Çeliklere Uygulanan Isıl İşlemler

 

1.ÇELİKLERİN ISIL İŞLEMLERİ

Bütün ısıl işlem usullerinin gayesi, malzemenin özelliklerini istenilen şekilde değiştirmektir. Hazırlanmış veya yarı hazırlanmış parçalar da, ısıl işlem gördüğü için, işlem sonunda parçaların dış şekli değişmemelidir.

Bütün özellik değişmelerine iç yapı değişmeleri neticesinde varılır.

       İç yapının                       Özellik değişimi                         Usül

       değişimi

  

  Kristal kafesinin                 Kayma direncinin               Su verme sertleşmesi   

  bozulması                           artması          sertlik   

  Tane büyüklüğü ve            Şekil değiştirme  kabili-     Yumuşatma tavlaması     

  şekli                                    yetinin iyileşmesi

                                             (talaşsız ve talaşlı)

  Bir kristal çeşidinin iç        Kesit üzerinde daha iyi      Diffüzyon tavlaması

  yapıya hakim olması          bir düzen

 

  Yüzeye alaşım elementi     Farklımerkez ve dış ke-     Yüzey tabakası

  verilmesi veya yüzeyden    nar özellikli parçalar          serleştirmesi  

  alaşım elementinin                 

  çekilmesi (diffüzyon).

                                                                                                                                 

Bu ısıl işlemler çeliğin katı haldeki dönüşümleri neticecesi mümkün olmaktadır (demir – karbon denge diyagramında görüldüğü gibi). Dönüşüm sıcaklıkları malzemenin ihtiva ettiği karbon miktarına bağlıdır. Bu nedenle dönüşümler için belirli sıcaklıklar verilmez. Dönüşüm sıcaklıkları ancak demir – karbon diyagramındaki eğrilerle belirtilebilir. Diğer bir belirleme imkanı ise, dönüşüm noktalarını indislerle göstererek mümkündür. 

Isıl işlemlerdeki olayları basitleştirebilmek için, dönüşüm noktalarının, şu kısaltmalarla gösterilmesi kararlaştırılmıştır.

                                Ac₄               Ar₄

                 Ac₃               Ar₃ 

                                  Ac₃               Ar₃  

                           Ac₁                       Ar₁

            Ac_cm                   Ar_cm

Burada;    A    = Arret                      = Bekleme veya kırılma noktası

                 C    = chauffage               = Isıtma

                 r      = refroidssement      =  Soğutma

                 cm   = cementite              =  Sementit       

Ar₃: Soğuma sırasındaki durak noktası A₃ (refroidissement), ferrit teşekkülünün başlangıcı, (dönüşümü GSK eğrisi).

Ac₃: Isınma sırasındaki durak noktası A₃ (chauffage), ostenit teşekkülünün sonu, (dönüşümü).

Ar₁: Soğuma sırasında ostenitin parçalanması ve perlit teşekülü (PSK- eğrisi).

Ac₁: Isınma sırasında perlitin ostenite dönüşmesi.

Ar_cm : Soğuma sırasında sementit teşekkülünün başlaması

Ac_cm : Isınma sırasında sementit parçalanmasının sonu

Praktikte ısınma sırasındaki dönüşümlerin histeresiz nedeni ile demir karbon diyagramının gösterdiği sıcaklıklardan  yaklaşık 20 daha yüksek sıcaklık ta vuku bulduğunu unutmamak gerekir. Soğuma sırasında da aynı nedenledaha daha düşük sıcaklıta dönüşüm olur. Bunundışında kullanılan teknik çelikler karbonla beraber çelik refakat elementleri (manganez, silisyum vs.) veya alaşımlı çelik iseler, büyük oranda alaşım elementleri ihtiva ederler. Bu elementlerde durak noktalarını aynı şekilde kaydırırlar. Alaşımlı çelikler için dönüşümler kısmen bu bölümde verilen sıcaklıklardan farklı sıcaklıklara sahiptirler.

Isıl işlemlerin önemli üç çeşidi şunlardır:

1-      Tavlama

2-      Sertleştirme(Su verme)

3-      Isıl işlem (Meneveşleme) tavlaması

1.1. Tavlama:

Tavlama malzemenin solidus eğrisi altındaki belirli sıcaklığa kadar ısıtılmasına bu sıcaklıkta bekletilmesine ve sonradan da soğtulmasına denir. Tavlamanın gayesine göre kesin belirlenmiş sıcaklıklar ve süreler tespit edilmiştir, Şekil:1.a.

EN ÖNEMLİ TAVLAMA İŞLEMLERİ:

En önemli tavlama işlemleri şunlardır:

1-      Diffuzyon tavlaması

2-      Normalize tavlaması

3-      Taneleri irileştirme tavlaması

4-      Yumuşak hale getirme tavlaması

5-      Gerilmeleri giderme tavlaması

6-      Rekristalisazyon (Yeniden kristalleştirme tavlaması)

1.1.1. Diffüzyon Tavlaması

Çözülebilir bileşenlerin iç yapıda düzenli bir şekilde dağılmasını sağlamak amacı ile yapılır. Mesala, segrasyonların yapı içerisindeki dengelenmesi gibi.

Yüksek sıcaklıklarda, çelik bir çok maddeleri çözündürme kabiliyeti olan ostenitten meydana gelir. Yüksek sıcaklıkta atomlar, yabancı atomların bulunmadığı bölgelere doğru hareket ederler. Bu diffuzyon olayı için zaman gerekir. Yapının tamamen dengelenmesi mümkün değildir; zira atomlar hareketleri için gerekli kuvveti konsantrasyon farkından kazanırlar. Yabancı atomların daha önce işgal edilmemiş bölgelere hareketleri ile bu fark azalınca diffuzyon için gerekli kuvvetde azalır. Bu nedenle atomlar zamanla çok yavaş hareket etmeye başlarlar. Ancak sonsuz uzun bir dıffuzyon süresinden sonra yapıda tam bir dengelenme meydana glebilir. Ekonomik nedenlerden 40 saat üzerindeki tavlama süreleri uygulanmaz.

Konsantrasyon faklılıklarının dengelenmesi:

Diffuzyon tavlaması sırasında Örneğin: Kristal lifleşmeleri gibi konsantrasyon farklılıkları giderilir. Bunun için malzeme, solidüs eğrisinin hemen altındaki sıcaklığa kadar ısıtılarak, uzun süre bu sıcaklıkta bekletilir. Bu sıcaklık çeliklerde karbon miktarına göre               1050-1300  

Katı maddelerin dağılımı:

Diffüzyon tavlaması sırasında, kristal lifleşmesi giderilir iken, aynı zamanda artan tavlama süresi ile iç yapıdaki dendritlerin, yavaş yavaş kaybolduğu görülür. Bunun yanında makroskobik blok lifleşmesi, diffüzyon yolunun uzunluğu nedeniyle ekonomik bir ısıtma süresi içinde giderilemez. Buna rağmen diffüzyon tavlaması, fazla yabancı madde ihtiva etmeyen çelikler için uygun olabilir. Çünkü bu sırada yabancı maddeler bir araya toplanırlar veya çözünebilirler. Aksi halde bu maddeler, tane sınırlarında çok ince olarak ayrışıp, primer tane sınırları yırtılmalarına sebep olabilir.

Diffüzyon tavlamasının zararları:

Diffüzyon tavlamasında, taneler çok fazla irileşir. Bu nedenle malzemeye, normalize tavlaması yapılarak, yeniden ince tanelerin oluşması sağlanmalıdır.

Çeliklerin diffüzyon tavlaması sırasında cidar bölgelerindeki karbonun, yanarak veya diffüzyonla azalmasını önleyebilmek için, soy gaz içerisinde veya çelik talaşı içine gömülerek korunması gereklidir.

Şekil:1 Diffüzyon tavlaması

a- Tane sınırındaki sülfür segregasyonu.  b- Tavlamadan sonraki iç yapı.  [2]

Uygulama alanı:

Diffüzyon tavlaması yüksek miktarda kükürt ihtiva eden otomat çeliklerine uygulanır. Haddelenmiş yapılar tane sınırlarında sülfür segregasyonları ihtiva ederler (Şekil 1.a). Bunlar diffüzyon tavlaması ile daha ince ve düzenli şekilde yapıya dağılırlar. Alaşımlı çeliklerde kısmen segregasyonlar gösterirler. Alaşım elementlerinin yüksek sıcaklıkta eriyen karbürleri eriyik içerisinde ilk olarak katılaştıkları için kaba birinci kristalleri meydana getirirler. Diffüzyon tavlaması ile bunlar kesit içerisinde daha düzenli olarak dağılırlar, Şekil:1.b. Bu nedenle çözündürme veya dağıtma tavlaması terimleri kullanılır.

Şekil:2 Diffüzyon tavlaması, tavlama sıcaklığının segregasyonların dağılımına etkisi.

a- Dökülmüş    b- 1000’da tavlanmış    c- 1100’da tavlanmış    d-1200’da tavlanmış  [2]

1.1.2. Normalize Tavlaması

Normalize tavlamasının gayesi:

Normalize tavlaması yapmak için çelik Ac₃ sıcaklığından itibaren 20-50 daha yüksek sıcaklığa kadar ısıtıldıktan sonra, sakin havada soğutulur. Böylece iki defa  KÇK dönüşümü yapılarak (Döküm,dövme, sertleştirme ve aşırı ısıtma gibi) daha önceki işlemlerle değişen iç yapı, yeniden ince ve düzgün normal bir iç yapıya dönüştürülür.

Tanelerin yeniden oluşması ve tane sınırlarındaki çekirdekleşme:

Tanelerin yeniden oluşmasına ait örnek Şekil:3.a’da gösterilmektedir. İri taneli Şekil:3.b  %6  C içeren bir çelik ısıtılırsa, sıcaklık Ac₁ noktasına eriştiğinde, perlit ve çok sayıda  % 0.83 C içeren -KÇK’leri oluşur. Daha sonra, tane sınırlarında pek çok çekirdek oluştuğundan tane sınırlarına yakın yerlerde birkaç lamelar perlit kalır. Perlit taneleri tamamıyla -KÇK’leri tarafından çözülünce sıcaklık yükselmeye devam ederse, -KÇK’leri yeni  oluşan ferrit tanelerini dahi çözecektir. Fakat -KÇK’leri nin fazla karbon alışı, karbon miktarı bakımından fakir, ferrit taneleri bakımından kısmen engellenir ve sıcaklık; Ac₃ noktasını geçince iç yapı yeniden %6 C içeren çok sayıda küçük, ostenit tanelerine dönüşür.

Şekil:3a  %0.6 C’lu bir çeliğin normalize edilişi ve şematik olarak iç yapı dönüşümü.  [1]

  

Şekil:3.b  İri Taneli Ötektoid Altı Çelik  [1]

Soğutma sırasında ince taneli Ferrit ağı ve sınırlarında, Ostenit taneleri oluşur. Sıcaklık Ac₁ noktasına kadar düşünce, bu taneler de ince yapılı Perlite dönüşürler, Şekil:3c-3d.

               Şekil:3c Ötektoid altı çelikte, Perlit(koyu)     Şekil:3d  Şekil 1b’de gösterilen çelik   

                              ve Ferrit (açık) ağı                                            normalize tavlamasından sonra  [1]       

 

Başlangıçtaki iç yapının etkisi:

Yeni tanelerin büyüklüğü biraz da başlangıçtaki tanelerin iriliğine bağlıdır. Fakat birkaç defa tane değişimi ile başlangıçta çok iri taneler, istenildiği kadar küçültülebilir.

Isıtma hızının etkisi:

Hızlı ısıtma ile ince taneler oluşmaktadır. Çünkü dönüşüm sıcaklığı yükselir (Hysterese) ve tane çekirdek sayısı artar. Daha sonra, artan kristalleşme zorluğu nedeniyle, pek uygun olmayan noktalar dahi tane çekirdeği gibi rol oynarlar.

Tavlama sıcaklığı ve süresinin etkisi:

Aşırı ısıtma ile yani çok yüksek tavlama sıcaklığında ve uzun bir tavlama süresi sonunda veya tavlama sıcaklığında, uzun süre bekletilen malzemenin,iç yapısı iri taneli olarak oluşmaktadır.

Soğutma hızının etkisi:

Çok yavaş soğutma da, bir dereceye kadar uzun ısıtma süresi gibi rol oynayarak, iri tanelerin oluşmasına neden olur. Ayrıca Ferrit ve Perlitin lifleşme yapmasına ve yabancı maddelerin toplanmasına neden olur. Bu mahsurlar, havadaki hızlı soğutma ile önlenebilir. Hızlı soğutma ile, dönüşüm sıcaklığı da düşer ve çekirdek sayısı da artar ve böylelikle oluşan çok sayıdaki Ferrit kristalleri ve ince yapılı Perlit tanelerinin küçülmesine neden olur. Ostenit tane sınırlarında ayrışan Ferrit ağı, mikroskobik yapıyı kapsadığından bu iç yapı ağıda bariz bir şekilde görülmeyebilir.

Ötektoit üstü çeliklerin, normalize tavlaması:

Ötektoid üstü çeliklere, normalize tavlaması yerine yumuşatma tavlaması işlemi yapılır. Ac_cm sıcaklığı üzerine kadar ısıtma da, iri taneli, bir ostenit oluşur ve daha sonraki yavaş  soğutma sırasında sekunder Sementit ağı meydana gelir. Şekil:3.e ve bu, Sementit yumuşatma tavlaması ile çok zor giderilebilir. Fakat bu şekildeki tavlama işlemi, bazen ara ısıl işlem olarak, yani iri taneli sekunder Sementit ağını parçalamak ve yeniden oluşturmak için yapılır. Hava yağ içerisinde hızlı soğutma ile iri tanelerin yeniden oluşması önlenir veya hiç olmazsa ince yapılı yapı oluşması sağlanabilir ve buda daha sonra yapılacak olan yumuşatma tavlaması ile kolaylıkla giderilebilir.

Şekil:3.e  Ötektoit üstü çelikte, tane sınırı sementiti.  [1]

1.1.3 Tavlama İle İri Taneler Yapma:

Gaye:

Malzemenin daha iyi talaş kaldırma özelliğine kavuşması için uygulanır. Az karbonlu çelikler iri taneli, yani normal durumlarına göre daha az sünek hale getirdiklerinde bu durum ortaya çıkar. Aksi taktirde talaş kaldırma esnasında kolaylıkla yırtılmalar meydana gelir ve pürüzlü bir yüzey teşkil eder.  

İç olaylar:

Tane büyümesi nedeniyle iri taneli bir yapı meydana gelir. Tane büyümesi, çeliğin içerindeki metalik olmayan kalıntıların tesirine yakından bağlı olduğundan, çeliğin ergitme çeşidine göre farklılıklar gösterir.

Yüksek sıcaklıkta tavlama:

Tavlayarak iri taneler yapmaya “aşırı ısıtmada” denir. Normalize sıcaklığına kadar ısıtılan malzemenin Ar₁ noktası sıcaklığına kadar mümkün olduğu kadar yavaş soğutulması ile temin edilir. Böylece ötektoid altı çeliklerde iri taneli perlit parçalanacak ve uygun tane iriliğinde, lamelar perlit oluşacaktır. Ar₁ sıcaklığının altında, soğutma daha hızlı yapılabilir.        

Uygulama alanı:

İri tane tavlaması düşük karbonlu (<0,2 %) çeliklerde en iyi talaş kaldırma özelliğini elde etmek amacı ile kullanılır. Yumuşak mağnetik malzemelerde (dinamo sacı) de iri taneli bir iç yapı arzu edilir.

1.1.4 Yumuşatma Tavlaması:

Taneli perlit:

Yumuşatma tavlamasının gayesi “küresel taneli perlit” yapmaktır. Böylece ferritik içyapı içinde, taneli sementit, yumuşak bir malzeme oluşturur ve bunun talaşsız veya talaş kaldırılarak işlenmesi çok kolaylaşır (özellikle derin çekme işlemleri de kolaylaşır). Karbon miktarı %5’den daha az olan çelikler, yumuşak tavlandıktan sonra talaş kaldırılarak işlenirken sıvandıklarından, işleme yüzeylerinin iyi ve temiz olması sağlanamaz. Bu gibi hallerde normalize tavlaması yapılmış veya yüksek sıcaklıklarda tavlanarak oluşturulan iç yapı tercih edilir.

İç olaylar:

Malzeme Ac₁ sıcaklığının (PSK-eğrisi) hemen altında ısıtıldığında lamelli sementit perlit içerisinde topaklaşarak küresel  hale gelir. Bu olayın nedeni cisimlerin yüzey gerilimidir.

Atomlar (veya moleküller) yeterli derecede hareket etme kabiliyeti kazanınca, en küçük yüzeyli bir şekil, yani bir küre haline gelmek isterler. İdeal olan şekli örnek olarak su yağ içinde veya yağ su içinde alır. Katı cisimler içinde hareket kabiliyeti daha düşüktür; bu nedenle ideal olan küre şekline erişilemez.

Yüzey gerilimi sonucu lamelli perlit taneli perlit  haline geçer, Şekil:4 a.b

 

Şekil: 4 Yumuşatma tavlaması   [2]

Sementit lamelleri şekil değiştirebilirler. Tane sınırı sementiti bu arada daha bozulmaz ancak tavlama sıcaklığı Ac₁’in (PSK-eğrisi) üzerine çıkarıldığı zaman kısmen ostenit içinde çözünür. Aynı anda bu sıcaklıkta perlit kristallerinin de ostenite dönüşmesi olayı vukua gelir. Lamelli sementitin çözünmesi belirli bir zaman ister. Her şey çözeltiye geçmeden sıcaklık düşürülür. Çok küçük sementit artıkları böylece çekirdek vazifesi görebilirler. Bundan ötürü sementit, perlit teşekkülü sırasında lamelar değil, küçük küresel taneler şeklinde kristalleşir. Sıcaklığın bir çok kereler A₁ dönüşüm noktası etrafında artırılıp düşürülmesi sonucu tane sementiti ağı da beraberce şekil değiştirir ve küresel hale gelir.

Sementit tanelerinin şekillendirilmesi:

En basit yumuşatma tavlaması  Ac₁ sıcaklığına yakın sıcaklıklarda malzemeyi birkaç saat ısıtmakla yapılır. Bu arada, sertleşmiş iç yapı soğuk şekillendirme pekleşmesi giderilir ve Perlitin, Sementit lamelleri (uzun süre tavlandıktan sonra da) taneli perlit sementit haline dönüşür. Bunun izahı şöyle yapılabilir. Yüzey gerilmesi etkisiyle, Sementit lamellerinin bir kısmı, Ferrit içinde çözünür ve diğer noktalarda tekrar ayrışır. Böylelikle, sementit küçük parçalara bölünerek küreler haline geçer, Şekil:5.a.

           

Şekil: 5a  %0,73 Karbonlu yumuşak tavlanmış çelik.  [1]

                                      Şekil:5b Alaşımsız çeliklerin, yumuşatma tavlaması sıcaklığı.  [1]                  

Tavlama sıcaklığı ( Pandül tavlama ):

Sementitin kısa zamanda şekillenebilmesi için malzeme Ac₁ noktası sıcaklığının üzerine kadar ısıtılır veya bu nokta etrafında, bir aşağı bir yukarı değiştirilir. Bundan sonraki soğutma işleminin özellikle yavaş yapılmasına dikkat edilir. Ötektoid altı çeliklerde Ac₁ sıcaklığı üzerine kadar ısıtılınca, henüz ayrışmayan Sementit taneleri, soğuma sırasında Ar₁ sıcaklığı altında, taneli Sementitin çekirdeği gibi rol oynarlar. Bu arada arta kalan sementit, ötektoid altı çeliklerde kolayca çözünür. Çünkü Ferritin bir kısım Sementiti çözmesiyle, Ostenit de Karbon alabilir duruma gelir. Bu nedenle sıcaklık Ac₁ in çok az üzerine çıkabilir veya en iyisi Ac₁ sıcaklığının altında kalınır. Bunun yanında, ötektoid üstü çeliklerde artık Sementit Ac_cm sıcaklığına kadar dayanabilir. Bunun için Ac₁ oldukça üzerine kadar tavlama veya pandül tavlaması yapılması gereklidir. Çünkü büyük Sementit  taneleri, küçük tanelere göre  çok daha zor çözündüğünden, pandül tavlaması sırasında, Sementit bir araya toplaşarak küreselleşmektedir.

Yumuşak tavlama sonuçları:

Tavlama sonunda, Sementit taneleri küçüldükçe, çelik yumuşamaktadır. Karbon miktarı %8 olan bir çeliğin yumuşatılmasında, orantılılık sınıfı, çekme mukavemeti ve sertlik değerleri, yarı yarıya azalırken, kopma uzaması ve kopma büzülmesi değerleri yaklaşık üç kat artar. 

Yumuşak tavlama başlangıcındaki iç yapının etkisi:  

 İnce lamelli Perlit (diffuzyon yolunun kısa olması nedeniyle), iri taneliden daha kolay yumuşatılabilmektedir. Perlit taneleri iri olduğunda yumuşatma tavlamasından daha önce, bir normalize tavlaması yapılabilir. Keza daha önceki su verme soğuk şekil değiştirme işlemlerinin de iyi etkileri vardır.

Uygulama alanı:

Bütün çeliklerde talaşsız işlemler için elverişli bir başlangıç iç yapısı üretmek, 0,5% C’dan fazlasını ihtiva eden çeliklerde talaşlı işlemlere hazırlama, takım çeliklerinde sertleşmeye hazırlık gayesi ve su verme sertliğini gidermek maksadı ile uygulanır.       

1.1.5 İç Gerilmeleri Giderme Tavlaması

Dökümden, bir sıcaklık şekillendirmeden ve ısıl işlemden sonra kesit boyunca meydana gelen farklı soğumalar nedeniyle, ayrıca kaynak yapma ve soğuk şekillendirme sırasında malzeme içinde iç gerilmeler oluşmakta ve parçayı deforma etmekte veya çatlama dahi, yapabilmektedir. Bu iç gerilmeler, tavlama, ile bir miktar azaltılabilir. Tavlama sıcaklığı 650 ise (Ostenitik yapılı çelikler hariç) malzemenin orantılılık sınırı ile iç gerilmeler, yaklaşık 20-40 N/mm²’ye düşer. Sıcaklık 450 iken, iç gerilmeler yarı yarıya azalır. Fakat iç gerilme giderme tavlaması, alışkanlık olarak 550-650 sıcaklıkları arasında yapılır. Tavlama sıcaklığı Ac₁’in oldukça altında olmalıdır ki; malzemede istenilmeyen bir iç yapı değişikliği meydana gelmesin. İç gerilme giderme tavlaması sıcaklığı daha önce yapılmış olan meneveşleme tavlama sıcaklığının da altında bulunmalıdır.          

İç olaylar:

Iç yapı gerilme giderme tavlaması sırasında değişmeye uğramaz. Yüksek sıcaklıklarda çeliğin akma sınırı düşer, Şekil:6. İç gerilmeler yüksek ise, malzeme kendini bırakır. Çekme gerilmesi ihtiva  eden lifler uzar; basma gerilmesi altındaki lifler ise kısalır. Bu sırada gerilmeler giderek azalır ve sonunda sadece artık bir gerilme kalır. Artık gerilmenin büyüklüğü çeliğin tavlama sıcaklığındaki akma sınırı kadardır.

Çelik soğuk şekil değiştirmiş ise, gerilme giderme tavlaması sonucu yeniden kristalleştirme (tekrar kristalleştirme) neticeleri ile beraber vuku bulur.   

                    Şekil:6  Çekme mukavemetinin ve akama sınırının yüksek sıcaklıklarda düşmesi  [2]

İç gerilme giderme tavlaması sırasında en önemli şart:

İç gerilme tavlaması yapılacak parça, belirli bir sıcaklığa kadar ısıtıldıktan sonra gayet yavaş olarak soğutulmalıdır. Soğutma sırasında, parça kesitlerinde büyük bir sıcaklık farkı doğmamalıdır, yani soğutmanın fırında yapılması gereklidir.

Uygulama alanı:

Sıcak dövülmüş ve dökülmüş malzemelere talaş kaldırma işlemi uygulanmadan önce, dar tolerans aralıklı parçalara yüzey temizlemeden evvel,ve kaynak yapılmış parçalara uygulanır.

Büyük kaynak konstrüksiyonlarında, kaynak dikişinin yanındaki bölgeler bölgesel olarak alevle tavlanır ve hemen arkasından su püskürtülerek gerilmeleri giderilir. Bu işlem sırasında yapılacak işlerin çok dikkatli bir şekilde sıralanması gerekir.

Normalizasyon ve yumuşatma tavlamaları, gerilme giderme tavlaması ile bir arada düşünülebilir. Bunun normalizasyon veya yumuşatma tavlaması sırasında 600 ’dan sonra yavaş bir soğutma gerilmeleri gidermeye yeterlidir.

1.1.6. Rekristalizasyon Tavlaması ( Yeniden Kristalleştirme )

Soğuk sertleşmeyi gidermek ve soğuk şekil değiştirmeden sonra azalan uzama kabiliyetini yeniden kazanmak amacı ile uygulanır.

Rekristalizasyon tavlaması sıcaklığı alaşımsız çelikler için 600-700,alaşımlı ve yüksek oranda alaşımlı çelikler için ise 600-800’dir. Rekristalizasyon tavlaması sıcaklığı, artan şekil değişikliği ile azalmaktadır.

Tavlama sıcaklığının etkisi:

Rekristalizasyon tav sıcaklığı artıkça, rekristalizasyon için gerekli zaman kısalır. Böylece örneğin: Deformasyon miktarı aynı olması halinde, alaşımsız çelikler 700sıcaklıkta 5 dakika bekletilirken, aynı işlemin 600sıcaklıkta yapılabilmesi için 2 saat gereklidir.            

Tane irileşmesi:

Sıcaklık artıkça tane irileşme hızı da artar. Bunun için kalınlığı az fakat düzgün şekilli parçalar, ekonomik nedenlerle yüksek sıcaklıkta, fakat kısa süreli tavlanır. Fakat büyük ve kütle dağılımı farklı olan parçalara, alçak sıcaklıkta ve uzun süreli tavlama yapılır. Alçak sıcaklık ve uzun süreli tavlama ile, iç yapıda oluşan iri taneler, parçaya henüz zarar verecek kadar, büyük değillerdir.

Uygulama alanı:

Yarı mamullere; (ince sac için soğuk hadde ürünleri, tel,boru ve profil çekiminde) soğuk şekil verme işlemi sırasında malzeme serleştiği için işlemler arasında malzeme yeniden şekil değiştirebilir hale getirilebilmelidir. Bu nedenle yeniden kristalleştirme tavlamasına ara tavlama denilir. Derin çekme parçaları içinde gerekli bir tavlama türüdür.

Derin çekme parçalarında düşük şekil değiştirmiş bölgelerin oluşmasına engel olunamaz. Bu bölgedeki iri taneli yapı normalizasyonla giderilebilir. Kullanılan düşük karbonlu çeliklerde normalizasyon sıcaklığı yüksektir(900). Enerji sarfiyatının fazla olması ve aşırı oksitlenme (kavlanma gibi) tehlikesi nedeni ile sadece “bir” yeniden kristalleşme tavlaması ile yetinilir.

Burada bir noktayı hatırlatmakta fayda vardır. Preste kesilmiş veya delinmiş. Makasla kesilmiş ve presle kenar yapılmış sac ve profillerin her türlü ısıtılması sonucunda, kaynak yapma ve alevle doğrultmada olduğu gibi, soğuk şekil değiştirmiş bölgelerde yeniden kristalleşerek tane büyümesinin meydana gelme tehlikesi mevcuttur.  

Şekil:7.a’da, soğuk şekil değiştirmeden sonraki bir iç yapı görülmektedir. Taneler uzamış ve daralmıştır. Yeniden kristalleşme tavlamasından sonra, Şekil:7.b yeni taneler normal ve yuvarlak şekilde büyümüşlerdir.

                                              Şekil:7 Yeniden kristalleşme tavlaması

                a- Soğuk şekil değiştirmiş yapı      b- Yeniden kristalleşme tavlamasından sonra

                                                                             biraz daha iri taneli hale getirilmiş iç yapı    [2]

                       

1.2 Su Verme (Sertleştirme)

Gaye:

Takım çeliklerinin mümkün olan en yüksek sertlik derecesine ve aşınma mukavemetine sahip olmaları istenir.  Bu arada soğuk şekil değiştirme kabiliyeti kaybolur ve süneklik çok düşer.

İç olaylar:

Ostenitin perlit haline dönüşmesi ancak çok yavaş bir soğuma sonucu mümkündür. Soğuma hızlandırılırsa, dönüşüm noktaları Ar₃ ve Ar₁ daha düşük sıcaklıklara kayar (atomların tembelliği  =  histerezis neticesinde) aynı zamanda atomların  dolaşabilmesi, yani diffüzyon zorlaşır. Atomlar yavaş soğuma sonucu meydana getirebildikleri kristal şekillerini oluşturacak gerekli zaman bulamazlar.

Şekil:8a  Ostenitin soğuma hızına bağlı olarak yaptığı dönüşümler.  [2]

Şekil:8.a’da soğumanın teşekkül eden iç yapıya etkisi görülmektedir. 0.4% C’ lu bir çelik yavaş olarak, yani fırın içerisinde soğutulursa aynı miktarda Ferrit ve Perlitten meydana gelen bir iç yapı oluşur. Daha hızlı bir soğutma da, mesela hareketsiz havada, ostenit daha az ferrit kristali ihtiva eden bir iç yapıya dönüşür. Zira GS- eğrisinin altında başlayan ferrit teşekkülü kısmen engellenmiştir. Ferrit sürekli  bir ağ şeklinde tane sınırlarında yer alır,  Şekil:8.a. Daha hızlı bir soğutma sonucu (mersela, kurşun banyosu içinde soğutma) ince lamelar perlitten meydana gelen saf perlitik bir iç yapı teşekkül eder. Bu arada ostenitten ferrit ayrışması tamamen engellenmiştir. Çelik şayet hepsinden daha hızlı olarak mesela yağda soğutulursa,  perlit teşekkülü dahi engellenir ve yeni bir kristal çeşidi olan iğneli yapıdaki martenzit ile çok sıkı perlit kristalleri meydana gelir. Perlit kristalleri kısmen bir çekirdek etrafında büyüyerek rozet şeklini almışlardır. Su içerisinde soğutmada ise ; perlit teşekkülü tamamen engellenmiş olur ve ostenit bütünüyle martenzit haline dönüşür.  

Tam bir sertleşme sağlayabilmek için mümkün olduğu kadar saf bir martenzitik iç yapı oluşturulmalıdır. Aynı sonuca perlit teşekkülünü tamamen önleyerek de varılır.

Martenzit :

Martenzit, karbon çözündürmüş ostenitin düşük sıcaklıkta kafes dönüşümüne uğraması sonucu karbon diffüzyonunun engellenmesiyle oluşur.

Martenzit, g- kristal kafesinin, karbon atomlarının yer değiştirilmesine meydan verilmeden, dönüşmesi neticesinde a- Demirin kübik hacim merkezli kristal  kafesinde normal olarak karbon atomlarına yer yoktur. Bu nedenle kafes şekil değiştirir ve tetragonal hale gelecek  şekilde uzar. Bu kristal kafesi sürekli ( kesiksiz) kayma düzlemleri ihtiva etmediği için şekil değiştiremez. Her türlü şekil değişimine karşı yapı yüksek  bir mukavemet (yüksek bir sertlik) gösterir. Çok büyük kuvvetler karşısında malzeme önceden şekil değiştirmeden kırılır. Şekil:8.b’de bir martenzit birim kafesi ve mümkün olan karbon yerleşme noktaları görülmektedir.

             Şekil:8.b Martenzitin birim kafesi çizgili olarak     Şekil:8.c Soğuma hızının A₃ ve

                             gösterilen bölgelere bir karbon atomu                      A₁ noktalarının durumuna etkisi  [2]

                             yerleştirilebilir. 

Soğuma hızı arttırıldıkça A₁ ve A₃ dönüşüm noktaları giderek aşağıya kayarlar, Şekil:8.c ve belirli bir soğuma hızının üzerine çıkılınca tamamen kaybolurlar. Yeni bir dönüşüm noktası olan martenzit noktası M_s (martenzit teşekkülünün başlama noktası) ortaya çıkar. Bu başlama noktası, çeliğin ihtiva ettiği karbon miktarına göre değişen sıcaklıklarda bulunur, Şekil:8.d üst eğri.

Bu eğrinin üzerinde çelikler ostenitten (alt soğutulmuş ostenit de denir) meydana gelirler. Normal olarak ostenit sadece PSK-eğrisi üzerindeki sıcaklıklarda  var olabilir.kritik soğutma hızı V_k ile soğutularak osteniti daha düşük sıcaklıklara indirmek mümkündür; ancak bu sıcaklıklarda ostenit çok kısa bir süre varlığını sürdürebilir.

Martenzit teşekkülü, perlit teşekkülü gibi sabit sıcaklıklarda vuku bulmaz. Şekil:8.d’deki alt eğri bütün M_f noktalarının (f indisi İngilizce finish= son kelimesinden gelir) vukua geldiği eğridir. Bu eğriden, yüksek karbonlu çeliklerde martenzit teşekkülünün oda sıcaklığında daha son tutmadığı görülür. Yüksek karbonlu çeliğin M_f noktası oda sıcaklığının altındadır. Bu tip çeliklere su verildiği zaman iç yapıları martenzit yanında bir miktar artık ostenit’den meydana gelmesi nedeni ile bütün iç yapının sertliğinde bir azalma olur. (Şekil:9’a bak)      

 

           Şekil:8d  Martenzit teşekkülünün başlaması ve sonu

              Şekil:8e Çeliklerin karbon miktarına bağlı olarak tavlama sertliği ve su verme sertliği  [2]

Uygulama usulü:

Sertleştirme usulü üç ara işleme ayrılabilir : su verme sıcaklığına kadar ısıtma, su verme ve temperleme. Uygulama şekli çeliğin karbon miktarına bağlıdır. Alaşım elementlerinin tesiri de çok büyüktür. İlk olarak alaşımsız çeliklerin sertleştirilmesi incelenecektir.

Isıtma:

Sertleştirme için çeliğin önce “ostenitleşmesi” gerekir; yani çeliğin Ac₃’ün üstündeki   sıcaklıklara kadar ısıtılması ve perlitin tamamının (çekirdeği dahil) ostenite dönüşmesine kadar bekletilmesi lazımdır. Isıtmada aşırıya kaçılırsa, iri ostenit taneleri teşekkül eder. Bunun neticesinde sertleştirilmiş yapı olumsuz yönde etkilenir ve iri iğneli bir yapı meydana gelir.

Esas sıcaklığın altına ısıtma sonucunda hatalar doğar. Ostenit arasında, su verme sırasında, martenzit haline dönüşemeyen ferrit artıkları kalır. Neticede martenzitik iç yapının arasında yumuşak ferrit lekeleri görülür.

Perlit üstü çelikler tamamen  ostenit haline getirilemezler. Bu durumda su verme sonucu sertliğin daha az olduğu görülür, Şekil.8.e’ de ki gibi. Alttaki eğri Şekil:8.e çeliklerin normalleştirilmiş durumdaki sertliğini göstermektedir (tabi sertlik de denilebilir). Üstteki eğri ise,su verme ile çeliğin tamamen martenzit haline dönüşmesi sonucu sahib olduğu sertliği vermektedir. 0.2% C  miktarından daha azını ihtiva eden çelikler buna göre su verme neticesinde hemen hemen sertleşmezler. Karbon miktarının artması ile erişilebilecek sertlik derecesi de yükselir. 0.9 %  C ihtiva eden  çeliklerin en yüksek sertliğe de erişilmiş olur. Daha fazla C ihtiva eden çeliklerin sertliği fazla değildir; buna karşılık aşınma mukavemetleri yüksektir. Perlit üstü çeliklere yanlış sıcaklıkta (Ac_cm üstünde, SE-eğrisi)su verilirse, sertlikleri de gittikçe azalır ( Şekil:8 kesik çizgili eğri ). Çok miktarda oluşan artık ostenit toplam sertliği düşürür.

Perlit üstü çeliklerin sertleştirilmesinde en doğru sıcaklık SK-eğrisinin yaklaşık 40        

üstündedir; yani 760 dir. Şekil:8.e’de, solda 1.3 % C miktarlı bir çeliğin doğru sertleştirilmiş iç yapısı görülmektedir. Tane sınırı sementitinin daha önce yumuşatma tavlaması ile taneli hale getirilmesinde yarar vardır. Sertleştirilmiş bu iç yapı Şekil:9.a martenzitik bir ana kütle içerisindeki sementit taneciklerinden meydana gelmiştir. Şekil:9.b’de sağda ise, aynı çeliğin 1100’de iken su verilmiş hali görülmektedir. Bu sıcaklıkta ikinci sementit ostenit içerisinde çözünmüştür. Tane büyümesi meydana gelir. Su vermeden sonra iri iğneli bir martenzitik yapı ve çok miktarda artık ostenit ortaya çıkar. Toplam sertlik daha düşüktür. 

Şekil:9  1,3 % karbonlu, alaşımsız bir çeliğin iç yapısı

                  a-Doğru sertleştirilmiş, şekilsiz bir        b- Aşırı ısıtılarak setleştirilmiş, yumuşak 

                  yapı içerisinde taneli sementit.                artık ostenit içerisinde kaba martenzit

                                                                                   iğneleri.   [2]

Perlit üstü çelikler sertleştirilmeden önce yumuşatıcı bir tavlamaya (yumuşatma tavlamasına) tabi tutulursa, sementit taneni bir şekilde yapıda bulunur ve sertleştirme sırasındaki ısıtma işleminde ostenit içerisinde daha kolay çözünebilir. Bunun neticesinde yüksek sıcaklıkta bekleme süreleri kısalır ve tane irileşmesi tehlikesi azalır.

Su verme :

Su verme ortamı, çeliğin ısısını, parçanı kritik soğuma hızını aşacak şekilde, emmelidir. Ancak bu şekilde ostenitten martenzitik bir iç yapı teşekkül eder. Kritik soğuma hızı v_k çeliğin kimyasal bileşimine bağlıdır ve alaşımsız çeliklerde karbon miktarı azaldıkça bu hız yükselir. Alaşım elementleri, özellikle manganez kritik soğuma hızını düşürürler, Tablo:1.

Tablo :1 Manganez miktarına bağlı olarak

                kritik soğuma hızı

                                                                                       Şekil:10  Çeşitli sıcaklık bölgelerinde  

                                                                                                        ostenitin parçalanması

Yüksek soğuma hızının oda sıcaklığına inilinceye kadar devam etmesine gerek yoktur. Sadece ostenitin perlite dönüşmesini önlemek yeterlidir. Şekil:10’da görüldüğü gibi, bu dönüşüm 550civarında özellikle çabuk vuku bulmaktadır. Bu sıcaklıkta ostenit saniyeden daha kısa bir zamanda derhal ince lamelli perlit haline dönüşür. Osteniti dönüşüme uğratmadan (v_k’dan daha hızlı soğutarak) yaklaşık 300sıcaklığına indirebilmek mümkün olursa, dönüşümün vuku bulma hızı oldukça yavaşlar. Bu sıcaklıktan itibaren çelik  daha yavaş soğutulabilir. Ms sıcaklığında martenzit teşekkülü başlayana kadar oluşacak perlit miktarı çok azdır. Bu olaydan gecikmesiz (bekletmesiz) serleştirme usulünde faydalanılır.

Tamamen sertleştirme:

Kalın kesitli parçalarda, çeliğin kötü ısı iletim kabiliyeti büyük sıcaklık farklarının ortaya çıkmasına sebep olur. Parçanın dış yüzeylere yakın kısımları doğrudan su verme ortamı ile temas halinde bulunduğundan iç (merkez) kısımlarından daha düşük sıcaklıkta bulunur. Parçanın dışı oda sıcaklığına indirildiğinde içi daha 200....400 sıcaklıkta bulunur. Merkezde kritik soğuma hızına erişilmediğinden martenzitik iç yapı teşekkül etmez. Malzeme bu nedenle tamamen sertleşmemiştir; yalnız kısmi sertleştirme derinliğine kadar martenzitik bir yapıya sahiptir. Merkeze yaklaştıkça giderek daha fazla ince lamelli perlit görülür.

Alaşımsız çeliklerin kısmi sertleşme derinlikleri yaklaşık olarak 5....7 mm arasındadır; yani maksimum 15 mm çapındaki yuvarlak bir parçanın tamamen sertleşmesi ancak mümkün olabilmektedir. Kısmi sertleşme derinlikleri şu şekilde büyütülebilir:

1 – Daha yüksek sertleştirme sıklıkları uygulayarak. Bu tedbir tane irileşmesi tehlikesi nedeni ile sınırlanmıştır. Aksi taktirde iri iğneli martenzitik bir yapı oluşur. Perlit üstü çeliklerde  ise artık ostenit oranı yükselir.

2 – En uygun soğutma tesiri gösterecek su verme ortamları. Mesela, suya 10 % Na OH veya siyan tuzu ilave edersek maksimum soğutma alanı genişler. Tuzlu su uzun süren kaynama periyodunda dahi parçadan fazla ısı çektiğinden, parça merkezinde de kritik soğuma hızının aşılması mümkün olur.           

     

İdeal bir su verme ortamı en yüksek soğutma kabiliyetini, parçanın dış kısımları perlit teşekkül sıcaklığına yaklaştığında, etki eritir ve ancak parça merkezi de bu sıcaklığı, dönüşüme uğramadan atlattıktan sonra, soğutma hızını düşürür.

Isı gerilmelerinin artma ihtimali ve çatlama tehlikelerinin mevcut olması nedeni ile tuzlu suyun kullanılma alanı sınırlanmıştır.

3-Alaşımlı çeliklerin kullanılması. Sertleştirme sıcaklıklarında ostenit içinde “çözelti” halinde bulunan alaşım atomları perlit teşekkülü sırasında diffüzyona uğrarlar. Diffüzyon sırasında perlit teşekkül eder. Şekil:10’daki “burun” kısmı bu nedenle kısalır ve daha düşük sıcaklıklara kayar; ya...kritik soğma hızı küçülür, Tablo:1. Bu nedenle normal bir soğutma ile kalın parçaların merkezlerinde daha kritik soğuma hızı aşılabilir. Parçanın kesiti büyüdükçe birleşimdeki alaşım elementi oranı da artmalıdır.

Alaşımlı çeliklere bu nedenle genel olarak yağda su verilir. Yüksek miktarda krom ve manganez ihtiva eden çelikler ise, hareket halindeki havada sertleştirilebilirler. Daha yüksek miktarda alaşım ihtiva etmesi hallerinde, mesela 15 % Ni ve 0.4 % C, yavaş soğutma sırasında dahi perlit dönüşümüne uğramayan ostenitik durumdan derhal martenzitik hale geçen çelikler meydana gelir. Bu çeliklerin kullanma alanı geniş değildir; zira sadece taşlanarak işlenebilirler.

Çeliklerin ihtiva ettikleri alaşım elementlerinin oranları tolera edilmiştir. Alışımsız çelikler bile 0.8% mangenez ve 0.5% silisyum ihtiva eder. Çeşitli şarjlardan gelen aynı çelik çeşitleri bu nedenle farklı kuvvetle sertleşirler. Benzer şekilde bir çeliğin sertleşme sırasında göstereceği davranışlar, çeliğin ergitilme ve dökülme usullerine de bağlıdır. bunun nedeni çeşitli üretim usulleri sırasında iç yapı içerisinde kalan çok küçük metalik olmayan kalıntılardır. Bunlar su verme esnasında istenmeyen bir olay olan perlit teşekkülünü başlatan çekirdekleri meydana getirirler; yani sertleşme kabiliyetini azaltırlar. Aynı nedenle çeşitli yarlerden alınmış çelikler de sertleşme farklı şekillerde gerçekleşir.

Sertlik gerilmeleri ve sertleşme dolayısıyla meydana gelen çekmeler:   

Atölye çalışmaları sırasında su verilmiş parçaların ölçü ve şekil değişimine uğradıklarını görmüşüzdür: uygun olmayan durumlarda çatlamaların oluşması dahi olağandır. Bu çatlamalar, düzensiz soğuma nedeni ile parçanın içerisinde hasıl olan iç gerilmelerden dolayı ortaya çıkar.

Malzeme su verme ortamına batırıldığında dış yüzeyleri derhal soğur ve kendini çeker; ancak halen sıcak olan merkez, bu hareketi engellemeye çalışır, Şekil:11. Dış yüzeyde çatlamalara neden olabilecek çekme gerilmeleri meydana gelir. Soğumanın devamı sırasında bu defa parçanın merkezi kendini çekmek isteyecek ve soğuk dış yüzeyler tarafından engellenecektir. Merkezde çekme gerilmeleri hasıl olur ve iç çatlamalara neden teşkil eder.

Şekil:11  Su verme sırasında ısıl gerilmelerin teşekkülü   [2]

Bu gerilmeler merkezle cidar arasındaki farklı sıcaklıklar dolayısıyla oluştuklarından, ısıl gerilmeler olarak adlandırılır. Ayrıca dönüşüm gerilmeleri de su verme esnasında görülür. Martenzit genişlemiş olan kristal kafesi ile 1 % oranında bir hacim büyümesine neden olur. Dış yüzeyler martenzitik yapıya dönüşürlerse ve merkezde daha sertleşmemiş ise, merkezdeki çekme gerilmeleri yükselir.

Simetrik parçalarda bu gerilmeler genellikle birbirini denge halinde tutarlar. Simetrik olmayan parçalarda ise kısalmalar (çekilmeler) görülür. Çatlaklar hatalı bölgeler olduklarından malzemenin hazırlanması sırasında yeni işlemler gerekebilir ki, martenzitik yapıda bu ancak taşlama ile mümkündür. Ekonomik bir malzeme hazırlama yolu, düşük gerilmeli sertleştirmedir ve şu şekilde yapılır:

1- Su verme ortamı çeliğin karakterine tam uygun olarak seçilir; yani her sıcaklıktaki su verme etkisi; sadece perlit teşekkülüne engel olacak büyüklükte bir su verme ortamı kullanılır. Daha büyük soğutma etkisi istenmez. Bu şekilde ısıl gerilmeler mümkün olan en düşük değerlerde tutulur.

2- Su verme sırasındaki ani sıcaklık düşüşü iki kademeye bölünür. Bu iki kademe arasında yaklaşık olarak 300.... 400ısıl gerilmeler dengelenir; zira çelik halen ostenitik durumdadır. Yani düşük sıcaklıklara göre daha sünektir. Dönüşüm gerilmeleri, ancak soğumanın ince kademesinde ortaya çıkar. düşük gerilmeli sertleştirmenin diğer bir imkanı da inkıtalı (kesikli) sertleştirme ve sıcak banyo içerisinde sertleştirme usullerinde uygulanır

Düşük gerilmeli su verme sertleştirmesi    

Düşük gerilmeli su verme sertleştirmesinde, çeliğe iki bölümde su verilir: İlk önce çabuk tesir eden bir madde ile perlit teşekkül bölgesi atlatılır ve ostenit-perlit dönüşümünün çok yavaş vuku bulduğu bir sıcaklığa indirilir. Daha sonra orta hızda soğutan bir madde kullanılarak çelik oda sıcaklığına kadar soğutulur. Isıl ve dönüşüm gerilmeleri bu sırada aynı anda ortaya çıkmazlar.

Kesikli su verme:

Çeliği ilk önce suda su verilir. Daha sonra çıkarılarak yağ içerisinde oda sıcaklığına kadar soğutulur. Çeliğin suda kalma süresi, sertleştirme işinin yapan kişi tarafından tecrübelere dayanılarak tespit edilir, Şekil:12. 

Şekil:12’de de görüldüğü gibi, kesikli su vermede, çelik su içerisinde Ms noktasının biraz üzerine kadar soğutulur ; sonra oda sıcaklığına kadar olan soğutma yağda yapılır.

Kademeli sertleştirme (sıcak banyo sertleştirmesi, termal sertleştirme):

Kademeli sertleştirmede ısıtma ve su verme ortamları olarak tuz eriyikleri ve sıcak yağlar kullanılır. Çelik kademeli olarak ısıtılır. Mesela, ilk önce oda sıcaklığındayken 300da ki bir banyoya daha sonra 600 ’da ki bir banyoya, son olarak da sertleştirme sıcaklığındaki bir banyoya batırılır (koyulur). Isıtma işlemi, bütün yapı aynı sıcaklığa gelene kadar sürdürüldükten sonra, martenzit noktası sıcaklığının (Ms) biraz üzerindeki bir banyoda su verilir. Çelik, banyo içerisinde bir süre bekletilerek sıcaklığın yapı içinde eşit bir şekilde dağılması sağlanır. Bu sıcaklıkta çelik daha ostenitik yapıda olduğu için hızla dönüşüme uğraması  imkanı mevcuttur. Ancak martenzit noktasından oda sıcaklığına yapılan bir soğutmadan sonra bu tehlike ortadan kalkar ve yavaş yavaş  martenzit oluşmaya başlar. Bu soğutma işlemi hareketsiz havada veya yağda yapılabilir, Şekil:12.

Şekil:12 Su verme çeşitleri  [2]

1-Normal su verme sertleştirmesi

2-Kesikli su verme

3-Kademeli sertleşrime

Tuz banyoları ısıyı yağ veya suya göre daha yavaş çektikleri için bu tip sertleştirmeler sadece küçük kesitli, alaşımlı çelikler için kullanılır. Yüksek alaşımlı çelikler kesitleri büyük olsa dahi, tuz banyolarında sertleştirilebilir.

Temperleme :

Bütün hatasız su  verilmiş parçalar cam sertliğinde ve cam kırılganlığındadır. İstenilen şekilde kullanılmaları için belirli bir sünekliğe gerek vardır. Aksi taktirde basit bir darbe sonucu derhal kırılırlar. Bu sünekliğe temperleme sonucu erişilir. Temperlemenin manası su vermeden sonra tekrar ısıtmadır.

Temperleme sıcaklıkları 150....650  arasındadır  ve çelik çeşidi ile çeliğin ısıl işlemden sonra hangi gaye ile kullanılacağına bağlıdır. çeliğin özellikleri Şekil:13’de de görüldüğü gibi temperleme sıcaklığının yükselmesi ile değişir. Yüksek sertlik ve mukavemet başlangıçta çok az etkilenir; daha sonra bu değerler kuvvetle değişerek yumuşatma tavlamasına uğramış durumdaki değerlere yaklaşırlar. Uzama kabiliyeti ve süneklik ise ters olarak değişir.  Belirli temperleme sıcaklıklarında malzeme en  yüksek  süneklik değerine erişir ki, bu değerin normalleştirilmiş durumdakinden daha yüksek olması  mümkündür. Her malzemenin kendisine ait bir temperleme diyagramı vardır.

Şekil:13 Islah etme diyagramı. Temperleme sıcaklığının, cam sertliğine erişecek şekilde su verilmiş % 45

               karbonlu bir çeliğin özelliklerine etkisi  [2]

İç olaylar:

Temperleme sıcaklığının artmasıyla ısıl gerilmeler sertlik azalmayacak  şekilde, birbirlerini  dengelerler ve bu arada kırılganlık da düşük seviye ye indirilir. Bu gerilme giderme işlemi için 180’ye kadar olan sıcaklıklar gereklidir.

Sıcaklığın yükselmesiyle aynı anda karbon atomları da  martenzit içerisinde zorunlu çözelti halinde bulundukları durumdan  kurtularak daha kolay diffüzyona uğrarlar. Martenzit karbon atomlarının yapıdan itilmesiyle ferrit haline dönüşmek ister. Yaklaşık olarak 200 da ilk önce martenzitin tetragonal halde uzamı kristal kafesi kısalır ve karbon atomları tek tek martenzit kafesini terk ederek ince karbür parçaları  (mikroskopta görülmez) halinde bir araya gelir. Artık  ostenit ise, kübik  martenzit haline dönüşür. Kübik martenzit birim kafeslerin bazılarında, karbon atomları ihtiva eden büyümüş bir a- kafesidir.   

Temperleme sıcaklığı yükseldikçe karbonun diffüzyonu giderek kolaylaşır ve gittikçe daha iri karbür taneleri topraklaşır. Bu taneler görülebilir hale gelmiştir ve 700  civarındaki bir temperleme sıcaklığında içyapı taneli  bir perlite benzer. Karbürün yapı içerisinde ayrışması ile martenzitin sertliği de azalır. Ferrit miktarının çoğalması neticesinde ise, uzama kabiliyeti ve süneklik artar.

Uygulama usulü:

Parçalar su verme işleminin hemen ardından şekil ve büyüklüklerine göre hava, metal banyosu, tuz banyosu, kum banyosu veya sıcak tepsiler içinde ısıtılır ve yaklaşık olarak iki saat süre ile temperleme sıcaklığında tutulur.

Temperleme aslında bir diffüzyon olayı olduğundan hem sıcaklık hem bekletme süresi temperleme işlemini etkiler. Daha yüksek sıcaklıkta kısa süre bekletme veya daha düşük sıcaklıkta uzun süre bekletme ile aynı neticeye varılır.

Sıcak  işlem çelikleri yani dövme kalıplarının ve plastik (suni) malzemeler için presleme kalıplarının yapıldığı çelikler, bu nedenle işletmede kullanıldıkları sıcaklıkların 50....100 daha üstünde temperlenmelidirler. Aksi taktirde malzeme kalınlığı yerdeki sıcaklığın etkisiyle temperlenmeye devam ederek sertliğini kaybeder; ölçü veya şekil değişimine uğrar.

Keski ve zımba gibi basit aletlerin yalnız zorlanma etkisi altında kalacak uçlarına su verilir ve geriye kalan ısı ile tekrar temperlenir. Parlak bir şekilde yüzeyi düzeltilmiş keski  üzerinde arta kalan kalınlıklarda oksit tabakaları teşekkül  eder. Bu nedenle meneviş renkleri de oluşur. Meneviş renklerinin yardımı ile temperleme sıcaklığı tahmin edilebilir. Kolay oksitlenmeyen alaşımlı çeliklerde bu usûl güvenilir değildir. Temperlemeden sonra ısıl gerilmelerin teşekkülünü önlemek için parça oda sıcaklığına kadar yavaş olarak soğutulur. Sadece belirli cins alaşımlı çelikler için temperleme sıcaklığından sonra hızlı bir soğutma istenir. 

1.2.1 Çeliğin Serleştirilmesi Sırasında Cereyan Eden Olaylar

Yavaş soğutma sırasında perlitin oluşması:

Alaşımsız bir Ötektoid çeliği (% 83 C’lu) g- bölgesinden yavaş soğutulursa, Ar₁ sıaklığından itibaren iki olay cereyan etmektedir.

1.      Karbon g-kafes sistemine diffüzyon ederek, karbonca zengin Fe₃C lamelleri ve aralarında, karbonca farklı Ostenit lamelleri oluşur.

2.      Karbonca fakir ymk’li g-KÇK kafes sistemindeki Ostenit lamellerinin dönüşümü ile, hmk a-kafes sisteminde, ferrit lamelleri oluşur.

Sabit sıcaklıkta cereyan eden bu iki olay sonunda, kaba çizgili Perlit bölgesi, Ostenit tane sınırlarından itibaren tanelerin içine doğru büyüyerek, onları ortadan kaldırır.

Şekil:14  [1]

Hızlı soğutma etkisi:

g- bölgesinden hızlı soğutma yapılırsa karbonun diffüzyonu ve kafes sistemindeki değişme, çeşitli şekillerle olur.

1. Diffuzyon: Karbonun kafes sisteminde, diffuzyonla yer değiştirmesi, atomar olarak uzunca bir yol kat edebilmesi için, belirli bir zamana gerek vardır. Soğutma hızının artması ile, diffüzyon süresi ve diffüzyon yolu küçülür. Ayrıca diffüzyon küçük sıcaklıklara kadar devam eder. Diffüzyon olayı, sıcaklıkla azalır ve bir süre sonra ise tamamıyla durur.

2. Kafes sisteminde değişme: Bunun yanında kafes sistemindeki değişme, basit ve hızlı olur. Ymk’lı a-kafes sistemi, tetrogonal hacim merkezli sistem gibi görülebilir. Bunun düşey yönde basılması ve yatay olarak çekilmesi ile, hmk’lı  kafes sistemi yapılabilir. Bu sırada atomlar, kafes sistemi parametresinden daha kısa yer değiştirirler. Ar₁ altına kadar hızlı soğutmada, ostenit içindeki dönüşüm zorlanır. Çünkü ymk’lı g-kafes sisteminin stabilizesi, azalan sıcaklıkla kaybolur (dönüşüm hakikatte basit bir sıkışma olmayıp, çok kısa bir süre içinde, kafes sisteminin, kayma dönme yapmasıdır. Bu nedenle bu olaydan “Katlanma” olarak  da söz edilmektedir).

Suya sokma sırasında cereyan eden olaylar:

Suya sokma suretiyle, soğutma hızı çok fazla artırılırsa, diffüzyon tamamıyla durur. Ayrışmakta olan karbona bakılmaksızın, kafes sistemi katlanır. a-kafes sistemi fazla miktarda karbon ihtiva ettiğinden katlanma olayı tamamlanamaz. Böylece hmk’lı a-kafes sistemli ferrit oluşmayıp, karbon tarafından yenmiş ve parçalanmış tetragonal kafes sistemli (A. Martans’e izafeten) Martenzit oluşur. Martenzit, metallografik kesitte iğneli bir yapıda olup  malzemenin mukavemetini ve sertliğini çok fazla artırırken, kopma uzamasını sıfır değerine düşürür.

Tetragonal Martenzit, Ferrite göre daha fazla miktarda karbonu çözdüğünden, hacmi büyüktür. Bu hacim artışı, elementer kafesteki parametrelerle hesap edilebilir. Ayrıca bu dönüşüm, Dilatometre eğrisindeki ani boy değişmeleri ile Şekil:16’da tespit edilebilir.

Bir ötektoid çeliğin ısıtılmasında, Perlitin, Ostenite dönüşümü 723da tamamlanır. Fakat su verme sırasında, Ostenitin dönüşümü 200 da başlar ve hacmi başlangıçtakinden daha büyük olur.                  

Şekil:15 Kafes sitemlerinin gösterimi  [1]

Şekil:16 Karbonlu bir çeliğin: Isıtılması ve su verilmesi halindeki dilatometre eğrisi  [1]

Kafes sistemindeki parçalanma,  karbon miktarıyla orantılıdır. Tetragonal dönüşüm ve Martenzitin hacim artması, karbon miktarı ile lineer olarak artmaktadır. Bu arada elementer kafes sisteminde,karbon atomları mümkün olan her yere taşınır. Fakat hakikatte: örneğin bir Ötektoid çeliğin her 12 elementer kafesinde, bir C atomu bulunur. Böylece hacim artması % 2.5 olarak hesaplanmakta, fakat  % 1 olarak ölçülmektedir. – Karbon miktarıyla erişilebilen sertlik değerleri Şekil:21’de gösterilmektedir.

Aşırı soğutma eğrileri:

Fe-C diyagramındaki denge durumu eğrilerinin, aşırı soğutmada nasıl değiştiği Şekil:17’de gösterilmiştir.

Sorbit:

Soğutma hızının hafif artırılması halinde perlit noktası  birbirinden ayrılarak, daha küçük sıcaklıklara kadar kayar. Soğutma hızı = 50-200 k/s ‘ye kadar artınca, çok ince lamelar perlit ayrışır (H.C. Sorby’ye izafeten) ve buna “sorbit” denilir. Sorbitin oluşumu bir gecikmeyle olmaktadır. Yani malzeme, dönüşümden açığa çıkanısı ile ısınır ve Perlit oluşumu (bu aşırı soğutma halinde bile) sonuna kadar devam eder.

Şekil:17 Alaşımsız çeliklerin, aşırı soğutma eğrileri  [1]

Troostit:

200 K/s den daha hızlı soğutmada, iç yapı dönüşümü başka bir kademeye sıçrar. Eğer soğutma hızı 300 K/s olursa, örneğin Ostenit dönüşümünden yaklaşık 510 ye kadar kalır. Buradaki iç yapı ancak (elektron mikroskopu ile) çok fazla büyütüldüğünde, (pek ince lamelar Perlitten oluştuğu) tanınabilir ve buna (L. J. Troos’a izafeten) “Troostit” denilir. Hızlı  soğutmadan dolayı, bir karışıklık olmaktadır ve dönüşüm sonuna kadar gerçekleşemez. Ostenitin bir kısmı, çok hızlı soğuduğundan, üçüncü bir soğutma kademesi “Martenzit .kademesine” sıçrayarak, Martenzite dönüşüm olmaktadır, Şekil:18.

Şekil:18 Trostit ( koyu renkli)  ve Martenzit (açık renkli)  [1]

Perlit kademesi:

Perlit, Sorbit ve Troostitin oluşumu genelde “Perlit kademesi” olarak da adlandırılır. Bunların meydana gelişleri soğutma hızına bağlıdır. bunun yanında martenzit oluşumunun, başlangıç ve son noktaları sabittir ve soğutma hızına bağlı değildir. Bu iç yapıların oluşumları, Şekil:19’da  %5 C içeren çelik (C50) için, gösterilebilmektedir. 

Alt ve üst, kritik soğutma hızları:

Martenzit yanında Troostitin de meydana geldiği soğuma hızı “alt kritik soğutma hızı” Troostit olmayan, yalnız Martenzit, bazen de Artık Ostenit olma halinde ki soğuma hızı da “üst kritik soğuma hızı” olarak tanımlanır. Eğer kritik soğuma hızından söz edilirse, daima üst sınır anlaşılmalıdır.     

Şekill:19 0.5 % C’lu çeliğin, iç yapı dönüşüm sıcaklığının, soğuma  [1]

                                                    hızı ile değişimi

Karbon miktarının etkisi:

Bir çeliğin soğuma hızı, yalnız alaşım elemanlarına değil aynı zamanda, karbon miktarına da bağlı olarak da değişmektedir, Şekil:20.

  

Şekil:20 Alaşımsız çeliklerde kritik soğuma hızının, karbon miktarı ile değişimi.  [1]

Şekil:17’de gösterildiği, gibi örneğin: % 1,2 karbonlu bir çelikte 300 K/s lik soğutma hızı Perlit kademesinin dönüşümünü geciktirir. Bunun yanında % 0,3 karbonlu çelikteki dönüşüm için 900 K/s lik bir soğutma gereklidir. 

Artık Ostenit:

Karbon miktarı fazlalaştıkça Ostenit stabilleşir. Böylece martenzit değişimi için olan, başlangıç ve son dönüşüm sıcaklıkları daha düşüktür. Böylece iç yapıda ortam sıcaklığında daha henüz dönüşememiş (yumuşak) artık ostenit kalır, Şekil:21.

Şekil:21 % 1.22 C’lu çeliğe 1050sıcaklıktan su verilmiş: Martenzit (koyu)

                                         ve artık ostenit (açık)  [1]

 

1.2.2 Su Verme Sıcaklığı Başlangıçtaki İç Yapının Etkisi

Ötektoid altı çelikler:

Ötektoid altı çelikler Ac₃ sıcaklığının yaklaşık 50üzerinden sıcaklıklardan suya sokulur, Ötektoid üstü çelikler ise Ac₁ sıcaklığının yaklaşık 50üzerinden suya sokulur,Şekil:22.

Şekil:22 Alaşımsız çeliklerin, Karbon miktarına bağlı olarak,su verme sıcaklıkları.  [1]

Ötektoid üstü çelikler:

Ötektoid üstü çelikler sertleştirilirken Ac_cm sıcaklığının üzerinden suya sokulursa, bileşiminde fazla karbon bulunması nedeniyle, iç yapısında fazla miktarda “Artık Ostenit” kalacak ve sertlik yeteri kadar yüksek olmayacaktır, Şekil:23. Ayrıca yüksek sıcaklıkta tavlamakla, iri taneli Ostenit ve iri taneli Martenzit oluşacaktır.

     

Şekil:23  Normalize tavlaması yapılmış ve su verilmiş alaşımsız çeliklerin,

                                              Karbon miktarına bağlı olarak, sertlik değerlerinin  değişimi.  [1]

Eğer Ötektoid üstü çelikler Ac₁ sıcaklığının biraz üzerinden suya sokulursa yaklaşık %0,9 C’lu çelikten Martenzit meydana gelir, böylece iç yapıda çok az miktarda da “Artık Ostenit” kalır. Geri kalan fazla karbon ise sekonder semenit ile birleşir ve bunun sertliği ise, Martenzite yakındır fakat daha gevrektir.

Sertleştirmek için hazır olarak, daha yumuşak tavlama yapılması:

Ötektoid ve Ötektoid üstü çeliklere su verebilmek (sertleştirebilmek) için, malzemenin daha önce yumuşak tavlanması faydalıdır. Yumuşak tavlamada sementit ince taneli ve düzgün olarak dağılmıştır. Böylece su verme sıcaklığında (sekunder Sementitten başkaları) kolayca ayrışır, ayrıca Sementit taneleri artığı da kalmaz. Perlit oluşumunda çekirdek olarak, ince taneli Sementit etkilendiğinde, serleşme derinliği azalır. Bu nedenle mevcut Sementit ağı, daha önceki bir yumuşatma tavlaması ile giderilmelidir. Çünkü aksi halde sertleştirilmiş iç yapı, gevrek olur.

Alçak su verme sıcaklığı:

Alçak su verme sıcaklığı, sertleşme sıcaklığında kısa süre tutma gibi etki yaparak, geri kalan karbür tanelerinin tamamıyla ayrışmasını sağlamaz. (Bu olay Martenzit kademesi yerine geçerek) perlit dönüşümünde, çekirdek gibi rol oynar. Ayrıca Martenzit oluşumu için, az miktarda Karbon ayrıştığından, istenilen sertlik, temin edilemez.

Yumuşak lekeler:

Eğer bir ötektoid altı çeliği Ac₃ ve Ac₁ arasındaki bir sıcaklıktan suya sokulursa iç yapıda, yumuşak ferrit taneleri kalarak, yumuşak lekelerin oluşmasına neden olur.

Aşırı derecede yüksek su verme  sıcaklığı:

Su verme işlemindeki aşırı derecedeki yüksek sıcaklık, su verme sıcaklığında uzun süre bekletilmekte olduğu gibi, iri taneli Ostenit ve iri taneli Martenzit oluşumuna neden olur ve ayrıca çeliğin gevrekliği de artar ve kırılma yüzeyi de, iri taneli görünür. Ayrıca, Artık Ostenit miktarı da ve tanelerin irileşmesi nedeniyle, Ostenitin çözülme direnci (dayanıklılığı) da artmış olur.

 

1.2.3. Sertlik Gerilmeleri

Sertlik çatlaması :

Sertleştirme tavlaması sıcaklığından, su verme sırasında çelikte, Martenzit oluşumu nedeniyle bir hacim artışı olacaktır ve ayrıca kesit boyunca soğumanın farklı olması dolayısıyla da, deformasyon ve iç gerilmeler oluşacaktır.özellikle simetrik olmayan parçalarda, farklı şekilde çekme olayı nedeniyle, parçanın deformasyonu hatta, çatlaması bile mümkün olmaktadır. Sertleştirme nedeniyle yırtılmalar, bazen su verme sırasında veya hemen sonra, bazen de haftalarca sonra olabilir. Bu nedenle su verilmiş çeliğe, ısıl işlemden hemen sonra yaklaşık ¾ saat süre ile 100-150 da tavlama yapılmalıdır. Bu işleme “meneveşleme” denilir. Böylece sertlikten fazla kayıp olmadan iç gerilmeler oldukça azalacağı için, parçanın çatlama tehlikesi de ortadan kalkar.

1.2.4. Soğutma Maddesi

Soğutma maddesi seçimi:

Soğutma maddesi öyle seçilmelidir ki; soğutma hızı, çeliğin kritik soğutma hızından daha büyük olsun. Böylece soğutma hızı, hava, yağ ve su ile büyüyecek şekilde temin edilebilir.

Soğutma etkisinin artırılması;

Suya (%10 NaOH) katılarak, buharlaşma sıcaklığı düşürülür. Böylece, soğutma işlemi sırasında oluşan buhar habbelerinin, parça yüzeyine yapışarak, soğutma hızına fena etkisi ortadan kalkar. Ayrıca soğutma maddesinin hızlı hareketi ile buhar kabarcıkları yok olur.

1.2.5. Sertleştirme Derinliği

Su verme sırasında, parçanın cidarından orta kısmına doğru soğuma hızı azalır ve sonunda, çeliğin kritik soğuma hızının  altına düşer ki ; buralarda artık Martenzit hiç oluşmaz fakat Troostit (ile biraz Martenzit) veya Sorbit meydana gelir. Alaşımsız(yani yalnız karbon alaşımlı) çeliklerden mamûl yaklaşık 10 mm çap kalınlığına kadar olan parçalar, parça ortasına kadar sertleştirilebilirler.

Şekil:24 Kritik soğuma hızının, alaşım elemanları ile düşürülerek,

                                                    sertleştirme derinliğinin artırılışı.  [1]  

Sertleştirme derinliğinin artırılması:

Sertleştirme sıcaklığı yükseltilerek daha derin bir bölgeye su verilebilir. Bu şekilde, öncelikle ince karbür artıkları çözülebilir ve böylece istenmeyen perlit kademesi için, çekirdek olarak etkilemesi ortadan kalkar ve ayrıca çözülebilmeye dayanıklı iri taneli Ostenitik yapı oluşur. Bu sırada artık Ostenit miktarı da artacağından ve iri taneli Martenzitin oluşumu da kolaylaşacak ve sertleştirme derinliğinin artması da büyüyen Ostenit taneleri nedeniyle sınırlanmış olacaktır.

Kritik soğuma hızının düşürülmesi:

Sertleştirme derinliği, Ostenit içinde ki karbonun diffüzyonu önleyici kritik soğuma hızını düşüren, alaşım elemanları katılarak artırılabilir. Bu alaşım elemanları (artan etkileme sırasıyla) w, Ni, Mn, Cr, Si ve Mo’dur. Fakat bunlar arasında daha çok Mn, Cr ve Ni kullanılmaktadır. Bu cins alaşım elemanları yardımıyla, hatta havada bile, parçanın ortasına kadar sertleştirmek mümkün  olabilir, Şekil:24. Sertleştirme işlemi  nedeniyle, deforme olmayı ve sertlik yırtılmalarını önleyebilmek için, tabi ki  parçayı, orta kısmına kadar sertleştirmekten vaz geçilebilir ve daha yavaş etkileyen bir soğutucu ile yetinilebilinir.

1.2.6. Sıcak Banyoda Sertleştirme

Perlit dönüşümünün engellenmesi:

Sertleştirme sırasında, Perlit dönüşümünü 700-400  sıcaklıklar arasında yapabilmek için çok ani soğumaya gerek vardır. Böylelikle, Ostenit’in aşırı soğutulması mümkün olur ve bundan sonraki soğutma ise yavaş cereyan edebilir, Şekil:25.

Şekil:25 %  0.83 C’lu alaşımsız çeliğin,her dönüşüm kademesindeki, dönüşüm hızları. [1]

Çatlama tehlikesinin azaltılması :

Sertleştirme işlemi sırasında değişen sıcaklık, iki bölgeye ayrılır. Böylece iç yapı dönüşümü gerilmeleri ile büyük miktarda termik gerilmeler ve bunların neden olduğu  çatlama tehlikesi azalabilir.