Çeliklerin Isıl İşlemleri Part 2

Bir takım çeliğinin ısıl işlem adımlarının şematik görünümü.

Sertleştirme (Kararlı Olmayan Durumlar)

Demir-Karbon diyagramında da bildiğimiz gibi kararlı yapılarda –yavaş soğutma- elde edilen yapılar ferrit ve/veya perlittir. Bunlardan daha sert bir çelik eldesi istiyorsak yavaş soğutma ve bununla birlikte gelen kararlı durumdan biraz uzaklaşmamız ve sonucunda beynit, martenzit gibi iç yapılar elde edebileceğimiz hızlı soğutmayı denememiz uygun olacaktır. Bu işleme çeliğin ıslah edilmesi (sertleştirme + temperleme) adı verilir. Tabii ki bu durumda yapı, gerekli dönüşümleri gerçekleştiremediğinden kararsız/dengesiz/unstabil dediğimiz durumda olacaktır.  

Martenzit oluşumu için difüzyonun sıfıra inmesi yani hiçbir atomun difüzyonun olmayacağı bir hızda soğutma yapmak gerekir ki elde edilen yapı C atomlarının çokça sıkıştırılması ile iç gerilimlidir. Martenzit bu nedenle çok serttir fakat kullanılamayacak derecede de gevrektir. Bu gevrekliği gidermek için temperleme dediğimiz sertlikten bir nebze ödün verdiğimiz fakat tokluğu arttıran başka bir ısıl işlem uygulamamız gerekir. (Takım çelikleri gibi özel çeliklerde temperleme işlemi sonrası ikincil sertlik denilen ekstra sertlik kazanımının var olduğunu unutmayalım!)

Temperleme (Menevişleme)

Ac1 sıcaklığının altında çeliğin kararlı hale gelmesi için yapılan ısıl işlemdir. Genellikle 3 kademede yapılır.  

1. Kademe

100-200 °C arasında yapılır. Yapının tetragonal martenzitten kübik martenzite dönüşmesi ile iç gerilmelerin azaldığı kademedir. Sertlikte önemli bir düşüş gözlenmez. Gevrekleşmenin giderilmesi ile çelik kullanılabilir hale gelir.

2. Kademe

200-350 °C arasında yapılır. Bu sıcaklıklarda C difüzyonu kolaylaştığından 1. kademenin aksine Fe3C çökeltileri elde edilir. Kafes gerilmeleri ilk kademeye göre daha da azaldığı için sertlikte düşüş söz konusudur.

3. Kademe

350 °C ile Ac1 sıcaklığına kadar olan sıcaklıklarda yapılır. (Genellikle 450-650 °C)  Fe3C karbürler mikroskopla görülebilecek büyüklükte çökelirler.

Her ısıl işlemde olduğu gibi temperlemede de sıcaklığın ve sürenin elde edilecek malzeme üzerinde büyük etkisi vardır. Sıcaklık ve süre optimum ayarlanmalıdır aksi halde çökelen karbür veya karbürler büyüyecek, sertlik düşecektir. 

Menevişleme sıcaklığı ve süresinin M2 yüksek hız çeliğinin sertliği üzerindeki etkisi.

zerietkisi

Çeliklerin Isıl İşlemleri Part 1

İç yapı ve özellikler bakımından belirli bir amaç –genellikle sertlik veya tokluk- için malzemenin erime sıcaklığının altına ısıtılıp tekrar soğutulması işlemine ısıl işlem denir.

Çelikler için uygulanan ısıl işlemleri iki ana grupta toplamak mümkündür.

Tavlama ve Sertleştirme

Tavlama için yapılan ısıl işlemlerin tümü malzemenin iç yapısını dengelemek amacıyla yapılır.

Sertleştirme amacıyla yapılan ısıl işlemleri bir martenzit yapısı elde etmek şeklinde özetleyebiliriz.

Tavlamalar

Çeşitli nedenlerle yapılan tavlamalar ulaşılmak istenen malzeme özelliklerine göre isimlendirilirler. Tavlamalarda sıcaklığın, sürenin, uygulanan malzemenin iç yapısının, soğutma hızının tavlama sonrası elde edilecek yapıda direkt rol oynadığını unutmamak gerekir!

Normalizasyon Tavlaması

Adı üzerinde olduğu gibi normalleştirme tavlamasıdır. Daha önceden işlem görmüş çeliğe eski yapısı olan ince, taneli, yuvarlak ve homojen halini geri kazandırmak için uygulanır. Normalizasyon ısıl işlemi için çelik su vermede olduğu gibi A3 sıcaklığının biraz üzerine çıkarılır (ötektoitüstü çeliklerde A1 sıcaklığı üstü) ve 45 ile 60 dk. arası beklendikten sonra havada soğuma işlemi gerçekleştirilir.

Daha yüksek sıcaklıklarda tutma veya daha uzun süreleri aşma tane irileşmesine yol açar.

Normalizasyon öncesinde sırasında ve sonrasında iç yapının şematik gösterimi 

Rekristalizasyon Tavlaması

Soğuk deformasyona uğraşmış ve bunun sonucu olarak pekleşmiş ve şekil verme kabiliyeti kötü olan çeliklere uygulanan bir ısıl işlemdir. Dolayısıyla bu ısıl işlem sonrası malzeme sertliğinden ödün verecek fakat şekil verme kabiliyetini arttıracaktır.

Tr yeniden kristalleşme sıcaklığı ise, bu sıcaklığa aşağı yukarı alttaki formül ile ulaşmak, elde edilecek çeliğin istenilen özelliklere sahip olması için kritiktir.

 TR [K] =0,30 ÷0,42 Terg[K]

Soğuk şekil verilmiş bir çelik malzeme için tavlama sıcaklığına bağlı çekme mukavemeti grafiği. 

1. Mikroyapı sabit

2. Kendine gelme

3. Rekristalizasyon

Difüzyon Tavlaması

Önceden uygulanan ısıl işlemler veya segregasyon sonucu oluşmuş konsantrasyon farklılığını kaldırmak için yapılan ısıl işlemdir. Bunun için malzeme 1050-1200 derecelere çıkarılır ve mümkün olduğunca o sıcaklıklarda tutulur. Böylece elde edilen yapı homojen olmuştur fakat yüksek sıcaklıklarda uzun süre beklendiği için tane irileşmesi söz konusudur. Bunun içinde tekrar normalizasyon tavlaması yapmak gereklidir.

Gerilim Giderme Tavlaması

Malzemede hali hazırdan var olan iç gerilmeler ile kullanım esnasında aniden ve beklenmedik kırılmalar gerçekleşebilir. Bunu önlemek için üretim sonunda gerilim giderme tavlaması yapmak doğru olacaktır.

Malzeme dökümden itibaren plastik şekil verme, ısıl işlemler, haddeleme, kaynak, tornalama gibi işlemlerden iç gerilim oluşturabilir. Bunun için çeliğin 450-650 derecelere yavaşça çıkarılıp o sıcaklıklarda tüm parçanın homojen bir şekilde etkilenmesi sonrası yine yavaşça soğutulması gerekmektedir. İşlem sonunda tane yapısı ve faz oranları değişmez. İç gerilimlerin en aza indirilmesi Re yani akma mukavemetin düşmesi ile doğrudan ilişkilidir.

Yumuşatma Tavlaması

C oranı 0.4 ve üstü olan çelikleri talaşlı işlemlere uygun hale getirmek amacıyla yumuşak iç yapının eldesini sağlar. Bunun için A1 sıcaklığının hemen üzerinde ve hemen altında iki sıcaklık belirlenir ve salınım şeklinde iki sıcaklığa geçiş yapılır. (yaklaşık 100h) (Bunu yapmanın amacı sementit lamellerinin küreselleşmesinin kolaylaşması ve tav süresinin kısalmasıdır. Aynı şekilde ötektoitüstü çeliklerin sementit yapısı da bu şekilde kırılabilir.) Tavlama sonucu lamelli perlit taneli bir şekil alır. Yani sementitler ferrit içinde çözünerek tanecik halini alırlar.

C oranı 0.4 altı çeliklerde ise tane irileşmesi tavlaması uygulanır ki talaşlı işlemler sırasında çelik sıvanma gibi tehlikelerden arınmış olsun. Yalnız yüksek sıcaklıklardan ve tokluk değerini düşürdüğünden dolayı bu ısıl işlem pek uygulanmaz. 

Kaynaklar

mühendislik malzemeleri 

Prof. Dr. A. Halim Demirci