Alaşım Elementlerinin Çeliğe Etkisi

Bir çeliğin olmazsa olmazı tabii ki demir atomudur. Fakat demir atomuyla birlikte çeliği çelik yapan belli başlı başka katışkı elementleri de bulunmaktadır. Bunlar başlıca; C, Mn, Cr, V, W, Mo, Co… gibi elementlerdir. Bunun yanında çeliğin içerisinde mekanik özelikleri kötü yönde etkilediğinden dolayı istemediğimiz S, P, Si, N, O gibi elementler de bulunabilir. Bunları yapıda en aza indirgemek, üretimde önemli bir amaçtır. Bu yazıda da tek tek tüm bu elementleri inceleyecek, yapıya etkilerini masaya yatıracağız.

C (Karbon)

Karbon çeliğin ana elementlerindendir diyebiliriz. Yapıda karbür oluşumunu destekleyerek matrisin mukavemetini ve sertliğini arttırırken işlenme kabiliyetini düşürür. Çeliğin akma ve çekme mukavemetini, yüzde uzamayı artırır, kaynak kabiliyetini düşürür.

Yüksek dayanıklılıkta bir çelik yapısı isteniyorsa C miktarının düşüklüğünden söz edilemez fakat matriste bulunması gereken bir sınır da vardır. Bu oran çelik yapıları için 2,06’dır.

Mo (Molibden)

Takım çelikleri için çok önemli bir yere sahiptir çünkü C ile karbür yapıp yapının ekstra (ikincil) mukavemet ve sertlik sağlar. Ayrıca aşınma direncini de arttırır. Östenitleme sıcaklığını düşürür, bu da daha düşük sıcaklıklarda daha az sürede istenilen tane boyutu eldesi için önemli bir avantajdır. Bunun yanı sıra dikkat edilmelidir ki aynı sıcaklık ve süre zarfında tane boyutunun istenilenden daha büyük eldesi mekanik özellikler açısından kötü bir sonuçtur.

V (Vanadyum)

Primer karbür (MC) denilen en sert karbürü oluşturan ve molibden ile aynı etkileri katan vanadyum özellikle takım çelikleri için kullanılmaktadır. Oluşturduğu primer karbürün sertliği 2400 HV olup çeliğin taşlanabilirlik özelliğini azalttığından yapıda %2’den fazlasının bulunması istenmez.   

W (Tungsten)

Primer karbür yapıcı elementlerdendir. Oluşturduğu M₆C karbürü ile MC karbüründen daha az sert olmasına rağmen ticari alaşımlarda miktarca fazla olduğundan daha büyük katkı sağlar. Matriste çözünen W, M₂C karbürlerinin oluşumunu sağlar ve matrisi sertleştirir. Maliyeti açısından sınırlı ölçüde yapıya eklenir.

Co (Kobalt)

Karbür oluşturma özelliği son derece zayıf olan bu element direkt olarak matriste katı ergiyik oluşturması için bazen % 10 seviyelerine varan miktarlarda çeliğe katılır. Çeliğe ilave edildiğinde katılaşmanın tamamlanma sıcaklığını yükseltir, A3 dönüşüm noktasını düşürür ve γ bölgesini genişletir. Co, ferriti sertleştirir ve böylece kızıl sıcaklıkta sertliğe yardım eder ki takım çeliklerinde aranan önemli bir özelliktir. Korozyon ve aşınma direncini arttırır, çekme ve akma mukavemetlerinde az bir artış sağlar fakat çekilebilme özelliğini azaltır.

Cr (Krom)

Düşük bir karbür oluşturucu özelliği olan krom yüksek hız çeliklerinde kendi birincil karbür tiplerini oluşturmaz ve oluşan karbür tipine göre bir miktar birincil karbürlerin kafesine (özellikle M₂C kafesine) girer. Ancak yumuşak tavlamada ikincil M₂₃C₆ karbürlerinin oluşumuna yol açar. Tüm yüksek hız takım çelikleri sertleşebilirliği sağlamak amacıyla yaklaşık % 4-4.5 krom içerirler. İkincil sertlik oluşumunda kromun rolü çok büyüktür ve her iki tip ikincil sertlik karbürlerinin (MC ve M₂C) enerji açısından oluşumunu kolaylaştırır ve yüksek miktarda ikincil sertlik karbürlerinin oluşumunu sağlar. Tufallaşmayan çeliklerin en önemli alaşım elemanı kromdur.

Mn (Mangan)

Mangan da karbon gibi üretim işlemlerinde çelik yapısında yer alan bir elementtir ve çeliğin dayanımını arttıran etki gösterir. Bunun yanında sertleşebilme ve kaynak kabiliyetini de artırır, östeniti kararlı kılan bir elementtir. Manganın en önemli özelliği kükürtle MnS bileşiği yapması ve demir kükürt FeS bileşiği oluşumunu engellemesidir. Buradan kükürtün çelik matrisinde istenmediği, FeS bileşiğinin sıcak kırılganlığa neden olduğunu söyleyebiliriz.

S (Kükürt)

Kükürt çeliğin mekanik özelliklerini –özellikle tokluk ve sünekliğini- kötü yönde etkiler. Kükürt demirle birleşerek FeS fazını oluşturur. Bu bileşik düşük ergime sıcaklığına sahip olduğundan haddeleme sırasında eriyerek sıcak kırılganlığa sebep olur. Mangan ile oluşturduğu bileşik, bunu önler.

Kaliteli ıslah çeliklerinde maksimum kükürt miktarı %0.045, asal ıslah çeliklerinde ise %0,035’dir.

Si (Silisyum)

Akma, çekme mukavemeti arttırır bunun yanı sıra elastikiyetini artırır ki yay çeliklerinde silisyum içeriği fazladır. Silisyum ayrıca oksijen ile bileşik oluşturduğundan –oksijen giderici-yapıda azaldıkça tufal oluşumu riski artar.  

P (Fosfor)

Fosfor, çeliğin akma ve çekme dayanımını iyileştirir fakat yüzde uzamayı ve eğme özelliklerini çok fazla kötüleştirir, soğuk kırılganlık yaratır, talaşlı şekillendirme kabiliyetini arttırır. Fosfor çelik içinde üretim işlemlerinden kalan bir elementtir ve istenmeyen özellikleri nedeniyle mümkün mertebe yapıdan uzaklaştırılır.

Görüldüğü gibi bazı elementler çeliğin mekanik özelliklerini iyileştirdiği için yapıda olması gereken elementlerken (C, Mn, Cr, W, V, Co, Mo) bazıları mekanik özellikleri kötü yönde etkilediğği için yapıda istenmez. (O, Si, P, S, N) Özellikle W, V, Mo gibi elementler yapıda karbür oluşturarak ikincil sertlik denilen ekstra mekanik özelliği yapıya kazandırması bakımından çok önemli ve bir o kadar da pahalıdır. Bu nedenle sınırlı düzeyde yapıdadırlar.