Pek çok çelik türü, sertleşmesini sağlayan ve sektörde su vermek olarak da adlandırılan ısıl işlem yöntemine uyum sağlar. Sertleşebilirlik, malzeme seçiminde en önemli kriterlerden biridir ve bir metalin yüksek sıcaklıktan söndürülmesi sonrası ne kadar derinlemesine sertleşebileceğini tanımlar. Ayrıca sertleşme derinliği olarak da ifade edildiği durumlar olabilmektedir.

Mikroskobik Ölçekte Çelik:

Çelikler mikroskobik düzeyde sınıflandırılırken, ilk seviye atomların uzayda düzenlenme şekli olan kristal yapılardır. Metalik kristal yapıların en iyi örnekleri Vücut Merkezli Kübik (BCC) ve Yüz Merkezli Kübik (FCC) konfigürasyonlarıdır.

Sınıflandırmada bir sonraki seviye bir fazdır. Faz, bir malzemenin aynı fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip düzgün bir kısmı olarak açıklanabilir. Çelikler 3 farklı fazda bulunurlar.

Östenit: Yüzey Merkezli kübik demir; ayrıca FCC kristal yapısına sahip demir ve çelik alaşımları.

Ferrit: BCC kristal yapıya sahip gövde merkezli kübik demir ve çelik alaşımları.

Sementit: Demir karbür (Fe3C)

Bu makalede yer vereceğimiz son sınıflandırma seviyesi mikro yapıdır. Yukarıda bahsettiğimiz üç faz, farklı çelik mikro yapıları oluşturmak amacıyla birleştirilebilir. Oluşturulabilir mikro yapılara örnekler ve bu örneklerin mekanik özellikleri şunlardır:

Martensit: En sert ve güçlü mikro yapı olmasına rağmen en kırılgan tür de martensittir.

Perlit: Sert, güçlü ve sünek bir yapıdır fakat sertlik, öne çıkan en önemli özelliği değildir.

Beynit: Arzu edilen mukavemet-süneklik özelliğine sahiptir, perlitten daha sert olmasına rağmen martensit kadar sert değildir.

metallere-uygulanan-ısıl-ıslemler

Mikroskobik Ölçekte Sertleşme:

Çeliğin sertleşebilirliğini belirleyen ana etkenler, malzemenin içerdiği karbon ve diğer alaşım elementlerinin yanı sıra östenitin tane boyutudur. Östenit gama fazlı bir demir olmanın yanı sıra yüksek sıcaklıklara maruz kaldığında, atomik yapısı BCC yapısından FCC yapısına doğru dönüşüm geçirir.

Yüksek sertleşebilirlik, ilgili alaşımın gövdesi boyunca su verildiğinde, martensit üretebilme kabiliyetinin karşılığıdır. Sertleştirilmiş çelikler, malzemenin yüksek sıcaklığa ısıtıldıktan sonra hızla döndürülmesi ile üretilir. Bu durum, malzemenin %100 östenit durumundayken hızla martensit durumuna geçmesine neden olur. Çelik, içeriğinde %0,15’ten fazla karbon içeriyorsa martensit, oldukça gergin bir gövde merkezli kübik form haline gelir ve karbon ile yüksek doygunluğa ulaşır. Karbon, mikro yapı içerisindeki birçok düzlemi etkin şekilde kapatarak çok sert ve bir o kadar kırılgan bir malzeme oluşmasına neden olur. Söndürme işlemi yeterince hızlı gerçekleştirilemezse karbon, bulunduğu östenitik fazdan difüze olacaktır. Çelik daha sonra perlit, beynit veya yeterince sıcak tutulduğu durumlarda ferrit olur.

Bir çeliğin başarılı ısıl işlemi üç faktöre bağlıdır:

1. Malzeme boyutu ve şekli
2. Çeliğin bileşimi
3. Söndürme yöntemi

1. Numunenin boyutu ve şekli

Söndürme işlemi yapılırken, ısının söndürme ortamı yerine öncelikle parça yüzeyine aktarılması sağlanmalıdır. Sonuç olarak, parça iç kısmının soğuma hızı, yüzey alanı ile hacmin birbirine oranı ile orantılıdır. Oran arttıkça, parçanın soğuma hızı da artar ve bu durum sertleşme etkisinin artmasına ve derinleşmesine neden olacaktır. Örneğin, 25mm çapa sahip 75mm’lik silindirik bir çubuk, 37mm çapındaki 75mm’lik bir çubuğa oranla daha yüksek sertleşebilirlik değerine sahiptir. Bu etkinin bir diğer sonucu ise, köşe ve kenarları daha fazla olan parçaların normal ve yuvarlak parçalara göre su verme yöntemi ile sertleşmeye olan yatkınlığının daha yüksek olmasıdır.

2. Çeliğin bileşimi

Çelik alaşımları ele alınırken, farklı türlerin farklı element bileşenleri içerdiğini akılda tutmak gerekir. Bu elementlerin çelik içinde yer alan demir miktarı ile oranlanması ile farklı ve çeşitli mekanik özellikler elde edilir. Karbon içeriği yüksek bir çelik daha sert ve daha güçlü olurken, daha az sünek hale gelecektir. Paslanmaz çelik içerisindeki krom baskın alaşım elementi, ilgili metale korozyon direnci kazandırır. Bin yılı aşkın süredir çelik bileşimleri üzerinde çalışıldığı için günümüzde üretilen kombinasyonlar neredeyse sınırsızdır.

Çeliğe farklı mekanik özellikler kazandıran farklı ve çok sayıda kombinasyonun varlığı nedeniyle, farklı çelik türlerini kategorilere ayırmak adına standart testler gerçekleştirilmektedir. Sertleşebilirlik için kullanılan standart bir test Jominy testidir. Bu test gerçekleştirilirken, standart bir malzeme bloğu tamamen östenit olana dek ısıtılır. Daha sonra hızla söndürülebileceği bir mekanizmaya taşınan parçanın su ile temas eden bölümleri hemen soğutulur ve soğuma hızı yüzeyden uzaklıkla orantılı olarak düşer. Sonrasında ise malzeme uzunluğu boyunca düz bir alan taşlanır. Taşlanan düz alan boyunca farklı noktalardan yapılan ölçümler sonucu elde edilen veriler, y ekseni olarak sertlik ve x ekseni olarak mesafenin gösterildiği bir sertleştirilebilirlik tablosunda görselleştirilir.

Jominy testlerinin sonuçları, tabloda yer alan sertleşebilirlik eğrilerini oluşturur. Soğutma hızının azaltılması sayesinde karbon difüzyonu ve daha büyük oranda yumuşak perlit oluşması için gereken zaman elde edilir. Bu durum aynı zamanda daha az martensit ve düşük sertleşebilirlik anlamına da gelir. Nispeten uzun mesafelerde daha yüksek sertlik değerini koruma özelliği sunan malzemeler, yüksek sertleştirilebilir olarak kabul görür. Ayrıca iki uç arasındaki fark büyüdükçe, sertleşebilirlik aynı oranda düşük olur. Söndürülen uçtan uzaklık arttıkça soğuma hızının da azalması, sertleşebilirlik eğrilerine verilebilecek en genel örnektir. 1040 çelik, başlangıçta 4140 ve 4340 ile aynı sertliğe sahip olsa da malzeme uzunluğu boyunca daha hızlı bir şekilde soğumaktadır. 4140 ve 4340 çeliği incelendiğinde, daha kademeli bir oranda soğuma gözlemlenir ve bu nedenle daha yüksek sertleşebilirlik özelliğine sahiplerdir. 4340, 4140 ile karşılaştırıldığında daha az aşırı soğumaya sahiptir. Bu nedenle bu üç çelik arasında en yüksek sertleşebilirliğe sahip olan türdür.

celıgın-sertlestırılmesı

Sertleşebilirlik eğrileri aynı zamanda karbon içeriğine de bağlıdır. Çelik ne kadar fazla karbon içeriyorsa, sertliği de o oranda artacaktır. Şekil 4’ü incelerken, her üç alaşımın da aynı miktarda karbon içerdiği unutulmamalıdır. Ayrıca sertleşebilirlik üzerinde etkiye sahip tek alaşım elementi karbon ile sınırlı değildir. Yukarıda sözü geçen üç çelik arasında sertleşebilirlik açısından görünen farklılıkları alaşım elementleri ile açıklamak mümkündür. Aşağıda yer alan Tablo 1, her üç çelik içerisindeki alaşım içerik ve miktarının bir karşılaştırmasını göstermektedir. Düz karbonlu bir çelik olan 1040, karbon atomlarının matristen kaçmasına engel olacak demir dışında farklı bir elemente sahip olmadığı için en düşük sertleştirilebilirliğe sahip olan çeliktir. 4340 çeliğe eklenen nikel, 4140 ile kıyaslandığında daha fazla martensit oluşmasına neden olduğundan üç alaşım içerisinde en yüksek sertleştirilebilirliğe sahip olanıdır.

Tablo 1: 4340, 4140 ve 1040 çeliğin alaşım içeriğini gösterir

Bir malzeme grubunda, sertleşebilirlik düzeyinde değişiklikler yaşanabilir. Çeliğin endüstriyel üretim aşamalarında, üretilen partiler arasında element bileşimi ve ortalama tane boyutu kaçınılmaz olarak değişiklikler gösterir. Çoğunlukla bir malzemenin sertleşebilirliği, çeşitli limitlerle belirlenen minimum ve maksimum değerleri gösteren eğrilerle ifade edilir.

Östenitik tane boyutunun artması, aynı zamanda sertleşebilirliği de artırır. Bir tanecik, çok kristalli bir metalde tek bir kristali ifade eder. Östenit, ferrit ve sementit fazlar, çeliğin farklı mikro yapılarını oluşturan farklı tip tanelerdir. Perlit ve beynit, tanecik sınırlarında oluşacaktır. İstenen mikro yapı martensittir ve diğer türler oluşumunu ve büyümesini engelleme eğiliminde olduğundan, bu durum sertleşme süreci için zararlıdır. Östenit tanelerinin hızla soğuması sonucu martensit oluşur ve bu dönüşüm süreci hala iyi anlaşılamamıştır. Artan tane boyutunun bir sonucu da daha fazla östenit tanesi oluşması ve daha az tane sınırıdır.

3. Söndürme yöntemi

Daha önce makalede de yer verdiğimiz gibi, söndürme tipi soğutma hızı üzerinde yüksek etkiye sahiptir. Yağ, su, sulu polimer ya da hava kullanımı, parçanın iç kısmında farklı sertlik dereceleri verir. Bu durum aynı zamanda sertlik eğrilerinin de değişmesine neden olur. Etki bakımından en hızlı soğutma su ile gerçekleşirken sonrasında yağ ve hava gelir. Sulu polimerler, su ve yağ arasında bir noktadadır. Polimer konsantrasyonu ve sıcaklık üzerinde yapılan değişiklikler ile özel uygulamalara uyarlanabilme özelliğine sahiptir. Söndürme mekanizması malzeme üzerinde ne kadar hızlı hareket ederse, söndürme etkinliğinin de daha yüksek olmasını sağlar. Yağla söndürme genellikle, su ile söndürmenin çelik türü için uygun olmadığı ya da çok şiddetli olduğu durumlarda tercih edilir. Çünkü bu tür malzemeler su ile söndürüldüklerinde çatlama ve deformasyon olasılıkları vardır.

celık-nasil-sogutulur

Sertleştirilmiş Çeliklerin İşlenmesi

Sertleştirilmiş bir parçanın işlenmesinde kullanılacak işleme takımının seçimi birkaç farklı etkene bağlıdır. Uygulama özelinde göz önünde bulundurulması gereken geometrik gereksinimler bir kenara, en önemli etkenlerden ikisi malzeme sertliği ve sertleşebilirliğidir. Nispeten yüksek gerilimli uygulamalarda, parçanın iç kısmında en az %80 martensit gereksinimi vardır. Orta derece gerilimli parçalarda bu oran %50’dir. Düşük sertleşebilirliğe sahip bir metal işlenirken, standart kaplamalı karbür takımlar yeterli olabilir. Bunun en önemli nedeni, parçanın sert kısımlarının yüzeyle sınırlı kalmasıdır. Sertleşebilirliği yüksek çeliklerde, uygulamaya özel geometriye sahip kesici takımların tercih edilmesi önerilir. Yüksek sertleşebilirlik özelliği nedeniyle ilgili malzemenin tüm hacmi boyunca sert bir parça ile karşılaşılacaktır. Mağaza ve web sitemizde matkaplar, parmak frezeler ve çok daha fazlasını bulabilirsiniz.

Özet

Sertleşebilirlik, bir demir alaşımının yüzeyden gövde çekirdeğine kadar tüm hacminin martensit oluşumuyla sertleştirilebileceği derinliği ifade eder. Belirli bir uygulama için çelik ya da kesici takım tercih ederken, göz önünde bulundurulması gereken en önemli etken malzemenin sertleşebilirlik özelliğidir. Herhangi bir çeliğin sertleşmesi, parça boyutu ve şekli, moleküler bileşimi ve kullanılan su verme yöntemi gibi etkenlere bağlı olacaktır.

Bu Yazımızı Gördünüz Mü? > > >Çeliklere Uygulanan Isıl İşlem (Sertleştirme) Türleri