SERTLEŞTİRME
Amaç: Takım çeliklerin mümkün olan en yüksek sertlik derecesine ve aşınma mukavemetine sahip olması istenir. Bu arada soğuk şekil değiştirme kabiliyeti kaybolur ve süneklik çok düşer
Uygulama: Sertleştirme işlemlerinde üç önemli etken dikkate alınmalıdır; 1. Isıtma 2. Bekletme 3. Sertleştirme Uygulama çeliğin karbon miktarına bağlıdır. Alaşım elementlerinin tesiri de çok büyüktür.
1. Isıtma: Sertleştirme için çeliğin öncelikle ostenitleştirilmesi gerekir. Isıtmada aşırıya kaçılırsa iri ostenit taneleri teşekkül eder. Bunun sonucunda sertleştirilmiş yapı olumsuz yönde etkilenir ve iri iğneli bir yapı meydana gelir. Su verme sıcaklığının altına ısıtma sonucu da hatalar doğar. Ostenit arasında su verme sırasında martenzit haline dönüşemeyen ferrit artıkları kalır. Perlit üstü çelikler tamamen ostenit haline getirilemezler. Bu durumda su verme sonucu sertliğin daha az olduğu görülür. Perlit üstü çeliklerin sertleştirilmesinde en doğru sıcaklık A1 doğrusunun 40oC üstündedir, yani yaklaşık 760oC dir.
2. Bekletme: Bekletme veya ısı emdirme adı verilen işlem, çeliklerin su verme sıcaklığında dönüşümün tamamlanması için bir süre bekletilmesi işlemidir. Bekletme genel olarak çeliğin her bir cm kalınlığı için 5 dakikadır (sade karbonlu çelikler için) Alaşımlı çeliklerde katkı elemanlarının dönüşmeleri daha geç olduğu için, daha fazla süre ile bekletme uygulanır.
3. Su verme: Sertleştirme (su verme), çeliklerin yapısını değiştirmek için yapılan kontrollü soğutmadır. Su verme ortamı, çeliğin ısısını parçanın kritik soğuma hızını aşacak şekilde emmelidir. Ancak bu şekilde ostenitten martenzitik bir iç yapı teşekkül eder.
Tam bir sertleşme sağlayabilmek için mümkün olduğu kadar saf bir martenzitik iç yapı oluşturulmalıdır. Bu sonuca perlit teşekkülünü tamamen önleyerek de varılır.
Su Verme Ortamları Su verme ortamı, parçanın kritik soğuma hızını aşacak şekilde olmalıdır ki östenitin tümü martenzite dönüşebilsin (dönüşüm sertleşmesi için). Su verme işlemini şu faktörler etkiler: Çelik içerisindeki C ve alaşım elementi oranları (kimyasal bileşim) Su verme ortamının soğutma kabiliyeti Parça malzemesinin ısı iletim kabiliyeti (alaşım elementi miktarı ile azalır) Parçanın boyutu ve şekli Parçanın yüzey durumu (tufal: oksit tabakası olup olmadığı) Parçanın su verme ortamında kalma süresi İdeal su verme ortamı, malzemeden perlit kademesinde mümkün olduğu kadar çok, martenzit kademesinde ise çatlama tehlikesini azaltmak için mümkün olduğu kadar az ısı çekmektir. Su verme ortamları: Su Buzlu su %5-10 NaCl içeren su %5-10 NaOH içeren su Oda sıcaklığında su Yağ (200-250 C) Tuz banyosu (tuz ergimiş halde) Ergimiş metal banyosu
Su Verme Çeşitleri 1. Doğrudan su verme: en eski sertleştirme yöntemidir, ve halen en yaygın kullanıma sahiptir ( özellikle kırsalda) bu yöntemde çelik, östenitleşme işlemi sonucunu beklemeden ve ayrıca bir ara ısıl işlem uygulanmada, östenitleme sıcaklığından doğrudan su verme ortamına daldırılır, ortamın niteliğinin önemi yoktur. 2. Kesintili su verme: martensit oluşumunu sağlamak için çeliğin hızla oda sıcaklığına soğutulması, çelikte çarpılma büzülme ve çatlamalara neden olabilir. Bu gibi olguları önlemek için kesintili su verme işlemi uygulanır. Yöntemde aslında yapılan çatlamanın olabileceği kritik sınırı geçer geçmez ( S diyagramlarındaki burun kısmı) yavaş yavaş soğutularak martensit oluşması sağlanır
Kesintili Su Verme Uygulamaları 1. Martemperleme Eğer her hangi bir çelik parçayı ilk önce Ms sıcaklığının hemen üstüne hızla soğutup, bu sıcaklıkta, iç ve dış kısımların sıcaklığının dengeleneceği kadar uzun süre kararsız ostenit bölgesinde tutarsak, ve daha sonra bu sıcaklıktan su verirsek, çelik parçanın tamamı aynı anda martenzite dönüşür. Böylece su verme sırasında iç ve dış kesimlerin farklı soğumasından dolayı oluşabilecek su verme çatlaklarını önlemiş oluruz. Bu ısıl işleme martemperleme denir. Çeliklerde verme sırasında oluşan iç gerilmeleri ve suverme çatlaklarını önlemek için martemperleme işlemi uygulanabilir.
2. Östemperleme (Beynitleme) %100 beynit yapısı elde etmek amacıyla yapılır. Östenitleme sıcaklığına ısıtılan parça, (beynitleme) sıcaklığındaki ergimiş Pb ya da tuz banyosuna daldırılır ve kararsız östenitin tamamının izotermik olarak beynite dönüşmesi tamamlanıncaya kadar bekletilir. Daha sonra istenen hızda havada soğutulur. Bekleme sırasında ısıl gerilmeler giderilir. Östemperleme, çatlak oluşumuna duyarlı karmaşık şekilli parçaların toklaştırılmasında büyük önem kazanır. Yöntem daha çok, talaşsız şekillendirme kalıplarının imalatında kullanılan takım çeliklerinin sertleştirilmesi için uygundur. Elde edilen içyapının sertliği, martenzite göre daha düşüktür. Bu nedenle parçanın çentik darbe dayanımı daha iyidir. Yay üretimi için idealdir.
3. Perlitleme işlemi; Perlitleme işlemi; östenitik sıcaklığa ısıtılan parça perlitleme sıcaklığındaki banyoya kadar soğutulur ve banyada iç yapı tamamen perlit oluncaya kadar bekletilir, banyodan çıkarılarak soğutulur.
Sıfır altı (Vakumla) soğutma işlemi Bu işlem sadece çatlama ihtimali olmayan kalıplar için uygulanabilir. Isıl işlemden sonra takım çeliklerinin yapılarında normalde bir miktar kalıntı ostenit kalır. Bu kalıntı ostenit bir süre sonra martensite dönüşür. Bu yapısal değişim özellikle ölçü aletlerinde, ölçülerde kabul edilemez küçük değişikliklere yol açabilir. Kalıntı osteniti düşük seviyeye indirmek veya hemen hemen tamamı ile ortadan kaldırmak için, bir sıfır altı soğutma işleminin ardından, 120-150 C'de bir gerilim giderme tavsiye edilir. Bu işlemin bir kaç kere tekrarlanması gerekir. Şekil 1.2. Özel soğutma tezgahı
Su Verme Çatlakları Su verme sırasında oluşan iç gerilmeler de martenzitik yapının gevrek davranmasına yol açarlar. Martenzitin yoğunluğu ostenite göre biraz daha düşüktür ve su verme sırasında gerçekleşen faz dönüşümü sonucunda, toplam hacimde bir artış olur. Bu yüzden oluşan iç gerilmelerden dolayı, su verme sırasında parçaların yüzeylerinde çatlaklar meydana gelebilir. Bu özellikle karbon oranının ağırlıkça %0,5 C ten fazla olduğu çelikler için problem yaratır. Su verilen çeliklerin yüzeyleri daha çabuk soğudukları için iç kesimlere göre daha önce martenzite dönüşürler. Sert martenzite dönüşen dış bölgedeki hacim artışı, daha yumuşak olan iç kısımdaki ostenit hacmini sıkıştırmaya çalışır. İç bölgelerdeki ostenit daha sonra martenzite dönüştüğünde, iç bölgelerde hacimlerini arttırmak isterler ve bu yüzden sert yüzey çekme gerilmelerine maruz kalırken, daha sonra martenzite dönüşen iç bölgeler ise basma gerilmelerine maruz kalırlar. Eğer artık iç gerilmeler akma dayanımını geçerlerse, yüzeyde su verme çatlakları oluşur.
Toklaştırma (Islah Etme) Yöntemleri Islah etme, iş parçalarına ve yapı elemanlarına büyük dayanım, yüksek bir akma sınırı yüksek süneklik ve ayrıca plastiklik kazandıran bir işlemdir. Önce bir sertleştirme ve arkasından meneviş (genellikle yüksek sıcaklıktaki meneviş) olayları, birbiri peşi sıra uygulandığında Islah işlemi olarak adlandırılır. Islahta seçilen meneviş sıcaklıkları, sertleştirilmiş duruma nazaran sertlikte önemli ölçüde düşme yapar. Islah işlemi, yalnızca ıslah çeliklerine değil, bazı takım çeliklerine de uygulanabilir. Uygun ıslah işlemi yapabilmek için, sertleştirme sıcaklığının doğru seçilmesi gerektiğinden, çeliğin karbon miktarı ve alaşım durumu tam olarak bilinmelidir. Malzemede mevcut iç gerilmelerin ısınmada sakınca yaratmaması için çeliğin ostenitleştirme sıcaklığına ısıtılması dikkatlice yapılmalıdır. Islah çeliklerinde %0,20-%0,65 oranında karbon bulunur (alaşımsız ıslah çelikleri). Islah etme işlemi ile; mekanik dayanımı (çekme, akma dayanımları)yüksek olan çeliklerin eldesi amaçlanır; istenilen sertlik elde edilir.
Su verme işlemi sonucunda, parça içerisinde oluşan gerilmeleri gidermek için temperleme (menevişleme) işlemi uygulanır. Meneviş işlemi Ac1 çizgisinin altında bir sıcaklıkta yapılabilir. Ancak, sıcaklık değiştikçe malzemedeki iç yapı da değişecektir. Bu yüzden malzemede istenen özelliklere tam olarak bilinmeli ve bu doğrultuda meneviş sıcaklığı seçilmelidir. 200 oc'ye kadar olan menevişlemede sertlikte önemli bir kayıp görülmez. Ancak iç gerilimlerin büyük bir bölümü giderilmiş olur. 200-400 oc arasında yapılan menevişleme ile çekme dayanımında az da olsa bir düşme görünür. Sertlikte ise önemli azalmalar görülebilir. Genellikle 60-40HRC arasında bir değer alır. 400-650 oc arasında yapılan menevişleme ile oldukça tok bir yapı elde edilirken; sertlik de 40-20HRC'ye kadar düşebilir. 650-723 oc arasında ise sementit taneleri küreselleşirler. Bunun sonucunda ise oldukça yumuşak ve tok bir yapı elde edilir.
Çeliğin Sertleşme Davranışı Sertlik: Çelik içindeki C yüzdesine bağlı olarak sertlik değeri Sertleşme Derinliği (sertleşme kabiliyeti): Sertleşme derinliği, sertliğin öngörülen bir değeri aştığı sınır tabakası kalınlığı olarak tanımlanır. Alaşım elementi cinsi ve miktarıyla belirlenir. Çeliğin sertleşme davranışı DIN 50191 de verilen Jominy (Alından Su Verme )Deneyi ile saptanır.
Jominy (Alından Su Verme) Deneyi (DIN 50191)
Sertleştirme sonucunda %0,8 C li çeliğin (ötektoid çelik) sertliği yaklaşık 67 HRC dir. Çeliğin sertleşme derinliği, genellikle %50 martenzit içeren, yani böyle bir içyapının sertliğine sahip olan noktanın, alın yüzeyinden uzaklığıdır. Alaşımsız çeliklerin kritik soğuma hızının yüksek olması nedeniyle, sertleşme derinliği azdır. Yani elde edilebilen martenzitik tabakanın kalınlığı yaklaşık 5 mm dir. Bu nedenle, bu tür çeliklere sığ sertleşme çelikleri adı verilir. Alaşımlı çeliklerde ise, elde edilebilen martenzitik tabakanın kalınlığı yaklaşık 12 mm dir.
2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Figure 12.23 The hardenability curves for several steels.
Tavlamalar 1. Difüzyon (Yayınma) Tavlaması (Homojenizasyon, Homojenleştirme Tavlaması) Birincil kristalleşme sonucunda oluşan kimyasal bileşim farklılıklarını (mikrosegregasyonu) gidermek için yaklaşık 1100 C- 1300 C arasında 6-12 saat veya 50 saat süre ile uygulanır. Böylelikle ikincil kristalleşmede (örneğin sıcak şekillendirmede) ortaya çıkacak bantlı içyapının oluşması önlenir. Genellikle haddeleme öncesinde tav çukurlarında ingotlara uygulanan ısıl işlemdir. Malzeme içerisinde bulunan gevrekleştirici katışkıların bazıları çözünebilir ve tane sınırlarından tane içine yayınır. Oksitler, karbürler, nitrürler vb. gibi katışkılar ise çözünemez ve küresel bir şekil alırlar. Isıl işlem sonucunda, yassı mamullerin yarı mamulü olan ingotların şekillendirilmesi iyileştirilmiş olur. Sıcaklığın yüksek ve işlem süresinin uzun olması nedeniyle, pahalı bir işlemdir. İşlem sonunda genellikle tane büyümesi meydana geldiğinden gerektiğinde uygulanan bir yöntemdir.
2. Tane İrileştirme Tavlaması (İri Tane Tavlaması, Kaba Tane Tavlaması) Düşük karbonlu çeliklerde (%C<%0,2), talaşlı işleme kabiliyetini iyileştirmek amacıyla uygulanır. Tav sıcaklığı 950-1100 C arasında seçilir, tav süresi ise yaklaşık 3-5 saat dir. Tanelerin irileşmesi ile kısa, kırılgan talaş elde edilir. Tavlama sonucunda gevrek ve kaba taneli bir içyapı elde edilerek, talaşın sürekliliği engellenir. Bu durumda malzeme takım üzerine sıvanmaz ve özellikle kısa talaş elde edildiğinden, otomat tezgahlarda malzeme işlenebilir. Yüksek sıcaklıkta yapılan bu tavlama sonucunda, malzemenin tokluk değeri düştüğünden, seyrek uygulanan tavlamadır.
3. Gerilme Giderme Tavlaması Üniform olmayan ısıtma-soğutma işlemleri (döküm, kaynak, sertleştirme), üniform olmayan şekil değişimi (eğme, soğuk şekillendirme), talaşlı işleme (frezeleme, planyalama, tornalama vb) ve dönüşüm olayları sırasında parça içinde oluşan gerilmelerin giderilmesi amacıyla uygulanır. İşlem sıcaklığı malzemenin kimyasal bileşimine göre, alaşımsız ve az alaşımlı çeliklerde 500-680 C arasındadır. Tav süresi ise 0,5-1 saat arasındadır. İşlemin başarılı sonuç verebilmesi için, soğuma işleminin yavaş yapılması gerekir. Aksi takdirde soğuma farkı nedeniyle, malzeme içinde tekrar iç gerilmeler oluşabilir.
4. Yeniden Kristalleştirme Tavlaması (Rekristalizasyon Tavlaması) Soğuk şekil verme sonucunda pekleşen malzemenin özelliklerini (örneğin yüksek dayanım, düşük süneklik ve tokluk gibi) başlangıç durumuna getirmek amacıyla yapılır. Tavlama sıcaklığı 600-700 C dir. Yaklaşık 1 saat lik sürede gerçekleşir. Bu tavlamanın uygulanabilmesi için malzemenin en az %10 oranında soğuk şekillendirilmiş olması gerekir. Böylece metalik malzemenin, katı halde bozulmadan yeniden kristalleşmesi sağlanır ve soğuk şekillendirme sonucunda oluşan pekleşme, sertleşme giderilerek malzemeye daha sonraki soğuk şekillendirme işlemleri için gerekli olan süneklik kazandırılır.
5. Yumuşatma Tavlaması (Yumuşak Tavlama, KüreleştirmeTavlaması) %C %0.4 olan çeliklerde talaşlı işlemeyi, %C < %0.4 olan çeliklerde soğuk şekillendirmeyi kolaylaştırmak amacıyla uygulanır. Tavlama sıcaklığı çeliğin ötektoidaltı ya da ötektoidüstü olmasına göre değişir. Tavlama süresi ise 5 h den az olmamalıdır. Bazen 100 h olabilir. Yumuşatma tavlaması; ötektoidaltı çeliklerde sert perlit tanelerindeki sementit lamellerini parçalamak, ötektoidüstü çeliklerde ise hem perlit tanelerindeki sementit lamellerini hem de tane sınırlarındaki 2.sementit ağını parçalamak amacı ile uygulanır.
6. NormalleştirmeTavlaması (Normalizasyon) Tavlaması Normalleştirme tavlaması sonunda, küçük ve eş eksenli tanelerden oluşan perlitikferritik içyapı elde edilir. Normalleştirme Tavlaması şu amaçlarla yapılır: - Soğuk şekil verme sonrasında uzamış taneleri başlangıç yapısına döndürmek, - Sıcak haddeleme sonucunda oluşan bantlı içyapının giderilmesi, - Kaynaklı parçalarda, ( tane büyüklüğü farklı olan hadde yapısı ve döküm içyapısının bir arada olduğu durumlarda ) - Difüzyon tavlaması sonucunda irileşmiş tanelerin inceltilmesi, Tavlama işlemi sonucunda, malzemenin mekanik özelliklerinde, özellikle de toklukta artış sağlanır.tav süresi, et kalınlığına göre 30-60 dak arasındadır. Basınçlı kaplara mutlaka bu tavlama işlemi uygulanmalıdır.