Mühendislik Malzemeleri 3. Metaller ve Alaşımları Mehmet DEMİRKOL 1. Metaller (ve alaşımları) 2. Seramikler (seramikler ve camlar) 3. Polimerler (Plastik ve lastikler) 4. Kompozit Malzemeler Metallerin Önemi? Tasarımlarda beklenen çoğu özellikleri sağladıkları Yıllarca sürem uygulamalarda imalat özelliklerinin iyi bilinmesi ve geliştirilmiş olması ve Mühendislerin metalleri ve özelliklerini iyi tanımaları Metaller neden önemli? (Avantajları) Yüksek dayanım ve rijitlik yeterli süneklik Alaşımlandırarak bu özelliklerin ayarlanabilmesi Yeterli tokluk (enerji yutma kapasitesinin yüksek olması - kolay kırılmama) İyi elektrik iletkenliği İyi ısı iletkenliği Fiyatlarının makul boyutlarda olması materials Metallerin Sınıflandırması ve İlk Halleri Döküm Metal Başlangıç hali döküm Yoğruk Metal Başlangıç hali dökülen ingotların yüksek sıcaklıkta şekillendirilmesi sonrasındaki hali Toz Metal Başlangıç hali çok ince tozlar, toz metalurjisiyle değişik geometrilerde parçalar Demir Esaslı Çelikler Dökme Demirler Demir Dışı (diğer tüm metaller) Aluminyum, magnezyum, bakır, nikel, titanyum, çinko, kurşun, kalay, molibden, tungsten, altın gümüş, platin vb. Süperalaşımlar (yüksek sıcaklıklara dayanıklı ve çoğunlukla korozyona da dayanıklı) Metaller ve Alaşımları Bazı metallerin saf durumları önemlidir (altın, gümüş, bakır vb.) Ancak mühendislik uygulamalarının çoğunda metallerin alaşımlandırılarak özelliklerinin iyileştirilmesi istenir. Alaşımlandırılarak metalin dayanım ve sertliğinde artış sağlanır. Ancak bu artışın süneklik ve dayanımda düşmelere (değişik metaller için değişik oranlarda) sebep olacağı unutulmamalıdır. Demir Esaslı Metaller Ana element Demirdir. İnsanlık tarafından bilinen en eski metallerdendir. Demir esaslı metallerin büyük çoğunluğu demir ve Karbonla yaptığı alaşımlardır. Bu alaşımlar iki ana guruba ayrılır: Çelikler Dökme demirler 1
Sıcaklık (C) Demir Karbon Faz Diyagramı Demirde görülen fazlar Karbonun hangi seviyelerde ilavesiyle ne gibi iç yapıların oluşacağı ve ne tür malzemeler elde edileceği hakkında bilgi verir. Çelikler Sıvı S Dökme Demirler S Oda sıcaklıklarında ve ona yakın sıcaklıklarda yapı HMK kristal yapısındaki alfa demiridir ( - Fe), Ferrit olarak isimlendirilir 912 C üzerinde ferrit, YMK gama ( -Fe) demirine dönüşür, ostenit olarak isimlendirilir. 1394 C üzerinde ostenit HMK yapıdaki delta ( -Fe) demirine dönüşür (özel bir ismi yok) Demir 1539 C nin üzerinde ergiyerek sıvı hale dönüşür. Allotropi (farklı sıcaklıklarda metalin farklı kristal yapı özellikleri göstermesi...) Karbon Çelikler ve Dökme Demirler Çelik = Fe-C alaşımı olup 0.02% - 2.1% aralığında karbon içerebilir Dökme Demir= Fe-C alaşımı olup 2.1% - 4.3% aralığında karbon içerir Çelikler ve dökme demirler C yanısıra diğer alaşım elementlerini de içerebilirler. Demir ve Çelik Üretimi Demir Üretimi- Demir cevherinin redüklenmesi ile elde edilir. Çelik Üretimi Demirin saflaştırılması ve istenen kimyasal bileşime getirilerek elde edilir. (Alaşımlama) Yüksek Fırında Demir Eldesi Yüksek Fırın İçi refrakter tuğlalarla örülmüş çapı 10 m yüksekliği 40 m civarında silindirik yapı (çok büyük bir soba gibi) İçinde demir cevheri, kok kömürü ve kireç taşı katmanlar halinde serilerek alttan yakılır. Sıcak gazlar alt kısıma üflenerek yanma sağlanır ve çok yüksek sıcaklıklar (1800 C gibi) elde edilir. Bu demirin redüksiyonunu sağlar. Neticede fırının altından pik demir (yaklaşık C % 6,0) elde edilir. Çelik Üretimi Yüksek fırının kesit görünüşü 1800 lü yıllardan bu yana pik demirin çeliğe dönüştürülmesi konusunda bir çok teknik geliştirilmiştir. Günümüzde bu amaçla iki önemli proses kullanılır: Oksijen Konverteri (BOF) Elektrik Ark Ocağı Her ikisi de karbonlu ve alaşımlı çeliklerin üretiminde kullanılmaktadır. 2
Bazik Oksijen Konverteri Boru Oksijen besleme borusu Duman tahliye bacası Çelik Gövde Refrakter Tuğla Kaplama CO kabarcıkları Boşaltma Ağzı Ergimiş curuf Transfer Potası Katkı Maddeleri Cüruf alma potası Ergimiş çelik Oksijen konverteri Prosesi: (1) Hurda şarj yükleme(2) ergimiş pik demir yükleme, (3) Oksijen üfleme, (4) ergimiş çeliği alma, (5) cürufu boşaltma. Elektrik Ark Ocağı Neredeyse toplam çelik üretiminin 30% nda kullanılır Hurda demir ve çelik ana ham maddeleridir. 25-100 ton aralığında şarj kapasiteleri vardır. (daha küçük) Proses süresi yaklaşık 2 saat olup şarj almadam şarj almaya yaklaşık 4 saat gerektirir. Çoğunlukla alaşımlı çelikler, takım çelikleri için elverişlidir. Oksijen konverterine göre daha kaliteli ancak daha pahalı çelik üretimi yapılır. SiC Elektrotlar Çelik Üretiminde Döküm Yöntemleri Kapak Refrakter tuğla kaplama Cüruf alma ağzı Şarj alma ağzı Şarj alma için eğilme yönü Oksijen veya elektrik ocaklarında elde edilen çelik bunu takiben ya ingot kalıplarına dökülerek katılaştıtılır ya da sürekli dökümle katılaştırılır. Ergimiş Çelik Eğme mekanizması İngot Kalıplarına döküm kesintili üretim yöntemi Sürekli döküm Yarı süreklilik sağlayan üretim yöntemi Çelik yapımında kullanılan elektrik ark ocağı. Pota 3
Brinell Sertliği Çekme Dayanımı, MPa a. Ingot Kalıba Döküm Pota Sıvı Çelik Lünker Boşluğu b. Sürekli Döküm Döküm arabası İngot Kalıbı Besleme Merdaneleri Su soğutmalı Kalıp Sıvı çelik Katılaşmış çelik Su spreyi Çelik Döküm Taban Konik (geniş bölge aşağıda) ingot kalıba döküm. Sıvı çelik döküm arabasına dökülür oradan su soğutmalı kanal halindeki kalıba doğru sürekli olarak akar. İlerlemesi sırasında katılaşmaya başlar. Slab halinde sürekli çelik üretilir. Soğutma Bölgesi Merdaneler Düzeltme merdaneleri Kesme Çelikler Ağırlıkça % 0.02 ile 2.11 arasında C içeren demir esaslı alaşımlardır. Çoğunlukla Ni, Mn, Cr, Mo gibi diğer alaşım elementlerini de içerir. Çelikleri beş guruba ayırmak mümkündür: 1. Basit Karbonlu Çelikler 2. Düşük alaşımlı çelikler 3. Paslanmaz çelikler 4. Takım çelikleri 5. Otomat çelikleri (Kükürt ilaveli) Basit Karbon Çelikleri Esas olarak alaşım elementi olarak içinde sadece karbon vardır. (bazı diğer elementler de küçük miktarlarda bulunabilir. Örneğin %0,5 e kadar Mn ilavesi normaldir) Basit C Çeliklerin dayanımı C miktarı arttıkça artar ancak süneklik de düşer. Orta ve yüksek karbonlu çeliklere su verme işlemi uygulanarak martenzit fazı oluşturulur. Böylece çok yüksek dayanımlar elde edilebilir. Çelik Gösterimleri Çekme Dayanımı Sertlik Sıcak haddelenmiş basit karbonlu çeliklerde dayanım ve sertliğin karbon oranıyla değişimi TR/Eu: Yapı Çelikleri: FeXX or StXX. Örnek: St37 veya Fe37 (çekme dayanımı en az 37 kgf/mm2) İmalat Çelikleri: C35 Basit C Çelik 15 CrMo 5 Düşük alaşımlı çelik 22 S 20 Otomat çeliği X 50 CrMoW 9 11 Alaşımlı çelik ABD: Dört haneli sayılarla tanımlanır.1020, where "10" çeliğin basit C olduğunu, "20" ise çeliğin % 0,20 C içerdiğini gösterir. Örneğin Ötektoid çelik: AISI 1080 / C80 (% 0,80 C) 4
Basit C Çelikler 1. Düşük C Çelikler- C oranı % 0,25 den az Kullanımı: otomotiv sac parça imalatı, levha-sac ve diğer kesit geometrilerinde (yuvarlak, kare, dörgen vb) 2. Orta C Çelikler- C oranı 0.30% and 0.50% arasında Kullanımı: makine parçalarının imalatında, krank mili, biyel kolu vb. 3. Yüksek C Çelikler- Karbon oranı % 0,50 nin üzerinde Kullanımı: Yaylar, kesme takımları, aşınmaya dayanıklı makine parçaları vb. Düşük Alaşımlı Çelikler Fe-C alaşımları olup C dışındaki alaşım elementlerinin toplam oranı ağırlıkça % 5 i geçmez. Çeliğe C dışında az oranlarda katılan bu alaşım elementleri (Cr, Ni, Mo, Mn vb.) özellikleri çok olumlu yönde geliştirir. Yüksek dayanım, sertlik, sıcaktaki dayanım, aşınma direnci, tokluk gibi özellikler veya bunların kombinasyonları iyileştirlebilmekttredir. Özellikleri daha da geliştirmek için bu çeliklere çoğu zaman ısıl işlemler uygulanır. AISI-SAE Çelik Kodlama Sistemi Paslanmaz Çelikler (SS) AISI-SAE kodlama sisteminde C çeliklerinin ve düşük alaşımlı çeliklerin tanımlanmasında 4-haneli sayılardan yararlanılır. YYXX YY alaşım elementleri hakkında bilgi verir, XX ise çeliğin C oranı hakkında bilgi verir. Örnekler: 13XX Manganlı çelik 20XX Nikelli çelik 31XX Nikelli+kromlu çelik 40XX Molibdenli çelik 41XX Krom+Nolibdenli çelik vb. Özellikle yüksek korozyon dayanımı için geliştirilmiş yüksek alaşımlı çeliklerdir. Ana alaşım elementleri Krom, genellikle kimyasal bileşimde % 15 in üzerinde Cr yüzeyde ince ve sert oksit tabakası oluşturur bu da metali oksidasyon ve korozyondan korur Nikel yapıyı ostenit fazına dönüştürür ve korozyona direnci arttırır. Carbon dayanımı arttırır ancak korozyon direncini de düşürür Paslanmaz Çeliklerin Özellikleri Paslanmaz çelikler üstün paslanmazlık özelliğinin yanı sıra çok iyi dayanım/süneklik kombinasyonlarına da sahiptir. Ancak bu olumlu özellikler imalatta şekil verme ve işleme zorlukları çıkarır. Düşük alaşımlı ve C çeliklerinden daha pahalıdır. Paslanmaz Çelik Türleri Oda sıcaklıklarında mikroyapılarında bulundurdukları fazlara göre: 1. Ostenitik Paslanmaz- tipik bileşim %18 Cr ve % 8 Ni ve çok düşük C oranı, 2. Ferritik Paslanmaz- tipik bileşim yaklaşık % 15 den % 20 ye kadar Cr ve çok düşük C oranı, 3. Martenzitik Paslanmaz- tipik bileşim % 18 Cr ve gerektiği kadar C oranı (ferritiklerden daha fazla) 5
ostenitik ferritik martenzitik Paslanmaz Çeliklerde Kodlama 3 haneli AISI kodlama sistemi İlk hane genel türünü belirler son iki hane çeliğin gelişme sırasını verir: Örnekler: 302 18% Cr, 8% Ni, 2% Mn, 0.15% C 430 17% Cr, 0% Ni, 1% Mn, 0.12% C 440 17% Cr, 0% Ni, 1% Mn, 0.65% C Diğer Paslanmaz Çelikler Paslanmaz çelikler 1900 den beri geliştirilmektedir Bunun gibi bazı yüksek alaşımlı çelikler paslanmaz sınıfında gösterilmektedir: 4. Yaşlandırılabilen Paslanmazlar - tipik bileşim 17% Cr and 7%Ni ile birlikte küçük oranlarda Al, Cu, Ti, and Mo katılması ve yeterli oranda N içermesi (yaşlandırma için şart) 5. Dupleks Paslanmazlar - yaklaşık eşit oranlarda yapılarında ferrit ve ostenitin birlikte oluşturlmasıyla Takım Çelikleri Yüksek alaşımlı çeliklerin oluşturduğu diğer bir gurup çelik. Genelde takım, kalıp imalatında kullanılır. Bunun için çeliklerin yüksek sertlik ve dayanım, (sıcakta dayanımını kolay yitirmeme), aşınma dayanımı ve darbe altında daha tok davranma gibi özelliklere sahip olması gerekmektedir. Takım çelikleri ısıl işlem uygulandıktan sonra kullanılırlar. Takım Çeliklerinin AISI Kodlaması T, M Yüksek hız çelikleri - talaşlı imalat kesme takımları H Sıcak-iş takım çelikleri - dövme, ekstrüzyon, pres döküm kalıplarında D Soğuk-iş takım çelikleri - sac kesme ve şekillendirme kalıplarında, soğuk ekstrüzyon, dövme kalıplarında W Suda su verilen takımçalikleri - yüksek karbonlu takım çelikleri, soğuk iş takımlarında S Darbe dirençli takım çelikleri - Sac metal kesme kalıplarında ve darbeli çalışan takımlarda P Enjeksiyon Kalıp Çelikleri - Plastik ve lastiklerin enjeksiyon kalıplarında vb. Dökme Demirler % 2.1 - % 4 arasında Karbon ve % 1% - % 3 arasında silisyum içeren Fe esaslı alaşımlardır. Bu bileşim malzemenin döküme uygun olmasını sağlar (Si akışkanlığı arttırır) Ağırlık olarak dökme demirler diğer metal ve alaşımlara oranla birkaç kat daha fazla ağırlıkta üretilip kullanılmaktadır. Toplam tonajda sadece çeliklerin arkasından ikinci sırada yer almaktadır. Dökme Demir Türleri En çok kullanılanı Gri (kır) Dökme Demir Grafit Lamelleri 6
Dökme Demir Türleri Sfero (küresel) Dökme demir, Beyaz Dökme Demir, Temper Dökme demir Bu demir türlerinin kimyasal bileşimleri birbirine çok benzemekle birlikte uygulanan soğutma işlemleri nedeniyle farklı nikroyapısal özellikler ve buna bağlı olarak da farklı mekanik özellikler elde edilir. Temper Grafitleri Küresel Grafitler Dayanım Süneklik Grafit Yapısı Beyaz Dökme Demir Çok yüksek Yok, Çok gevrek Yok, Sementit ağı ve Perlit Kır Dökme Demir Temper Dökme Demir Sfero Dökme Demir Soğuma Hızına (Yapıdaki Perlit (P) oranına Bağlı Perlit % Dayanım Yok Az Orta Lamelli Grafit Temper Grafiti Küresel Grafit Maliyet Düşük Düşük Orta Yüksek Üretim Kullanım Dökme Demir Türleri ve Karşılaştırması Sıvı halden hızlı soğuma Temper Dökme Demir Ham malzemesi, öğütücüler Sıvı halden yavaş soğuma Makine, tezgah gövdeleri Beyaz Dökme D. in 950 C de 24 saat tavlanması ve yavaş soğuma Fittingler, bazı düşük gerilmelerde çalışan makine parçaları Sıvı halde Mg aşılama ve yavaş soğuma Düktil borular, orta gerilmelerde çalışan makine ve otomotiv parçaları Demir-Dışı Metaller Esas bileşeni Fe olmayan metal ve alaşımları En önemli demir dışı metaller: aluminyum, bakır, magnezyum, nikel, titanyum, çinko vb. ile bunların alaşımları. Çelikler kadar dayanıklı olmasalar da bazı alaşımların korozyon direnci ve özgül dayanımları (dayanım/özgül ağırlık) özellikleri çeliklerle rekabet etmelerini sağlamaktadır. Genel olarak çeliğin uygun olmayan özelliklerini sağlamada demir-dışı metal ve alaşımlardan yararlanılmaktadır denebilir. Aluminyum and Magnezyum Aluminyum (Al) and magnezyum (Mg) hafif metallerdir. Mühendislik uygulamalarında bu özelliklerinden yararlanmak üzere kullanılırlar. Her iki element de yeryüzünde bol miktarda bulunmaktadır (Al toprakta, Mg deniz suyunda) Fakat hiçbiri doğal durumlarından (tabiatta bulundukları halden) kolaylıkla elde edilememektedir. Aluminyumun Genel Özellikleri Yoğruk ve Döküm Al Alaşımları Yüksek ısıl ve elektrik iletkenliği, Mükemmel korozyon direnci (yüzeydeki ince oksit tabakası / P-B oranı 1,5 civarında) Çok yüksek şekillendirilebilirlik Düşük yoğunluk 2,7 g/cm3, Nispeten Düşük Elastik Modül 70 GPa (Çelik 200 GPa) Alaşımlandırılabilir ve ısıl işlem uygulanarak dayanımı arttırılabilir, bu nedenle bazı alaşımlarında yüksek özgül dayanım Gnrek-sünek geçiş özelliği göstermez Düşük sertlik ve aşınma dayanımı Yüksek sıcaklıklardaki dayanımı düşük (ergime sıcaklığı 600 C mertebelerinde) Döküm Yapısı: Segregasyonlar Poroziteler Dendritik yapı İri taneler GEVREK!!! Yoğruk Yapı: En az %75 Sıcak Deformasyon sonrasında oda sıcaklığına yavaş soğutma Daha TOK ve SÜNEK!!! Yoğruk Yapıdaki Al Alaşımları 1xxx Ticari saflıkta Al Yaşlandırılamaz 2xxx Al-Cu Yaşlandırılabilir 3xxx Al-Mn Yaşlandırılamaz 4xxx Al-Si Yaşlandırılamaz 5xxx Al-Mg Yaşlandırılamaz 6xxx Al-Mg-Si Yaşlandırılabilir 7xxx Al-Cu-Zn Yaşlandırılabilir 8xxx Al-Li Yaşlandırılabilir Döküm Yapıdaki Al Alaşımları 1xx.x Ticari saflıkta Al Yaşlandırılamaz 2xx.x Al-Cu Yaşlandırılabilir 3xx.x Al-Mn Yaşlandırılamaz 4xx.x Al-Si Yaşlandırılamaz 5xx.x Al-Mg Yaşlandırılamaz 7xx.x Al-Cu-Zn Yaşlandırılabilir 8xx.x Al-Li Yaşlandırılabilir 7
Al için Dayanım Arttırma Mekanizmaları Malzemenin Durumu a. Alaşımlama b. Soğuk Şekil Değişimi c. Çökelme Sertleştirme Isıl İşlemi (yaşlandırma) uygulama Çekme Dayanımı (MPa) Akma Dayanımı (MPa) Yüzde Uzama (%) Akma Dayanım Oranı Teknik Saf Al (% 99,99) 45 18 60 1 (Ref) Ticari saf Al (%99,9) 91 35 45 2 Soğuk şekillendirilmiş ticari saf Al 168 154 15 8 Alaşımlanmış (ve tavlı) Al 186 76 20 4 Alaşımlanmış (ve yaşlandırılmış) Al 588 510 10 28 Al Alaşımları için Kodlama (ABD) Al alaşımları gördükleri termo-mekanik işlemler sonrasında farklı özellikler gösterir. Bunu belirtmek amacıyla koda eklenen temper gösterimlerinden yararlanılır. Al alaşım kodlamasında 4 haneli sayılardan yararlanılır. İlk sayı Al içinde bulunan ana alaşım elementine göre belirlenmiştir. Temper kodları bu sayılardan sonra yer alır ve alaşımın özelliğini belirten harf ile sayılardan oluşur. Al-Cu alaşımı doğal yaşlandırılmış Al Alaşımları için Bazı Temper Kodları F : İmal edildiği gibi (özel bir işlem yok) O: Tavlanmış (en yumuşak halde) H: Soğuk şekillendirilmiş (H12,, H18 (en sert)) W: Çözeltiye alınmış (yaşlandırma işlemi öncesi) T: Yaşlandırılmış (çökelme sertleşmesi) T4: Doğal Yaşlandırılmış (oda sıcaklığında) T6: Yapay yaşlandırılmış (yüksek sıcaklıkta) T7: Aşırı yaşlandırılmış vb. Örnekler: 2024-T4, 5083-H18, 6061-O, 7075-T6 vb. Al-Mg alaşımı aşırı Al-Mg-Si Alaşımı soğuk şekillendirilmiş Tavlanmış Al-Cu-Zn Alaşımı Yapay Yaşlandırılmış Magnezyum ve Alaşımları Hem yoğruk hem de döküm halinde (daha çok döküm) halinde kullanılır Yapısal en hafif metaldir 1,74 g/cm3 Elastiklik Modulü düşüktür 45 GPa SDH kristal yapı nedeniyle şekillendirilmesi zordur Göreceli olarak talaşlı imalatı kolaydır ancak dikkat ister Özellikle talaşlımişlemede ve döküm işlemlerinde küçük Mg parçacıkları çabuk oksitlenir (yani yanar). Yangın tehlikesi dikkate alınmalıdır. Mg Özellikleri Saf Mg mühendislik uygulamaları için yumuşak bir metaldir. Yetersiz kalır. Ancak alaşımlandırılarak ve tıpkı Al olduğu gibi yaşlandırılarak dayanımı arttırılır. Özellikle dayanım/özgül ağırlık oranı (özgül dayanım) çok yüksek olup hafiflik aranan uygulamalarda (örneğin bazı uçak parçalarında ve roketlerde) kullanılır. Bakır İnsanlık tarafından kullanılan en eski metallerden birisidir. Düşük elektrik direnci iyi bir iletken olmasını sağlar. Bu nedenle elektrik kablolarında kullanılır. Isıyı da iyi iletir Soy metal gurubundandır (altın ve gümüş gibi) bu nedenle korozyon direnci iyidir. Ağır bir metaldir (Özgül ağırlık 8,9 g/cm3) YMK kristal yapı nedeniyle sünektir, kolay ve iyi şekillendirilir. Çoğu imal usullerine uygundur. 8
Bakır Alaşımları Bakırın sertlik ve dayanımı düşük olduğu için alaşımlandırılarak numların arttırılması yoluna gidilir. Bronz Cu ve Sn alaşımıdır. (tipik bileşim % 90 Cu, % 10 Sn), günümüzde ve eski çağlarda kullanılıyor ve kullanıldı. Döküme uygundur. (Bronz Çağı) Pirinç (sarı) Cu ve Zn alaşımıdır (tipik bileşim % 65% Cu, % 35% Zn). Mutfak armatürleri, mermi kovanları, süs eşyaları vb. Yoğruk yapıda kullanılır. Berilyumlu Bakır: (% 2% Be).Çok yüksek dayanımı vardır. Isıl işlem sonrası yay malzemesi olarak kullanılır. Nikel ve Alaşımları Bazı özellikleri nedeniyle Fe e benzer. Manyetiktir Elastiklik modülü Demirin elastiklik modülüne yakındır Fe den Farkı Korozyona çok daha fazla dirençlidir. Kullanımı: Çeliklerde alaşım elementi olarak (paslanmaz çelikleri, sıfır-altı çelikler vb.) Demir çelik üzerine dekoratif kaplama olarak Yüksek sıcaklık dayanımı olan Süperalaşımların ana elementi olarak vb. Titanyum ve Alaşımları Doğada bol (toprağın % 1 (Al için bu değer % 8 mertebelerinde) Çelikten hafif, Aluminyumdan ağır (yoğunluk 4.5 g/cm3) Çelik ve Aluminyuma göre daha yeni malzeme. Özellikle çok yüksek özgül dayanımı nedeniyle hafiflik ve dayanım aranan tasarımlarda kullnılır (Uçak, uzay ve savunma sektöründe) Ayrıca bazı spor gereçlerinde vb. Titanyum un Özellikleri Diğer metallere göre ısıl genleşme katsayısı düşük Al dan daha rijit ve daha dayanımı yüksek Yüksek sıcaklıklarda dayanımını korur Saf Ti çok reaktif olduğu için özellikle sıvı haldeyken bazı sorunlar çıkarır. Oda sıcaklıklarında yüzeyde ince ve sert bir oksit tabakası (TiO 2 ) oluşturarak oksidasyona ve korozyona engel olur. Titanium un Kullanımı Ticari saf durumda yüksek korozyon dayanımından yararlanmak için kullanılır. Örneğin protez ve implantlarda, bazı denizcilik uygulamalarında. Titanyum alaşımları 550 C ye kadar yüksek gerilmelere maruz makine parçalarının imalatında kullanılır. Yüksek özgül dayanımı nedeniyle uçak parçaları imalatında, roketlerin imalatında tercih edilir. Ti için kullanılan alaşım elementleri Al, Mn, Sn, V dur. Çinko ve Alaşımları Düşük ergime sıcaklığı çinkoyu döküme uygun kılar (özellikle basınçlı döküm) Çelik üzerine kaplanarak onu korozyondan korur (Galvaniz Sac deyimi yüzeyleri Zn ile kaplanmış çelik sac anlamındadır) Zn-Al alaşımları (Zamak) düşük gerilmeli parçaların (süs-mobilya vb.) basınçlı döküm yöntemiyle imalatında kullnılır. Ayrıca Cu a ilave edilerek Pirinç eldesinde alaşım elementi olarak kullanılır. 9
Kurşun ve Kalay Düşük ergime sıcaklıkları nedeniyle Lehim Alaşımlarının imalinde kullanılır. Kurşun yoğun (ağır), düşük erime sıcaklığı, düşük sertlik ve dayanım, çok yüksek süneklik, iyi korozyon direnci Kullanımı: Lehimlerde, kaymalı yataklarda, baskı malzemesi olarak harf imalatında, akülerde, x-ışını ekranlamasında vb. Kalay - yoğun (ağır), düşük erime sıcaklığı, düşük sertlik ve dayanım, çok yüksek süneklik Kullanımı: lehimlerde, bronz imalatında, teneke imalatında (Yüzeyi kalay kaplı sac) Refrakter Metaller Çok yüksek sıcaklıklarda dayanıklı ve sertliğini koruyan metallerin genel adı. En önemlileri: Molibden Tungsten Diğerleri: Kolumbiyum Tantalyum Molibden Özellikleri: Yüksek ergime sıcaklığı (2500 C mertebelerinde), rijit, dayanımı yüksek ve yüksk sıcaklık dayanımı çok iyi Saf olarak veya alaşımlandırılarak kullanılır. Kullanım yerleri: Isıl kalkanlar, ısıtma elemanları, direnç kaynak elektrotları, sıcak metal şekillendirme kalıpları, roket ve jet motor parçaları vb. Aynı zamanda alaşım elementi olarak Yüksek Hız Çeliklerinde ve süper alaşımlarda kullanılır. Tungsten (Wolfram) Özellikleri: Metaller arasında en yüksek ergime sıcaklığı (3400 C), en yoğun (19.1 g/cm3), en rijit (E=410 GPa) ve tüm saf metallerin en serti (340 VSD) Kullanımı: Yüksek sıcaklık uygulamaları, ampullerdeki filamanlar, roket/jet motor pareçaları, aelektrik ark kaynağında harcanmayan elektrot imali Takım çeliklerinde alaşım elementi olarak, süperalaşımlarda alaşım elementi olarak ve WC kompozit malzeme imalatında (sermet) kullanılır. Değerli Metaller Altın, platin ve gümüş Kimyasal olarak reaktif olmadıkları için soy metaller olarak nitelendirilir. Doğada sınırlı olarak bulunur ve değerlidir. Medeniyetler tarafından para malzemesi olarak kullanılmıştır. Mücevherat sektöründe süs eşyaları imalinde kullanılır. Özellikleri: Yüksek yoğunluk (ağır), iyi süneklik, iyi ısı ve elektirik iletkenliği, iyi korozyon direnci, orta derecelerde ergime sıcaklıkları vb. Süperalaşımlar Yüksek sıcaklıklarda yüksek dayanım ve korozyon direncinin arandığı uygulamalar için geliştirilmiş malzemelerdir. Çoğu süperalaşımlar büyük oranlarda en az üç veya daha fazla metal element içerir. Bunların en fazla olanı asal elemt olup onun ismini alır (Örneğin Ni bazlı süperalaşımlar) Ticari olarak pahalıdır, piyasalarda zor bulunur. Yüksek sıcaklıklarda dayanım aranan yerlerde kullanılır. Bazıları ortopedik implantlarda da kullanılmaktadır (Co esaslı süperalaşımlar) 10
Süperalaşımların Üstünlüğü Oda sıcaklığı performansı iyidir Yüksek sıcaklık performansı çok iyidir. Bu sıcaklıklarda dayanım, sertlik, sürünme dayanımı ve korozyon dayanımları en iyidir. Çalışma sıcaklıkları genelde 1000 C ve üstüdür. Kullanımı: gaz türbinlerinde, jet ve roket parçalarında, nükleer reaktörlerde, petro kimya tesislerinde vb. Süperalaşım Türleri 1. Fe esaslı alaşımlar- bazı durumlarda Fe oranı % 50 nin altına inebilir (daha düşük sıcaklıklarda) Alaşım elementleri Ni, Cr, Co 2. Ni esaslı alaşımlar - Daha yüksek sıcaklıklarda kullanılır. Alaşım elementleri Cr, Co, Fe, Mo, Ti 3. Co esaslı alaşımlar - 40% Co and 20% chromium Diğer alaşım elementleri Ni, Mo, W Hemen hemen tüm süperalaşımlar çökelme sertleştirmesi (yaşlandırma) ısıl işlemi uygulanarak sertşleştirilirler. Metallere Uygun İmalat Yöntemleri Metaller tüm temel biçimlendirme yöntemlerine uygundur: Döküm, toz metalurjisi, talaşlı imalat ve plastik şekil verme Ayrıca metal parçalar birbirine kaynak, lehim ve mekanik yöntemler kullanılarak birleştirilebilir. Özelliklerin iyileştirilmesi için çok değişik ısıl işlemler uygulanabilir Yüzey ve korozyon özelliklerini iyileştirmek için kaplama, boyama gibi işlemler de uygulanabilir. Mekanik Özelliklerin İyileştirilmesi Alaşımlandırma Dayanımı arttırmak için Soğuk Plastik Şekil Verme- Pekleşmeye bağlı olarak dayanım arttırmak için (süneklik azalır!). Ayrıca bu durum soğukta yapılan işlem sırasında kendiliğinden oluşur (bazı metallede az bazılarında daha fazla) Isıl İşlemler- Metal ve alaşımlara uygulnan kontrollu ısıtma, bekletme ve soğutma işlemleridir. İç yapı değişimi amaçlanır. İstenilen performansa göre iç yapı oluşturulur. 11