ÇELİKLERİN ISIL İŞLEMLERİ

ÇELİKLERİN ISIL İŞLEMLERİ

Demir esaslı malzemeler, sıcaklığa bağlı olarak çok değişik kristal yapılarına sahiptirler (allotropluk). Ayrıca ostenit sıcaklığından hızlı soğutulmaları halinde aşırı soğuma görülür. Bunun sonucu olarak dönüşüm sıcaklıkları düşer ve karbon veya diğer alaşım elementlerinin yayınımı güçleşir. İç yapı ve özellikler bakımından belirli bir durumu elde etmek üzere, malzemenin solidüs sıcaklığının altında, uygun sıra ve süre ile ısıtılıp soğutulmasına ısıl işlem denir.

İşlem sırasında ortamın etkisiyle (örneğin karbonlama ve nitrürlemede olduğu gibi) çeliğin kimyasal bileşimi de değişebilir. Çeliklerin ısıl işlemleri başlıca şu amaçlar için uygulanır: Talaşlı işleme özelliğini iyileştirmek (yumuşatma, tane irileştirme), Dayanımın arttırılıp azaltılması (sertleştirme, normalleştirme, yumuşatma), Soğuk şekil vermenin etkisini yok etmek (yeniden kristalleştirme, normalleştirme), Mikro segregasyonun ortadan kaldırılması (homojenleştirme), Tane büyüklüğünü değiştirme (normalleştirme, yeniden kristalleştirme, tane irileştirme),

İç gerilmelerin azaltılması (gerilme giderme), Belirli iç yapıların elde edilmesi (normalleştirme,yumuşatma, sertleştirme). Söz konusu işlemler iki ana grupta toplanabilir: - Tavlama, - Sertleştirme. - Tavlama ile iç yapının kararlı denge durumuna yaklaşması sağlanır (soğutma yavaş yapılır) - Sertleştirme de ise ostenit, çeliğin bileşimine bağlı bir minimum hızın altına inilmeyecek şekilde soğutularak yarı kararlı bir iç yapı (martenzit) oluşturulur.

Tav işlemleri de kendi aralarında tekrar iki gruba ayrılır: I. Tür Tav İşlemleri: İç yapı değişikliklerine neden olsalar bile öncelikle belirli özelliklerin elde edilmesine yöneliktirler (homojenleştirme, tane irileştirme, gerilme giderme, yeniden kristalleştirme işlemleri). II. Tür Tav İşlemleri: Bunlarda temel amaç belirli iç yapı durumlarına ulaşmaktır (yumuşatma, normalleştirme işlemleri).

Sıcaklık-Zaman Diyagramı : Her ısıl işlem en az Belirli bir sıcaklığa ısıtma, Bu sıcaklıkta tutma, Soğutma aşamalarını içerir. İstenilen sıcaklığa ısıtmada iki yöntem vardır : Isı parçaya bir dış kaynaktan taşınır (temas veya radyasyon yoluyla) Isı parçada oluşturulur (doğrudan elektrik akımı geçirme veya indüksiyon yoluyla).

Isıtma I t Y II t YM Tutma t T Soğutma t Y Sıcaklık T Parçanın merkezi Parçanın yüzeyi Zaman t Isıl işlemlerde Sıcaklık-Zaman Diyagramı (şematik) I : Yüzeyi istenen sıcaklığa getirme, II : Yüzey ve merkez sıcaklıklarını eşitleme

TAVLAMALAR Tavlamalar, ısıl işlem parametreleri nden sadece soğutma hızının -genel olarak, havada soğutma gibi yavaş soğutma hızlarının seçimiyle- devre dışı bırakıldığı ısıl işlem grubudur diyebiliriz. Genellikle ulaşılmak istenen malzeme özelliklerine göre isimlendirilirler. Normalizasyon (Normalleştirme) Bu tavlamanın amacı, göz önüne alınan çeliğe, her türlü muhtemel ön işlemelerden sonra normal içyapı diye tarif edebileceğimiz ince, yuvarlak taneli, homojen dağılımlı içyapısını tekrarkazandırmaktır. Normalleştirme Tavlaması sadece dönüşümünün olduğu çelikler için anlam taşır: Uygulama esası yararlanılan mekanizmalar- bu dönüşüme dayanır.

.

dönüşümünün bastırıldığı alaşımlı çeliklerde normal tavlama işlemi uygulanması söz konusu değildir. Normalizasyon için çelik, su vermede olduğu gibi A 3 sıcaklığının 20 50 o C üzerine çıkarılır, bir süre (45 60 dk) bekletildikten sonra durgun havada soğutulur. Daha yüksek sıcaklıklara ısıtma veya bu sıcaklıklarda daha uzun süre tutma, tane irileşmelerine yol açar. Isıtma sırasında ise, A c1 ve A c3 sıcaklıkları arası, sonuçta özellikle ince taneli ostenit eldesi için, mümkün mertebe çabuk geçilmelidir. Ötektoitüstü çeliklerde parça A 1 sıcaklığının üzerine kadar ısıtılır (Şekil-8). Daha yüksek sıcaklıklara ısıtma tane irileşmelerine ve yüzey bölgesinin karbon kaybına (dekarbürizasyona) yol açar.

Ötektoitüstü çeliklerde düşük sıcaklıklardaki tavlamanın önemli bir faydası da, tane sınırlarındaki ikinci sementit ağının, sementitlerin kısmen de olsa küreselleşmek meyli ile, parçalanmasını sağlamasıdır. Oluşacak nihai içyapı çeliğe önceden uygulanmış olan üretim ve hazırlama işlemlerinden (dövme, haddeleme, döküm, kaynak ve/veya ısıl işlemler gibi) bağımsız olmuş olacaktır. Tavlanmış parça, kararlı dengeye uygun içyapıya (büyük bir yaklaşıklıkla denge diyagramının gerektirdiği tane yapısına) kavuşmuş olacaktır.

Normalizasyon uygulamalarının söz konusu olduğu veya olması gerektiği yerleri, genel olarak ve önem sırası gözetilmeksizin bir arada özetleyerek belirtmek mümkündür : Her şeyden önce bazı ısıl işlemlere bağlı olarak, ince taneli nihai içyapı eldesi için difuzyon tavlamasından sonra ve su verme işleminden önce, sıcak haddelemelerden sonra, haddeleme teksturuna bağlı olarak ortaya çıkabilecek anizotropik etkileri ve gevrek kırılma meylini azaltmak amacıyla, dövme ve diğer plastik şekil verme işlemlerinden sonra sıcak deformasyona ilişkin içyapı oluşumlarının normalleştirilmesinde, özellikle çelik döküm parçaların dökümden sonraki kaba ve gevrek içyapısından (Widmannstaetten yapısından) kurtarmak, mukavemet ve tokluk özelliklerini iyileştirmek için, çoğu zaman rekristalizasyon tavlaması yerine uygulamak, yeniden kristalleşme sırasında tane irileşmesine meydan vermemek için, Kaynak işlemlerinden sonra, temel malzeme, sıcaklık etki bölgesi (geçiş bölgesi) ve kaynak dikişi arasında ortak nitelikli tane yapısı oluşturmak için normalizasyon tavlaması gündeme gelir; ayrıca

Normalizasyon tavlamasının malzeme bilimindeki önemli yeri ve vazgeçilmezliği, bilimsel çalışmalarda bir çıkış noktası oluşturmasından ve referans verileri teslim etmesindendir.

Sıcaklık [ o C] 1200 1000 910 G 800 A 3 α + γ T S γ-ke Bölgesi A cm E Sertleştirme Sıcaklığı (Bölgesi) P (% 0,025 C) S A 1 K 600 α - Bölgesi 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 Karbon miktarı [%C ] Şekil-8) a) Alaşımsız çeliklerde karbon oranına göre, normalizasyon, su verme (TS) ve dönüşüm sıcaklıkları (A1, A3 ve Acm).

P α γ α γ γ T < A 1 ( İri taneli, serbest α + Perlit) A 1 < T < A 3 (α + γ) T > A 3 ( γ ) T < A 1 ( Yeni, küçük taneli, serbest α + perlit ) Şekil-8) b) Normalizasyon sırasında, içyapıda, tane içi dönüşümlerinin şematik gösterilişi.

Rekristalizasyon (Yeniden Kristalleştirme) Tavlaması: Yeniden kristalleştirme tavlaması, önceden uğradığı soğuk plastik şekil değişimiyle, deformasyon yeteneği azalmış veya tamamen kaybolmuş çelik parça veya yarı mamullere, soğuk deformasyon sertleşmesini kaldırmak, daha doğrusu malzemeye yeniden şekil verme kabiliyeti kazandırmak amacıyla uygulanır. Rekristalizasyon tavlaması sadece malzemeye bağlı (normalizasyon gibi) ısıl işlem grubundan değildir: İşlem parametrelerini malzeme ve plastik deformasyon oranı birlikte tayin eder. Az veya çok da olsa, belli bir oranda soğuk plastik deformasyona uğramış, pekleşmiş, deformasyon yeteneği kaybına uğramış malzeme veya malzeme grubuna uygulanması söz konusudur.

Rekristalizasyon tavlaması sadece malzemeye değil, aynı zamanda deformasyon oranına da bağlı bir ısıl işlemdir. Rekristalizasyon sürecinin gerçekleşmesi belli bir oranda soğuk plastik şekil değişimini gerektirir. Rekristalizasyon tavlaması, soğuk plastik deformasyon yeteneği gösterme durumunda olmayan malzemelere uygulanmaz. Bir çok teknolojik kullanım yerlerinde, yüksek oranda soğuk plastik deformasyon gerektiren üretimler (ince levha üretimi veya tel çekimi, derin çekme ve sıvama parçaları imali gibi), yeniden kristalleşme (rekristalizasyon) tavlaması uygulanmadan gerçekleştirilemez.

İçyapının yeniden kristalleşmesini sağlayacak bu minimum sıcaklığa yeniden kristalleşme sıcaklığı (T R ) denir. T R ile bir malzeme sabiti olan T Erg arasında T R [K] 0,30 0,42 T erg [K] genel bağıntısı yaklaşık bilgi ve pratik kullanım için yararlıdır. Soğuk deformasyonla pekleşebilen malzemelerde, uygulanacak deformasyonun soğuk şekil verme mi, yoksa sıcak şekil verme mi olduğunu nasıl anlayabiliriz?

Soğuk şekil verilmiş bir çelik malzeme için tavlama sıcaklığına bağlı olarak özellik değişimi (şematik): I. Mikro yapıda ve özellikte değişme yok, II. Kendine gelme, III. Rekristalizasyon,

Rekristalizasyon sıcaklığının soğuk şekil değiştirme oranına bağlılığı (şematik).

Farklı tavlama süre ve sıcaklıklarının rekristalizasyon oranına etkisi (şematik)

Difuzyon Tavlaması : (Yayınma veya Homojenleştirme Tavalaması) Malzeme yeni ve homojen yapısı ile yeni üretim ve iyileştirme işlemlerine hazır hale gelmiştir fakat yüksek sıcaklıkta uzun süre tutulmakla tane irileşmesine uğramıştır. İrileşmiş ostenit taneleri takip eden ısıl işlemlerle (normalizasyon gibi) küçültülmelidir. Segregasyon esas olmak üzere, önceden uygulanan ısıl işlemler gibi çeşitli şekillerde oluşmuş olan, malzeme içerisindeki konsantrasyon farklarını ortadan kaldırmak için yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilen bir tavlamadır. Çeliklerin C- oranına göre, homojenleştirilecek parça, atom yayınmasını (difuzyon) teşvik edecek şekilde, 1050 1200 o C arasında mümkün mertebe uzun süre tutulur (yine de 40 saatten fazla difuzyon için tavlama süresi ekonomik görülmez; ayrıca uzun süre ve yüksek sıcaklıktaki tufal oluşumu gibi olumsuzlukları göze almamak için, difuzyon tavlaması malzemeye başlangıçta, yarı-mamul üretiminden önce, uygulanması doğru olur).

Gerilme giderme- Tavlaması Teknik bir parçada -dışardan bir yükleme olmaksızın- zaten varolan iç gerilmeler ile, kullanım sırasında söz konusu parçanın ivmeli hareketleri sonucu veya diğer statik yüklemelerle ortaya çıkan gerilmelerin süperpozisyonu, beklenmedik kırılmalara ve/veya kalıcı deformasyonlara götürebilir. Bu sonuçlardan kaçınmak veya en aza indirmek için, -ön ısıl işlemlerle mümkün mertebe, oluşumu teşvik edici parametreleri ortadan kaldırmak, veya işlem sırasında iç gerilme oluşumunu en aza indirmek (uygun sıcaklık aralıklarında çalışmak ve hızlı sıcaklık değiştirmelerinden kaçınmak gibi), ve üretim sonunda -ısıl işlemlerle- iç gerilmelerin giderilmesi, Gerilme Giderme tavlaması ile gerçekleştirilebilinir.

Döküm, kaynak, plastik şekil verme gibi üretim yöntemleri, bunlara ilişkin ısıl işlemler ve/veya işleme aşamaları (su verme, dövme veya haddeleme, kaynak, tornalama veya taşlama gibi) bu mekanizmaların birlikte müdahil olduğu teknolojik uygulamalardır. Gerilme giderme tavlamasında (daha doğrusu gerilme düşürme tavlaması ) parça, 450 650 oc arasına çok yavaş ısıtılır (fırında kontrollü şekilde) -ama kompozisyona göre ve önceki ısıl işlem etkilerini gidermeyecek bir sıcaklık düzeyinde- bir süre tutularak (enerji kaybına meydan vermeyecek ve fakat parçanın homojen ısınmasını sağlayacak kadar, çapa bağlı bir süre) yine homojen soğutmaya dikkat edilerek sıcaklık yavaşça düşürülür. İç gerilmelerin oluşum kaynaklarını belirtmek, gerilme giderme tavlamasının uygulama alanlarına işaret edecektir. Soğuk plastik şekil değişimi, faz dönüşümleri, ısıl işlemler, sıcaklık değişimleri gibi işlem ve mekanizmalar malzemelerde ayrı ayrı veya bir arada işlerlik içinde, iç gerilme kollektifini oluşturabilirler.

Çekme ve Akma Mukavemeti R m ve R e [N/mm 2 ] İşlem sonunda malzemenin tane yapısı ve faz oranları değişmez. İç gerilmelerin en aza indirilebilmesi ise, sıcaklıkla akma mukavemetinin düşmesi ile ilgilidir (Şekil-9). R m R e 100 300 500 700 Sıcaklık T [ºC] Şekil-9) Akma (ve çekme) mukavemetinin sıcaklıkla değişimi.

Tavlama işleminden sonra (malzeme içerisinde bölgesel plastik deformasyonların gerçekleşmesi sonucunda), malzemenin halâ barındırdığı iç gerilmelerin mertebesi, tavlama sıcaklığındaki akma dayanımı değerinde olacağı açıktır (Şekil-9). İç gerilmelerin parçanın makro-boyutları üzerinde eşdağılım göstermemesi durumunda, tavlama işlemi bu kere çarpılmalara yol açabilecektir. Bu bakımdan hassas parçalara, gerilme giderme tavlamasından sonra nihai boyut işlemleri uygulanmalıdır.

Yumuşatma Tavlaması (Küreleştirme) : C % 0,4 olan çeliklerde talaşlı işlenmeye uygun en yumuşak iç yapının elde edilmesini sağlar. Daha düşük karbonlu çeliklerde ise aşırı yumuşama nedeniyle, özellikle delme sırasında sıvanma eğilimi görüldüğünden, talaşlı imalatı kolaylaştırmak için yumuşatma yerine tane irileştirme tavlamasına başvurulur. A c1 in hemen altında (bazen üzerinde) veya her iki yönde salınım şeklinde değişen sıcaklıklarda (~100 h) tavlama işlemi gerçekleştirilir ve daha sonra yavaş soğutulur.

Tavlama sonucunda lamelli perlit, taneli bir biçim alır (denge durumu). Yani yüksek yüzey enerjili sementit lamelleri ferrit içinde çözünüp bölünerek düşük yüzey enerjili kürecikler halini alırlar. Ferritik ana kütleye dağılmış karbür parçacıkları şeklindeki iç yapı durumuna ıslah işlemleriyle de ulaşılır. A c1 sıcaklığının dar bir zaman aralığı için aşılması, sementit lamellerinin küreleşmesini kolaylaştırır ve tav süresini kısaltır. Aynı şekilde, A c1 etrafında salınım yapılması da olayı belirgin bir şekilde hızlandırır. Ötektoidüstü çeliklerin zor çözünen sementit ağı ancak bu yöntemlerle parçalanabilir.

Çeliğe uygulanacak sertleştirme işlemine küreleştirilmiş bir iç yapıyla başlamak, (özellikle ötektoidüstü çeliklerde) başarılı sonuç alınmasının kolaylaştırır. Ancak pratikte kısa süreli (daha ekonomik) olması nedeniyle çoğu kez normalleştirme tavlaması uygulanır. Ferrit Perlit Yumuşatma tavlamasında sementit lamellerinin bölünmesi

Tane İrileştirme Tavlaması : Düşük karbonlu çeliklerde (C < % 0,4) talaşlı işlemeyi kolaylaştırmak amacıyla, gevrek ve kaba taneli bir iç yapının elde edilmesi talaşın sürekliliğini engeller. Bu durumda malzeme sıvanmaz ve özellikle kısa kırılıcı talaş verdiğinden otomatik tezgahlarda işlenebilir duruma gelir. Tavlama sıcaklığı çeliğin üretim yöntemine ve iç yapısına bağlı olarak 950 C ile 1100 C arasında seçilir. Alt dönüşün noktası A c1 e kadar yavaş soğutma yapılmalıdır. Sonrası hızlı soğutma olarak devam edebilir. Yüksek sıcaklıklardan dolayı pahalı sayılan bu tavlama işlemi, tokluk değerlerini de düşürdüğünden seyrek olarak uygulanır.

.

Yararlanılan Kaynaklar: 1- Mühendislik Malzemeleri Prof.Dr.-Ing. A.Halim DEMİRCİ Alfa-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