TEKNİK BİLGİLER

Çelik Nedir

ÇELİK, bir Demir (Fe) Karbon (C) alaşımıdır. C’dan başka farklı oranlarda alaşım elementleri ve empürite (saf olmayan, kirlilik yaratan) elementler bulunur. Çeliğe farklı özellikler kazandıran içerdiği elementlerin kimyasal bileşimi ve çeliğin içyapısıdır. Çeliğe değişik oranlarda alaşım elementleri katılabileceği gibi, çeşitli işlemler (ıslah, normalizasyon vs.) ile içyapı da kontrol edilerek kullanım amacına göre değişik özelliklerde çelik elde edilir.

Manganez (Mn), Fosfor (P), Kükürt (S) ve Silisyum (Si) üretim sırasında hammaddeden kaynaklanan elementler olup, çelik bünyesinde belirli oranlarda bulunur. Diğer elementler ise (Cr, Ni vs.) ferro-alyajlar halinde istenilen miktarlarda çelik bünyesine ilave edilir.

Çelik demir cevherinden veya hurdadan geri dönüşüm ile iki şekilde üretilmektedir. Sıvı çelik üretildikten sonra döküm ile ingot olarak veya sürekli döküm yöntemi ile kütük veya blum olarak şekillendirilir.

Vasıflı Çelikler alaşımsız, düşük alaşımlı ve alaşımlı çelikler olup, kitlesel olarak üretilen çeliklerden bazı noktalarda ayrılmaktadır. Bu noktalar;

• Üretim yöntemi,

• Üretim araçları,

• Alt limitlerde bulunan S, P ve diğer empüriteler ile çözünmüş gaz miktarları.

Çelikler genel olarak aşağıdaki şekilde sınıflandırılmaktadır;

• Karbon ve alaşımlı çelik olarak bileşimlerine göre,

• Üretim yöntemlerine göre

• Son üretim yöntemine göre

• Ürün şekline göre

• Kullanım yerleri, üretim programları ve deoksidasyon durumlarına göre

Çeliklerin temel özellikleri aşağıdaki gibi özetlenebilir;

• Çeliklerin büyük çoğunluğu ısıl işlemlere karşı duyarlıdır. Kimyasal bileşimin yanı sıra uygulanan ısıl işlemler sonucunda istenen sertlik, mekanik ve fiziksel özellik, elektriksel özellik, korozyona ve yüksek sıcaklığa dayanım özelliklerine tam olarak kavuşturulabilir.

• Çelikler yapılarının gerektirdiği sıcaklıklara kadar ısıtıldıklarında şekillenme özelliğine kavuşur (haddeleme, presleme, dövme).

• Ayrıca kimyasal bileşim ve içyapı olarak uygun olan çelikler haddeleme, presleme gibi yöntemlerle soğuk olarak da şekillendirilebilir.

• Talaş kaldırıcı tezgâhlarda işlenerek, istenilen şekil ve yüzey düzgünlüğüne getirilebilir.

• Kimyasal bileşim olarak uygun olan çelikler kaynak işlemi ile birleştirilebilir.

• Çeliklerin büyük bir bölümü çeşitli yöntemler ile metal ile kaplanmaya, emaye yapılmaya, boyanmaya ve plastik maddeler ile kaplanmaya elverişlidir.

Alaşım Elementlerinin Çeliklerin Özelliklerine Etkileri

Çeliklerin Isıl İşlemi 

Genel olarak ısıl işlem, malzemenin sertliği, tane yapısı ve mekanik özelliklerinin istenen değerlerde olmasını sağlamak amacıyla, malzemeye uygulanan bir dizi ısıtma ve soğutma işlemidir.

Isıl işlem yapılış özellikleri ve elde edilen özellikler bakımından, Tavlama ve Sertleştirme olarak iki grupta incelenebilir.

TAVLAMA
Malzemelerin, talaşlı işlem kabiliyetini artırmak, plastik şekillendirme kabiliyetini artırmak, iç yapı özelliklerini düzeltmek gibi amaçlarla yapılan ve malzemenin istenen bir sıcaklığa kadar ısıtılıp, yavaş soğutulması şeklinde gerçekleştirilen işlemlerdir.

Tavlama işlemi işlem sıcaklıkları ve soğutma şekilleri yönünden farklı şekillerde ifade edilir. Başlıca tavlama işlemleri şu şekilde belirtilebilir.

Yumuşatma Tavlaması: Isıl işlem görmemiş malzemeler, içerdikleri karbon oranlarına bağlı olarak, oda sıcaklığında farklı sertlikler gösterirler. Bazı malzemeler sertlikleri itibariyle kolay işlenemez durumda olabilirler. Özellikle plastik şekil değiştirme işlemleri için malzemelerin minimum sertlikte olması istenir. Bu sebeple, malzemelerin yumuşatılması amacıyla malzemelere yumuşatma tavlaması yapılır.

Çelik malzemelerin, oda sıcaklığındaki yapıları, tanecikler halinde ve içindeki karbon oranıyla doğru orantılı olarak, ince uzun plakalar şeklinde, sıralı dizilmiş görünümdeki karbür çökeltileri şeklindedir. Perlit olarak anılan bu yapı içerisindeki karbür plakalarının sıklığı, malzemenin içerdiği karbon oranıyla artar ve bu durum sertliğin de artmasına sebep olur.

Yumuşatma tavlaması yapılarak, ince uzun yapıdaki karbür plakalar, daha kısa ve küresel bir yapıya dönüştürülür. Bu durumda çelik ilk haline oranla daha yumuşak ve kolay şekillendirilebilir bir yapıya sahip olur. Bu yöntem küreleştirme tavlaması olarak da bilinir.

Gerilme Giderme Tavlaması: Kaynaklama, plastik şekil verme veya aşırı ısıtma – ani soğutma gibi durumlar sonucu malzeme içinde, çeşitli yönlerde iç gerilmeler meydana gelir. Bu gerilmelerin giderilmesi amacıyla en yüksek kullanım sıcaklığının üstünde ve faz dönüşüm sıcaklığının altında bir sıcaklıkta parçalar en fazla iki saat bekletilerek iç gerilmelerinin giderilmesi sağlanır.

Yeniden Kristalleştirme Tavlaması: Plastik şekil verme yöntemleriyle şekillendirilen parçaların tane yapılarında, özellikle cidar bölgelerinde, kalıcı yapı bozulmaları meydana gelir. Bu durum sertlik ve mukavemetin artması, süneklik ve elektrik iletkenliğinin azalmasına sebep olur. Faz dönüşüm sıcaklığının altında bir sıcaklıkta, bir saate kadar bekletme ve yavaş soğutma ile tane yapısı düzgün ve düzenli bir forma dönüşerek, deformasyon öncesi özelliklerin geri kazanılması sağlanır. Bu işlem rekristalizasyon olarak da bilinir.

Normalleştirme Tavlaması: Tavlama işlemlerinin tamamı malzemeye iyi özellikler kazandırmakla beraber, tane irileşmesine de sebep olur. Yapılacak işleme göre iri taneli yapıların istenmediği durumlar için malzemeler sertleştirme sıcaklığına kadar ısıtılarak, sakin havada soğumaya bırakılırlar. Normalleştirme tavlamasını diğerlerinden ayıran özellik parçaların yavaş soğutulması yerine, sakin havada hızlı soğutulmasıdır. Bu durumda tane yapısı daha ince yapılı olur. Bu işlem normalizasyon olarak da bilinir.

SERTLEŞTİRME
Üretimi yapılan parçaların çalışma şartlarına göre değerlendirilmesiyle, parçanın tamamı veya bir kısmının, çekirdeğe kadar veya sadece cidar yüzeyi boyunca sertlik kazanması istenebilir. Bu gibi durumlar sözkonusu olduğu zaman istenen özelliğe göre farklı ısıl işlemler uygulanması gerekir.

Yapılış özellikleri ve nihai yapı özellikleri göz önüne alınarak sertleştirme işlemi farklı başlıklar altında değerlendirilir.

ISLAH ETME
İstenen sertlik ve mekanik özelliklerin elde edilmesi amacıyla yapılan su verme ve menevişleme işlemidir. Özellikle parçanın tüm kesitinin sert olması istendiği durumlar için kullanılır.

Su Verme: Su verme işlemi en basit şekilde, malzemenin sertleştirme sıcaklığına kadar ısıtılması ve ani olarak soğutulmasıyla sertleştirilmesi şeklinde tariflenebilir. Konuyla ilgili olarak, sertleştirme sıcaklığının seçimi, ısıtma hızı, soğutma ortamı seçimi ve soğutma hızı gibi faktörlerin birbiri ile olan ilgileri ve doğru değerlerin belirlenmesi uzmanlık gerektiren konulardır.

Sertleştirme sıcaklık aralıkları, maksimum sertliğin, en küçük tane yapısı ile elde edilmesini sağlayacak şekilde bir dizi deney ile belirlenen değerlerdir. Bu değerlerin altında veya üzerinde yapılacak ısıtma, sertlik değerinin düşük, nihai iç yapının ise istenen şekilde olmaması ile sonuçlanacaktır. Ayrıca sertleştirme sıcaklığında tutma süresi de önemli olup, malzemenin alaşımlı, az alaşımlı olması ve tane boyutlarının uygunluğu ile bağlantılıdır.

Su verme ortamının seçimi, malzemenin alaşım miktarıyla alakalıdır. Düşük alaşımlı çelikler için daha çok su ve tuz banyoları tercih edilirken, yüksek alaşımlı çelikler için çarpılma riski göz önünde bulundurularak yağ gibi yumuşak ortamlar tercih edilir. Yoğunlukla kullanılan soğutma ortamları su, yağ, tuz banyosu ve hava şeklinde belirtilebilir.

Su: Suda su verme işlemiyle ilgili en önemli özelliklerden biri, sıcak parçayı soğutmak için kullanılan suyun sıcaklığıdır. 20 – 40 °C arasındaki soğutma suyu sıcaklığı en verimli sıcaklıktır. 60 °C üzerindeki sıcaklıklarda soğutma hızı fazlasıyla düşer.

Yağ: Yağda su verme işlemindeki yağın soğutma hızı, suyun soğutma hızından yavaştır. Soğutma hızının en verimli olduğu yağ sıcaklığı 50- 80 °C arasıdır. Ayrıca yağın sürekli olarak hızlı biçimde karıştırılması verimi büyük ölçüde artırır.

Tuzlu Su Çözeltisi: Suda su verme verimini artırmak için suya sodyumhidroksit veya mutfak tuzu ilave edilebilir. Mutfak tuzu parça üzerinde korozyona sebep olduğu için pek az tercih edilir. % 10 oranında ilave edilecek NaOH soğutma hızını çok fazla artırır. Bu tip kullanımlar, yüksek sertleşme derinliğini artırarak iç gerilmelerin az olmasını da sağlar.

Hava: Havada su verme işlemi diğer yöntemlere göre en az verimli oranıdır. Bunun en büyük sebebi havanın soğutma hızının çok düşük olmasıdır. Hatta sakin havanın soğutma hızı suyun % 1’inden daha azdır. Bu sebeple bu yöntem sadece yüksek hız çelikleri için tercih edilebilir.

MENEVİŞLEME
Su verme işlemi sonrası oluşan nihai yapı, çok sert ve kırılgan olup, ani soğutma esnasında oluşan iç gerilmelere sahiptir. Dolayısıyla menevişleme malzemenin tokluğunun iyileştirilmesi için malzemenin tekrar ısıtılıp, aynı sıcaklıkta bir süre tutularak soğutulmasıdır.
Menevişleme işlemi istenen tokluk oranı, sertlik ve nihai yapıya göre farklı sıcaklıklarda yapılabilir. Su verilen parçanın tamamen soğumasını bekledikten sonra yapılan menevişleme çatlamaya sebep olabilir. Bu sebeple parça 60 – 80 °C sıcaklığa düşmesiyle birlikte menevişlemenin hemen yapılması gerekir.

SEMENTASYON
Kolay işlenebilir özelliğe sahip düşük karbonlu çelikler, işlendikten sonra kullanım amaçları doğrultusunda, yüzeylerine karbon emdirilerek, sertleştirme işlemine tabi tutulurlar. Bu işlem parça yüzeyinin aşınma dayanımını artırır ve çekirdek bölgenin yumuşak kalması ile tüm parçanın tok özellikler göstermesini ve darbe dayanımının yüksek olmasını sağlar.

Sementasyon işlemi, katı, sıvı veya gaz fazlı ortamlarda gerçekleşebilir. Kontrolü en kolay ve ekonomik yöntem gaz ortamında yapılan sementasyondur. Karbon verici olarak CO veya metan gazı gibi hidrokarbonlar kullanılır. Sıvı ortam sementasyonunda  yaygın olarak sodyumsiyanür ve potasyumsiyanür gibi karbon vericilerin tuzları kullanılır. Sıvı ortam sementasyonu daha çok küçük parçaların sertleştirilmesi için uygundur. Katı ortam sementasyonunda daha çok odun kömürü kullanılır. Kontrolü zor ve tecrübe gerektiren fazla tercih edilmeyen bir yöntemdir.

Sementasyon işleminde, yüzey karbon oranı % 0.7 - % 0.8 oranlarına artırılmaya çalışılır. Bunun üzerinde emdirilen karbon, karbür çökelmesine yol açarak kırılgan bir yüzey oluşturur. Sementasyon için asıl kriter etkin sementasyon derinliğidir.

Karbon emdirme işlemini müteakip, su verme işlemi uygulanarak cidarın sertleştirilmesi gerçekleştirilir. Su verme işlemi, karbon emdirme sıcaklığından su verilerek (doğrudan su verme ), oda sıcaklığına kadar soğutulup ıslah edilerek( tek su verme ) veya karbon emdirme sıcaklığından su verildikten sonra düşük sıcaklıkta ıslah edilerek gerçekleştirilir. Su verme işlemlerinden sonra mutlaka menevişleme yapılmalıdır. Sementasyon işlemi ardından sağlanacak en yüksek aşınma dayanımı, en yüksek sertlikte değil, yaklaşık 300 °C’de yapılan menevişlemeden sonra elde edilir.

İNDÜKSİYONLA YÜZEY SERTLEŞTİRME
Parçanın indüksiyon akımı yardımıyla yüzeyinin ani olarak ısıtılıp, ani olarak soğutulmasıyla yapılan bir yüzey sertleştirme işlemidir. Alevle sertleştirmeye benzer fakat gerek işlem süresi, gerekse yüzeyde oluşturulan yüksek ısıl birikimi açısından daha verimlidir. İndüksiyonla yapılan ani ısıtmanın ardından yapılan ani soğutma işlemi genellikle su ile yapılır ve yüksek karbonlu çeliklerde çatlama ihtimalini artırır. Soğutma suyunun 60 °C civarında olması veya tuz kullanılması çatlama ve iç gerilme ihtimalini azaltır.

Sertleştirmeden sonra iç gerilmelerin giderilmesi için 150 – 200 °C arasında menevişleme yapılır.