ÇELİKLER

ÇELİK, Bileşiminde % 1.8'den daha az karbon bulunan, demir karbon alaşımıdır. Alaşımlı çeliklerde karbon oranı % 2.1'e kadar çıkabilir. Bir ülkedeki çelik üretimi milli ekonominin gelişme göstergelerinden biridir. Çelik; demiryollar, motorlu vasıtalar, uçak ve diğer modern makinalar için esastır.

ÇELİK ÜRETİMİ, Yüksek fırından elde edilen ham demir % 2 - 4.5 karbon ve önemli miktarda fosfor, kükürt gibi yabancı maddeler ihtiva eder. Bu demire pik demir denilir. Bu maddeler gevrekleştirici etki yapar ve özellikle darbelere karşı dayanımı çok düşürür. Yani kırılgan bir yapı oluşturur. Büyük bir ham demir parça, insan elinden düşüp sert bir zemine çarpsa, kolaylıkla ikiye ayrılabilir.

Bu konunun devamı için lütfen yeşil butona tıklayınız.   

1- Bessemer Usülü Çelik Üretimi

İlk defa 1856' da Henry Bessemer, ham demiri ergiterek içinden hava geçirdi ve bu kırılganlık yapıcı maddeleri yakmayı başardı. Yanan maddelerden hasıl olan enerji, çeliği sıvı halde tutmaya yetmektedir. Böylece çelik üretiminde Bessemer usulü doğdu. Eskiden çelik üretimi çok zaman alıyordu ve çok pahalıydı. Günümüzde bu işlemler çok kısaldı ve çelik üretimi hem kolaylaştı, hem de ekonomik duruma geldi.

2- Bessemer - Thomas Usülü Çelik Üretimi

Bessemer usulüyle elde edilen çelikte bir miktar fosfor ve kükürt yanmadan kalıyordu. Bunlar da çeliği gevrekleştiriyordu. Bunun üzerine 1876'da Thomas Gillchrist, Bessemer'in, kullandığı asit astar yerine bazik dolomit astar kullanarak sıvı çeliği büyük ölçüde yakmayı başardı. Böylece iyi kaliteli çelik elde edildi. Fakat bu usulde endüstriyel üretimin %5' i veya daha fazlası fire olarak atılıyordu. Her yıl milyonlarca makina parçasının hurdaya çıkması hurdaların kullanılmasını mecburi kıldı.  Yüksek fırından elde edilen piklerden çelik imal edebilmek için geliştirilmiş ergitme ocaklarıdır. İlk önce 1856 yılında Henry Bessemer tarafından asit astarlı (kum tuğla) şekilde üretilmiştir. Burada yapılan temel işlem içerisinden hava geçirerek silisyum, mangan ve karbon ortamdan uzaklaştırılmaktaydı. Ancak bessemer usulunde kükürt ve fosfor istenilen miktarda uzaklaştırılamamaktadır. Sidney Gilchrist Thomas, 1876 yılında Bessemer Konvertöründe kullanılan asit astar yerine bazik dolomit astar kullanarak bu sorunu ortadan kaldırmıştır. Bu yöntem daha sonra Bessemer - Thomas olarak adlandırıldı.

 

3- Siemens - Martin Usülü Çelik Üretimi

1865' te geliştirilen Siemens Martin usulü, yukarıda vurgulanan bu iki mahsuru ortadan kaldırtacak nitelikteydi. Bu usülde % 100' e kadar istenilen her oranda hurda kullanılabilir. Fırınlar 300-500 ton kapasitededir. Fırın önce 1/3 kapasite hurda malzeme ile doldurulur, kireçtaşı ilave edilerek 3 saat üstten ısıtılır. Daha sonra sıvı ham demir ilave edilerek fırın kapasitesine çıkılır. İstenilen analize erişildikten sonra fırından alınır. Bessemer ve Thomas usüllerine göre daha kaliteli çelik üretilebilir. Alaşımlı çelik üretmek de mümkündür. Fakat alev sıvı metalle temas ettiği için alaşım elemanlarının yanma yoluyla azalması söz konusu olur.

 

4- Oksijen Üfleme Usülü Çelik Üretimi

Oksijen üfleme usulünde, Thomas ve Siemens Martin usüllerinin üstünlükleri bir arada toplanmıştır. Ham demir içindeki istenmeyen elemanları yakarak uzaklaştırmak için teknik saflıkta oksijen kullanılmaktadır. Bu sebepten reaksiyonlar daha çabuk meydana gelmektedir. Hava içinde %79 oranında bulunan azot lüzumsuz yere ısıtılmamaktadır. Fakat daha önemlisi azotu düşük çelik üretilebilmektedir. Çünkü azot çeliğin plastik şekil değişimi kabiliyetini zorlaştırmaktadır. Bu nedenle ham demire hava yerine saf oksijen üfleme yöntemleri geliştirilmiştir.  Bu yöntemlerde saf oksijen kullanıldığından oluşan reaksiyonlar daha hızlıdır ve ham demirden istenmeyen refakat elamanları ile azotun ayrıştırılması kolaylıkla gerçekleştirilir. Oksijen üfleme yöntemleri ile oldukça düşük maliyetli ve kaliteli çelikler üretilmektedir. Ayrıca ham demirin yanı sıra hurda malzemeler de işlenebilmektedir. Çelik üretiminde kullanılan oksijen üfleme yöntemleri LD, LDAC, Kaldo yöntemidir.

 

Elektrik ark ocakları temel oksijen metotlarından farklı olarak sıcak metal yerine hurda kullanır. Hurda çelik elektrik ark ocağına üstten vinçle boşaltılır, ardından ocağın kapağı örtülür. Bu kapak ark ocağına indirilen üç tane elektrod taşır. Elektrodlardan geçen elektrik bir ark oluşturur ve açığa çıkan ısı hurdayı eritir.

 

Elektrik Ark Ocaklarının Özellikleri

- Yüksek güç tüketimi vardır.

- Elektrik ark ocakları yüksek eritme kapasiteleri için kullanılır (25-50 ton/saat).

- Çoğunlukla çelik eritme için kullanılır.

- İki yada üç elektrotlu tipleri vardır.

- Hemen her kapasitede bulmak mümkündür.

- Temiz ve özelliklerin kontrolü kolaydır.

- Yüksek sıcaklık elde edilmektedir (3000 ^oC).

ÇELİK ÇEŞİTLERİ

1- Sementasyon Çelikleri, Sementasyon çelikleri, yüzeyde sert ve aşınmaya dayanıklı, çekirdekte ise daha yumuşak ve tok özelliklerin istendiği, değişken ve darbeli zorlamalara dayanıklı parçaların imalinde kullanılan, düşük karbonlu, alaşımsız veya alaşımlı çeliklerdir.  Parçaya bu özelliklerin kazandırılması, çelik yüzeyine karbon emdirilmesi suretiyle olur. Sementasyon çelikleri, dişliler, miller, piston pimleri, zincir baklaları, zincir dişlileri ve makaraları, diskler, kılavuz yatakları, rulmanlı yataklar, merdaneler, bir kısım ölçü ve kontrol aletleri, orta zorlamalı parçalar, kesici takımlar gibi parçaların imalinde kullanılır.

 

 - Sementasyon işlemi parça kısmen veya tamamen son şeklini aldıktan sonra uygulandığı için, parçanın işlenmesi oldukça kolaydır.

- Parçanın yüzeyinde sonradan işlenecek, sertleşmesi istenmeyen kısımlar var ise, bu bölgelere özel pasta veya elektrolitik bakır ile kaplanarak örtülür. Sementasyon işlemi bu kısımlara tesir edemeyeceğinden sonradan kolayca işlenir.

- Sementasyon işlemi sonrasında, çekirdek bölgesi yumuşaklığını koruyacağından, sertleştirme sırasında ortaya çıkabilecek çarpılmalar oldukça azdır.

- Semente edilmiş çeliklerin iç kısımları kolayca işlenebilir.

- Sementasyon çelikleri, yüzeyde aynı sertliği verebilecek, çoğu zaman takım çeliği durumdaki yüksek karbonlu çeliklerden daha ucuzdur.

Ancak, uygun sementasyon çeliğinin seçimi ve doğru sementasyon işlemi çok dikkat ve tecrübeyi gerektirir. Sementasyon işleminin iyi sonuç vermesi (istenen sementasyon derinliğine ve sertliğe ulaşılması), kullanılan çeliğin iç yapı temizliği ile yakından ilgilidir.

İç yapı temizliği, sıvı bünyesinde eritilmiş halde bulunan gazlardan (hidrojen,oksijen ve azot) arındırılması ve oksit sülfür inklizyonlarından temizlenmesi işlemidir.  

Sementasyon çelikleri;

- Kalite çelikleri (alaşımsız),

- Alaşımlı çelikler, olmak üzere iki grupta toplanır. Genel olarak; semente derinliği -0,2-1,5mm arasında olabilir. Sementasyon çelikleri ayrıca düşük sertleşebilen, orta sertleşebilen, yüksek derecede sertleşebilen olmak üzere üç gruba ayrılır. Sementasyon çeliklerinin karbon nedeni ile "tokluk" özelliğidir. C yüzdesi fazla ise derinlemesine sertleşmek tokluk özelliğini zayıflatır.

Düşük karbonlular, düşük bünye sertliğine sahip olup buna yüksek tokluk istenen yerlerde, yüksek karbonlu türler ise bünye sertliği istenilen yerlerde tercih edilir.

2- Islah Çelikleri, Islah çelikleri, kimyasal birleşimleri özellikle karbon miktarı bakımından, sertleştirilmeye elverişli olan ve ıslah işlemi sonunda belirli bir çekme dayanımında yüksek tokluk özelliği gösteren, alaşımsız ve alaşımlı makine imalat çelikleridir. Islah işlemi, sonucunda çelik parçaya yüksek tokluk özelliğinin kazandırılacağı önce bir sertleştirme ve arkasından menevişleme işlemlerinin bütünü olarak tarif edilir. Islah çelikleri, ıslah işlemi sonunda kazandıkları üstün mekanik özelliklerinden dolayı, çeşitli makine ve motor parçalar, dövme parçaları; çeşitli cıvata somun ve saplamalar, krank milleri, akslar, kumanda ve tahrik parçaları, piston kolları, çeşitli miller, dişliler gibi parçaların imalinde olmak üzere geniş bir alanda kullanılırlar. Bu sebepten, ıslah çelikleri inşaat ve alaşımsız çeliklerden sonra, en yüksek oranda üretilen ve kullanılan çelik türüdür.

 

Uygun ıslah çeliğin seçimi ve doğru ıslah işleminin uygulaması çok dikkat ve tecrübeyi gerektirir. Islah işleminin iyi sonuç vermesi (İstenilen tokluk veya sertlik değerine ulaşılması), kullanılan çeliğin iç yapı temizliği ile yakından ilgilidir. İçyapı temizliği, sıvı çeliğin bünyesinde erimiş halde bulunan gazlardan (hidrojen, oksijen ve azot) arındırılması ve oksit, sülfür inkluzyonlarından temizlenmesi işlemidir. Bu çelikler MAKİNE - imalat çeliklerinin en önemli bölümünü oluştururlar. Genel olarak bu tür çelikler bağlantı elemanları aks şaft ve dişli imalatında kullanılırlar.  Bu grup çeliklerde, sertleşebilirlilik derecelerine göre düşük, orta ve yüksek sertleşebilir olarak gruplanır.

3- İmalat Çelikleri, saf demir, yumuşak bir metaldir. %0.2 gibi az miktarda karbon demire katılacak olursa, Karbonlu Çelik elde edilir. Karbonlu çelikler, karbon oranına göre sınıflandırılır. Her ne kadar kesin sınırlar yoksa da yaklaşık olarak Karbonlu Çelikler aşağıda belirtildiği gibi sınıflandırılabilir.

 

Karbonlu çelikler alaşımsız makine yapım (imalat) çelikleri de denebilir. Mn. Si gibi alaşım elementlerinin değeri, Mn %1.65,Si %0.60 geçmiyorsa bu çelikler, karbonlu çelikler sınıfa girer.

- İnşaat alanında (inşaat demiri).

- Her türlü profilli çelik konstrüksiyon elemanlarının üretiminde (L,±,[,gibi)

- Her kalınlık saç yapımında.

- Çivilik tel, Kaynak telleri, İnşaat teli yapımında.

- Zincir üretiminde.

- Makine parçaları ve bazı el aletlerinin yapımında kullanılır.

4- Transmisyon ve Otomat Çelikleri, otomat çelikleri yüksek oranda Kükürt (S) ve Mangan (Mn) içeren alaşımsız çeliklerdir. Mangan ve  Kükürt'ün oluşturduğu Mangan-Sülfür (MnS) sayesinde küçük ve kırılgan talaş  oluşumu nedeni ile seri üretime yönelik çalışan hızlı takım tezgahlarında (tek veya çok milli) işlenirler. Bu çeliklere %0.15-0.35 oranında ilave edilen kurşun (Pb) sayesinde kesme hızları arttırılmaktadır. Bazen kurşun (Pb) yerine Tüller (Te), Bizmut (Bi) ve Selenyum (Se) da aynı amaçla kullanılmaktadır. Diğer çeliklere oranla daha yüksek Fosfor (P) içermeleri talaş kırılganlığı ve kesme yüzeyi kalitesini iyileştirir.

Otomat çelikleri uygulanan ısıl işlemlere göre;

- Isıl işlem uygulanmayanlar          

- Isıl işlem uygulananlar

- Islah işlemi uygulananlar

- Semantasyon işlemi uygulananlar  olmak üzere guruplandırılırlar.

 

Talaş kaldırma gereği duyulmadan yüzeylerin hassas ölçü toleranslarında olması gereğinden,  otomat çelikleri daha ziyade soğuk çekilmiş olarak kullanılır.

- Bu arada , yaklaşık  %0.12 kükürt ve düşük karbon ihtiva eden ve yarı otomat çeliği olarak adlandırılan çelikler, iyi bir işlenebilirlik özelliğinin yanısıra, sıcak ve soğuk dövme ve zımbalama parçalarının imalatında kullanılmaktadır. (Örnek  : Somunlar).

- Yüksek kükürt ihtiva eden 9SMn28 kalitesi, sıcak dövme uygulamasında başarıyla kullanılmaktadır.

Otomat Çeliklerinin  Kullanım  Avantajları

Otomat çelikleri, Süratli ve seri üretim yapabilen torna ve otomat tezgahlarında, aşağıda belirtilen avantajları sağlar.

- Tezgahın işleme hızına uygun yüksek kalem ömrü sağlar

- İş parçalarının kolay işlenmesi ve tezgahtaki rahat hareketini mümkün kılan iyi bir talaş kırılganlığı sağlar

- Çok düşük kesme kuvvetleri gereği, işlenen parçada iyi bir yüzeysel kalite sağlar.

5- Soğuk İş Çelikleri, soğuk iş takım çelikleri, sahip oldukları özellikler ile kesme ve presleme takımlarında, kalıp ve bıçaklarda, boşaltma ve soğuk çekme takımlarında, diş açma ve ovalama kalıplarında, hadde merdanelerinde gibi benzer uygulamada kullanılırlar. Yüksek sertlik, yüksek tokluk, basınç ve aşınma dayanımına sahiptirler. Soğuk iş takım çeliklerinin seçilmesindeki en önemli faktörler piyasada rahat bulunabilmeleri, fiyat avantajları ve sağladıkları uzun takım ömürleridir.

Soğuk iş takım çelikleri yüksek gerilimlere, darbe ve eğilmeye maruz kalırlar bunun yanında yüksek aşınma direnci gereksinimi bulunur. Yeni çelik kalitelerinin geliştirilmesi çeşitli süreçlerde hasara uğrayan kalıp, takım veya bıçaklarda yapılan hasar analizlerinin sonuçlarının değerlendirmesinin bir sonucudur. Her bir kullanım alanında, takımın çalışma süresini arttıran özellikler aranır. Farklı türdeki aşınma gereksinimleri, farklı türde soğuk iş takım çelikleri ile sağlanmaktadır. Ürün geliştirme stratejileri, daha yüksek aşınma dayanımı ve daha fazla dayanıklılık gereksinimleri ile eş eksenli hedeflerde ilerlemektedir.

6- Sıcak İş Çelikleri, yüksek sıcaklık altında sertliğini yitirmeyen, meneviş dayanımı, çekme mukavemeti, toklukları aşınma dayanımları yüksek olan çeliklerdir.

DIN 1.2343 (X38 CrMoV51)

Doğru ısıl işlem uygulandığı takdirde son derece üniform bir yapı elde edilebilen, yüksek tokluğu sayesinde de hafif metallerin enjeksiyonu ve dövme kalıplarında çok iyi performans gösteren bir malzemedir. Yüksek sıcaklık mukavemeti ve menevişleme direnci çok iyidir.

 

7- Plastik Kalıp Çelikleri, parlatılabilirlik özelliği ve işlenebilirlik özelliği iyi, baskı mukavemeti ve korozyon dayanımı yüksek olan çeliklerdir.

 

DIN 1.2083(X42 Cr13)

Yüksek Cr içeriği ile korozyon dayanımı çok yüksektir. İnklüzyon içermeyen kimyasal yapısı sayesinde mükemmel parlatabilme özelliğine sahiptir.(Şeffaf plastik ürünlerde pürüzlük çok önemlidir.) Termal şoklarda ve darbelere karşı yüksek tokluğa sahiptir. Temperleme işlemi esnasında sertlik düşüşüne karşı minimum direnç gösterir. Isıl işlem sonrası maksimum 56HRc sertlik alır. 

8- Yüksek Hız Çelikleri, yüksek hız çelikleri; makine takımları, özellikle matkap uçları, diş açma, broş takımları ve bazı soğuk şekillendirme uygulamalarında kullanılır. Bu uygulamalarda önemli olan gereksinimler; aşınma dayanımı, yüksek sıcaklıklarda sertlik dayanımı ve keskin köşelerin temizlenmesinde hazırlanmasında ihtiyaç duyulan tokluk dayanımıdır. Yüksek hız çeliklerinin karakteristik özellikleri şunlardır;

- Yüksek çalışma sertlikleri  

- Yüksek aşınma dayanımı  

- Mükemmel tokluk

- Basınç dayanımı  

- İşleme sırasında oluşan yüksek sıcaklıklarda sertlik dayanımı sağlaması

- Kenar kesimlerinde kırılma dayanımı

İmalat çelikleri, % 0.06 - 0.65 arasında karbon ihtiva ederler. Kendi aralarında üçe ayrılırlar.

-  Çekme mukavemetine göre çelikler.  Fe 37-2 şeklinde gösterilir. Fe sembolü çelik olduğunu, 37 sayısı kgf/ mm² olarak çeliğin minimum çekme mukavetini gösterir. En sonundaki iki rakamı kalite durumunu ifade eder.

- Kimyasal analize göre çelikler kendi aralarında sementasyon çelikleri ve ıslah çelikleri olarak ikiye ayrılırlar. Sementasyon çelikleri % 0.2' den daha az karbon ihtiva ettiklerinden, ısıl işlemle sertleştirilemezler. Eğer sementasyonla yüzeyden karbon verilirse ve ısıl işlem uygulanırsa yüzey kısmı sertleşebilir. İç kısmı sertleşmeden kalır. Islah çelikleri ısıl işlemle çok iyi sertleşir. Fakat bu durumda çok kırılgan olduklarından süneklik kazandırmak maksadıyla ıslah işlemine tabi tutulurlar. Islah işlemi a1 sıcaklığının altında bir sıcaklıkla 1-2 saat tavlanarak yapılır.

-  Özel imalat çeliklerinin ise otomat çelikleri, civata ve somun çelikleri gibi çeşitleri vardır.

Takım Çelikleri, endüstride malzemelerin şekillendirilmesinde kullanılan çeliklerdir. Sert, aşınmaya, darbelere karşı dayanıklı ve oda sıcaklığında, yüksek sıcaklıkta kesici olmaları gerekir. Alaşımlı ve alaşımsız takım çelikleri olarak iki gruba ayrılırlar. Alaşımlı olanlar kendi aralarında sıcak iş, soğuk iş takım çelikleri ve hız çelikleri olmak üzere üçe ayrılırlar.

Çeliklerde ısıl işlem sonucu sertlik artışını sağlayan elaman karbondur. % 0,2'den daha az karbon ihtiva eden çeliklerin sertlikleri ısıl işlemle çok az artış gösterir ve sertleşmezler. Bu nedenle bunlara demir de denir. Saf demirde ısıl işlemle hiçbir sertlik artışı görülmez. Çünkü içinde karbon yoktur.

Sertleştirme sonucu % 0,2 karbonlu çelikte yaklaşık 28-30 HRC, % 1 karbonluk çelikte 67 HRC sertlik elde edilebilir. Karbon oranının % 1'in üzerine çıkması sertlikte daha fazla bir artışa sebep olmaz. Soğutma ortamı olarak tuzlu su, şebeke suyu, yağlar ve hava kullanılabilir. Tuzlu suda soğuma çok hızlıdır. Soğuma hızı suya göre düşük olmakla birlikte türden türe değişmektedir. Havada soğuma ise çok çok yavaştır. Ancak sertleşme kabiliyeti çok iyi olan bazı yüksek alaşımlar bu yolla sertleştirilebilirler.

Sertleştirilmiş çelikler bir mıknatısa sürtülürse veya bir magnetik alan etkisinde kalırlarsa, mıknatıslanırlar. Bir defa mıknatıslandıktan sonra, uzun süre mıknatıs olarak kullanılabilirler. Bu tür maksatlar için genellikle sertleştirilmiş % 1 karbonlu çelikler kullanılıyordu. Son zamanlarda bunların yerini, çeşitli miktarlarda krom, tungsten (volfram) ve kobalt ihtiva eden alaşımlı çelikler almıştır. Bugün kobalt çelikleri rakipsizdir ve giderek başka tip mağnetik malzemelerin de yerini almak yolundadır.

Otomat çelikleri: Kısa ve kırılıcı talaş veren ve işlenmiş yüzeyleri oldukça düzgün olan türlerdir. Talaşları kolay kırıldığı için otomatik tezgahlarda işlenmesi kolaydır. Kükürt, daha önce belirtildiği üzere çeliği gevrekleştirici olup, darbelere dayanıksız hale getirir. 

Civata ve somun çelikleri: Çapları 16 milimetreden küçük olan civata ve somunlar, soğuk şekillendirildikleri için bu işleme uygun malzemeden imal edilmelidir. Çapları 16 milimetreden büyük olanlar talaş kaldırılarak işleneceği için, talaşlı imalata uygun malzemeden yapılmalıdır.

Kazan çelikleri, sıcaklığa dayanıklı ve kaynak kabiliyeti iyi olan çeliklerdir.

Yay çelikleri, yüksek elastiklik veya akma sınırına, fakat aynı zamanda sarılabilecek kadar plastik şekil değiştirme kabiliyetine sahip olmaları istenen çeliklerdir. Silisyum alaşım elemanı olarak katılırsa yaylanma özelliğini iyileştirir.

Paslanmaz çelikler: Krom veya nikel, çelik yüzeyinde çok ince ve yüzeye yapışan bir oksit filmi (tabakası) meydana getirirler. Bu tabaka oksitlenmenin içeriye doğru ilerlemesini durdurur. Düşük kromlu çeliklerde bu tabaka korozyonun içeriye doğru ilerlemesini önleyemez. Krom oranı % 10'un üzerinde olan çelikler korozyona oldukça dayanıklıdırlar.

Paslanmaz çelikler mikro yapılarına göre üç grubu ayrılırlar.

a) Martenzitik paslanmaz çelikler: % 11,5-18 Cr ve % 0,1-1C ihtiva ederler. Kromdan başka önemli bir alaşım elemanları yoktur. Krom, çeliğin hem mukavemetini hem de sertleşebilme kabiliyetini çok iyi artıran bir elemandır. Isıl işlemle sertleştirilebilirler. Alaşımsız çeliklerin sertleşebilmesi için çok hızlı soğutulmaları gerekir. Oysa bu çelikler havada çok yavaş soğusalar bile sertleşirler. Normal olarak sertleştirme sıcaklıkları 1010 °C dolaylarındadır. Soğutma yağda veya havada yapılabilir. Menevişlenmesi 590°C üzerinde yapılmalıdır. Aksi halde meneviş kırılganlığı meydana gelir. Sıcaklıkta şekillendirilebilirler. Korozyona dirençleri ferritik ve ostenitik tiplere göre daha düşüktür. Kağıt makinaları ve pompalarda parça ve civata malzemesi olarak kullanılırlar.

b) Ferritik paslanmaz çelikler: % 14-27 arasında krom ve martenzitik çeliklere göre daha az karbon ihtiva ederler. Isıl işlemle sertleştirilmezler, ancak soğuk şekillendirme ile sertlik ve mukavemetleri orta derecede artırılabilir. Sıcak ve soğuk şekillendirilebilirler. Çekme mukavemetleri normal çeliklere göre % 50 daha fazladır.

c) Ostenitik paslanmaz çelikler: Hem krom hem de nikel ihtiva eden alaşımlardır. Krom ve nikelin toplam oranı en az % 23 olmalıdır. Alaşım elemanı olarak nikelin de katılması paslanmazlık özelliğini daha da artırmıştır. Bu tiplerde karbon oranının mümkün olduğu kadar az olması istenir. 

 

ÇELİĞE SU VERİLMESİ

Belli bir şekil verilen çelik, kızgın haldeyken aniden suya daldırılırsa, kristal özelliği değişerek sertleşir. Bu işleme çeliğe su verme denir. Kızgın çelik hava akımıyla soğutulursa daha değişik özellikler kazanır. Çeliklere yapısal özellik kazandıran en önemli ısıl işlem sertleştirmedir. Sertleştirme öncelikle çelik parçanın A3 veya A3,1 çizgisi üzerinde bir sıcaklıkta ısıtılması, bu sıcaklıkta belli bir süre tutulması ve martensit oluşumu için uygun bir ortamda hızla soğutulması işlemidir. Sertleştirme işlemi sonucu çeliğin mekanik özellikleri (dayanım, akma sınırı vs) önemli ölçüde artar. Çeliğin sertliğinin artabilmesi, martensit oluşumuna bağlıdır. Bunun için geçerli şartlar;

1. Çelik sertleşebilir olmalıdır

2. Çelik, ostenit alanına kadar ısıtılmalıdır (ötektoid üstü çeliklerde A3,1 çizgisi üstüne kadar)

3. Çelik, martensit oluşturacak kadar kısa bir sürede hızla soğutulmalıdır

4. Soğutma ortamının sıcaklığı, çeliğin martensit başlangıç sıcaklığının altında olmalıdır.

Hızlı soğutma olursa, sıcaklığın ani düşmesiyle birlikte, gama kristalleri içerisindeki karbon atomları yerlerinde kalmak istemeyerek yapı dışına çıkmak isteyeceklerdir. Ancak zaman bunun için yeterli değildir (hızlı soğutma) zamanın çok kısa oluşu karbon atomlarını kafesin içine hapseder. Karbonun zoraki bulunduğu bu yapıya "martensit yapı" denir. Martensit, hacim merkezli tetragonal (HMT) yapıya sahiptir, bu yapıda birim kafesin iki boyutu (a) eşit uzunlukta, üçüncü boyutu (c) ise karbonun hapsedilmesi sonucu biraz uzamıştır. HMT yapının boyutlarındaki oran (c/a) çeliğin içerdiği karbon miktarına bağlı olarak artar ve en fazla 1.08 değerine ulaşır.  Martensit sertliğinin asıl nedeni çeliğin kristal yapısındaki bu değişimdir. Martensitin yoğunluğu ostenitten azdır. Dolayısıyla dönüşüm sırasında bir hacimsel artış, genişleme oluşur, doğal olarak bu gelişme beraberinde yüksek iç gerilmeler meydana getirir. İç gerilmeleri fazla olan bu yapının şekil değiştirme yeteneği çok çok az, sertliği ise kullanılamayacak kadar fazladır.

Çeliğin yavaş soğutulmasıyla perlit (ferrit+sementit) hızlı soğutulmasıyla da martensit oluştuğunu biliyoruz. Soğutma hızı martensit oluşturabilecek kadar hızlı değilse bu kez de oluşan yapılara trostit, sorbit, ince perlit gibi adlar verilir. Bir çeliğin hangi sıcaklıklarda, ne kadar zamanda, hangi yapıya dönüşeceğinin bilinmesi gerekir. 

Amerikalı metalograf Bain, çeliklerdeki dönüşmeyi zaman, sıcaklık ve soğutma hızlarına bağlı olarak incelemiştir. “bain diyagramları” da denen bu eğriler “S” harfine benzediği için “ S Diyagramları” olarakta bilinir. Zaman , sıcaklık, dönüşüm arasındaki ilişkiyi vermesi nedeniyle uluslar arası TTT diyagramları diye de karşımıza çıkabilir.

SERTLEŞTİRMEYE ETKİ EDEN FAKTÖRLER

1- Sertleştirme veya Ostenitleme Sıcaklığı: Sertleştirme sıcaklığı, maksimum sertlik ve aynı zamanda ince taneli çelik oluşturacak şekilde seçilir. Ötektoidaltı çelikler için önerilen sıcaklık A3 çizgisinin 10-15 derece üzeridir. Ötektoidüstü çelikler için ise genellikle Acm ile A3,1 çizgileri arasındadır.

2- Ostenitin Homojenliği: Ostenitin homojenliğinden kasıt, her ostenit tanesinin eşit miktarda karbon içermesidir. Bir ötektoidaltı çeliği sertleştirme amacıyla ısıtmaya başlayalım. Sıcaklık A1 çizgisine eşitlendiğinde perlitler ostenit taneciklerine dönüşür. Bu tanecikler %0.80 karbon içerir. Isıtmaya devam ettiğimizde otektoid öncesi ferritlerde ostenite dönüşür ve bunlar perlitten oluşan ostenit tanelerine göre daha az karbon içerir. A3 çizgisine ulaşıldığında yapı ostenit olur, fakat taneler farklı oranlarda karbon içerirler. Böyle bir yapı hızla soğutulduğunda düşük karbonlu ostenit martensite dönüşemez, yüksek karbon içeren ostenit tanecikleri martensit yapıya dönüşür. Bu durum farklı sertlik değerlerine sahip, homojen olmayan bir yapıya neden olur. İstenmeyen böyle bir durumdan kaçınmak için, çelikler sertleştirme sıcaklığında belli bir süre bekletilir. Bekletme süresi çeliğin et kalınlığına ve alaşım elemanlarına bağlı olarak seçilir ve genellikle çeliğin her mm et kalınlığı için 1 dakika alınır. Bu süre sade karbonlu çelikler ve düşük alaşımlı çelikler için geçerlidir. Yüksek alaşımlı çeliklerde alaşım karbürlerinin dönüşümleri daha geç olduğu için bekleme süreleri bu tip çelikler için daha uzun tutulmalıdır.

3- Sertleştirme Ortamının Niteliği

Soğutma hızlarına göre ortamlar Tuzlu su, Su, Erimiş tuz banyoları, Yağ, Hava olarak sıralanır.

Sertleştirmede ana amaç tüm yapının martensite dönüşmesidir. Bu nedenle soğuma hızı kontrol edilerek perlit oluşumunun engellenmesi gerekir. Bu çelik cinsine bağlı olarak soğutma ortamının seçimiyle sağlanır. Sade karbonlu çelikler için soğuma ortamı olarak pratikte daima su seçilir. Çelik ne kadar yüksek alaşımlı ise soğutma hızı da buna bağlı olarak düşürülmelidir.

Su - Çeliklerin soğutulma işlemlerinde en çok kullanılan sıvıdır. Her zaman ve bol bulunması, ucuz olması, sağlık açısından bir zararının olmaması gibi çalışma üstünlükleri vardır, soğutma hızı çok yüksektir, yağdan yaklaşık 3 kat daha fazladır. Bu hızdan ötürü fazla gerginliklere ve çatlamalara, çarpılmalara yol açabilir. Özellikle karışık şekilli parçaları sertleştirirken çatlama ve çarpılmaları önleyici önlem alınmalıdır. Suyla soğutmada daldırılan kızgın parçanın etrafında buhar tamponu oluşumunu engellemek için ya parça sürekli hareket ettirilmelidir ya da suyu karıştıracak bir sistem yapılmalıdır. Sade karbonlu çelikler ve çok az alaşımlı bazı çelikler için seçilebilir.

Tuzlu Su - Normal su içerisine ağırlıkça %10 yemek tuzu ilavesiyle hazırlanır. Tuz suyun kaynama noktasını yükselteceğinden buharlaşmayı azaltır ve bu nedenle sudan daha iyi bir sertleştirme sağlar, yalnız tuzlu suyun çabucak korozyona neden olacağı unutulmamalıdır.

Erimiş Tuz Banyoları - Bazı çelik türleri için 160-500 derece sıcaklık aralığında erimiş tuz banyoları kullanılmaktadır. Bu sıcaklık aralıklarına en uygun tuzlar alkali metallerin nitrat ve nitrit tuzlarıdır ve genellikle yarı yarıya sodyum nitrat ve potasyum nitrat içerirler. Tuz banyolarında soğutma hızı yağ banyolarından daha üstündür. Bu durum, tuz banyolarında su vermede iç gerilimleri, çarpılma ve büzülmeleri en aza indirger. Bazı uygulamalarda yalın karbon çelikleri ile düşük alaşımlı çeliklere erimiş tuz banyosunda su verilir.

Yağlar - Su ve çeşitlemelerinden sonra en çok kullanılan soğutma sıvısı yağlardır. Yağda soğutma hızı, suda soğutmadan daha yavaştır, yağda sertleştirmede daha az iç gerilmeler doğar buna bağlı olarak ta çarpılma ve çatlamalar daha az olur. 

Hava - Genellikle ince kesitli az alşımlı çelikler ve yüksek alaşımlı çelikler, basınçlı hava veya durgun hava ile sertleştirilebilirler. Hava ile soğutma hızı çok düşüktür, bu nedenle iç gerilmeler sonucu oluşan çarpılmalar ihmal edilebilecek düzeydedir.

4- Sertleştirme Ortamının Sıcaklığı: Su için en uygun sıcaklık 20-40 derece, yağ için 50-80 derece arasındadır. Eğer mümkünse sıcaklık sürekli kontrol edilmelidir. Yağ sıcaklığını arttırmak için ya ısıtılır ya da su verme öncesi ısıtılan birkaç parça yağın sıcaklığını yükseltmek için pratik olarak yağa daldırılır. Sertleştirme sırasında veya sonrasında soğutma sıvısının sıcaklığının fazla yükselmemesi için ortam hacminin yeterli olması gerekir, ortamın sürekli karıştırılması gerekir, su verilecek parçanın da su verme sırasında sürekli hareket ettirilmesi gerekir. Böylelikle yüzeye en yakın fazla ısınmış sıvıdan uzaklaşılarak etkili ve homojen bir sertlik elde edilir.

5 - Parçanın Yüzey Koşulları: Çelik fırında ostenitleme sırasında ısıtılırken fırın atmosferinde bulunan oksijen veya su buharından ötürü yüzeyde tufalleşme olur. Aslında tufal parça yüzeyinde ısıl işlem sonucu oluşmuş bir oksit tabakasıdır. İnce tufal fazla önemli değilken tufal kalınlığı 0.1 mm den fazla olduğunda bunun soğutma üzerinde ciddi olumsuz etkisi vardır. Bu nedenle tufal oluşumunu azaltmak gerekir. Bununla ilgi başlıca çözümler, bakır kaplama, koruyucu atmosfer, nötr tuz banyoları, dökme demir talaşı olarak sıralanabilir.

6- Parça Boyutları: Parça kalınlığı arttıkça yüzeyden merkeze doğru dengesiz sertleşme söz konusu olacaktır. Tersine su verilen parça çok inceyse soğutma hızı bizim öngördüğümüzden çok daha hızlı olacaktır, bu da çatlama ve çarpılma riski demektir.

7- Alaşım Elemanlarının Cinsi ve Miktarı: Alaşımsız karbon çeliklerinin sertleşme derinlikleri az olduğundan bu tip çelikler hızlı bir soğutma ortamında soğutulurlar. Bu nedenle genellikle suda sertleştirme yöntemi uygulanır. Ancak küçük ve ince kesitli olanlara yağda su verilmesi daha iyidir. Alaşım elemanları çeliğin sertleşebilirliğine olumlu yönde katkı verir. Yavaş dönüşüm sıcaklıklarında bile martensit oluşur. Alaşım elemanları toplamı ve özellikle krom, vanadyum, molibden, wolfram gibi elemanlar arttıkça dönüşüm başlangıçları hem daha uzun sürelere hem de daha düşük sıcaklıklara kayarlar. Böylece toplam alaşım miktarına bağlı olarak sertleşme derinliği de artar.

SU VERME TEKNİKLERİ

Doğrudan su verme: en eski sertleştirme yöntemidir ve halen en yaygın kullanılır.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.

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

Martemperleme: kesintili su vermenin en yaygın kullanılanı martemperlemedir, bu yöntemde çelik, martensit başlama noktası üzerinde bir sıcaklıkta bulunan erimiş tuz banyosu içinde hızla soğutulur. Çelik parçanın her yanı banyo sıcaklığında soğutulduktan sonra beynit reaksiyonu başlamadan önce (Beynit: ferritin içinde ince karbürlü yapı) çelik banyodan çıkarılarak havada soğutulur. Havada soğutularak elde edilen martensit suda su verme ile oluşan martensit kadar sert olduğu halde, tehlikeli iç gerilmeler meydana gelmez.

Ostemperleme: Martemperlemeye benzer. Ancak ostemperlemeyle elde edilen mikroyapı martensit olmayıp beynittir. Çelik martemperlemede olduğu gibi tuz banyosunda soğutulur ve tamamen beynite dönüşünceye kadar beklenir. Bu işlemle çeliğe yüksek sertlik kadar yüksek darbe mukavemeti de kazandırılır.

ÇELİKLERİN SERTLEŞTİRİLME İŞLEMİNDE  DİKKAT EDİLMESİ GEREKEN NOKTALAR

- Parça üzerinde yağ, pis, oksit vb yabancı maddeler olmamalıdır. Bu durum sertleştirmeyi olumsuz etkiler, kimi bölgeler daha sert kimi daha yumuşak olabilir.

- Bazı uygulamalarda delik, kanal, büyük kesit değişimlerinde görülen çatlama ve çarpılmaları önlemek için tıkama yoluna gidilir. Bunun için genellikle ateş toprağından yapılmış çamur kullanılır. Vida delikleri ise vidayla tıkanabilir, deliklere dış bükey havşa açmakta bir yöntemdir.

- Keskin kesit değişimi olan yerlerde, kesit farkını gidermek için uygun çelik bloklar kullanmak, tellerle sararak üzerini ateş çamuru ile sıvamak çözüm olabilir.

- Atmosfer kontrollü fırın, yada kaplar kullanılmalıdır (yüzey tufalleşmesini ve karbon yanmasını önlemek için)

- Daralan kesitli parçalarda öncelikle kesitin kalın olan yerinden su verme işlemine başlanmalıdır.

- İş parçaları fırından alınırken mümkünse ince ve noktasal basan kıskaç (yada kıskaç) kullanılmalıdır.

- Yağ ortamında su verilecekse her zaman için bir yangın söndürücü elinizin altında olmalıdır.

ÇELİKLERLE İLGİLİ BAZI ÖNEMLİ BİLGİLER

a- Sade  Karbonlu Çelikler, Yapılarında az miktarda mangan, silisyum, oksijen azot ve kükürt gibi çelik üretim yöntemlerinden gelen elementler bulunduran demir karbon alaşımlarıdır. Sade karbonlu çelikler ucuz ve kolay şekillendirilebilirler. Mekanik özellikleri yapılarında  bulunan karbon oranına bağlı olarak değişir. Bu gün için demir çelik endüstrisinde üretilen çeliklerin 10 da 9 una yakını sade karbonlu çeliklerdir sertleşme yetenekleri azdır, sertleştirme işlemlerinden sonra parçada çatlama ve çarpılmalar  meydana gelir. Korozyonik ortamlara dayanıksızdırlar ancak alevle ve indüksiyonla yüzey serleştirilme yapılabilir. Yapılarındaki karbon oranlarına göre sade karbonlu çelikler 3 kısıma ayrılırlar.

- Düşük karbonlu çelikler    : %0.05 -  0.3 karbon içerir.

- Orta karbonlu çelikler      :  %0.3 - 0.8  karbon içerir .

- Yüksek karbonlu çelikler   : % 0.8 -  1.7 karbon içerir.

Yine aynı çelikler Ötektoit altı çelikler %0.05 - 0.8  ötektoit üstü çelikler % 0.8 - 1.7 olarak ta adlandırılmaktadırlar.Az karbonlu çelikler sertleştirilemezler bunların uygun yöntemlerle yüzeylerin sertleştirilmesi mümkündür. Orta karbonlu çelikler ısıl işlemlere oldukça yatkındır dayanımları az karbonlu çeliklere oranla  daha iyidir yüksek karbonlu çeliklerin sünekliliği azdır. Kesilmeleri ve işlenmeleri güçtür. Talaş kaldırma işlemine yumuşatma tavlaması ile yatkınlık kazandırılabilir.

b-  Alaşımlı Çelikler, Sade karbonlu çeliklerin kullanılma alanları sınırlıdır. Buralarda derinliğine sertleşme ve korozyona dayanma özellikleri iyi değildir. Bu özelliklere ulaşaulaşabilmek için çeliklere alaşım yapılması gerekir. Çeliğe bazı alaşım elementlerinin katılması çeliğin  çeşitli özelliklerini geliştirir. Örneğin, çelikte sertleşme esnasında çatlama ve çarpılmalara mangan molipten katılarak azaltılır. Bu elementler sayesinde mukavemet özelliği artar. Korozyona karşı daha dayanıklı olurlar.

3-  Su, Yağ  ve Hava Çelikleri,      Burada hava, su ve yağ kelimeleri ile o çelik için uygun olan sertleştirme ortamı  kastedilmektedir. Sade karbonlu çeliklerle bazı cins çelikler, AC 3 (911 C’) su ile soğutulursa sertleştirilirler. Aksi taktirde sertleşmezler. Bu nedenle bu çeliklere su çelikleri adı verilir. Örnek:  %1 karbon ve %0,25 mangan' lı bir su çeliği ele alalım bu çelik ağaç matkapları, freze bıçakları el keskisi testere ve küçük makasların yapımında kullanılmaktadır. Yapılarında %1 den fazla manganez bulunduran çelikler bazı özel çelikler. Aşırı soğutma hızlarına dayanamaz ve çatlarlar bunu önlemek için böyle çeliklere yağ ve su verilir. Hava çelikleri adı altında genellikle yüksek alaşımlı (katkılı) çelikler anlaşılmaktadır. Bu çeliklerin sertleştirilmeleri çok iyi olup hava veya uygun gaz akımı ile soğutularak kolayca su verilebilirler.”

4- Seri Çelikler,   Yüksek kesme hızlarında çalışan kesici takımların yapımında kullanılan çeliktir. Hava çeliğinden farklı olarak kesme yeteneğine sahip bir çeliktir. Bu çeliklerle 50 m/dk hızda kesme işlemleri yapılabilir. Kesici uç tavlama sıcaklığına kadar, ısıtılırsa bile kesmeye devam eder. Bu çeliklerin bileşimleri genellikle %0,6 –0,8 karbon %3-5 krom ve %14-20 wolframdan ibarettir. Bunların dışında yapıda vanadyum, kobalt ve molipten elementleri bulunabilir. Vanadyum seri çeliklerin kesme özelliğini düzeltmek ve iyileştirmek havada sertleşme özelliğini arttırmak için katılır. Molibden çeliği kırılgan yapsa da çelik karbon elementi bakımından korunur. Bu element fazla aşındırıcı malzemelerin kesilmesine iyi gelir. Kobalt elementi üstün seri çeliklere katılır. Seri çeliklerde ısıl işlem 1150-1350 °C gibi oldukça yüksek sıcaklıklarda yapılır. Parçalar özenle 850 °C  ye kadar ısıtılırlar. Böylece oksitlenme engellenerek tavlama sıcaklığına ulaştırılırlar. Sonra soğutma ve serleştirilme  işlemi yapılır. Soğutma havada ve yağda  devam edebilir. 

5- Paslanmaz Çelikler, Bunlar çevresel etkilere dayanıklı çeliklerdir. Bu özellikleri birleşimlerinde bulunan kromdan meydana gelir.