boşluk parçanın istenen şekline sahip olarak döküm için hazır duruma getirilmiş olur.

Hassas döküm yönteminin bir diğer uygulaması da içinde strafor modelin yer aldığı kum kalıba döküm yöntemidir. Strafor modelli kalıba döküm olarak isimlendirilen bu yöntemde, parçanın modeli boncuk şeklindeki polisitrenin istenen geometriyi sağlayacak şekilde sıkıştırılmasıyla elde edilir.

Bu yöntemde, kimyasal bileşimi ayarlanmış sıvı metal, yuvarlak veya dikdörtgen kesitli, uzun, sürekli ve kontrollü olarak çevresel su soğutma uygulanan kanal şeklindeki bir kalıbın içinde akıtılır ve metalin bu kalıp içinde ilerlemesi sırasında katılaşma sonrası yuvarlak veya dikdörtgen şekilli malzeme doğrudan elde edilebilir.

Kullanılan diğer bir yöntemde de metal veya alaşım tozlarının istenen şekle uygun bir kalıp içinde yüksek basınç uygulanarak sıkıştırılması ve sonrasında ısıl işlem uygulanarak yoğunluğunun arttırılması sağlanır. Bu yöntem, toz metalürjisi (T/M) veya sinterleme teknolojisi olarak isimlendirilir.

Kaynakla birleştirme metallere uygulanan imalat yöntemlerinden biri olarak kabul edilir. Bir parçanın bütün halinde imalatının uygun olmadığı veya masraflı olduğu durumlarda iki veya daha çok metal parçanın birleştirilerek tek parça haline getirilmesi amacıyla kaynakla birleştirme yönteminden yararlanılır. Hem aynı hem de farklı metallerin kaynakla birleştirilmesi mümkündür. Birleştirme cıvata-somun veya perçin bağlantılarında olduğu gibi, mekanik değil metalürjik olarak (bir miktar yayınma içerecek şekilde) sağlanır.

Tavlama terimi metallere uygulanan bir tür ısıl işlemi ifade eder; metal veya alaşımın yüksek sıcaklıklarda uzun süreyle tutulması, daha sonra oda sıcaklıklarına yavaş soğutulması işlemlerini kapsar. Normal olarak tavlama işleminden (1) artık gerilmelerin giderilmesinde, (2) sünekliği ve tokluğu artırıp dayanımı düşürmede ve (3) özel iç yapıların oluşturulmasında yararlanılır.

Yeniden kristalleşme tavı, metal veya alaşımın daha önce gördüğü soğuk şekil değişiminin olumsuz etkilerini gidermeye yönelik bir ısıl işlemdir. Bu işlem sayesinde pekleşmiş durumdaki malzeme yumuşatılıp sünekliği arttırılır.

Artık iç gerilmelerin giderilmemesi durumunda, parçalarda zamanla deformasyon ve çarpılmalar meydana gelir. Ayrıca artık iç gerilmeler, parçaların çalışmaları sırasındaki performanslarına olumsuz yönde etki yapabilir. Gerilme giderme tavından parçalardaki artık iç gerilmelerin giderilmesinde yararlanılır.

Ötektoid sıcaklıktan geçen yatay çizgi A 1 ile belirtilip alt kritik sıcaklık olarak tanımlanır. Bu sıcaklığın altında ve denge şartlarında tüm ostenit fazı ferrit ve sementit fazlarına dönüşür. A 3 ile ve A cm ile belirtilen faz sınır çizgileri sırasıyla ötektoid altı çelikler ve ötektoid üstü çelikler için üst kritik sıcaklık çizgileridir. Bu çizgilerin üzerindeki sıcaklıklarda ve bileşimlerde, sadece ostenit fazı yer alır.

Haddeleme gibi plastik şekil değişimine uğratılmış çeliklerin mikroyapıları perlit ve çoğunlukla bir ötektoid öncesi faz (karbon miktarına göre ferrit veya sementit) içerir. Bu faz veya fazlar düzensiz, nispeten büyük ve de farklı boyutlara sahip taneler halinde iç yapıda bulunur. Normalleştirme (veya normalizasyon) adı verilen bu tavlama ısıl işleminden, tanelerin inceltilmesi, daha homojen bir iç yapı ve dağılımın sağlanması amacıyla yararlanılır.

Normalleştirme işlemi Şekil 11.10 da gösterilmiş olan çeliklerin üst kritik sıcaklık değerlerinin, yani ötektoid altı çelikler için A 3 sıcaklığının ve ötektoid üstü çelikler için A cm sıcaklığının en az 55 o C üzerindeki sıcaklıklara kadar ısıtılmasıyla gerçekleştirilir. Bu sıcaklıkta yeteri kadar tutulan çeliğin iç yapısı tamamen ostenit fazına dönüşür. Bu işlem aynı zamanda ostenitleme olarak da isimlendirilir.

Tam tavlama ısıl işlemi, daha çok önemli miktarda plastik şekil değişimine veya talaşlı imalat işlemine tabi tutulacak olan düşük veya orta karbonlu çeliklere, söz konusu işlemler öncesinde uygulanan bir ısıl işlemdir.

Küreselleştirilmiş çelikler en yüksek yumuşaklığa, şekil değişimi veya talaşlı işlemeye elverişli yüksek süneklik değerine sahip olur. Sementitlerin birleşmesiyle iç yapıda küresel formu oluşturmalarını sağlayan küreselleştirme tavı birkaç farklı şekilde uygulanabilir.

Kimyasal bileşiminin, su verme işlemi sırasındaki çeliğin martenzite dönüşebilme yeteneğine olan etkisi sertleşebilme kabiliyeti olarak tanımlanan bir parametreyle ilişkilidir. Her farklı çelik için, soğuma hızı ile elde edilen mekanik özellikler arasında özel bir ilişki söz konusudur. Sertleşebilme kabiliyeti ısıl işlemle sertleştirilen çeliğin martenzit oluşturabilme kabiliyetini tanımlayan bir kavramdır.

Çeliklerin sertleşebilme kabiliyetini belirlemede kullanılan standart yöntemlerden birisi Jominy (uçtan su verme) deneyidir. Çeliğin bileşimi dışında, parçanın kazandığı sertliğin içeri doğru değişimini etkileyebilecek boyut, şekil ve su verme işlemi gibi, tüm diğer faktörler bu deneyde sabittir.

Bazı metal alaşımlarının sertlik ve dayanımı, uygun ısıl işlemler sonrasında son derece küçük ikinci faz parçacıklarının matris faz içinde uniform şekilde dağıtılması yoluyla arttırılabilir. Yapıda dağılmış haldeki küçük yeni faz parçacıkları çökelti olarak isimlendirildiği için, bu işleme de çökelme sertleştirmesi adı verilmiştir.

Çökelme sertleşmesi iki aşamalı bir ısıl işlemdir: İlk aşama çözeltiye alma işlemi olup burada tüm çözünen atomlar tek fazlı bir katı çözelti içinde bulunur. Şekil 11.21

Isıl işlemin ikinci aşaması yaşlandırma veya çökelme ısıl işlemi olarak isimlendirilir ve aşırı doymuş katı çözelti halindeki alaşımın Şekil 11.21 de α + β ikili faz bölgesinde T 2 ile belirtilen ve yayınmanın yeterince gerçekleşebileceği bir sıcaklığa kadar ısıtılmasını içerir.

Yaşlandırma süresinin uzamasıyla, dayanım ve sertlik değerleri de artmakta, en yüksek değerine ulaşarak daha sonra azalmaya başlamaktadır. Uzun yaşlandırma süreleri sonucunda oluşan dayanım ve sertlikteki azalma aşırı yaşlanma olarak bilinir.

Perçinleme işlemi yaşlanmamış, yani yumuşak durumda gerçekleştirilir ve daha sonra normal ortam sıcaklıklarında yaşlandırılarak dayanımın artması sağlanır. Bu durum doğal yaşlandırma olarak isimlendirilmektedir. Yapay yaşlandırma işlemi ise oda sıcaklığından yüksek sıcaklıklarda gerçekleştirilir.