Kapat

Çeliklere uygulanan ısıl işlemler nelerdir?

Günümüz dünyasında gelişen teknoloji ile beraber çeliklerin yaygın olarak kullanımı ve buna bağlı bir şekilde mekanik ve metalografik özelliklerinin geliştirilmesinde, çeliğe uygulanan ısıl işlemler zamanla daha da önemli hale gelmektedir.

Isıl işlem nedir?

Isıl işlem uygulaması ile metalin özelliklerinde bariz bir değişiklik sağlamak amacı ile metal veya alaşımların ısıtılması, ısıtılan sıcaklıkta kontrollü bir şekilde belirli bir süre tutulması ve en son oda sıcaklığına kadar soğutulması işlemlerine ısıl işlem adı verilir. Isıl işlem, istenen değişikler dışında istenmeyen değişiklikler de meydana getirebilir. Isıl işlem kasıtlı olarak yapılabileceği gibi başka bir işlem neticesi ya da yan etkisi olarak da gerçekleşebilir. Örneğin kaynak veya kesme esnasında oluşan sıcaklık nedeniyle malzemenin kesme veya kaynak bölgelerinde mikroyapı değişiklikleri görülebilir.

Çeliklere uygulanan ısıl işlemler

Katı fazda bulunan çeliklere uygulanan ısıl işlemlerle geniş sınırlar kapsamında özellikler değiştirilmekte ve böylece çeliklerin kullanım alanları daha geniş bir alana yayılmaktadır. Bu durum demirin, östenit-ferrit allotropik dönüşümü ile gerçekleşmektedir. Bundan dolayı, östenit-ferrit allotropik dönüşümü göstermeyen, ferritik veya östenitik çeliklerde, normalizasyon veya sertleştirme gibi ısıl işlemler uygulanamamaktadır. Çelikler üzerinde uygulanan tüm ısıl işlemler, ısıtma, tutma ve soğutma olmak üzere 3 aşamada gerçekleştirilebilir.

Oda sıcaklığından tavlama sıcaklığına ısıtma: Isıtma hızı ve tavlama sıcaklığı malzemeye kazandırılmak istenen özelliklere göre ayarlanmaktadır. Şekil 1’de görüldüğü üzere, kesit kalınlığı yüksek olan malzemelerde, yüzey ve merkez arasında sıcaklık farkı bulunmaktadır.

Tutma: Malzemenin kalınlığına uygun bir süre bekletilerek tüm yapının homojen olması sağlanmaktadır.

Soğutma: Soğuma hızına bağlı olarak farklı mikroyapıların oluşması için, havada, suda, yağda veya fırında soğutma gerçekleştirilir.

Isıl işlemlerden istenen özellikleri sağlayabilmek için bekletme sıcaklığı, soğutma şekli ve süresi en önemli etkenlerdir. Çelikten beklenen mekanik ve fiziksel özelliklere bağlı olarak, tav sıcaklığına en uygun sürede bekletilen malzeme, yağda, suda veya durgun bir havada soğutulabilir.

Şekil 1: Isıl işlem kademeleri

Şekil 2’de Fe-C denge diyagramı üzerinde çeliklere uygulanan ısıl işlemler gösterilmiştir. Çeliklere uygulanan birçok ısıl işlemde elde edilen mikroyapı, östenitin dönüşümünün bir neticesidir. Bu dönüşüm ürünlerinin özelliği ve görünüşü çeliğin mekanik ve fiziksel özelliklerini birinci dereceden belirler ve etkiler. Isıl işlemde uygulanan ilk adım, östenit oluşturmak amacıyla malzemenin belirli bir kritik sıcaklığa ısıtılmasıdır.

Şekil 2: Çeliklere uygulanan ısıl işlemlerin Demir-Karbon denge diyagramı üzerinde gösterilişi

Östenitleme

Östenitleme, çeliğin daha sonraki soğutma işleminde istenilen mikroyapıyı sağlamak için uygulanır. Östenit teşekkülü karbonun yayınma (difüzyon) hızına bağlı olarak belirli bir zaman gerçekleşmektedir. Martensit mikroyapısının sertliği, martensit içeriğindeki %C miktarına bağlıdır. Östenitleme işlemi sonrasında mekanik özellikleri etkileyen önemli etkenlerden biri, östenitleme işleminin homojen yapılması, diğeri ise aşırı tane büyümesine neden olmamasıdır. Homojen bir östenitleme ile su verme ardından sertlik değeri maksimum bir noktaya ulaşır. Burada göz ardı edilmemesi gereken konu, martensitin sertliğinin karbon miktarına bağlı olarak önemli miktarda değiştiğidir. Östenitleme sıcaklığının artmasıyla östenit tane boyutu da arttığından, aşırı tane irileşmesinden kaçınmak için östenitleme sıcaklığının optimizasyonu iyi sağlanmalıdır.

Su verme

Su verme ısıl işlemi sertleştirme ısıl işlemi olarak da tabir edilmektedir. Bu işlem, östenitleme işlemine son verildikten sonra, çeliğin östenitleme sıcaklığından, bu çelik için kritik soğutma hızından daha hızlı soğutulması işlemidir. Uygulanan bu işlemin amacı çoğunlukla martensitik bir yapı oluşturmaktır. Dolayısıyla elde edilen çelik çok sert bir yapıya sahip olacaktır. Şekil 3’te şematik TTT diyagramında su verme için gerekli olan kritik soğuma hızı görülmektedir.

Şekil 3: TTT diyagramı üzerinde kritik soğum hızının gösterimi

Su verm ısıl işleminin kalitesi ve sonucu, ortam ve malzeme ile ilgili çok sayıda etkene bağlıdır. Bu etkenler aşağıda sıralanmıştır:

a. Malzemenin kendisi ile ilgili etkenler:

  • Sertleşebilirlik (çeliğin kimyasal bileşimi)
  • Hacmi ve şekli
  • Yüzey durumu (oksit, tufal vs. gibi ısı transferini etkileyen etkenler)

b. Su verme ortamıyla ilgili etkenler:

  • Su verme ortamının termo-fiziksel özellikleri (viskozite, özgül ısı vb.),
  • Su verme ortamının sıcaklığı

c. Su verme dononımı ile ilgili etkenler:

  • Su verme ortamının karıştırılma hızı
  • Akış yönü
  • Su verme ortamının basıncı

Temperleme (Menevişleme)

Sertleştirme işlemi sonucunda meydana gelen martensit çok kırılgan bir yapıya sahiptir ve pratik amaçlar için kullanılan bir çelik temperleme işlemine tabi tutulmadan kullanılmaz. Temperleme genellikle toklukta bir artış ve sertlikte bir azalma ile sonuçlanır. Temperleme işlemi esnasında oluşan yapısal dönüşümler şu şekilde belirtilebilir:

  1. 80-160°C arası, karbonca zengin ε-karbür fazının çökelmesi. Bu işlem sonucunda martensit matriksteki karbon oranı yaklaşık %0,3’e kadar düşer,
  2. 230-280°C arası, kalıntı östenit, beynit benzeri bir yapıya dönüşmektedir,
  3. 160- 400°C arası, “ε-karbür” yerine sementit oluşur ve büyür,
  4. 400 – 700°C arası sementitin büyümesi ve küreselleşmesi.

Buna göre, temperleme işlemi sırasında martensit, ferrit ve sementit olarak ayrışır. Bu durum hacimde sürekli bir düşüş gerçekleşmesi anlamına gelmektedir. Yüksek sıcaklıklarda temperleme neticesi, hacim tekrar artış gösterir ve sertleştirme öncesi orijinal değerine ulaşır. Temperleme esnasında martensitin sürekli ayrışması aynı zamanda gerilmelerin de sürekli düşmesine sebep olur.

Yüksek kromlu çelikler, sıcak iş çelikleri ve yüksek hız çeliklerinde kalıntı östenitin dönüşümü daha yüksek sıcaklıklarda oluşur. Dönüşüm ürünü olan martensit ya da beynit oluşumu temperleme sıcaklığına bağlıdır. Beynit oluşumu izotermal bir dönüşümdür. Yani temperleme işlemi esnasında sabit bir sıcaklıkta olur. Buna karşı martensit, çelik temperleme sıcaklığından soğutulurken oluşur. Temperleme ısıl işlemine, su verme işleminden hemen sonra çelik 50-75°C’ye soğuduğunda başlanması gerekir. Bazı durumlarda parçanın temperleme işleminden önce oda sıcaklığına kadar soğumasına izin verilirse çatlaklar meydana gelir. Temperleme için ısıtma, konveksiyon tipi çukur veya mufl fırınlarda veya temperleme işlemlerinde kullanılan bir tuz banyosunda gerçekleştirilir. Karmaşık şekillere sahip parçaların temperleme sıcaklığına ısıtılmaları yavaş bir şekilde yapılmalıdır.

Temperleme esnasında martensit ve kalıntı östenit çeşitli yapısal fazlara dönüşür. Bu dönüşüm sadece sıcaklığa değil, zamana da bağlıdır. Bu sebeple bazı durumlarda zaman etkeni büyük önem arz etmektedir. Bu bakımdan temperleme parametresi (P) olarak isimlendirilen ve aşağıda belirtilen bir formül geliştirilmiştir.

P = T(k + logt)

Burada;

T = temperleme sıcaklığı (K),
k = sabit (k = 20)
t = temperleme süresi (saat) olarak tanımlanmaktadır.

450°C’ye kadar olan sıcaklıklarda, temperleme süresi, çeliğin temperleme sonrası sertliğini az miktarda etkilemektedir. Bununla birlikte daha yüksek sıcaklıklarda zaman etkeni önemlidir. Ulaşılan değerler, aynı çelik için tek bir eğride toplanır. Her çeliğin P değeri o çeliğin ana eğrisindeki bir sertlik değerine tekabül etmektedir.

Tam tavlama

Bu işlem ilk olarak A1 üzerinde uygun bir sıcaklıkta östenitleme ve sonrasında ise A1 altındaki dönüşüm sıcaklığına yavaş soğutma işlemlerini kapsar. Uygun sıcaklık ve soğuma hızlarının seçilmesi için TTT diyagralarından yararlanılır. Şekil 4’te DIN 42CrMo4 çeliğinin TTT diyagramı verilmiştir. Burada 1 nolu eğri tam tavlamayı, 2 nolu eğri normalizasyon tavlamasını ifade etmektedir. 2 nolu eğri, dönüşüm sona erdiği zaman çeliğin oda sıcaklığına serbest halde soğutulabileceğini göstermektedir.

Şekil 4: DIN 42CrMo4 çeliğinin TTT diyagramı

Normalizasyon (Normalleştirme)

Normalizasyon; tane küçültmek, homojen bir mikroyapı elde etmek ve mekanik özellikleri geliştirmek amacıyla, çeliğin üst dönüşüm sıcaklığı üstündeki sıcaklıkta ısıtma ve durgun havada soğutma aşamalarından oluşan bir ısıl işlemdir. Normalizasyon ısıl işlemi, çeliğin karbon miktarına bağlı olarak A3 veya Acm eğrilerinin 30-50°C kadar üzerindeki bir sıcaklıkta ısıtma, ideal bir süre bekleme ve fırın dışında sakin bir havada soğutulması ile gerçekleştirilir. Oda sıcaklığında HMK yapıya ve ferrit fazına sahip çelik, A3 veya Acm eğrilerinin 30-50°C kadar üzerindeki sıcaklıklarda allotropik dönüşüm göstererek YMK kafes yapısına ve iç yapıda östenit fazına dönüşür. Belirtilen sıcaklığın üzerindeki ısıtmalarda, iç yapıda tane büyümesine yüzey bölgesinin karbon kaybına (dekarbürizasyona) neden olur.

Normalizasyon ısıl işlemiyle, yapıdaki daha çok talaştlı şekillendirmeyi kolaylaştırmak, malzemenin ısıl işlemdeki performansını artırmak için yarı mamüllere veya çelik döküm malzemelere uygulanır. Ayrıca yüksek sıcaklıkta dövülmüş, haddelenmiş veya kaynak dikişi gibi çevresel veya bölgesel farklı ısı etkisi altında kalmış parçalarda, kava taneli yapının ince taneli hale getirilmesi amacıyla da yapılabilir. Isıtma tabakalarını kaldırmak için daha sonra talaşlı işlem veeya yüzey tamamlama işlemleri gerekebilir. Bazı otomotiv dişli çelikleri gibi havada sertleşen çelikler çoğu zaman normalizasyon sonrası yapıyı yumuşatmak ve/veya işlenebilirliği artırmak için ilave temperleme ısıl işlemine tabi tutulur.

Küreleştirme

Perlitik yapıya sahip bir çelik tavlandığı zaman, sementit lamelleri küreselleşir ve malzemenin tokluğunda bir artış meydana gelir. Kimyasal bileşiminde %0,35-0,8 arası karbon ihtiva eden çelikler için küreselleştirme tavı sıcaklığı A1’in hemen altında (680-720°C), %0,8’den yüksek karbon ihtiva eden ötektoid üssü çeliklerde ise A1’in üzerindedir.

A1’in altındaki sıcaklıklarda uygulanan küreleştirme ısıl işlemi, soğuma hızı oda sıcaklığındaki son sertliğe etki etmez. Tavlama A1 üzerinde uygulandıktan sonra yavaş soğutma işlemi yapılırsa küreleşmemiş yapı büyük oranda aynen kalır. Çelik soğumaya devam ettikçe östenitte çözünen karbon, karbür küreleri üstünde ayrışır. Tav sıcaklığı daha yüksek olması durumunda daha büyük oranda karbür çözünür ve sementit bir lamel olarak ayrışır. Dönüşümün gerçekleştiği A1’in altındaki sıcaklık elde edilen yapının morfolojisini belirleyen bir etkendir. Dönüşüm sıcaklığı A1’e yaklaştıkça küresel yapı daha yumuşak ve iri olur. Dönüşüm sıcaklığı A1’den uzaklaştıkça elde edilen yapı daha sert ve ince, lamel sayısı daha fazla olur.

Böylece, sade karbonlu ya da düşük alaşımlı çeliklerin küreleştirme tavı söz konusu olduğunda uygulanması gereken temel kurallar aşağıdaki gibidir:

  • 775°C’de 2 saat süre ile östenitleme,
  • 725°C’ye kadar 10°C/saatlik bir hızla yavaş soğutma

Çelikte başka yapısal hiçbir dönüşüm gerçekleşmeyeceğinden östenit dönüştürüldükten sonra oda sıcaklığına soğutma mümkün olduğu kadar hızlı bir şekilde yapılmalıdır. Elde edilen küreleşmiş yapı en düşük sertliğe sahiptir. Fakat bu yapı, planya, delme, raybalama veya tornalama gibi bazı işlemler için uygun değildir. Gerek görüldüğünde tav sıcaklığı artırılarak daha sert ve daha fazla lamelli bir yapı elde etmek mümkündür.

Ötektoid üssü çeliklerin, tane sınırlarındaki sementiti yeterli bir süre içinde küreleştirmek için A1 üzerindeki sıcaklıklarda tavlanması gerekmektedir. %0,5-0,8 arasında karon ihtiva eden karbon ve düşük alaşım çeliklerinin ya da ötektoid üssü çeliklerinin küreleştirilmesi için uygun tavlamadan önce A1’in 25°C altında ön tavlama yapmak ya da tav sıcaklıklarını A1 civarına yükseltip indirmek yoluyla hızlandırılabilir.

Gerilme giderme

Çelik deforme edildiğinde veya plastik olarak işlendiğinde soğuk işlem gören yüzeylerde gerilmeler meydana gelir. bu gerilmeler, sertliği belirli bölgelerde artırır ve sürekli işlemeyi giderek daha da zorlaştırır. Ayrıca çeliğin sonraki ısıl işlemler esnasında eğilmesine neden olabilir. Bu sebeple sözü geçen gerilmelerin 1-2 saatlik gerilme giderme tavı ile azaltılması veya tamamen yok edilmesi gerekir. Sade karbonlu ve düşük alaşımlı çelikler için 550-650°C sıcak işlem ve yüksek hız çelikleri için 600-750°C sıcaklık gereklidir. Bu işlem herhangi bir faz değişimine sebep olmaz. Fakat yeniden kristalleşmeye neden olur. Soğuma sırasında ısıl gerilmelerin gerçekleşmemesi için, parçaların fırında yaklaşık 500°C’ye kadar yavaş bir şekilde soğutulması, sonrasında ise havada soğutulması iyi bir uygulamadır.

Kalıntı gerilmelerden en fazla arındırılması gereken çok büyük takımların veya makina parçalarının gerilme giderme işlemlerinde başlangıçtaki soğutma hızı çok düşük olmalıdır. Tavlama süresi ve sıcaklığı arttıkça işlem sonrasında daha az kalıntı gerilme kalacaktır. Örnek olarak; 450°C’de 1 saatlik tavlama süresinde sadece %50 oranında bir kalıntı gerilme azalmasına neden olurken, tam bir gerilme giderme için 650°C’de 1 saat veya 600°C’de 15 saatlik bir tavlama gerekmektedir.

İzotermal tavlama

İzotermal tavlama ısıl işlemleri, östenitleme sonrası, dönüşümün sabit sıcaklıkta gerçekleştiği ısıl işlemleri kapsar. Genellikle çeliklere uygulanan izotermal tavlama ısıl işlemleri, östemperleme ve martemperleme olarak 2 gruba ayrılmaktadır.

Östemperleme

Östemperleme, çeliğin TTT diyagramının burun noktasıyla Ms sıcaklığı arasındaki sabit bir sıcaklıkta, dönüşüm tamamlanana kadar tutularak, yapının beynite dönüştürülmesi için yapılan bir ısıl işlemdir. Bu işlem aşağıda belirtilen 3 adımda uygulanmaktadır:

  1. Çelik, östenitleme sıcaklığına ısıtılır ve tüm yapı östenit olana kadar bu sıcaklıkta sabit tutulur,
  2. Östenitlemenin tamamlanması ardından 260-400°C arasında sabit bir sıcaklıkta tutulan tuz banyosuna hızlıca aktarılan çelik, bu banyoda dönüşüm gerçekleşene kadar tutulur,
  3. Dönüşüm tamamen gerçekleştikten sonra, tuz banyosundan çıkarılan çelik havada oda sıcaklığına kadar soğutulur.

Östemperleme ısıl işlemi sonunda, klasik su verme ve temperleme işlemlerine oranla daha yüksek tokluk elde edilir ve böylece çatlama ve distorsiyonlar azaltılabilir. Bu açıdan östemperleme, su verme ve temperleme yerinde de tercih edilebilen bir ısıl işlemdir. Bir takım uygulamalarda, östemperleme bilinen su verme ve temperleme işleminden daha ekonomiktir. Bu durum bilhassa otomatik sürekli ocaklarda küçük parçaların işlenmesi esnasında ortaya çıkar. Böyle uygulamalarda, bilinen su verme ve temperleme işlemi üç aşamalı bir çalışma gerektirirken, östeperlemede sadece iki aşamalı bir çalışmaya ihtiyaç duyulur. Bu da bu işlemi cazip hale getirmektedir.

Diğer yandan östemperleme ısıl işlemi, perlitik dönüşümünün engellenebileceği parçalarla sınırlıdır ve parça, perlit dönüşümünü engellemeye yetecek kadar hızlı soğutulmalıdır. İnce kesitli parçalar daha hızlı soğutulabilir.

İzotermal tavlama işlemleri en çok tuz banyoları içinde gerçekleştirilir. Sebebi ise tuz banyolarının aşağıdaki özelliklere sahip olmasıdır:

  • Hızlı ısı transferi,
  • Çok geniş bir sıcaklık aralığında viskozitenin aynı olması,
  • Buhar örtüsünün oluşmaması,
  • Suda tamamıyla çözünür olması, böylece daha sonraki temizleme işlerini kolaylaştırması,
  • Viskozitesinin östemperleme sıcaklığında düşük olması ve bu sayede kayıpların en aza inmesi

Martemperleme

Martemperleme ısıl işleminin yararı, büyük ve drklı kesit kalınlıklara sahip parçalarda meydana gelir. Bu tür parçaların ince kesitleri veya yüzeyleri, klasik su verme ısıl işleminde çok hızlı soğuyarak martensite dönüşürken, parçanın merkezi ya da kalın kesitleri hızlı bir şekilde soğuyamadıklarından dolayı martensite dönüşemez. Bu durum da farklı mikroyapı ve mekanik özelliklerin elde edilmesine ve çarpılamaların meydana gelmesine sebep olur. Martemperleme esnasında ise, martensit oluşum sıcaklığında parça bir müddet bekletilmesinden dolayı hem yüzeyin hem de merkezin aynı sıcaklığa ulaşması ve tüm parçada homojen bir şekilde martensit oluşumu sağlanabilmektedir.

Martemperleme ısıl işleminin ısıl çevrim diyagramı, Şekil 5’te verilmiştir. Şekil 5.a’da görülen klasik martemperlemede, parça östenitleme sıcaklığından, sıcaklığı Ms sıcaklığının hemen üzerinde olan bir yağ ya da tuz banyosuna hızla soğutulur. Bu sıcaklıkta parçanın bütün bölgeleri aynı sıcaklığa gelene kadar bekletilir. Fakat beynit oluşum eğrisinin geçilmemesine dikkat edilmesi gerekmektedir. Daha sonra havada soğutularak işlem tamamlanır. Şekil 5.b’de görülen gelişmiş martemperleme işleminde ise parça östenitleme sıcaklığından Ms ve Mf arasındaki sabit bir sıcaklığa soğutulur. Bu şekilde daha hızlı soğutma hızları elde edilebilmektedir.

Şekil 5: (a) ve (b) Martemperleme işlemi ısıl çevrim diyagramları

Parça oda sıcaklığına soğurken, martensit oluşumu parçanın hemen hemen her yerinde aynıdır ve böylece aşırı miktarda kalıntı gerilme oluşmaz. Martemperleme işlemine tabi tutulmuş parça oda sıcaklığına geldikten sonra mikroyapısı martensittir. Bu sebeple klasik su verilmiş parçalar gibi temperleme işlemine tabi tutulur.

Martemperleme işleminde aşağıda belirtilen parametreler kontrol edilmelidir:

  • Martemperleme banyosunun sıcaklığı,
  • Östenitleme sıcaklığı,
  • Tuz banyosunun temiz olması,
  • Parçanın martemperleme banyosunda bekleme süresi,
  • Soğutma hızını artırmak için tuz banyosuna su eklenmesi,
  • Karıştırma ve martemperleme banyosundan oda sıcaklığına soğuma hızı.

Sizin için önerdiklerimiz:

Fatih Kara

Sakarya Üniversitesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği bölümü öğrencisiyim. Mühendislik dünyasıyla ilgili gelişmeleri paylaşmak ve öğrencilik hayatlarına devam arkadaşlara bir nebze de olsa yardım edebilmek amacıyla 2011'de MalzemeBilimi.Net'i kurduk. Şimdi ise çok sayıda yazarımızla bu alandaki açığı doldurmaya çalışıyoruz.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir