Endüstriyel Malzemeler 2 Demir esaslı malzemeler Yrd. Doç. Dr. Ersoy Erişir 2013-2014 Güz Yarıyılı
Demir alaşımları Çelik: Dökme demir: - Tanım olarak içerisinde diğer elementlere göre daha fazla demir içeren malzeme grubudur. - Alaşım elementi olarak en fazla kütle-% 2 C içerir. - Sıcak şekillendirmeye uygun - Tanım olarak içerisinde daha çok demir içeren malzeme grubudur. - Alaşım elementi olarak kütle-% 2 den fazla C içerir. - Dökümle üretilmeye uygun Çelik üretimi ile ilgili terimler Ham demir: - Çelik üretiminin girdisi olan sıvı haldeki çeliktir. - Yaklaşık olarak kütle-% 4 C içerir. - İstenmeyen katışkı elementleri barındırır Sünger demir: - Ergitme yapılmadan indirgenmiş katı haldeki demir cevheri - Metal miktarı %80-95 Alaşım elementleri: - Karbon, Mangan, Silisyum, Nikel, Krom, Aluminyum, Niyobyum, Titanyum, Vanadyum, Molibden gibi - Bir çeliğin içerisinde birden çok alaşım elementi vardır. Çeliklerin isimleri bu alaşım elementleri ile belirlenir (18CrNiMo7-6 gibi). 2 Demir-Çeliğe Giriş
Kaynak: Bargel, 2005 3 Yer kabuğunda bulunan elementler
Demirin dünya üzerindeki dağılımını inceleyecek olursak, yer kabuğunun % 5 i demirdir. Dünyanın iç çekirdeği ise neredeyse tamamen demirdir (2400 km). Dış çekirdekte hem demir hem de nikel bulunur (2200 km). Bu oluşumun 4.5 milyar yıl önce bir meteor çarpması ile gerçekleştiği ve radyoaktif enerji ile dünyanın tamamen ergidiği sanılmaktadır. Soğuma ile birlikte ağır metaller merkeze doğru batmışlardır. Demir yaratılışı bakımından da ilginçtir. Demirden hafif olan elementler, yıldızlarda kendisinden daha hafif elementlerin birleşmesi ve ortaya enerji açığa çıkması ile oluşur (Füzyon). Örneğin güneşte 4 hidrojen birleşerek bir helyum oluştururken ortaya muazzam bir enerji ortaya çıkmaktadır. Demirden ağır elementler ise tam tersi şekilde parçalanarak ve yine enerji açığa çıkararak oluşurlar (Fizyon). Ancak enerji olarak demir en kararlı elementtir. Bu nedenle bolca bulunur. Demir Cevherleri Kaynak: http://www.geosci.ipfw.edu 4
1000 6 e l s t l p r o u t, 1 0 t Dünya çelik üretimi, Milyon ton Çekiç & örs Şekillendirme Duo-, trio-,quattrorolling stands Universal haddeleme Sürekli haddeleme hattı Mekanik şahmerdan Buharlı şahmerdan Dövme presi 900 800 700 Çelik üretimi Oksitleyici ateş Bessemer-fırını (asit hattı) Puddle furnace Crucible furnace Elektrik fırını Siemens-Martinfırını Thomas konventeri (basic lining) Ingot çelik Vakum prosesi Sürekli döküm Oksijen konventörü İnce plaka dökümü 600 500 400 300 Demir ocağı atesi Demirci ocağı Odun kömürü Yüksek fırın Kok kömürü Yüksek fırın Pik dökme demir Dökme demir Kupol fırını Elekrik dikey fırını 4000 yıl boyunca dünya çelik üretimindeki gelişmeler Kısa baca fırını 28,1 2000 M.Ö. 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1850 1880 1900 4,25 1950 1970 2000 200 100 Kaynak: Verlag Stahleisen GmbH, Stahlfibel, 1999 / IISI 5
En çok kullanılan malzemeler Kaynak: Ross, Maile, 2008 6
Metaller sıcak ve soğuk haddelenmiş yassı ürünler Değer diyagramı Kaynak: Bleck, 2008 7
Çeliğin diğer malzemelere göre bulunduğu yer Kaynak: HÜTTE Springer-Verlag, 1996 8
Dünya çelik rakamlarına genel bakış Kaynak: www.worldsteel.org 9
Dünya çelik rakamlarına genel bakış Kaynak: www.worldsteel.org 10
Entegre çelik tesisi Kaynak: www.worldsteel.org 11
Çelik üretimi Kaynak: www.worldsteel.org 12
Çelik kullanılan sektörler ve payları Kaynak: www.worldsteel.org 13
Weltstahlproduktion, 10 6 t Dünya çelik üretimi, 1000 900 800 700 600 500 Yıllık üretim 2000/2001 önemli malzemeler, 10 6 t: Çimento 1,643 Çelik 847 Kağıt ve Karton 323 Plastik 181 Cam 100 Aluminyum 24 2010 1.414 Milyon t 1st oilcrisis 2nd oilcrisis 400 300 200 100 actual production averaged production 0 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Jahre Yıl Kaynak: Wirtschaftsvereinigung Stahl: Statistisches Jahrbuch der Stahlindustrie 2000/2001 / IISI Çeliğin üretiminin değişimi 14
Buhar gücü Demiryolu Elektroteknik Petrokimya Bilgisayar Pamuk Çelik Kimya Otomotiv teknolojisi P: Refah, R:Durgunluk, D: Depresyon, E:Toparlanma Dalgalama Eğrileri Kaynak: Bleck, 2008 15
Çelik fiyat indeksi Kaynak: http://stahlbroker.de 16
Nikel fiyatı, Kaynak:: http://www.finanzen.net/ 17
215 (2011) Kaynak: Wiesinger, Steel Times 8/2000 18 Kişi başına düşen çelik tüketimi
H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac xy İlgili alaşım elementleri Kaynak: Bleck, 2008 19 Demir ve ilgili alaşım elementleri
Demir genel olarak iki farklı kafes yapısına sahiptir. Hacim merkezli kübik (hmk) Yüzey merkezli kübik (ymk) 1958 yılında Brüksel de inşa edilen Atomium binası yaklaşık 100 m yüksekliğindedir. Yapı demirin hmk yapısının modeline göre tasarlanmıştır. 20 Demirin kristal kafes yapısı
hmk ymk Kaynak: Bargel, 2005 21 Demirin kristal kafes yapısı
1000 6 e l s t l p r o u t, 1 0 t Dünya çelik üretimi, Milyon ton Çekiç & örs Şekillendirme Tail end hammer Duo-, trio-,quattrorolling stands Universal rolling mill Continous rolling mill Steam hammer Forging press 900 800 700 Çelik üretimi Oxidizing fire Bessemer-converter (acid lining) Puddle furnace Crucible furnace Electric furnace Siemens-Martinfurnace Thomas converter (basic lining) Ingot steel Vacuum process Continous casting Oxygenconverter Thin slab casting 600 500 400 300 Bloomery fire Demirci ocağı Charcoal blast furnace Coke blast furnace Pig iron including cast iron Cupola furnace Electric shaft furnace 4000 yıl boyunca dünya çelik üretiminde gelişmeler Low shaft furnace 28,1 2000 M.Ö. 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1850 1880 1900 4,25 1950 1970 2000 Kaynak: Verlag Stahleisen GmbH, Stahlfibel, 1999 / IISI 200 100 22
Hematit, Fe2O3 Manyetit, Fe3O4 Goetit, FeO(OH) Limonit FeO(OH) nh2o % 70 Fe % 72 Fe Demir cevherleri Kaynak: http://www.mii.org 23
Demir Yatakları 24
Bir entegre çelik tesisinde üretim akışı 25
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). 26 Çelik Üretimi
Yüksek fırın 27
Ham çelik ön hazırlama 28
Bazik oksijen prosesi (BOF) 29
Elektrik ark fırını (EAF) 30
Elektrik ark fırını (EAF) 31
Fırın Ön hadde Son hadde Soğutma hattı Hadde yolu koruyucusu 1200-1250 ºC Kesme T > Ar3 =f(kimyasal bileşim) 1,5-15 mm X maks. 2050 mm X maks. 1000 m Sıcaklık dağılımının İki yönde Yüzeyi temizlemek Hava+Su soğutma eşdeğer hale ön haddeleme için yüksek basınç getirilmesi uygulanması Yüzeyi temizlemek Pasolar arasında Pasolar arası için yüksek basınç havada soğuma spreyleme ile soğutma uygulanması Yüzey temizleme Sıcak haddeleme Kaynak: Bleck, 2008 32
Sıcak haddeleme Kaynak: www.erdemir.com.tr 33
Çelik türü Malz. No. Armco demir Derin çekme çeliği IF çeliği Ray çeliği Islah çeliği HSLA çelik Yapı çeliği Paslanmaz çelik, östenit Paslanmaz çelik, ferrit Invar çeliği Bazı önemli çelik türleri Kaynak: Bleck, 2008 34
Otomotivin temel girdisi olan hem yüksek mukavemet hem de üstün şekillenebilirlik gerektiren jant ve şasi parçalarının üretiminde kullanılmak üzere. Mekanik özellikleri garanti edilerek, süneklik ve tokluk optimizasyonu sağlanan, konvansiyonel yöntemlerle kaynaklanabilen genel yapı çelikleri, çoğunlukla inşaat makineleri ve iş makineleri imalatında, genel konstrüksiyon levhalarında, kara ve demiryolu araçları imalatında, depolama tankları ve konteyner imalatında kullanılmaktadır. Sıcak haddelenmiş boru çelikleri; yüksek mukavemet, mükemmel tokluk ve iyi kaynaklanabilirlik özellikleri ile, içerisinden su/yağ veya gaz/petrol nakli yapımına uygun boruların üretiminde kullanılmaktadır. Basınçlı kaplar ve kazan imalatında, basınca ve buhara maruz kalan boruların üretiminde, endüstriyel termal kaplarda ve ısı eşanjörleri imalatında mükemmel şekillendirme ve kaynaklanabilirlik özellikleri nedeniyle yüksek sıcaklık ve basınç altında kullanıma uygun kazan çelikleri kullanılmaktadır. Tüp çelikleri; yüksek şekillendirilebilme, mükemmel kaynaklanabilirlik ve tokluk özellikleri ile, güvenliğin çok önemli olduğu LPG tüpleri imalatında kullanılmaktadır. Üstün kaynaklanılabilirlik ve istenilen tokluk değerlerini sağlayan orta ve yüksek mukavemetli gemi yapım çelikleri, gemi içi ve omurgasında kullanılmaktadır. Sıcak haddelenmiş ürünlerin kullanım alanları Kaynak: www.erdemir.com.tr 35
Otomobil karoserinde kullanılan soğuk haddelenmiş çelikler Kaynak: Bleck, 2008 36
Soğuk şekillendirmeye uygun derin çekilebilir kaliteler, otomotiv sektöründe, dayanıklı ev aletleri sektöründe, mutfak eşyaları, radyatör ve havalandırma ekipmanları imalatında, mukavemet, tokluk ve sünekliğin istendiği uygulamalarda kullanılmaktadır. Yaşlanmaya dayanıklılık, üstün şekillenebilirlik ve iyi kaynaklanabilirlik özellikleri ile ön plana çıkan ekstra derin çekme işlemine uygun kaliteler (IF), otomotiv ve beyaz eşya sektörlerinde, özel beklentileri sağlamaya yönelik uygulamalarda kullanılmaktadır. İyi şekillendirilebilirliğin yanında geliştirilmiş kaynaklanabilirliği kombine eden, düşük karbonlu ve mikroalaşımlandırma yöntemi ile üretilmiş yüksek mukavemetli-düşük alaşımlı çelik kaliteleri, otomotiv sektörü ve yan sanayinde kullanılmaktadır. Derin çekilebilirlik özelliklerine sahip, tek/çift kat veya tek/çift pişirim yapılarak kullanılan emaye kaplamaya uygun çelikler, mutfak eşyaları imalatında (tencere, fırın ızgaraları vb.) kullanılmaktadır. Otomotiv sektörünün geliştirilmiş korozyon direnci ve boya adhezyonu gereksinimlerini en üst düzeyde karşılayan galvanizli/galvanile ürünler, günümüzde çoğu otomobil üreticileri tarafından hem iç yüzey hem de dış yüzey parça üretimlerinde kullanılmakta ve bu sayede korozyona karşı ömür boyu garanti verebilmektedir. Yapı sektöründe sıcak daldırma galvanizli/galvanile çelikler, uygulanacak alanın atmosferik şartlarına ve istenilen korozyon direncine bağlı olarak değişik kaplama kalınlıklarında çatı, kapı, fens, profil gibi çeşitli uygulamalarda kullanılır. Beyaz eşya sektöründe görünmeyen (iç) yüzeylerde kullanılan galvanizli saçların, görünür (dış) yüzeylerde de kullanılmaya başlanmasıyla birlikte, beyaz eşya ürünleri parçalarının büyük bir bölümü galvanizli saclardan üretilmeye başlanmıştır. Soğuk haddelenmiş ve soğuk haddelenmiş + galvanizlenmiş ürünlerin Kaynak: www.erdemir.com.tr 37
Soğuk haddelenmiş yassı ürünler Kaynak: www.erdemir.com.tr 38
Uzun ürünler, tel Kaynak: www.erdemir.com.tr 39
Uzun ürünler, çubuk Kaynak: www.erdemir.com.tr 40
Bobin ağırlığı: maks. 36 ton Kalınlıklar*: Soğuk haddelenmiş 0,35-3 mm Sıcak haddelenmiş 1,8-16 mm Çelik türü: Yumuşak çelikten yüksek mukavemetliye kadar Soğuk haddeleme + yüzeyi kaplamalı Sıcak haddelenmiş Soğuk haddelenmiş * Çelik sac ve genişliğine bağlı ** ürüne bağlı Sıcak ve soğuk haddelenmiş ürünlerde boyutlar Kaynak: Bleck, 2008 41
http://www.steeluniversity.org/ Derin çekme yöntemi, içecek kutusu Kaynak: Bleck, 2008 42
Derin çekme yöntemi Kaynak: Bleck, 2008 43
İçecek kutusu üretimi Kaynak: Bleck, 2008 44
İçecek kutusunda küçük boyutlu metalik olmayan kalıntıların hasar oluşumuna etkisi Kaynak: Bleck, 2008 45
Standartlar Örnek TSE Türk Standartları Ensititüsü ASTM American Society for Testing and Materials 1.4301 / X5CrNi1810 S30400 SAE AISI 304 (Society of Automotive Engineers-American Iron and Steel Institute) DIN = EURONORM (EN) 1.4301 / X5CrNi1810 Deutsches Institut für Normung BSI 304 S 17 British Standards Institution AFNOR Z 6 CN 18-09 Association française de Normalisation JIS SUS 304 Japanese Industrial Standards Standartlar 46
DIN EN 10 027-2 Çelikler için numara sistemi A= Malzeme BCDE= Sıra numarası FG= Ek sayı Ana grubu Önemli malzeme ana grupları ve sıra numaraları: Çelik Ana grup 1 1.0000-1.0099 Temel Çelikler (BS) 1.0100-1.0299 Genel yapı çelikleri 1.0300 1.0799 Alaşımsız kaliteli çelikler 1.0800 1.0999 Alaşımlı kaliteli çelikler 1.1000 1.1900 Alaşımsız özel çelikler 1.2000 1.2900 Alaşımlı takım çelikleri 1.4000 1.4599 Korozyona dirençli çelikler, yüksek sıcaklıkta dayançlı çelikler Ağır metaller (çelik hariç) Ana grup 2 2.000 2.1799 Cu ve Cu-alaşımları Hafif metaller Ana grup 3 3.000 3.4999 Al ve Al-alaşımları 3.500 3.5999 Mg ve diğerleri DIN EN 10 027-2 Çelikler için numara sistemi 47
EURONORM a göre çelik, ısıl işlem için uygun ve maksimum kütle-% 2 karbon içeren (zengin oranda Cr içeren birkaç tip hariç) tüm demir esaslı malzemeler Alaşımsız (yalın karbonlu) ve alaşımlı çelikler, malzemenin kimyasal kompozisyonuna bağlı olarak, kullanım özelliklerine göre temel, kaliteli/özel (asil/asal) ve paslanmaz çelikler şeklinde alt sınıflara ayrılmaktadır. DIN EN 10027 normunda kullanılan çelik kısaltmaları için esas alınan, bu çeliklerin kimyasal formülasyonlarıdır. İfadenin önünde yeralan rakamlar ortalama karbon miktarının 100 katını göstermektedir. Bu sayıyı takiben ilave edilen alaşım elementlerinin kısaltmaları gelir. Alaşım elementi simgelerinin ardından gelen rakamlar ise aşağıdaki açıklamalara göre alaşım elementleri miktarının belirli sayılarla çarpımını gösterir: Co, Cr, Mn, Si ve W = x 4 Al, Cu, Mo, Ti, V, Nb, Ta, Be, Pb ve Zr = x 10 N, P, S ve C = x 100 B = x 1000 İçerik olarak Al < % 0,1, Mn < % 1, Si < % 0,5 ve Ti < % 0,15 ise malzeme alaşımsız çeliktir. Düşük alaşımlı çelikler genel olarak toplamda %5 den fazla alaşım elementi içeriğine sahip değildir. Yüksek alaşımlı çeliklerin alaşım elementi miktarı daima %5 ten fazladır. %5 ten fazla bir alaşım elementi bulunan çelikte yukarıdaki katsayı çarpanları kullanılmaz ve karbon içeriğini gösteren ilk sayıdan önce X harfi yeralır. Çeliklerin terminolojisi, sınıflandırılması ve dizaynı 48
Örnek 49
Örnek 50
Örnek 51
Örnek 52
Örnek 53
xx nnn aa Ana Sembol Özellik Ek S Çelik yapı çelikleri Minimum akma dayancı N: Normalize edilmiş P Basınçlı kap çelikleri Minimum akma dayancı M: Termomekanik haddelenmiş L Boru hattı çelikleri Minimum akma dayancı +U: İşlem görmemiş-haddeleme durumu E Makine imalat çelikleri Minimum akma dayancı W: Hava etkilerine dayanıklı B Beton çelikleri Minimum akma dayancı C: Özellikle soğuk şekillendirilebilir Y Gerilim çelikleri Minimum akma dayancı +S: Soğuk kesilebilirliğe işlenmiş R Ray çelikleri Minimum akma dayancı S: Gemi yapımı için H Soğuk haddelenmiş yassı Minimum akma dayancı +Q: Su verilmiş veya sertleştirilmiş ürün Q: Islah edilmiş D şekillendirilebilir yassı ürün C: soğuk haddelenmiş D: soğuk şekillendirme için QA: Havada ıslah edilmiş QL: Sıvı içinde ıslah edilmiş X: haddeleme tipi verilmemiş H: Yüksek sıcaklık için (Yüksek sıcaktaki dayanç garantili) G Çelik döküm Minimum akma dayancı J: Oda ve düşük sıcaklıklar için tabloya bakınız Joule = tüketilen çentik darbe enerjisi K: Oda ve düşük sıcaklıklar için tabloya bakınız L:Oda ve düşük sıcaklıklar için tabloya bakınız (ince taneli yapı çelikleri hariç) G: Diğer kaliteler --G veya G1, G2, G3 Aynı cins malzeme tipleri ayırabilmek için (örneğe bakınız) Çeliklerin özelliklerine göre DIN EN 10 027 54
Çeliklerin Sınıflandırılması Sürekli döküm yoluyla ya da blok döküm yoluyla dökülen çelik, bu işlemlerden sonra önce sıcak ve sonrada soğuk şekillendirilir. Bu işlemler sonucunda yarı mamul elde edilmiş olur. Bu yarı mamul halde çelik daha sonra nihai mamul oluşturmak amacıyla talaşlı işleme, plastik şekil verme veya birleştirme işlemlerine gider. İki tip yarı mamul bulunur: Yassı yarı mamuller levha ve saclar Uzun yarı mamuller çubuklar, çift T profilli taşıyıcılar ve benzeri profiller Kaynak: www.erdemir.com.tr Çeliklerin Sınıflandırılması Kaynak: www.erdemir.com.tr 55
TS EN 10020 Standardına göre çelikler TS EN 10020 ye göre çelik kütlece bütün diğer elementlerin her birinden daha fazla demir içeren, karbon oranı % 2 den daha düşük olan, başka elementler de içeren malzemelerdir. Az sayıda krom çeliği % 2 den fazla karbon içerebilir, ama % 2 değeri çelikle dökme demiri bir birinden ayıran genel sınırdır. I. Alaşımsız çelikler II. Paslanmaz çelikler III. Diğer alaşımlı çelikler I.A. Alaşımsız kaliteli çelikler I.B. Alaşımsız özel çelikler III.A. Alaşımlı kalite çelikleri III.B. Alaşımlı özel çelikler TS EN 10020 Standardına göre çelikler 56
I. Alaşımsız çelikler: Tablodaki sınır değerlerinin hiç birinin aşılmadığı bileşimdeki çeliklerdir. I.A. Alaşımsız kaliteli çelikler: Alaşımsız kaliteli çelikler, (örneğin; tokluk, tane büyüklüğü kontrolü ve/veya şekillendirilebilirlik gibi) belirtilmiş özellik şartları olan çelik tipleridir. I.B. Alaşımsız özel çelikler: Alaşımsız özel çelikler, özellikle metalik olmayan kalıntılar bakımından kalite çeliklerden çok daha temizdir. Çoğu durumda, bu çeliklerin su verilip soğutulması (ıslah edilmesi) veya yüzey sertleştirme işleminden geçirilmesi düşünülür ve bu çeliklerin önemli bir özelliği bu tür işlemlere iyi cevap vermesidir. Kimyasal bileşimin hassas kontrolü ve imalatta ve proses kontrolde özel bir dikkat sarf edilmesi, özelliklerin tam olarak karşılanması sonucunu verir. Genellikle yakından kontrol edilen sınırlarla bağlantılı olan bu özellikler, bazen, soğuk şekillendirmeye uygunluk, kaynak etme veya tokluk hususlarında yakından kontrol edilen akma dayanımı veya sertleştirilebilirlik değerlerini içerir. Belirtilmiş Element Sınır Değer (Kütlece %) Belirtilmiş Element Sınır Değer (Kütlece %) Belirtilmiş Element Al Alüminyum 0,30 Mn Mangan 1,65 a) Ti Titan B Bor 0,0008 Mo Molibden 0,08 V Vanadyum Bi Bizmut 0,10 Nb Niyobyum 0,06 W Tungsten Co Kobalt 0,30 Ni Nikel 0,30 Zr Zirkonyum Cr Krom 0,30 Pb Kurşun 0,40 Diğerleri (Karbon, Cu Bakır 0,40 Se Selenyum 0,10 fosfor, kükürt, azot La Lantanitler (her 0,10 Si Silisyum 0,60 hariç) biri) Te Tellür 0,10 a) Manganın yalnızca maksimum olarak belirtildiği yerlerde sınır değer % 1,80 dir ve % 70 kuralı uygulanmaz. Sınır Değer (Kütlece %) 0,05 0,10 0,30 0,05 0,10 Alaşımsız çelikler 57
II. Paslanmaz çelikler: En az kütle-% 10,5 krom, en fazla % 1,2 karbon içeren çeliklerdir. Nikel içeriğine (Ni % 2,5 den az ve Ni % 2,5 den çok) veya ana özelliğine (korozyona dayanım, yüksek sıcaklığa dayanım ve sürünmeye dayanım) göre alt sınıflara ayrılır. III. Diğer alaşımlı çelikler: Tabloda verilen değerlerin en az bir alaşım elementi için aşıldığı ve paslanmaz çeliklere uymayan çelik kaliteleridir, bkz. önceki Tablo. III.A. Alaşımlı kalite çelikleri: Alaşımlı kalite çelikler, örneğin tokluk, tane büyüklüğü kontrolü ve/veya şekillendirilebilirlik konularında şartları bulunan çelik tipleridir. Alaşımlı kalite çeliklere genellikle ıslah veya yüzey sertleştirme işlemi yapılmaz. III.B. Alaşımlı özel çelikler: Bu sınıf, çoğunlukla yakından kontrol edilen sınırlar çerçevesinde belirtilmiş gelişkin özellikler sağlamak üzere kimyasal bileşimlerinin kesinliğiyle, imalat ve proses kontrol metotlarının özel koşullarıyla karakterize edilen paslanmaz çelikler dışındaki çelik tiplerini kapsar. Paslanmaz ve diğer alaşımlı çelikler 58
Bunun dışında çelikler özelliklerine, kullanım alanlarına veya üretim yöntemlerine göre sınıflara ayrılabilir. Özelliklerine göre (örn; korozyona dayanıklı, yüksek sıcaklığa dayanıklı gibi) Üretim yöntemlerine göre (örn; sementasyon çelikleri, otomat çelikleri gibi) Kullanım alanlarına göre (örn; yay çelikleri, takım çelikleri gibi) Çelikler özelliklerine, kullanım alanlarına veya üretim yöntemlerine 59
2.01.6.3 Özelliklerine göre çelikler Atmosferik korozyona dayanımı iyileştirilmiş yapı çelikleri DIN EN 10025-5 Düşük sıcaklıkta tok çelikler Östenitik çelikler Ferritik çelikler Yüksek sıcaklıklarda dayanımlı çelikler Özelliklerine göre çelikler 60
Çelik tipi Durumu Çelik numarası Darbe değeri A V min, J Darbe deneyi sıcaklığı, C Min. R m / min. R eh 11MnNi5-3 +N 1.6212 40-60 420/275 13MnNi6-3 +N 1.6217 40-60 490/345 16NiMn6 +N 1.6228 40-80 490/345 12Ni14 +N 1.5637 40-100 490/345 X12Ni5 +N 1.5680 40-120 530/380 X8Ni9 +N 1.5662 50-196 640/480 +QT --- 70-196 680/575 X7Ni9 +QT 1.5663 100-196 680/575 Propan -42 Metan -164 N2-196 CO2-79 O2-183 H2-253 Etan -89 Argon -186 He -269 Düşük sıcaklıkta tok çelikler 61
Karakteristikler Nedenler ve özellikler Çelik grubu Ymk katı ergiyiğinin oluşturduğu homojen mikroyapı Ymk katı ergiyiği maksimum kayma düzlemine sahip olması nedeniyle soğuk şekillendirilebilirlik, yüksek uzama ve kesit daralması değerleri ve -200 C de tokluk gibi özellikler gösterir. Diğer alaşım elementleri ile de birlikte korozyon dayanımı artırılabilir. Soğuk çelikler çekilebilir Korozyona dayanıklı çelikler Düşük akma sınırına göre yüksek çekme dayanımı, dolayısıyla - diyagramında büyük bir uzama alanı. Ymk katı ergiyiğinde kayma gerilmelerinin düşük olması nedeniyle yüksek gerilmeli parçalar için yüksek azotlu ve sertleştirilebilir çelik tipleri geliştirilmiştir. Azot basınç altında yeniden ergitme ile alaşımlanabilir ve mikroyapıda ikizlenme plakaları üzerinde sertleştirme etki yapar. Eğer azot çözünürlüğü aşılırsa çökelti oluşumu da söz konusudur. Kaynak elektrodları Sertleştirilebilir östenitik çelikler Mikroyapısal dönüşüm olmaması Manyetikleşmeme Bu nedenle sertleştirme, su verme, normalize etme gibi işlemler uygulanamaz. Rekristalizasyon tavlaması mümkündür. Dönüşüm gösteren çelikler gibi hacim değişimi göstermezler. Bu sayede yüzey koruyucu katmanlar yüzeyden ayrılmazlar. Ymk katı ergiyiklerin özelliğidir. Metastabil östenitik çeliklere göre daha yüksek alaşım elementi miktarı içerirler. Sürünme dayanımlı çelikler, ısıya dayanımlı çelikler Manyetik olmayan çelikler Östenitik çelikler 62
Kriter Östenitik çelikler Ferritik çelikler Stabilize etmek amaçlı Ni, Mn (Cr) ile Mo, V, Ti, Nb, Ta katkısı Cr ile Al, Si, Mo, V, Ti katkısı yüksek alaşımlama Mikroyapı Belirli sıcaklıklardan su verme ile oluşan homojen mikroyapı 1000 C den yüzey merkezli kübik 800 C den hacim merkezli kübik (Diğer alaşım elementlerin ilavesi ile yavaş soğuma sonrasında da) Tokluk Yüksek, ani düşüş gözlenmez, soğukta tok Düşük, ani tokluk düşüşü gözlenir, soğukta gevrek Soğuk şekillendirilebilirlik Yüksek, yoğun pekleşme gösterir, Ni miktarı Düşük, az miktarda pekleşme gösterir, arttıkça artar. yarı-sıcak şekillendirmeye uygun. Kaynak edilebilirlik Çok iyi Düşük Sadece çok düşük karbon miktarında yada kararlı karbür oluşturucular (Ti, Nb) ile alaşımlandığında. Aksi halde krom fakirleşmesi ile interkristallin korozyon meydana gelir. Korozyon dayanıklılığı Alaşım elementi katkısı ile oluşturulan farklı amaçlı bir çok çelik tipi Suya ve buhara karşı dayanıklı, gerilmeli korozyona karşı dayanımı yok Sürünmeye dayanımlı Isıya dayanımlı 650 C. (750 C, eğer sertleştirildiyse) Yüksek sıcaklığa dayanıklı çelikler 800 C..1150 C, Si alaşımlı, kükürtlü gazlara ve sementasyona karşı dayanımı düşük 300 C.750 C (ısıl işlem ile), sıcağa dayanıklı ferritik çelik döküm 750 C..1150 C, Si ve Al alaşımlama ile oksitleyici ve kükürtlü gazlara karşı dayanım Östenitik ve ferritik çeliklerin karşılaştırması 63
Kısa süreli deney 1) Uzun süreli deney, 100 000 saatten fazla Çelik tipi R p0,2, MPa T, C de R p1 ve R m, MPa T, C de 50 300 400 500 500 550 600 650 Mikroyapı R p1 R m R p1 R m R p1 R m R p1 R m P265GH 247 166 145 -- FP 2) P460NH 416 281 244 -- FP 2) 13CrMo4-5 285 209 180 159 98 137 36 49 Isıl işlem 10CrMo9-10 279 228 205 179 103 135 49 68 22 34 Isıl işlem X20CrMoV12-1 490 390 360 290 190 235 98 128 43 59 17 23 Isıl işlem X8CrNiNb16-13 205 137 128 118 157 154 108 49 64 Östenitik GX22CrMo12-1 540 430 390 340 172 207 91 118 34 49 -- -- Üstbeynit Yüksek sıcaklıklarda dayanımlı çelikler 64
2.01.6.4 Üretim yöntemlerine göre çelikler Otomat çelikleri Soğuk şekillendirilebilir çelikler Üretim yöntemlerine göre diğer çelik türleri - sementasyon çelikleri (TS EN 10084) - nitrürlenebilen çelikler (TS EN 10085) - su verilmiş ve temperlenmiş çelikler (TS EN 10083) - büyük dövme parçaları için çelikler (SEW 555) Üretim yöntemlerine göre çelikler 65
DIN EN 10130 (1623-1Z) e göre kısa adı Malzeme No. R p0,2 Mukavemet 1) R m Soğuk şekillendirilebilir çelikler A 80mm %C Kullanım n90 r90 DC01 St12 1.0330 280 270...410 28 0,12 Bükme, kıvırma -- -- DC03 RRSt13 1.0347 240 270...370 34 0,10 Kolay derin çekme 1,3 -- DC04 St14 1.0338 210 270...350 38 0,08 En zor şekillendirme 1,6 0,18 DC05 St15 1.0312 180 270...330 40 0,06 şartları için 1,9 0,20 DC06 IF18 2) 1.0873 180 270...350 38 0,02 Zor derin çekme 1,8 0,22 Çelik tipi Y-çelikleri, arayer atomsuz LA-çelikleri, mikroalaşımlı B-çelikleri, Bake hardening etkisi DP 1) -çelikleri, dual fazlı çelikler CP 1) -çelikleri, kompleks fazlı çelikler TRIP 1) -çelikleri, kalıntı östenitli çelikler (TRansformation Induced Plasticity) TWIP-çelikleri (TWinning Induced Plasticity) Açıklama Ara yerlerde karbon atomu içermeyen (max. % 0,01 C) çelikler Böylelikle soğuk şekillendirilebilirlik yüksek C düşük, Nb/Ti alaşımlı, çökelti sertleşmesi Lak tabakasının (boyama işleminde) yakılması sırasında çökelme. Bunlar teslim edildiklerinde düşük mukavemetlidirler ve sadece çözeltiye alma ısıl işlemi görmüşlerdir. Yakma işlemi sonrasında mukavemette yaklaşık 35 MPa artış görülür. Düşük karbonlu ferritten oluşmuş bir matrikste yaklaşık % 20 martenzit adacıklarının meydana getirdiği mikroyapıya sahiptirler. Bu mikroyapı için - faz dönüşüm alanından hızlı soğutulurlar. Ferrit, martenzit ve beynitten meydana gelmiş çok fazlı bir mikroyapı. 680 720 MPa akma sınırı gösterirler. Ferritik-beynitik mikroyapıda metastabil östenit içerirler. Son haddelemede 800 900 C den su verilerek 300 C sarılarak üretilirler. Soğuk şekillendirme sırasında metastabil östenitin martenzite dönüşmesiyle mukavemet artışı sağlanır. Yüksek alaşımlı östenitik Mn-çeliği, pekleşme sağlanması ikizlenme oluşumuna dayanır. Çekme mukavemeti 600.1000 MPa, uzama % 90 40 66
2.01.6.5 Kullanım alanlarına göre çelikler Rulman çelikleri Yay çelikleri Takım çelikleri Kullanım alanlarına göre çelikler 67
Çelik tipi Kullanım alanları Takım malzemesi ve iş parçası örnekleri Soğuk iş takım çelikleri Yarı mamullerin şekillendirilmesi ve ayrılması Toz malzemelerin soğuk presi Derin çekme, ekstrüzyon, soğuk baskı, kesme ve delme, sinter parçaların preslenmesi ve el aletleri Sıcak iş takım çelikleri Sıvı halden şekillendirme, ısıtılmış metallerin ve camların şekillendirilmesi Basınçlı döküm kalıpları, ekstruder, cam şekillendirme, dövme kalıpları Polimer şekillendirme takım çelikleri Dolgu malzemesi içeren duro- yada termoplastik malzemelerin tozlarının şekillendirilmesi Pres yada enjeksiyon kalıpları, polimer makinelerinin parçaları Hız çelikleri Geometrisi belli kesici uçlar ile kesme işlemi Matkap, freze, diş açıcı uçlar, metal testereleme, broşlama Takım çelikleri 68
Dökme demirler (%2-%4 C) İyi dökülebilirlik Kırılgan Aslında Fe-C-Si üçlü alaşımıdır. Beyaz dökme demir Kır (alaca) dökme demir Gri dökme demir Dökme demirler 69