Çeliklere Uygulanan SERTLEŞTİRME YÖNTEMLERİ
Temel Bilgiler ve Kavramlar Sertleştirme, çeliklerin A 3 veya A 1 sıcaklığı üzerindeki bir sıcaklıktan, yüzeyde (veya aynı zamanda kesitte) önemli sertlik artışı sağlayacak bir hızda soğutulmasıdır (su verme). Böylece genelde martenzite dönüşen iç yapıda ferrit ve perlit oluşumu engellenir.
Bir çeliğin sertleşme davranışı iki ayrı kavramı kapsar; - Erişilebilen en büyük sertlik - Elde edilebilen sertleşme derinliği Martenzitik yapının ulaşabileceği en büyük sertlik öncelikle çeliğin karbon derişikliğine bağlıdır. Diğer alaşım elementlerinin tür ve miktarı bu değeri pek etkilemez.
Sertleşme kabiliyeti de denilen sertleşme derinliği ise, sertliğin ön görülen bir değeri aştığı kenar tabakasının kalınlığıdır. Bu değer, karbondan çok alaşım elementlerinin miktarı ve türü ile değişir. Alaşımsız çeliklerin kritik soğuma hızının yüksek olmasından dolayı sertleşme derinliği azdır. Elde edilebilen martenzitik bölgenin kalınlığı 5 mm değerini geçemez. Dolayısıyla bu melzemeler sığ sertleşme çelikleri olarak da adlandırılırlar.
Ötektoidaltı çeliklere A 3 sıcaklığının 30~50 C üzerindeki ostenitleme sıcaklıklarından su verilir. Tutma süresi (bileşim ile parça boyutlarına bağlı) Suda veya yağda su verme
V soğ. > V ükr. Olmak üzere M f. sıcaklığının altına inildiğinde iç yapı %100 martenzite dönüşür. Soğuma hızı üst kritik değerden azalarak uzaklaştıkça, martenzitin yerini (artan ölçüde) diğer dönüşüm ürünleri alır. Böylece erişilebilen sertlik, karbon ve martenzit oranına göre değişim sergileyecektir. Ostenitleme sıcaklığı gereğinden yüksek seçilirse, tane irileşmesi meydana geleceğinden, soğuma sırasında yayınma güçleşir. Ostenitin perlite dönüşüm eğiliminin azalmasından dolayı çeliğin sertleşme kabiliyeti artar. Ancak martenzitin kaba taneli ve aşırı gevrek olmasına yol açtığı için bu yöntem pek uygulanmaz.
Bazı takım çeliklerinde sertleştirme davranışını iyileştirmek amacıyla kararlı karbürleri çözebilecek kadar yüksek ostenitleme sıcaklıklarına çıkılması ve uzun tutma süreleri sakınca yaratmaz. Çünkü alaşımlı çeliklerde tane büyüme tehlikesi, bunu engelleyen karbürler çözünmedikçe söz konusu değildir. Tam ostenitleme gerçekleşmezse, yani sertleştirme sıcaklığı A c3 ten düşükse, çözünmeyen ferrit sertleşmiş iç yapıda yumuşak bölgelerin kalmasına neden olur; sertlik düşer ve eş dağılım göstermez. Ötektoidüstü bir çeliğin tam ostenitlenmesi için A cm. sıcaklığının üzerine çıkılması, ostenitte çözünen karbon miktarını arttırarak M f. Sıcaklığını düşürür.
Parçayı 0 C ın altına soğutma gibi önlemler alınmazsa, su verme sonucunda iç yapıda büyük miktarlarda artık ostenit ile karşılaşılır. Ayrıca yüksek tav sıcaklığı kaba taneli çok gevrek martenzit oluşumuna yol açar. Bu olumsuz durumlarla karşılaşılmaması için, ötektoidüstü çeliklere, A C1 in hemen üzerinden su verilerek, ince martenzit ve sertliği aynı düzeyde olan bir miktar II.Sementit elde edilir. Bu seçim aynı zamanda enerji tasarrufu da sağlar.
Suverme Ortamları Su verme işleminin etkisini aşağıdaki koşullar belirler: * Çeliğin sertleşme davranışı (karbon ve alaşım miktarı), * Su verme ortamının soğutma kabiliyeti, * Soğutma ortamının sıcaklığı ve hareketi, * Parçanın ısı iletim kabiliyeti (alaşım elementi miktarı ile azalır), * Parçanın boyut ve biçimi, * Parçanın su verme ortamında kalma süresi, * Yüzey durumu (örneğin tufalli)
İdeal bir su verme ortamı malzemeden perlit kademesinde mümkün olduğu kadar çok martenzit kademesinde ise çatlama tehlikesini azaltmak için mümkün olduğu kadar az ısı çekmelidir.
Yüksek sıcaklıktaki parçanın su vb. bir sıvıya daldırılarak soğutulması, yüzeyinde oluşan buhar filminin yalıtım etkisiyle başlangıçta oldukça yavaştır. Sıcaklık düştükçe (< 600 C) ve ortam hareketinin de yardımıyla bu filmin yırtılması sonucu buhar kabarcıklar halinde yükselmeye başlar. Parçayla doğrudan temas eden suyun kuvvetle buharlaşmaya devam etmesi, soğuma hızını 400 C ile 500 C arasında en büyük değerine ulaştırır.
Yüzey sıcaklığı buharlaşma noktasına indikten sonra ısı hemen hemen sadece konveksiyonla uzaklaştırıldığından su verme etkisi yeniden azalır. Suya NaOH, NaCl gibi uçucu olmayan maddelerin %5-10 oranında katılması, buharlaşma noktasını yükseltir, ayrıca film oluşumunu engeller. Böylece en etkin soğutma bölgesi saf suya göre daha üst sıcaklıklara kaymış bir suverme ortamının kullanılmasıyla, parçanın sertleşme derinliği artarken çatlama tehlikesi de azalmış olur.
Su verme yağlarının suya göre yaklaşık üç kat daha az olan soğutma etkisi, ancak alaşımlı çeliklerin sertleştirilmesi için yeterlidir.
BASİT SUVERME Su veya yağ gibi tek bir ortamda gerçekleştirilen sürekli soğutma yöntemidir. Sertleşme derinliği az olan karmaşık şekilli alaşımsız çeliklerde, yüksek hızla (suda) soğutma sonucunda parçaların iç ve dış kısımları arasında büyük sıcaklık farkları meydana gelir. Bu durum, parçalarda çarpılma ve çatlak oluşma tehlikesini yaratır. Bu türden sorun yaratacak konstrüksiyon elemanları için; - kritik soğuma hızları düşük olan (yağda soğutulabilen) alaşımlı çelikler seçilmelidir ve ayrıca - Suverme gerilmelerini azaltıcı aşağıdakiyöntemlere başvurulabilir.
Ötektoitaltı çelikler için kısaca su verme diye özetlenebilecek bu ısıl işlemi (uygulanışı ve belirtilen içyapıları için uygulamada kabul görmüş optimum değerler itibariyle) şematik bir programla vermek mümkündür : [ o C] T S ΔT T A 3 A 3 T S V kr [ o C/s] T t t s t t Şekil- t (zaman) [h] Ötektoitaltı çelikler için, bir su verme programı ( ıslah etme için de geçerli genel ve şematik gösterim). A 3 : C- oranına bağlı γ α dönüşümünün başladığı sıcaklık % C = 0 için A 3 = 910 o C; % C = 0,8 için A 3 = 723 o C T S : Su verme Sıcaklığı) = A 3 + 30 50 [ o C] V s : Soğutma hızı V kr (kritik soğuma hızı) t s : γ- sahasında tutma süresi ( 45 60 [dk])
KESİKLİ SUVERME Ostenitlenmiş parça önce 300 ~ 400 C sıcaklığa kadar hızlı (genellikle suda), daha sonra da iç ve dış kısımlar arasındaki sıcaklığın dengelenmesi beklenmeden ortam değiştirilerek yavaş (yağda) soğutulur. Böylece ideal su verme koşullarına bir ölçüde yaklaşılmış olunur. Ancak, ara sıcaklığın seçimi ve yakalanması deneyim gerektiğinden bu yöntem fazla tercih edilmez.
DURAKLI SUVERME (Martemperleme) Ostenitlenen çeliğe sıcaklığı Ms in hemen üzerindeki (gerektiğinde altında da seçilebilir) bir T d değerinde sabit tutulan ve çoğunlukla tuz eriyiği olan bir banyoda suverilir. İç ve dış sıcaklık dengesi sağlanıncaya kadar burada bekletilen parça beynit dönüşümü başlamadan dışarı alınarak yağ veya havada yavaş olarak soğutulur.
Böylece, sabit sıcaklıkta bekletme sırasında, - ostenitin kolayca şekil değiştirmesiyle ısıl gerilmeler giderilmiş olur, - parçanın her yanında eş zamanlı martenzit oluşumu sağlanarak, dönüşüm gerilmeleri de büyük ölçüde azaltılmış olunur.
Ancak sıcak banyoda oldukça yavaş soğumadan dolayı perlitin engellenmesi güçleştiğinden öncelikle alaşımlı çelikler için önerilen bir yöntemdir. Parçanın ince kesitli olması durumunda bazı alaşımsız çeliklere de uygulanır. Martemperleme yapılacak çeliklerin Ms- sıcaklığı çok yüksek olmamalıdır. Aksi halde, elverişli yayınma koşulları dolayısıyla beynit dönüşümü kolaylaşacağından, tutma süresi yeterince uzun alınamaz.
Bu nedenle ıslah veya takım çeliklerinden, 80 C ~ 240 C arasında banyo sıcaklığı gerektiren, en az % 0,6 karbonlular tercih edilir.
Suverme Gerilmeleri : Suverilen parçaların iç-dış, ince-kalın gibi değişik bölgelerindeki değişik soğuma koşulları nedeniyle oluşan gerilmelerdir. İki tür gerilmenin toplamı şeklinde çarpılma ve /veya çatlama tehlikesi yaratırlar. - Isıl gerilmeler : Hızlı soğuma sonucu parçadaki sıcaklık dağılımına bağlı farklı büzülmeler dolayısıyla meydana gelirler. - Dönüşüm gerilmeleri : Ostenitin martenzite dönüşmesi, parçanın heryanında aynı oran ve zamanda gerçekleşmemesi nedeniyle oluşurlar.
Suverme gerilmeleri, düşük soğuma hızları uygulanarak veya ısıl dengeleme yardımıyla da azaltılabilir. Dolayısıyla çeliğin kritik soğuma hızı sadece gerektiği kadar aşılmalıdır.
Kaynaklar : 1) Mühendislik Malzemeleri Prof.Dr.-Ing. A.Halim DEMİRCİ Aktüel-2004 2) Malzeme Bilgisi Cilt-II Prof. Dipl. -Ing. H-J. BARGEL & Prof. Dr. -Ing. G. SCHULZE Çevirenler: Prof.Dr. Şefik GÜLEÇ & Doç.Dr. Ahmet ARAN Gebze-1987