MMT209 Çeliklerde Malzeme Bilimi ve Son Gelişmeler 2 Çelik üretimi Yrd. Doç. Dr. Ersoy Erişir 2013-2014 Güz Yarıyılı
Bir entegre çelik tesisinde üretim akışı 2
Hematit, Fe2O3 Manyetit, Fe3O4 Götit, FeO(OH) Limonit FeO(OH) nh2o % 70 Fe % 72 Fe Demir cevherleri Kaynak: http://www.mii.org 3
Demir Yatakları 4
Bir entegre çelik tesisinde üretim akışı 5
Yüksek Fırın-Bazik Oksijen Fırını (Blast Furnace-Basic Oxygen Furnace; BF-BOF) ile cevher bazlı çelik üretimi: (% 60,6 sı) Elektrik Ark Fırını (Electrical Arc Furnace; EAF) ile hurda bazlı çelik üretimi (% 34,9 u) Direkt ve Ergitme ile İndirgeme yöntemleri ile Fe tozu üretimi vb. (% 4,5 u). 6 Çelik Üretimi
Yüksek fırın 7
Ham çelik ön hazırlama 8
Bazik oksijen prosesi (BOF) 9
Elektrik ark fırını (EAF) 10
Elektrik ark fırını (EAF) 11
Tüm çeliklerin üretiminde yapılan kimyasal analizler mutlaka (ve en azından) 5 element içerir. Bu beş element, C un yanısıra eşlik elementleri Mn ve Si ile katışkı elementleri S ve P dir.. Çeliğin soy ve türüne göre de diğer alaşım elementleri aranır. Karbon: Çeliğin en temel alaşım elementidir. Çeliğin mukavemetini ve sertliğini arttıran en önemli elementtir. % C arttıkça çeliğin içyapısındaki perlit oranı arttığından, çeliğin çekme ve akma mukavemetleri artar. % 0.8 C değerinden sonra mukavemet fazla artmaz. Suverilmiş çeliklerde en yüksek sertlik değerine % 0.60 C düzeyinde erişilir. Öte yandan % C arttıkça çeliğin sünekliği ile kaynaklanabilirliği azalır. Su vermede çatlama yatkınlığı artar. Karbon, genellikle, diğer bazı elementler kadar (fosfor gibi) segregasyona fazla yatkın değildir. Bununla birlikte karbon segregasyonu çeliğin içyapısındaki bileşim eşdağılımlılığını bozduğundan mekanik özellikler çok etkilenir. Sıcak haddelenmiş çelik ürünlerde görülen satırlanma (bantlaşma) karbon segregasyonunun en belirgin örneğidir. Demir-Karbon Alaşımlarında Alaşım Elementlerinin Etkileri 12
Mangan: Çeliğin dayancını arttırır, sünekliğini biraz azaltır. Manganın çekme ve akma mukavemetlerindeki artış etkileri birbirine benzer. % 3 Mn değerine dek her % 1 Mn için çekme dayancı 100 MPa artar. Tavlanmış ve normallenmiş çeliklerde Mn tokluğu artırır. Mangan, çeliğin dövülebilirliğini ve sertleşebilirliğini olumlu yönde etkiler. Yüksek manganlı (% 13 Mn) ve yüksek karbonlu çelikler yüksek aşınma direnci ve tokluk özelliği gösterirler. Silisyum: Çelik üretiminde oksijen giderici olarak kullanılan temel elementlerden biridir. Çeliğin bileşiminde bulunan silisyumun oranı çeliğin türünü belirler. Düşük alaşımlı çelikler ve özellikle de yay çelikleri % 2 ye kadar silisyum içerirler. Buna karşın silisyumlu çelikler % 5 Si miktarına kadar içerirler ve elektriksel uygulamalar için seçilen özel çeliklerdir. Benzer biçimde çok yüksek oranlarda (% 14-15) silisyum içeren yüksek alaşımlı çelik çok yüksek korozyon direnci gösterir; fakat kesinlikle dövülemez ve gevrektir. Silisyum arttıkça çeliğin tane büyüklüğü artar. Demir-Karbon Alaşımlarında Alaşım Elementlerinin Etkileri 13
Kükürt: Kolay işlenen kükürtlü çeliklerin dışında kalan tüm çeliklerin bileşiminde istenmeyen bir elementtir. Bu nedenle çelik bileşiminde olabildiğince düşük düzeylerde tutulmalıdır. Kükürt oranı arttıkça enine süneklik ve çentikli darbe tokluğu değerleri düşer; boyuna özellikler o denli etkilenmez. Kükürt, mangan ile dengelenmediğinde sıcak kırılganlık yaratır. Kükürt genellikle sülfür ve oksisülfür kalıntılar olarak çelik yapısında bulunur. Segregasyon yatkınlığı çok yüksektir. Fosfor: Ferritin dayancını en fazla arttıran elementtir. Bu nedenle düşük oranlarda bile fosfor, çeliğin dayancını ve sertliğini artırıcı, buna karşın haddeleme yönündeki süneklik ve çentik tokluğunu azaltıcı yönde etki yaratır. Bu olumsuz etkiler özellikle yüksek karbonlu menevişlenmiş çeliklerde artar. Fosforun segregasyon yatkınlığı karbon ve kükürdünkinden azdır. Fosfor % 0.10 değerinden fazla olduğunda çelikte gevrekliği arttırdığı düşünülür. Fakat, fosforun bu etkisi karbon oranından çok etkilenir ve % 1.5 C dan az karbon içeren çeliklerde fosforun yarattığı gevreklik pek önemsenmez. Fosfor çeliğin korozyon direncini olumlu yönde etkiler. Özellikle çelikte bakır ile az oranda bulunduğunda bu olumlu etkisi artar. Demir-Karbon Alaşımlarında Alaşım Elementlerinin Etkileri 14
Nikel: Ferritte katı çözelti sertleşmesi sağlayarak çeliğin dayancını artırır. Bu artış silisyum ve manganın etkisine oranla daha azdır. Nikel çeliğin tokluğunu arttırmak amacıyla katılır. Krom kadar olmasa da sertleşebilirliği de arttırır. Nikel içeren yapı çelikleri, özelikle bileşimlerinde krom varsa yüksek tokluk, yüksek sertleşebilirlik ve yüksek yorulma direnci istenen uygulamalar için seçilebilir. Düşük düzeylerdeki bakır ve fosfor ile birlikte, deniz suyu korozyonuna karşı çeliklerin direncini arttırmak amacıyla nikel kullanılır. Krom: Çeliğin bileşimine korozyon direncini, oksitlenme direncini, aşınma direncini ve sertleşebilirliği arttırmak amacıyla katılır. Paslanmaz çeliklerin temel alaşım elementidir. Krom, bir karbür oluşturucu element olduğundan, hem takım çeliklerinde yüksek karbon ile birlikte aşınma direncini ve hem de yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılan çeliklerde sürünme direncini yükseltmek için katıldığında bileşimine genellikle molibden de eklenir. Krom, çeliği sertleştirici ve tokluğu düşürücü yönde etki yaratır. Demir-Karbon Alaşımlarında Alaşım Elementlerinin Etkileri 15
Molibden: Düşük alaşımlı çeliklerin bileşiminde % 0.15-% 0.30 oranlarında bulunur ve genellikle en yüksek etkinliği krom ve nikel ile birlikte bulunduğunda gösterir. Molibden çeliklerin sertleşebilirliklerini ve dayançlarını arttırır. Bir karbür oluşturucu olduğundan aşınma direncini arttırmak amacıyla yüksek oranlarda (% 5-6) takım çeliklerinde kullanılır. En önemli özelliği yüksek hız çeliklerinde ikincil sertleşme yaratarak sıcak sertliği sağlamasıdır. Bunu karbon ile birlikte yaptığı karbürlerin oluşumuna borçludur. Sürünme dirençli çeliklere sürünme direncini artırıcı etkisi için katılır. Vanadyum: Sertleşebilirliği belirli oranda artırır. Azot ile birleşip nitrürleri oluşturduğundan çeliklerde ferritli ince yapıyı oluşturmak amacıyla tane küçültücü olarak kullanılır. Bu nedenle çentik tokluğu da yükselir. Vanadyum en güçlü karbür oluşturucu olduğundan takım çeliklerinde sıcak sertlik değerini arttırmak amacıyla kullanılır. Yüksek hız çeliklerinde volfram ile birlikte; yapı çelikleri ile ısı dirençli çeliklerde krom ile birlikte kullanılır. Demir-Karbon Alaşımlarında Alaşım Elementlerinin Etkileri 16
Tungsten/Volfram: Çeliğin dayancını arttırır. En önemli özelliği yüksek hız çeliklerinde ikincil sertleşme yaratarak sıcak sertliği sağlamasıdır. Bunu karbon ile birlikte yaptığı karbürlerin oluşumuna borçludur. Volframın oluşturduğu karbürler çeliklerin aşınma direncini çok arttırır. Alüminyum: En güçlü oksijen gidericidir. Al çelik üretiminde tane küçültücü olarak kullanılır. En çok %0.075 Al kullanıldığında çeliklerin tokluğunu artırır. Bor: Düşük karbonlu ve orta karbonlu çeliklerin sertleşebilirlik özelliğini en etkin olarak arttıran elementtir. Kurşun: Çelikte çözünmediğinden yalnızca kurşunlu kolay işlenebilir çeliklerin bileşimine katılır. Genellikle %0.20-0.50 Pb, talaşlı işlenebilirliği en çok arttıran düzeydedir. Ancak kurşunun çelik yapısı içinde küçük, eşit büyüklükte ve eşdağılımlı olması gerekir. Demir-Karbon Alaşımlarında Alaşım Elementlerinin Etkileri 17
Bakır: Çeliğin dayanç ve sertliğini artırıp esnekliğini azaltır. En önemli yanı atmosfer yenimine karşı çeliklerin direncini artırmasıdır. Bakır düşük oranlarda bulunduğunda çeliğin kaynaklanabilirliğini etkilemez; fakat sıcak şekillendirilen çeliklerde kükürdün yarattığı etkiye benzer bir etkiyle sıcak gevreklik yaratır. Oksijen: Yalın durumdan çok, oluşturduğu oksit kalıntılarla tehlike yaratır. Mekanik özellikleri ve özellikle de enine yönde tokluğu düşürücü etkisi vardır. Azot: Nitrürleri oluşturduğu için önemlidir. Nitrürleme işlemiyle yüzey sertleştirme, tümüyle nitrür oluşumundan yararlanılarak yapılır. Hidrojen: Çeliğin içyapısı içinde en tehlikeli ve zararlı elementtir. Çeliğe, kullanılan hidrokarbon kökenli ve nemli hammadde ve katkı maddelerinden ya da atmosferdeki nemden girer. Çeliğin katı içyapısı içinde oluşan H2 gazı çatlaklar yaratarak çeliğin mekanik özelliklerini bozar. Katı çelikten giderilmesi uzun süreli ısıtmalarla olasıdır. Vakum altında gaz giderme işlemiyle sıcak çelikten çok daha kolaylıkla giderilebilir. Demir-Karbon Alaşımlarında Alaşım Elementlerinin Etkileri 18
19
Saf demir ve kaynar demir mikroyapıları 20
Modifikasyon Maks. C İçeriği Metalografik Adı -Katı ergiyik 1493 C : % 0,10 -Ferrit -Katı ergiyik 1147 C : % 2,06 Östenit - Katı ergiyik 723 C : % 0,02 Ferrit Sınırlı demir-karbon sistemi 21
Modifikasyon Bileşim Kararlı Olduğu Sıcaklıklar Perlit % 88 Ferrit + % 12 Sementit T 723 ºC; % 0,02 6,67 ºC Ledeburit I % 51,4 Östenit + % 48,6 Sementit 1147 ºC T 723 ºC; % 2,06 6,67 ºC Ledeburit II % 51,4 Perlit + % 48,6 Sementit T 723 ºC; % 2,06 6,67 ºC Fe-Fe3C sisteminde sabit semboller 22
Peritektik (1493 ºC) a) a) Sınırlı demir-karbon sistemi. b) Oluşan reaksiyonlar ve faz oranları (kütle-%) % C H 0.1 I 0.16 B 0.5 Ötektik Metastabil (1147 ºC) Stabil (1153 ºC) % C E 2.06 C 4.3 F 6.67 Ötektoid Metastabil (723 ºC) Stabil (738 ºC) % C P 0.02 S 0.8 K 6.67 b) 23
İsim % C Ötektoid altı Çelikler 0 0,80 Ötektoid Çelikler 0,80 Ötektoid üstü Çelikler 0,80 2,06 Ötektik altı Dökme Demirler 2,06 4,3 Ötektik Dökme Demirler 4,3 Ötektik üstü Dökme Demirler 4,3 6,67 Ötektik ve ötektoid denge konumuna göre demir-karbon alaşımları 24
Ferrit % 0,10 C % 0,16 C % 0,25 C % 0,35 C % 0,45 C % 0,60 C % 0,85 C Ötektoid altı ve ötektoid mikroyapılar 25
% 1,1 % 1,15 C % 1,3 C takım çeliği % 1,5 % 1,31 C % 1,61 C hızlı soğuma Ötektoid üstü mikroyapılar 26
Widmanstaetten ferrit Normalize edilmiş F-P mikroyapı % 0,28 C döküm çelik Çelik mikroyapıları % 0,28 C döküm çelik 27
Haddelenmiş F-P mikroyapı Haddelenmiş+Normalize edilmiş F-P mikroyapı % 0,25 C sac çelik Çelik mikroyapıları % 0,25 C lu çelik 28
Östenit Östenit %18 Cr % 8 Ni %12 Mn Çelik mikroyapıları Alaşımlı çelikler 29
Perlit % 0,85 C Sorbit % 0,85 C Troostit % 0,85 C Martenzit % 0,85 C Perlit ve denge dışı mikroyapılar 30