ÇELİKLER VE ÇELİKLERİN ISIL İŞLEMİ

              

                                                                   Çelikler

ÇELİK, bir Demir (Fe) Karbon (C) alaşımıdır. C’dan başka farklı oranlarda alaşım elementleri ve empürite elementler bulunur. 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. Aşağıdaki demir-karbon denge diyagramında  değişik sıcaklıklarda çeşitli oranlarda ki demir-karbon alaşımları görülmektedir .

Demir – Karbon denge diyagramı

Isıtma sonucu, ergimeden önce saf demirin kristal yapısında iki değişim olur. Ferrit veya α demir olarak adlandırılan oda sıcaklığındaki kararlı faz hacim merkezli kübik kristal yapıya sahiptir. Ferrit polimorfik bir dönüşüm göstererek 912 °C’de yüzey merkezli kübik kristal yapılı ostenite ( γ-demir ) dönüşür. Ostenit 1394 °C’ye kadar kalıcıdır; bu sıcaklıkta ostenit δ-demir olarak bilinen hacim merkezli kübik yapıya dönüşür ve sonunda 1538 °C’de ergir.

Çelik; içindeki C ve alaşım elemanları değişimi ile çok çeşitli özellikler kazanır. Örneğin; C yüzdesi arttıkça sertlik ve mukavemet artar. Kaynak kabiliyeti, dövülebilme ve talaşlı işlenebilme kabiliyetleri zayıflar.

Genelde düşük karbonlu (% 0,10 - 0,20) Çelikler DEMİR diye anılır. İnşaat ve makine yapımında kullanılan Demir; Saç, Profil, Boru şeklinde bulunur.

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.

Hurda, Cevher izabesiyle elde edilen Çelik, vakumlama gibi özel işlemler kullanılarak; Asal, soy, arı, temiz diye belirtilen vasıflar kazanır. Temiz olan çeliğin tokluğu dolayısıyla sünekliği yüksektir. Çelik'te mikro yapı ve tane inceliği de önemlidir.

Çeliklerin temel özellikleri aşağıdaki gibi özetlenebilir ;

• Çelikler yüksek mukavemet (Çekme, Kopma, Akma), tokluk (süneklilik), sertlik ve aşınma mukavemeti değerlerine sahiptir.
• Çeliklerin dövülebilirlikleri ve işlenebilirlikleri iyidir.
• Paslanmazlık ve korozyona mukavemet özelliklerine sahiptirler.
• 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.

Çeliklerin Sınıflandırılması

Çeliklerin incelenmesini kolaylaştırmak ve daha yakından tanımak için bazı ortak özellikler göz önüne alınarak çeşitli sınıflandırmalar yapılır.

Üretim yöntemlerine göre

Çelik üretiminde kullanılan başlıca önemli üretim yöntemlerine göre yapılan sınıflandırma çeşididir. Bu sınıflandırmada çelikler;

• Bessemer ve Thomas yöntemleriyle üretilen çelikler.
• Siemens – Martin yöntemleriyle üretilen çelikler.
• Elektrik ark ve elektrik endüksiyon yöntemleriyle üretilen çelikler.
• Pota  içerisinde üretilen çelikler.
• Oksijenli konverter yöntemleriyle üretilen çelikler.
• Vakum yöntemleriyle üretilen çelikler şeklinde sınıflandırılır.

Kullanım  alanlarına  göre

Tüm metalurji  sanayiinde bugün için üretilen çelikler mutlaka belli bir amaçta kullanılmak için üretilmezler ancak yinede belli işlerde kullanırlar. Burada yalnızca sayılmaya değer nitelikte kullanılmak olanlarından söz edilecektir. Bu sınıflandırmada çelikler;

• Yapı çelikleri
• Takım yapım işleri
• Soğuk ve sıcak işlerde: Soğuk iş
• Hızlı kesme işlerinde kullanılacak çelikler
• Yay yapımında kullanılacak çelikler
• Yüksek sıcaklıkların bulunduğu ortamlarda kullanılacak çelikler
• Dış etkilere maruz yerlerde ve deniz ortamında kullanılacak çelikler şeklinde sınıflandırılır.

Alaşım durumlarına göre

Çeliklere alaşımsız demek onun sadece demir elementinden ibaret olduğu anlamına gelmez. Tüm çeliklerde demirle birlikte karbon elementi bulunur. Bunun dışında bir element yapıya girecek olursa alaşımlı çeliklerden söz edilir. Çelikler bu sınıflandırmada;

• Sade karbonlu çelikler
• Düşük ve orta alaşımlı çelikler
• Yüksek alaşımlı çelikler şeklinde sınıflandırılır.

Ana katkı maddesine göre

Bu sınıflandırmada çeliğe, ana kütle içerisinde miktarı en çok olan elementin adı verilerek sınıflandırma yapılır. Bu sınıflandırmada ise çelikler;

• Karbonlu çelikler
• Manganlı çelikler
• Kromlu çelikler
• Nikel çelikler
• Krom Nikel çelikler
• Volframlı çelikler
• Vanadyumlu çelikler şeklinde sınıflandırılır.

 Dokusal durum ve metalografik yapılarına göre

Bu sınıflandırma grubunda ise; ana kütleyi oluşturan yapı çeliğe adını verir. Çelikler bu sınıflandırma grubunda;

• Ferritik çelikler
• Ferritik ve Perlitik çelikler
• Perlitik çelikler
• Östenit çelikler
• Martensitik çelikler
• Ledeburitik çelikler
• Beynitik çelikler

Kalite durumlarına göre

Bu sınıflandırma grubunda çelikler;

• Kütle çelikler    
• Kalite çelikler
• Soy (asal) çelikler şeklinde sınıflandırılır.

Fiziksel ve kimyasal özelliklerine göre

Bu grupta çeliklerin göstermiş olduğu fiziksel ve kimyasal özelliklere göre sınıflandırma yapılır. Çelikler bu grupta;

• Isıya dayanıklı çelikler
• Manyetik çelikler     
• Korozyona dayanıklı çelikler
• Paslanmaz çelikler şeklinde sınıflandırılır.

Sertleştirme ortamlarına göre

Bu grup çeliğin sertleştirildiği ortama göre yapılan sınıflandırma grubudur. Çelikler bu grupta ise;

• Su çeliği
• Yağ çeliği
• Hava çeliği şeklinde sınıflandırılır.

Çelik Standartları

''ÇELİKLER'' ile İLGİLİ ÖNEMLİ DİN STANDARTLARI :

174 Soğuk çekilmiş /parlak) Lama Çelikler
175 h9 toleransına göre parlak yuvarlak Çelikler
176 Soğuk çekilmiş Altıköşe Çelikler
178 Soğuk çekilmiş Kare Çelikler
668 h11'e göre soğuk çekilmiş Çelikler
670 h8'e göre taşlanmış yuvarlak Çelikler
671 h9'a göre taşlanmış yuvarlak Çelikler
1013 Sıcak haddelenmiş yuvarlak Çelikler
1014 Sıcak haddelenmiş Kare Çelikler
1015 Sıcak haddelenmiş Altıköşe Çelikler
1017 Sıcak haddelenmiş Lama Çelikler
4620 Sıcak haddelenmiş yaylık Çelik Lamalar
17100 Genel yapı (kütle) Çelikleri
17111 Civata, Somun,Perçin için düşük karbonlu Çelikler
17140 Tellik çubuklar (filmaşin)
17120 Dikişli yuvarlak borular
17121 Dikişsiz yuvarlak borular
17200 ISLAH Çelikleri
17210 Sementasyon Çelikleri
17211 Nitrürleme Çelikleri
17212 İndiksiyonla sertleşen Çelikler
17221 Yaylı Çelikler
17230 Bilya (rulman) Çelikler
1651 Otomat Çelikleri
1654 Soğuk baş ezmeye müsait Civata-Somun Çelikleri

Başlıca Çelik Grupları

Ana gruplar :

KARBONLU ÇELİKLER 1035-1045
ISLAH ÇELİKLERİ 5140-4140-4340
SEMENTASYON ÇELİKLER 8620-7131
OTOMAT ÇELİKLERİ 9 Smn 36
PASLANMAZ ÇELİKLER X 20 Cr 13/304
TAKIM ÇELİKLERİ 1.2080-1.2714

Özel kullanım amaçlı çelikler:

YAY ÇELİKLERİ 9260-60 Si Mn 5
CIVATA ÇELİKLERİ Cg 35 - 19 Mn Bo 4
RULMAN ÇELİKLERİ
EL ALETİ ÇELİKLER 31 CrV 3 - 50 CrV 4

Özel nitelikli çelikler:

MİKRO ALAŞIMLI 38 Mn VS 5
BORLU ÇELİKLER 30 Mn B4
NİTRURASYON ÇELİKLERİ 1.8550
MANGANLI ÇELİKLER X 120 Mn 12

Çeliklerin Isıl İşlemi

Zamanın gelişimi içinde ısıl işlemin ne zaman icat olduğu, kesin olarak bilinememektedir. Ancak eski çağlarda, demirin sertleştirilmesi için kızıl hale gelene kadar ısıtılıp su veya hayvansal yağa daldırılması sureti ile yapıldığı bilinmektedir. Günümüzde ise ısıl işlem, yüksek teknoloji ürünü ekipman ve kontrol teknikleri ile yapılmaktadır.

Çelik, demir ve karbonun alaşımı olarak tanımlanır. Karbon oranındaki az miktarda değişim (Örneğin %0.2'den %0.8'e kadar), çeliğin ısıtıldığı sıcaklıktan soğutulması ile elde edilen özelliklerin büyük miktarda değişimine yol açar. Hızlı soğutma veya sulama, çeliği kırılgan yapar. Yavaş soğutma ve tavlama çeliği yumuşak ve sünek yapar. Bu iki durum arasındaki özellikler, sertleştirilmiş çeliğin menevişlenmesi ile elde edilir. Bu özellikler çeliğin içindeki elementlerin dağılımı, boyutu, şekli ve cinsi ile ilgilidir. Özel uygulamalar için çeliklere mangan, krom, nikel ve molibden gibi, çeliğin ısıl işlemdeki davranışını değiştiren ve özelliklerini iyileştiren alaşım elemanları katılır. Bütün çeliklerin ısıl işleminde esas olan, çelikleri belli bir sıcaklığa ısıtıp bu sıcaklıkta belli bir süre tutup önceden belirlenmiş soğutma hızı ile soğutmaktır. Isıl İşlem normal olarak iki amaçla yapılır;

1-) Ürünü şekillendirmek

2-) Parçaların uygun kullanım özelliklerini sağlamak.

Isıl işlem yöntemlerini üç ana başlık altında toplayabiliriz. Bunlar; tavlama, sertleştirme ve menevişleme.

Tavlama

Çeliklerde iç yapıyı düzenlemek, taneleri inceltmek yada kabalaştırmak, bileşim homojenliğini sağlamak, yapıyı yumuşatmak, iç gerilmeleri azaltmak, istenilen fiziksel ve mekanik özellikleri elde etmek ve talaş kaldırmayı veya soğuk şekillendirmeyi kolaylaştırmak amacıyla, çelik parçanın uygun sıcaklıklara kadar ısıtılıp gerekli değişiklikler sağlanıncaya kadar bu sıcaklıkta tutulması ve sonradan yavaş soğutulması işlemine tavlama adı verilir.

Şekil ’de tavlama yöntemleri ve uygulama sıcaklıkları şematik olarak gösterilmektedir.

Tavlama yöntemleri ve uygulama sıcaklıkları

Normalizasyon tavlaması ( Normalleştirme )

Normalizasyon yüksek sıcaklıkta ısıtma ve tutma işlemlerini kapsar. Normalizasyon bir çeliğin sertleştirme sıcaklığına kabaca yakın bir sıcaklığa ( genelde 840 – 880 °C ) kadar ısıtılması ve bu sıcaklıkta 10 – 20 dakikalık bir süre tutulması ve bunu takiben durgun havada soğumaya tabi tutulmasıdır. Normalizasyon, herhangi bir nedenle dokusu bozulmuş malzemenin bu dokusunu normalleştirmek için yapılır. Sıcak dövülmüş ve döküm malzemeler bu sınıfa girer. Sonuç dokuda anormal taneler yoktur. İri taneler ufalır. Yapı itibari ile ferrit ve perlitten ibarettir. Normalize edilmiş doku sertleştirme öncesi en uygun dokudur. Bu sebeple sıcak dövülmüş veya çelikler sertleştirme öncesi normalize edilirler.

Normalizasyon başlıca sade karbonlu ve az alaşımlı çeliklere uygulanır. Bu işlem sonucu elde edilen sertlik, çeliğin bileşim ve boyutlarına bağlıdır. Normalizasyon sırasında çeliğin yüzeyi ile merkezindeki soğuma hızı arasındaki fark çok azdır.

Bazı durumlarda çift normalizasyon gereklidir. Bu işlem, karbürlerin katı eriyik içinde tamamen çözünebileceği normalin 50 ile 100 °C üzerindeki bir sıcaklığa kadar çeliğin ilk ısıtılmasını ve çok ince taneli yapı elde etmek için ikinci bir normalizasyon tavlamasını içerir. Çift, normalizasyon bazen sıfırın altındaki sıcaklıklarda kullanılan çelikler için de şart koşulabilir. Genel olarak ince taneli bir yapının, kaba taneli yapıya oranla daha düşük geçiş sıcaklık bölgesine sahip olduğu söylenebilir. Sade karbonlu veya az alaşımlı çelik dökümlere her zaman normalizasyon işlemi uygulanmalıdır.

Normalizasyon tavlaması şu amaçları gerçekleştirmek için yapılır:

• Tane boyutunu inceltmek

• Homojen bir iç yapı elde etmek

• Ötektoid üstü çeliklerde tane sınırlarında bulunan karbür ağını dağıtmak

• Çeliklerin işlenme özelliğini iyileştirmek

• Mekanik özellikleri iyileştirmek

• Çelik parçasının türüne bağlı olarak mukavemetini arttırmak

• Çelik parçasını türüne göre düşük termal e mekanikliğini artırmak

• Yumuşatma tavın tabi tutulmuş çeliklerin sertlik ve mukavemetini artırmak için.

İri tane tavlaması ( Tane büyüten tavlama )

İri tane tavlaması, çekme dayanımı az olan çeliklerde talaşlı şekillendirme işlemini kolaylaştırmak için uygulanır. Ac₃ sıcaklığının çok üzerindeki sıcaklıklarda yapılan tavlamalar, kaba tane teşekkül ettirirler. Bu tavlamada sıcaklık 950-1100 °C arasındadır. Kaba sementit lamellerine ulaşmak için, fırında yavaş soğutma yapılır. Hatta, perlit kademesinde bekletme yapılarak perlitleştirme de uygulanabilir.

Primer yapıdaki dizisel kristal dağılımı, kaba sekonder yapıya kötü yönde etki yapar, fakat büyük sorun yaratmaz. Kaba tanenin pek az olan dayanımı nedeniyle kırılgan talaş elde edilir, kesici takımın aşınması azalır. Bu durum, raybalama gibi küçük kesme hızlarında da geçerlidir.

Sementasyon çelikleri gibi karbonu az olan çeliklerde, perlit kademesine kadar hızlı soğutma yapılarak, talaş kaldırabilme iyileştirilebilir. Hatta izotermik dönüşme uygulanabilir. Böylece, ferrit dönüşümü kısmen engellenir, daha büyük oranda perlit teşekkül eder. Buna karşın, ıslah çeliklerinde dayanım ve sertlik yüksek olduğundan dolayı, iyi talaşlı şekillenebilirlik için ferrit miktarının yüksek oranda olması arzu edilir. Bu nedenle, A₃-A₁ sahasının mümkün olduğu kadar yavaş geçilmesi yararlıdır. Bu durum, düşük alaşımlı çelikler için de geçerlidir.

Teşekkül eden tanelerin büyüklüğü, tavlama sıcaklığının yanında tavlama süresi ile de ilgilidir.normal olarak, tavlama süresi yaklaşık olarak 2 saat kadardır. Ayrıca, eşit kimyasal bileşime sahip olmasına karşın, çeliklerin kaba tane teşekkülüne meyli farklı olabilir. Örneğin, daha fazla arık çeliklerde tane kabalaşma eğilimi aha fazladır, ayrıca çok ince taneli çelikler de daha yüksek sıcaklık gerektirirler.

Kaba taneli çeliklerin serleştirme yapıldıktan sonra ya da sertleştirme yapılmadan kullanımında, gevrek bir yapıya sahip oldukları unutulmamalıdır. Bu nedenle, kaba tane tavlaması uygulanmış çeliklerin, talaşlı şekillendirme sonrasında normal tavlama uygulanarak tanelerinin tekrar inceltilmeleri gerekir. Kaba tane uygulanmasında gerekli sıcaklığın yüksek olması ve birbiri peşisıra uygulanan bu ısıl işlemler üretim maliyetini arttırdığından, çoğu zaman bu tavlama yöntemi yerine kükürt miktarı yükseltilmiş ve ayrıca kurşun gibi talaşları kırılgan hale getiren alaşım elementi içeren otomat çelikleri tercih edilmektedir.

Yumuşatma tavlaması

Sertliği azaltmak, çeliği ulaşabileceği en yüksek yumuşaklığa eriştirmek için; yani düşük mukavemet ve sertlikte yüksek uzama gösterebilecek hale getirmek amacıyla uygulanır. Talaş kaldırmayı kolaylaştırmak için veya döküm ve dövme parçalarındaki iç gerilmeleri gidermek amacıyla, ötektoid altı çelikleri Ac₃, ötektoid üstü çelikleri ise Ac₁ çizgilerinin üzerindeki belirli sıcaklıklara kadar ısıtılıp, iç yapılarını ostenite dönüştürdükten sonra fırın içerisinde tutarak çok yavaş soğutma yapılır. Böylece yüksek karbonlu çelikler için talaş kaldırma kolaylaştırılmış olur.

Yumuşatma tavlaması, bütün çeliklerde talaşsız işlemler için elverişli bir başlangıç iç yapısı üretmek, %0,5 C'dan fazlasına ihtiva eden çeliklerde talaşlı işlemlere hazırlama ve su verme sertliğini gidermek maksadı ile uygulanır.

Gerilme giderme tavlaması

Parçalar,  döküm ya da sıcak şekillendirme sonrası soğumada dengesiz sıcaklık akımı nedeniyle ya da işletmedeki mekanik zorlamalardan dolayı, genellikle iç gerilmeler (kalıcı gerilmeler) içerirler. Eğer bu iç gerilmeler, malzemenin elastiklik ve akma sınırlarını aşarsa, plastik şekil değiştirme meydana getirirler ve gerçek akma sınırını yükseltirler. Ayrıca bu iç gerilmeler daha da yüksek olur ve kopma gerilmesine ulaşır ya da aşarsa, plastik deformasyonla birlikte kırılma meydana getirirler.Gerilme giderme tavlaması işte bu şekilde oluşan gerilmelerin bertaraf edilmesi amacıyla uygulanır.

Plastik şekil değiştirme sonrasında oluşan bu iç gerilmeler malzemenin kullanıldığı sırada diğer bazı gerilmelerin de etkisi altında kalır. Üst üste gelen gerilmelerin şiddeti toplanır ve malzemenin çatlamasına neden olur. İşte bu gerilmelerin giderilmesi veya azaltılması amacıyla, metalik malzemeleri dönüşüm sıcaklıklarının altındaki uygun bir sıcaklığa kadar ısıtma ve sonra yavaş yavaş soğutma işlemidir. Bu işlem, bazen dönüşüm sıcaklığı veya kritik sıcaklık altı tavı olarak da adlandırılır.

Gerilim giderme tavlamasının yapılış amaçları:

-          İç gerilmeleri gidererek parçanın çarpılma veya çatlamasını önlemek

-          Boyutsal kararlılık geliştirmek

-          Kaynak veya soğuk işlem görmüş parçanın gerilmelerini azaltmak.

Gerilim giderme tavlamasında parçalar, 550-600 °C arasındaki bölgeye yavaş erişecek şekilde ısıtılır ve burada yaklaşık olarak 4 saat süre ile tavlanır. Soğutma, parçanın bütün kısımları daima aynı sıcaklıkta kalacak şekilde yani çok yavaş yapılır.

Gerilim giderme tavlaması; sıcak dövülmüş ve dökülmüş malzemelere talaş kaldırma işlemi uygulanmadan önce, dar tolerans aralıklı parçalara yüzey temizlemeden evvel ve kaynak yapılmış parçalara uygulanır.

Difüzyon tavlaması

Metal malzemelerin dökümden sonraki primer yapısı, genel olarak dendritik haldedir ve büyük ölçüde bileşim farklılıkları nedeniyle yapıda homojensizlik vardır. Difüzyon olaylarının etkin olduğu homojenleştirme işlemi ile yapı homojen hale getirilerek, bünyedeki elemanların, özellikle empüritelerin bölgesel bileşim farklılıkları dengeye getirilmesi ve dendritik yapının yok edilmesi amaçlanır. Difüzyon tavlaması, özellikle yüksek alaşımlı çelik döküm için önemlidir. Fakat, sıcak şekillendirilecek kütüklerde de yapının homojen hale getirilmesinde difüzyon tavlaması uygulanabilir. Çelik malzemelerde dizisel yapı, normal tavlamayla azaltılabilir, ancak tam olarak yok edilmesi, yalnızca difüzyon tavlaması ile mümkündür.

Difüzyon tavlamasıyla esas olarak yapının homojen hale getirilmesi amaçlandığından, bu tavlamaya homojenleştirme tavlaması adı da verilmektedir.

Bu tavlamada istenilen sekonder yapıya ulaşılması için, dengelenmek istenen yapı elemanlarının atomlarının malzeme içerisinde difüzyon yapabilecekleri sıcaklıklara çıkılması gerekir. Bu nedenle, işlem süresini de mümkün olduğunca kısaltmak amacıyla, malzeme katılaşma sıcaklığına yakın bir sıcaklığa kadar ısıtılır. Çok yüksek sıcaklıklara çıkılmasına karşın, bu sıcaklıkta bekleme süresi de diğer tavlama yöntemlerine oranla oldukça uzundur. Atomların difüzyonuyla, bir taraftan tanedeki bileşim farklılıkları dengelenirken, bir taraftan da tane sınırlarındaki son katılaşan ergiyikteki empürite bağlantılarından, bu sıcaklıkta çözülebilenleri çözülerek tane içerisinde homojen olarak dağılır, bu sıcaklıkta çözülmeyenler ise kısmen parçalanarak küresel forma dönüştürülür ve malzemedeki olumsuz etkileri büyük ölçüde azaltılır. Ancak, hem sıcaklığın ve hem de tavlama süresinin fazla olması nedeniyle, tavlama esnasında istenilmediği halde malzemede tane kabalaşması meydana gelir.

Difüzyon tavlamasında malzeme, ihtiva ettiği karbon miktarına göre 1050 ile 1250 °C arasında uzun müddet tavlanır ve sonra istenilen şekilde soğutulur. Difüzyon tavlaması yüksek miktarda kükürt ihtiva eden otomat çeliklerine uygulanır. Haddelenmiş yapılar tane sınırlarında sülfür segregasyonları ihtiva ederler. Bunlar difüzyon tavlaması ile daha ince ve düzenli şekilde yapıya dağılırlar. Ayrıca difüzyon tavlaması, döküm parçalarında döküm esnasında meydana gelen konsantrasyon farklılıklarını tekrar dengelemek amacıyla yapılır.

Difüzyon tavlamasında elde edilmesi amaçlanan sekonder yapı, malzeme cincine, döküm yapısına ve tavlama esnasında meydana gelen olaylara çok bağımlıdır. Bu nedenle diğer ısıl işlem yöntemlerinde de, gerek primer yapı ve gerekse tane kabalaşması olayı oldukça büyük öneme sahiptir.

Yeniden kristalleşme tavlaması

Bir çelik soğuk işleme maruz kaldığında, sertliği artar ve sürekli soğuk işlenebilme kabiliyeti azalır. Soğuk işlem görmüş çelik 600 °C üzerinde tavlanırsa, yeniden kristalleşme meydana gelir, örneğin yeni ve gerilmesiz taneler oluşur ve bunlar deforme olmuş tanelerin zararına büyüler. Yeniden kristalleşme sıcaklığında 1/2 – 1 saatlik tutma süresi normaldir. Eğer sürekli tavlama uygulanırsa bu süre kısaltılabilir.

Yeniden kristalleşme sonrası tane boyutu orijinal tane boyutuna bağlıdır. %0,2'den daha düşük oranlarda karbon içeren düşük karbonlu çeliklerin tane boyutuna soğuk deformasyon miktarının etkisi çok önemlidir. Bu çeliklere, %6-15'lik deformasyon (kritik kesit daralması) sonrası tavlama uygulandığında kaba taneli yapı elde edilir.

Yeniden kristalleşme için yapılan tavlama, tüm soğuk haddelenmiş düşük karbonlu sac veya band şeklinde çeliklere uygulanır. 18/8 türü paslanmaz çelikler ve %13 Mn'lı Hadfield çeliklerinde de deformasyon sonrası tavlama uygulanması yeniden kristalleşme oluşturur.

Yeniden kristalleşme tavlaması yarı mamullere uygulanır. Soğuk şekil verme işlemi sırasında malzeme sertleştiği için, işlemler arasında malzeme yeniden şekil değiştirebilir hale getirilmelidir. Bu nedenle yeniden kristalleşme tavlamasına ara tavlam denilir. Derin çekme için de gerekli bir tavlama türüdür.

Küreselleştirme  tavlaması

Küreselleştirme tavlaması, çelikleri Ac₁ sıcaklık çizgisi civarında uzun süre tuttuktan ve bu bölgede salınımlı olarak tavladıktan sonra, yavaş soğutma ile karbürlerin küresel şekle dönüştürülmesi işlemidir. Bu işlem, ostenitleştirmeden sonra kontrollü soğutma ile de yapılabilir. Yumuşatma tavı işleminde belirtildiği gibi, tavlanmış durumdaki ötektoid üstü çelikler iç yapılarında sert ve gevrek sementit tanelerinin bulunması nedeniyle işlenmeye elverişli değildir. Bu tür çeliklerin işlenmesini kolaylaştırmak ve sünekliğini artırmak amacıyla da küreselleştirme tavlaması uygulanır.

Küreselleştirme tavlaması aşağıdaki yöntemlerden biri ile gerçekleştirilir:

a)      Çelik malzeme Ac₁ çizgisinin hemen altındaki bir sıcaklıkta (örneğin 700 °C) uzun süre (15-25 saat) tavlanır.

b)      Çelik malzeme, düşük kritik sıcaklık çizgisinin (Ac₁) hemen altında ve üstündeki sıcaklıklar arasında ısıtılıp soğutulur, yani salınımlı olarak tavlanır.

c)      Malzeme, Ac₁ kritik sıcaklık çizgisinin üzerindeki bir sıcaklıkta tavlandıktan sonra ya fırında çok yavaş soğutulur, ya da Ac₁ çizgisinin hemen altındaki bir sıcaklıkta uzunca bir süre tutulur.

Küreselleştirme tavlaması, daha çok yüksek karbonlu çeliklere uygulanır. Düşük karbonlu çelikler nadiren küreselleştirme tavlamasına tabi tutulurlar. Çünkü; bu tür çelikler küreselleştirme tavlaması sonunda çok yumuşarlar ve bu aşırı yumuşama talaşlı işlem sırasında bazı zorluklar doğurur. Orta karbonlu çelikler ise yeterli ölçüde süneklik kazanmaları için plastik şekil verme işleminden önce, bazen küreselleştirme tavlamasına tabi tutulurlar. Küreselleştirme tavlaması sırasında tavlama süresinin iyi ayarlanması gerekir. Eğer çelik, gereğinden daha uzun süre tavlanırsa sementit parçacıkları birleşerek uzama gösterirler ve bu durum çeliğin işlenme kabiliyetini olumsuz etkiler.

Hidrojen tavlaması

Sıvı çelikte erimiş halde bulunan hidrojen, çeliğin sıcak işlem sonrası soğutulması sonucu, “fleykler” adı verilen iç çatlaklara neden olur. Böyle bir çelik 600-650 °C'de birkaç gün ısıtılır ve bunu takiben yavaş soğutulursa, hidrojen miktarı azaltılabilir ve dolayısıyla iç çatlakların oluşum tehlikesi ortadan kalkmış olur.

Sertleştirme

Sertleştirme; içinde alaşım elemanı olsun yada olmasın, orta ve yüksek karbonlu çeliklerden mamul sinterlenmiş, preslenmiş, dövülmüş parçalara uygulanır. Sertleştirme, çeliklere özellik kazandıran en önemli ısı işlemidir. Çelikleri sert ve aşınmaya dayanıklı yapan bir işlemdir. Sertleştirme, birçok işlem basamağından meydana gelir.

Sertleştirme işlemi, öncelikle çelik parçanın ostenit faz sıcaklığına kadar ısıtılması ve bu sıcaklıkta belli bir süre tutularak uygun bir ortamda hızla soğutulması işlemidir. Ostenit sıcaklığında tutma süresini çelik parçanın ostenit fazda homojen bir yapıya ulaşması belirler ve bu süre çeliğin kimyasal bileşimine bağlı olarak değişir. Ondan sonra su verilerek sertleştirilir. Bu suretle çelik cam sertliğinde fakat gevrek ve kırılmaya karşı duyarlı olur. Bundan dolayı iş parçası bunu takiben ısıtılır ve ondan sonra havada serbest olarak soğutulur. Çelik bu surette kendi kullanma serliğine erişir.

Ostenit faz sıcaklığında homojenliği sağlamak için yeterli süre bekletilmiş çelik parça, yüksek hızla soğutulursa martensite dönüşür.

Sertleştirmenin ana gayesi minimum soğuma hızında tamamen martensit yapı elde etmektir. Tamamen martensit yapı verecek minimum soğuma hızına kritik soğuma hızı denir. Kritik soğuma hızı çeliğin kimyasal bileşimine ve ostenit tane büyüklüğüne bağlı olarak değişir. Sertleştirme işlemi sonunda elde edilecek mikroyapı ile, sertlik ve dayanım değerleri sertleştirme işlemindeki soğutma hızına bağlı olarak değişir. Eğer çelik parça, kritik soğutma hızından daha süratli soğutulursa sonuçta yüksek sertlikte sadece martensit yapı elde edilir. Fakat eğer, parçaya uygulanan soğutma hızı kritik soğutma hızından daha yavaşsa ostenitin bir kısmının veya tamamının ferrit ve perlit dönüşmesiyle sonuçta yapıda martensit miktarı azalacak ve sertlik değeri düşecektir. Parçanın soğuma hızı ile kritik soğuma hızı arasındaki fark büyüdükçe ostenitin ferrit ve perlite dönüşüm miktarı artacak buna bağlı olarak sertlikte düşecektir.

Sertleştirmede soğutma ortamı olarak en çok su ve yağ, özel durumlarda ise hava kullanılır. Ayrıca başka değişik sertleştirme işlemleri de vardır bunlar; nitrürleme, yüzeye bor emdirme, indüksiyon akımıyla sertleştirme yöntemleridir.

Sertleştirmeye etki eden bazı faktörler vardır. Bunlar;

1-) Sertleştirme (ostenitleme) sıcaklığı

2-) Ostenitin homojenliği

3-) Sertleştirme ortamının cinsi

4-) Sertleştirme ortamının sıcaklığı

5-) Parçanın yüzey şartları

6-) Parçanın boyutları

7-) Alaşım elementlerinin cins ve miktarı

Sertleştirme (Ostenitleme) sıcaklığı

Bir seri deneylere dayanarak her bir grup çelik için sertleştirme sıcaklık aralığı saptanmıştır. Su verme aralığı adı verilen bu sıcaklık aralığı, maksimum sertlik ve aynı zamanda ince tane yapılı bir çelik yapısı oluşturacak şekilde seçilir. Ötektoid altı çelikler için önerilen sıcaklık aralığı A₃ çizgisinin 10-15 °C üzerindedir. Ötektoid üstü çelikler için sertleştirme sıcaklığı genellikle A_cm ile A_3,1 çizgileri arasındadır.

Sertleştirme sıcaklığını arttırmak suretiyle çeliğin sertleşebilirliği artmaktadır. Bunun nedeni, bol miktarda karbürün katı eriyik içine girmesi ve tane boyutunun artmasına bağlanabilir. Yüksek hız çeliklerinin sertleştirilmesinde, ergime sıcaklığının birkaç onlar mertebesi altındaki bir sıcaklık sertleştirme sıcaklığı olarak kullanılır. Alışılagelmiş sertleştirme sıcaklığının çok az üzerinde bir sıcaklığın kullanılması, karbürlerin çevresinde ani bir ergimeye neden olur. Bu erimiş faz tane sınırlarına doğru yayılır ve tokluğun düşmesine neden olur. Daha fazla bir sıcaklık artışında ergime hızlanır. Bu durumda çeliğe yanmış denir. Ergimenin tehlikesi segregasyonun derecesine bağlıdır.boyut ne kadar büyük ise segregasyon (birikim) o kadar fazladır. Bu nedenle yüksek hız çeliğinden yapılmış büyük parçaların sertleştirilmesinde çok daha düşük bir sertleştirme sıcaklığı seçilmelidir. 100 mm çapa uygun boyutlarda bile alışılagelmiş sertleştirme sıcaklık aralığının en alt sınırına yakın bir sıcaklık tercih edilmelidir.

Ostenitin homojenliği

Ostenitin homojenliğinden kastedilen her ostenit tanesinin aynı oranda karbon içermesidir.

Bir ötektoid altı çeliği sertleştirme amacıyla ısıtmaya başlayalım. Sıcaklık A₁ çizgisine eriştiğinde perlitler ostenit taneciklerine dönüşür. Bu tanecikler % 0,80 karbon ihtiva eder. Isıtmaya devam ettiğimizde ötektoid öncesi ferritler ostenite dönüşür ve bunlar perlitten oluşan ostenit tanelerine göre daha az karbon ihtiva ederler. A₃ çizgisine ulaşıldığında yapı ostenit olur, fakat taneler farklı oranlarda karbon ihtiva eder. Böyle bir yapı hızla soğutulduğunda düşük karbonlu ostenit martensite dönüşmez, yüksek karbonlu ostenit ise martensit yapıya dönüşür. Bu durum farklı sertlik değerlerine sahip, homojen olmayan yapıya neden olur. İstenilmeyen böyle bir durumdan kaçınmak için çelikler sertleştirme sıcaklığında belli bir süre bekletilir.

Bekletme süresi çeliğin et kalınlığına ve alaşım elementlerine bağlı olarak seçilir ve genellikle çeliğin her mm kalınlığı için 1 dakika alınır. Bu süre sade karbonlu çelikler ve düşük alaşımlı için geçerlidir. Yüksek alaşımlı çeliklerde alaşım karbürlerinin dönüşümleri daha geç olduğu için bekletme süresi bu tip çeliklerde daha fazla alınmalıdır.

Sertleştirme ortamının cinsi

Çelik parçasının soğutulması üç safhada gerçekleşir.

Birinci safhada, düşük sıcaklıktaki soğutma ortamıyla temasa geçen yüksek sıcaklıktaki çelik parçanın yüzeyinde, ince bir buhar tabakası oluşur. Bu tabakanın ısı iletimi çok düşük olduğundan, parça ısısının soğutma ortamına geçişi çok yavaştır. Bu sebepten birinci safha boyunca soğuma hızı oldukça düşüktür.

İkinci safha, parça yüzeyindeki buhar tabakasının bozulmasıyla başlar. Bu safhada yüzeyde şiddetli kaynama meydana gelerek, çelik parçanın sıcaklığı hızla düşer. Soğumanın en hızlı olduğu bölüm bu safhadır.

Üçüncü safha, parça yüzey sıcaklığının soğutma maddesinin kaynama sıcaklığına ulaşmasıyla başlar. Parça yüzeyinde kaynama durmuştur ve soğutma ısı iletimi şeklinde olur. Bu safhada soğuma hızı tekrar yavaşlamıştır.

Aşağıda azalan soğutma şiddetlerine göre soğutma ortamları sıralanmıştır. Bunlar;

Tuzlu su

Su

Tuz banyosu

Yağ

Hava

Yukarıdaki soğutma ortamları kullanılarak 12 mm çapındaki paslanmaz kalitedeki çelik çubuk parçalarının merkezleri için elde edilmiş soğuma eğrileri verilmiştir. Eğrilerin incelenmesinden her soğutma ortamının karakteristik soğutma safhalarına sahip olduğu görülmektedir. Parçalar belli sıcaklıklardaki soğutma ortamlarında hareketsiz olarak soğutulmuşlardır.

12 mm çap ve 60 mm boyundaki paslanmaz çelik çubuğun çeşitli

Tuzlu suda sertleştirme

Normal su içerisine ağırlıkça % 10 NaCl ilavesiyle hazırlanır. Tuz, suyun kaynama noktasını yükselttiğinden buharlaşmayı azaltır ve bu nedenle sudan daha iyi sertleştirme sağlar. Yalnız tuzlu su, korozyona neden olacağından kullanımı yaygın değildir.

Suda sertleştirme

Suda sertleştirme endüstride kullanılan en etkili ve en yaygın sistemdir. Çünkü; su en şiddetli soğuma etkisine sahiptir, ekonomiktir, her zaman bulunabilir, sağlık açısından zararı yoktur, pompalama ve süzme kolaylığı gibi çalışma üstünlükleri vardır ve suda sertleştirme işlemi kolaydır. Isıtılmış çelik parçanın soğutulmasında en yüksek soğuma hızı parça ve su arasındaki sıcaklık farkının en yüksek olduğu durumda değil, bu farkın 350 ila 400°C olduğu görülür. Suda görülen bu durum yağ gibi diğer sıvılarda da geçerlidir. Su ile sertleştirme yağ ile sertleştirmeye göre üç kat daha fazla iyi sertleştirir.

Suda sertleştirme, suyun soğutma hızının yüksekliğinden dolayı oluşan iç gerginlikler sonucu çelikte çarpılma ve hatta sertleşme çatlaklarına yol açabilir. Bundan dolayı su ile ancak alaşımsız çelikler sertleştirilebilir. Çünkü bu çeliklerin sertleşmesi için bu sert su verme etkisine ihtiyaçları vardır.

Genel olarak su vererek sertleştirme başlangıcı, çeliğin her yanında eşit su verme sıcaklığına kadar erişmesiyle sağlanır. Böylece çelik iç yapısının tamamen ostenitten oluşması sağlanır. Bunun için çelik, demir-karbon diyagramındaki karbon miktarı < 0,8'den düşük bölgelerde A₃ ve karbon miktarı % 0,8 - 2,0 olan bölgedeki A_cm (uygulamada A₁) üzerindeki sıcaklıklarda tavlanmalıdır. Bütün yapının ostenitten oluşması ve perlitin tamamının ostenite dönüşmesi için bu sıcaklık değerlerinde çelik bekletilir.

Sertleştirilmek için önceden tavlanmış çelik su içine batırılınca etrafında buhardan bir kılıf oluşur ve çeliği ısıya karşı korur. Bu nedenle suda sertleştirmenin başlangıçta soğutma hızı düşüktür. Daha sonra buhar kılıfı parçalanır ve buhar kabarcıkları halinde çözülür. Kabarcıklar buharlaşma için gerekli olan ısıyı, malzemeden alır. Bu yüzden suda sertleştirilen çelikler daha hızlı soğur.

Suyun en ilginç yönü, martensitik oluşum için soğutma hızının çok yüksek olmasıdır.

Su ile soğutmada kızgın iş parçasının etrafında oluşan buhar tabakası, su ile çeliğin temasını keseceğinden sertleşmeyi önler ve yumuşak bölgelerin kalmasına neden olur. Bunu önlemek için;

• Soğuk su kullanılmalıdır,
• Ortam sürekli karıştırılmalıdır,
• İnorganik katkılar kullanılmalıdır. Katkıların en çok kullanılanları % 10 kadar NaCl yada % 3 NaOH'dir .

Tuz banyosunda sertleştirme

Soğutma amacı için en yaygın olarak kullanılan tuz banyoları, genellikle yarı yarıya sodyum nitrat ve potasyum nitrat içerirler. Bunlar 160-500 °C arasında kullanılırlar. 500-600 °C arasında kullanılan tuz banyoları da mevcuttur. Bir tuz banyosu makul ölçüde iyi bir sertleşebilirliğe sahip bir çelik için ideal bir su verme ortamıdır. Kalın kesitli parçalar (büyük parçalar) için ise uygun değildir.

Tuz ve sıvı metal banyoları, çeliklerin tavlanmasında kullanıldığı gibi, sıcaklık kontrollerinin iyi derecede olması sebebiyle sertleştirme işlemlerinde de kullanılır. Sertleştirmeden sonra taşınamayan ya da en yüksek yüzey kalitesi ile koşulların bozulmaması istenilen takım çeliklerinde tuz banyoları en iyi sonucu verir. Takımların tuz banyosu yöntemiyle sertleştirilmeleri molibdenli takım çeliklerinin ortaya çıkmasıyla çok yaygınlaşmıştır. Uygun çalışma şartları sağlanabildiği taktirde takım sertleştirme işlemleri karbon kopma, karbon kaybı, ya da tufal tabakası tehlikesi olmaksızın yapılabilir. Sertleştirme işleminde üç tip tuz banyosu kullanılır.

·         Ön ısıtma banyosu,

·         Yüksek sıcaklık banyosu,

·         Soğutma banyosu.

Paslanmaz çeliklerin sertleştirilmesinde baryum klorür ile % 5-35 sodyum yada potasyum klorür den meydana gelen tuz banyosu iyi sonuçlar verir.

Tuz banyolarının 500 °C'ye kadar olan soğutma kapasiteleri oldukça yüksektir ve çeliğin sıcaklığı düştükçe kapasite azalır. Banyonun sıcaklığı ne kadar düşükse, hareketliliği o denli fazladır. Dolayısıyla soğutma kapasitesi daha iyidir.

Eğer tuz banyosu kirlenirse banyonun soğuma etkisi de çok azalır. Bu haldeki banyo karıştırıldığında yabancı partiküller sıvı banyoda süspansiyon halinde kalırlar. Bu partiküller ısıl işlem yapılan parçaya yapışma eğilimi gösterirler ve parçadan ısı iletimini engellerler. Böyle hallerde empüritelerin dibe çökmesine izin verilmeli ve parça temizlenmiş banyo kısmında hızlı bir şekilde hareket ettirilmelidir.

Tuz banyosunda tutma süresi olarak her mm kalınlığı için 2-4 dakika tavsiye edilir. Düşük sertleştirme sıcaklıkları ve ince kesitli parçalar için daha kısa, yüksek sertleştirme sıcaklıkları ve ağır parçalar için daha uzun süreler kullanılabilir.

Banyonun boğuma kapasitesi banyoya su ilavesiyle arttırılabilir. İlave edilecek su miktarı % 0,3-0,5'i geçmemelidir. Bu sınırlarda su ilavesi banyonun soğutma kapasitesini iki katına çıkarabilir. Suyun sürekli olarak buharlaşarak yüzeyden ayrılması söz konusu olduğundan, zaman zaman veya periyodik olarak banyoya su ilavesi gerekir .

Yağda sertleştirme

Su ve sulu eriyikten sonra en çok kullanılan soğutma sıvısı yağdır. Yağda soğutma hızı suda soğutma hızından daha yavaştır. Yağın soğutma gücü suyun 1/3’ü kadardır. Yağın ısı çıkarma kapasitesi suya oranla düşük olduğundan orta alaşımlı çelikler için olan kullanımı, ince kesitlerle sınırlandırılmıştır.

Yağda sertleştirmede daha az gerilmeler doğar ve buna bağlı olarak da çarpılma, çekme ve çatlama daha az olur. Yağın bu özelliği kritik soğuma hızı düşük olan düşük alaşımlı çeliklerin yağda sertleştirilmesini gerekli kılar.

Endüstride daha çok nebati ve mineral yağlar, nadiren de hayvansal yağlar kullanılır. Fakat nebati yağlar sıklıkla değişmesi gerektiğinden pek ekonomik değildir. Genellikle mineral yağlar kullanılır. Kullanılan mineral yağlar; parlak soğutma yağları ve yüksek güçlü soğutma yağları olarak ikiye ayrılır.

Yağda sertleşen soğuk işlem çeliklerinden yapılan bitirilmiş ya da yarı bitirilmiş takımlar, tavlama esnasında karbon kopma kaybına karşı korunmalıdır. Bu amaçla kuru ekzotermik atmosfer kullanılabilir, ancak genel olarak paket tavlama tercih edilir. Paket tavlama fırında yapılır, ısıtma ve soğutma yavaş olup kutu içinde yer alır. Ancak malzeme tavlama sıcaklığına gelmesi için yeteri kadar beklenmelidir.

Yağ banyolarında en sağlıklı soğutma sıcaklıkları 40 – 60 °C'dir ve yağın işlem sırasında karıştırılması gerekir. Katkılı soğutma yağlarında soğutma hızı artar ve banyo çalışma sıcaklığı daha rahat seçilebilir. Takımlar bu tip yağlarda sertlik kaybı  olmaksızın 80 °C'ye kadar soğutulabilir.

Yağda sertleştirilen parçalar tamamen yağa daldırılmalı, yağ sıcaklığına kadar bekletilmeli ve sonra gerilim giderme fırınına sokulmalıdır. Yağ banyo sıcaklıkları 55 – 150 °C arasında olmalı, ancak hiçbir zaman yağın parlama noktasını geçmemelidir. Yağ banyo içinde devrettirmeli ve yağa su karışmamasına dikkat edilmelidir.

Soğutma ortamlarının işlem sırasında korozyon yapma sorunları vardır. Bu açıdan yağda sertleştirme bütün çeliklerde en yüksek korozyon direnci sağlar.

Havada sertleştirme

Genellikle ince kesitli az alaşımlı çelikler ve yüksek alaşımlı çelikler, basınçlı hava veya durgun hava ile sertleştirilebilirler. Hava ile soğutma hızı çok düşüktür ve iç gerilmelerden kaynaklanan çarpılmalar ihmal edilebilir düzeydedir. Hava genelde çok ani soğuması istenmeyen mamullerin fırın çıkışlarında kullanılır.

Havanın kullanılmasının avantajları, distirsiyonun ihmal edilebilir düzeye indirilmesi ve çeliğe soğuma sırasında doğrultma işleminin kolayca uygulanabilmesidir. Parça sabit basınçlı bir hava akımında döndürüldüğünde, düzenli bir şekilde soğuması gerekir. Havada soğumanın bir dezavantajı, soğuma sırasında yüzeyin oksitlenmesidir.

Havada sertleşecek olan çeliklerin ostenit yapısının oluşması için yapılacak tavlama, tuz banyolarında ya da koruyucu (gaz) atmosferli fırınlarda yapılır. Ostenitleme sıcaklığı düşük olan hava çelikleri kurşun banyosunda ya da oksitleyici atmosferli fırınlarda tavlanır.

Soğutma işlemleri ise çeşitli şekillerde yapılır. Durgun hava, fanlı hava ve basınçlı hava ortamında yapılır. Soğutma ortamlarının korozyon yapıcı etkisi havada bulunan oksijen nedeniyle ön plana çıkar. Bu açıdan havanın soğutma ortamı olarak kullanılması düşünüldüğünde korozyon direncini düşürdüğü göz önüne alınmalıdır.

Sertleştirme ortamının sıcaklığı

Su için uygun sıcaklık (20-40 °C), yağ için (50-80 °C) arasındadır. Sıcaklık sürekli olarak kontrol edilmelidir. Yağ sıcaklığını artırmak için, su verme işlemi öncesi bazı sıcak çelik parçalar banyoda soğutulurlar. Sertleştirme sırasında yüksek sıcaklıktaki çelik parçanın ortam sıcaklığını yükseltmemesi için ortam hacminin yeterli miktarda olması gerekir. Soğutma hızını artırmak ve ortam sıcaklığını sabit tutmak için sıvı ortamın karıştırılması sağlanmalıdır. Ayrıca çelik parça sıvı ortam içinde hareket ettirilmelidir. Böylece, parça yüzeyinde oluşacak olan buhar tabakası etkili bir şekilde giderilerek soğuma hızı artırılmış olur. Şekil de su banyosunda sertleştirilen paslanmaz çeliğin 25 ve 50 °C için elde edilen soğuma eğrileri, ve Şekil de yağ banyosunda 50 °C'de parça hareketinin soğuma hızına etkisi görülmektedir.

Soğutma ortamı içinde parça hareketinin soğuma hızına etkisi. Soğutma ortamı 50 °C'de yağdır

Parçanın yüzey şartları

Çelik parça ostenitlemek için ısıtılırken, fırın atmosferinde bulunan su buharı ve oksijen tufal oluşumuna neden olur. Tufal, parça yüzeyindeki oksit tabakasıdır. İnce tufal tabakasının soğuma hızına etkisi azdır. Anca kalın bir tufal tabakasının (0,1 mm’den kalın), parçanın soğuma hızına azaltıcı yönde önemli etkisi vardır. Bu sebepten tufal oluşumunu azaltmak veya tamamen önlemek için pratikte değişik bazı yöntemler kullanılır. Bunların başlıcaları şu şekilde sıralanabilir.

Dökme demir talaşı: Çelik parça bir kutuda dökme demir talaşında gömülerek fırına yerleştirilir. Fırın atmosferindeki oksijen öncelikle dökme demir talaşıyla reaksiyona girerek çelik parçasına ulaşmadan harcanmış olur.

Koruyucu atmosfer: Fırın atmosferinde çelikle reaksiyona girmeyecek gaz karışımı oluşturulur. Bu amaçla hidrojen, parçalanmış amonyak veya özel jeneratörlerde metan, propan gibi hidrokarbonların kısmen veya tamamen yanması sonucu elde edilmiş gazlar kullanılır.

Nötr tuz banyoları: Çelik parçanın ostenit faz sıcaklığına ısıtılması, sıvı haldeki nötr tuz banyosu içinde yapılır.

Bakır kaplama: parça yüzeyi çok ince bakır tabakasıyla kaplanarak tufal oluşumu önlenir. Bu metot, eğer işletmede bakır kaplama tankları mevcut ise ekonomik olarak kullanılır.

Parçanın boyutları

Çelik parçanın sadece yüzeyi sertleştirme ortamıyla temas ettiğinden, parça yüzey alanının kütlesine oranı önemlidir. Bu oran parçanın soğuma hızını belirleyen önemli bir faktördür. Oran parçanın geometrik şekline yakından bağlıdır ve oranın büyümesi soğuma hızını artırır. Küresel parçalar için bu oran fazlaca önemli değildir. Tellerde ve ince levhalarda yüzey alanının kütleye oranı büyük olduğundan, yüksek soğuma hızı elde edilir. Aynı sertleştirme koşullarında, küçük parça büyük parçadan daha hızlı soğuyacaktır. Şekil’ de, üç değişik çaptaki silindirik paslanmaz çelik parçaların merkezleri için elde edilen soğuma eğrileri görülmektedir .

Alaşım elementlerinin cins ve miktarı

Alaşımsız karbon çeliklerinin sertleşme derinlikleri az olduğundan bu tip çelikler hızlı bir soğutma ortamında soğutulurlar. Bu nedenle hep suda su verme işlemi uygulanmak zorundadır. Ancak küçük ve ince kesitli olanlara yağda su verilebilir. Karmaşık biçimli olanlarda ısıl gerilimler oluşur. Büzülme ve çatlamalara neden olabilir. Bu nedenle alaşım elementleri çeliklerin sertleşebilirliklerini artırır. Alaşım elementi toplamı ve özellikle krom, vanadyum, molibden, volfram gibi elementler arttıkça sertleşme derinliği artar.

Sertleştirmede dikkat edilmesi gereken hususlar

Sertleştirme işleminde başarı sağlayabilmek için dikkat edilmesi gereken hususları şöyle sıralayabiliriz:

- Sertleştirilebilecek iş parçası üzerinde bulunan yağ, is, gres ve oksit gibi yabancı maddeler ısı işleminden önce bir tel fırça veya başka yollarla giderilmelidir. Yabancı maddeler, çeliğin sertleşmesini engeller ve bölgesel yumuşak noktaların kalmasına neden olurlar.

- Bazı uygulamalarda delik, kanal, büyük kesit değişimlerinde görülen çatlama ve çarpılmaları önlemek için tıkama yoluna gidilir. Bunun için genellikle ateş toprağından yapılmış çamur kullanılır. Vidalı delikler vidalarla da tıkanabilir.

- Oksitlenme ve yanmayı önlemek için ısıl işlem, atmosfer kontrolü sağlanmış olan fırınlarda yapılmalıdır. Tuz banyoları en uygun tavlama ortamlarıdır. Tuz banyosu yoksa ve tav fırınında atmosfer kontrolü sağlanamıyorsa iş parçasının üzeri oksitlenme ve yüzeyin karbonunun yanmasını önlemek için ateş çamuru ile sıvanmalıdır. Bu durumda ısıl işlem en kısa sürede bitirilmelidir.

- Parçalarda iç gerilimlerin ve çatlamaların olmaması için uygun sertleştirme sıvıları kullanılmalıdır. Dengeli soğutma yaratmak için sertleştirme sıvısının karıştırılması zorunludur.

- İş parçaları, su verme tanklarına uzun eksenine paralel daldırılmalıdır. Değişik kesitli parçalar önce kalın tarafları ortama girecek biçimde daldırılmalıdır. Bükülmüş biçimliler, içbükey yanları alta gelecek biçimde daldırılmamalıdır; oluşacak buğu kaçamağından sertleşmeyi önler.

- İş parçaları, fırından işe uygun ve sivri uçlu kıskaçlarla alınmalıdır. Fırından alma ile su verme tankına daldırılıncaya kadar fazla zaman geçmemeli ve iş soğumamalıdır.

Sertleşebilirlik

Sertleştirme işlemi sonunda, bir çelik parçasının yüzeyinden çekirdeğine doğru yarıçapı boyunca sertliğinin ne kadar ilerlediği o çeliğin sertleşebilirliğine bağlı olarak değişir. Eğer sertlik derinlemesine ilerlememişse böyle bir çelik için düşük sertleşebilirliği olan çelik ifadesi kullanılır.

Çeliğin sertleştirme sonrası kazanacağı sertlik, satın alımındaki tercih faktörlerinden en başta gelenidir. Bu sebepten çeliğin sertleşebilirliğini belirleyen bir deneye ihtiyaç vardır. İşte bu amaçla, bir uçtan soğutularak sertleşebilirlik veya diğer yaygın adıyla Jominy deneyi uygulanır. Uygun ostenit sıcaklığında homojen olarak 30 dakika ısıtılır ve fırından alınarak en fazla 5 saniye içinde deney cihazına yerleştirilerek alt düzeyine su püskürtülür. Su püskürtme zamanı en az 10 dakikadır. Parça, deney cihazında en az 10 dakika soğutulduktan sonra alınarak, uzunluk ekseni boyunca Rockwell C sertlik ölçümleri yapılır.

Değişik soğuma hızlarına bağlı olarak oluşan yapıların analizinden, hangi noktanın daha hızlı soğuduğu anlaşılabilir. Sertleşebilirlik genellikle sertlik değişimi cinsinden tarif edildiğinden, çelik cinsine bağlı olarak sertlik değişimi aynı zamanda mikroyapı değişikliği olarakta görülebilir. Genel olarak alaşım elementleri perlit, beynit dönüşümlerini geciktirerek sertleşebilirliği artırır. Böylece daha düşük soğuma hızlarında martensit dönüşümü artar.

Menevişleme (Temperleme)

Sertleştirme sırasında oluşan martensit yapı birçok uygulama için fazlasıyla sert ve gevrek olup darbe direnci ve dövülgenliği düşüktür. Aynı zamanda hızlı soğuma sonucu parçada yüksek gerilimler meydana gelir. Bu nedenle, hem parçanın gevrekliğini gidererek tok bir yapı kazandırmak hem de iç gerilimlerini azaltmak amacıyla menevişleme (temperleme) adı verilen ısı işlemi uygulanır.

Menevişleme, su verilip sertleştirilmiş çeliklerin ötektoid sıcaklığı (723 °C) altındaki sıcaklıklarda belli bir süre ısıtılması işlemidir. Menevişleme esnasında kristal kafes içinde hapsedilmiş karbonun bir bölümü ayrılarak serbest karbür tanecikleri oluştururken martensit yapı da ferrite dönüşmeye çalışır. Bu dönüşümler menevişleme sıcaklığı yükseldikçe hızlanır. Düşük sıcaklıklar parçayı yumuşatmadan gerilmeleri alır. Sıcaklık yükseldikçe parçanın sertliği ve mukavemeti düşerken daha tok ve sünek olur. Tüm bu özellik değişmeleri, zamanla bağlantılı oluşur.

Bir çeliğin menevişlenmesi esnasında mekanik özelliklerdeki değişmeler, kısmen iç gerilerlin azalması sonucu ise de, esas değişmeler ısıtma esnasında mikroyapıda meydana gelen olayların sonucudur. Bu değişmeler, temel olarak menevişleme sıcaklığına bağlıdır, fakat aynı zamanda karbon ve alaşım miktarı, meneviş sıcaklığında bekleme süresi ve başlangıçtaki yapının karakteri gibi birçok faktör rol oynar. Değişimler genel olarak, meneviş sıcaklığına gelindiğinde daha hızlı, bekleme esnasında ise oldukça yavaş seyreder.

Sertleştirilmiş çelikler menevişlendiğinde, çekme dayanımı ve akma sınırı düşük meneviş sıcaklıklarında pek az artma gösterebilir, ancak artan meneviş sıcaklıklarında sertlikte olduğu gibi devamlı düşme gösterirler. Buna karşın, malzemenin şekil değişebilirlik karakteristikleri olan kopma uzaması, kesit daralması ve çentik darbe dayanımı, meneviş sıcaklığı arttıkça artar. Meneviş kırılganlığı gösteren çeliklerde, kırılganlığın meydana geldiği meneviş sıcaklıklarında tavlama yapılırsa ya da bu sıcaklık bölgesinden yavaş soğuma ile geçilirse, şekil değiştirme karakteristiklerinde büyük düşme görülebilir.

Menevişleme işleminde, sertlik ve çekme dayanımına nazaran akma sınırının düşmesi daha azdır. Çökelerek dağılmış ince karbürler, kayma düzlemlerinin hareketini engellediğinden, bu durum özellikle yüksek meneviş sıcaklıklarında ortaya çıkar. Düşük meneviş sıcaklıklarında düşme, sertlik ve çekme dayanımı ile aynı olur. Artan meneviş sıcaklığı ile akma sınırında düşme devam ederken, artan şekil değişebilirlikle birlikte elastiklik sınırında da iyileşme görülür.

2.5.3.1. Martemperleme

Sertleştirme işleminin şiddetinden oluşan iç gerilmeler nedeni ile parçalarda çarpılma riski vardır. Martemperleme, sertleştirme dönüşümü olabilen sıcaklıkta parçaya su vererek, dışarıdan merkeze doğru oluşan iç gerilmeleri minimuma indirmek suretiyle yapılan sertleştirme metodudur. Parça 150-400°C arasına soğutulup, parçanın sıcaklığı uniform oluncaya kadar bu sıcaklıkta tutulur. Çıkarılan parçalar, havada oda sıcaklığına soğutulurlar. Martemperlenen parçalara, normal sertleştirme işleminden sonraki gibi temperleme yapılır.

2.5.3.2. Ostemperleme

Distorsiyonu minimize etmek için, martemperlemeye benzer şekilde yapılan bir işlemdir. Parçaları, önceden belirlenen bir zaman içinde, 250-400°C arasında soğutup, daha sonra oda sıcaklığına alarak 

Çeşitli meneviş sıcaklığı aralıklarında meydana gelen dönüşüm yapıları

Islah işlemi ve uygulanması

Sertleştirme ve meneviş (genellikle yüksek sıcaklıktaki) olayları birbiri peşi sıra uygulandığında ıslah işlemi olarak adlandırılır. Islahta seçilen meneviş sıcaklıkları, sertleştirilmiş duruma nazaran sertlikte önemli ölçüde düşme yapar. Islah işlemi, yalnızca konstrüksiyonlarda kullanılan yapı çeliklerine (ıslah çelikleri) değil, bazı takım çeliklerine de uygulanabilir. Uygun ıslah işlemi yapabilmek için, sertleştirme sıcaklığının doğru seçilmesi gerektiğinden, çeliğin karbon miktarı ve alaşım durumu tam bilinmelidir. Malzemede mevcut iç gerilmelerin ısınmada sakınca yaratmamsı için, çeliğin ostenitleştirme sıcaklığına ısıtılması dikkatlice yapılmalıdır. Sertleştirme öncesi gerilim giderme ya da normal tavlama yapılması yararlıdır. Ayrıca özellikle alaşımlı çeliklerde ön ısıtma yapılması da gerekebilir. Ön ısıtma işlemi 400-650 °C arasındaki sıcaklıklarda tuz banyosunda uygulanabilir.

Menevişleme sertleştirmenin hemen ardından yapılmalıdır. Sertleştirilmiş parçalar, çok büyük gerilmelere sahiptirler. Küçük darbeler, sıcaklık değişimleri sonucu pek az gerilme artırıcı faktörlerden, sertleştirilmiş halde plastik şekil değiştirme kabiliyeti çok küçük olduğundan, kolayca çatlama olabilir. En iyi uyulama, parçaların elle tutulabilecek sıcaklığa (40-50°C) ulaştığında meneviş fırınına ya da banyosuna alınmasıdır. Çatlamaya karşı hassas olan parçalar, soğuk fırına konmalı ve fırın parçalarla birlikte ısıtılmalıdır. Böylece daha homojen ısıtma sağlanabilir.

Yüzey Sertleştirme Metotları

Özellikle, dinamik yükler altında çalışan bazı makine parçalarında ''sert ve aşınmaya dayanıklı bir yüzey'' istenir. Aynı zamanda bu parçaların darbeli ve vuruntulu çalışma koşullarına uyabilmeleri için özlü olması gerekir. Bir makine parçasının özlü olabilmesi için çekirdeğine kadar sertleşmemesi gerekir. Bunların en belirgin ve yaygın örneğini dişli yüzeylerinde görebiliriz. Dişliler genellikle yüksek gerilimler altında çalıştığından, yüksek sertlik ve aşınma direnci gerektirir. Eğer, bu tür yüzeyler yeterince sert değilse kolayca aşınacak ve kullanım ömürleri kısalacak. Bu nedenle çeliğe, sert ve aşınmaya dayanıklı bir yüzey ve ayrıca yumuşak ve özlü bir çekirdek sağlama işlemi gerekir. Yapılan bu işleme ''yüzey sertleştirme'' adı verilir. Sertleştirme işlemi sonunda sert bir kabuk oluştuğundan ''kabuk sertleştirme'' olarakta bilinir. Oluşan bu sert kabuğun, malzemenin elastik şekil değiştirmesine müsaade edecek kadar ince ve aşınmalardan etkilenmeyecek kadar da kalın olması gerekir.

Yüzey sertleştirme işleminde başlıca beş yöntem vardır. Bunlar:

·         Sementasyon

·         Nitrürleme

·         Siyanürleme ve karbonitrürleme

·         Alevle sertleştirme

·         İndüksiyonla sertleştirme

İlk üç yöntemde, çeliğin yüzeyinde kimyasal bileşim değişir. Sementasyonda karbon, nitrürlemede azot, siyanürleme ve karbonitrürleme de hem azot hem de karbon miktarı artar. Alevle sertleştirme ve indüksiyonla sertleştirmede kimyasal bileşim değişmez; bölgesel ısıl işlem uygulanır.

Sementasyon

Bir tür ''termokimyasal işlem'' olarak bilinen sementasyon işlemi, düşük karbonlu çelik parçanın yüzeyinde karbon oranını artırma (karbürleme), daha sonra uygun ortamda su vererek sertleştirme işlemidir. Sementasyon, bilinen en eski ve en ucuz yüzey sertleştirme yöntemlerinden biridir.

Sementasyon işlemi, bileşiminde % 0,2'nin altında karbon bulunan alaşımsız veya düşük alaşımlı çeliklere uygulanır. Bu çelikler, sementasyon çelikleri olarak adlandırılmıştır. Sementasyon çelikleri; dişliler, miller, piston pimleri, supaplar, zincir baklaları, zincir dişlileri, diskler, rulmanlı yataklar, bir kısım ölçü ve kontrol aletleri gibi parçaların imalinde kullanılırlar.

Sementasyon, karbürleme ve sertleştirme olmak üzere iki kısımdan oluşur. Karbürleme, uygun sıcaklıkta çelik yüzeyine karbon emdirme işlemidir. Sertleştirme ise, ostenitin martensite dönüştürülmesiyle sert bir kabuk elde edilmesidir.

Karbürizasyon

Karbürleme, çelik yüzeyine karbon emdirilmesi, dolayısıyla çelik yüzeyinde karbon oranının artırılması işlemidir. Karbon emdirilmesi daima karbonmonoksit gazı yardımıyla gerçekleşir. Çelik, karbonmonoksit bulunan ortamda ostenit faz sıcaklığına (A₃ sıcaklığının üstünde bir sıcaklık) kadar ısıtılır. Karbürleme sıcaklığı denilen bu sıcaklıkta gaz-metal reaksiyonu sonucu açığa çıkan atomik karbon, çelik bünyesine girerek çözünür.

Çelik malzeme, karbürleme sıcaklığında karbon emdirmenin istenilen derinliğe kadar ilerlemesi için yeterli süre tutulur. Bu süreye ''karbürleme süresi'' denilir. Karbürleme süresince çelik parçanın yüzeyinden içeriye doğru giren karbonun ilerleme derinliğine, ''karbon emme derinliği'' ya da ''semente derinliği'' adı verilir.

Semente derinliği; karbon potansiyeline, karbürleme sıcaklığına ve karbürleme süresine bağlıdır. Semente derinliği karbürleme süresinin ve karbürleme sıcaklığının artırılmasıyla fazlalaşır. Örneğin; 900 °C'de 4 saat tutulan bir çelik parçada semente derinliği yaklaşık 0,85 mm'dir. Aynı parça 900 °C'de 8 saat tutulursa semente derinliği yaklaşık 1,3 mm olur. Aynı parça 900 °C yerine 955 °C'de 4 saat tutulursa semente derinliği 1,6 mm olur.

İndüksiyonla sertleştirme

Yüzey sertleştirme yöntemleri arasında en hızlı ve en temiz olanı indüksiyonla sertleştirmedir. Kimyasal bileşimi değiştirilmeden sertleştirilmeye yatkın malzemeler, bu yöntemde elektrik akımı yardımıyla yüzey sertleştirme işlemine tabi tutulurlar. İşlem sırasında akım,doğrudan doğruya parçaya verilmez. Akım, iletken bir boruya, iş bobinine verilir. İş bobininden yüksek frekanslı alternatif akım geçtiğinde, bobin çevresinde yüksek frekanslı manyetik alan oluşur. Bu manyetik alan içerisine, çelik parçalar yerleştirilecek olursa eddy ve histerisiz akımları meydana gelir. Çelik parça, oluşan bu akımların geçmesine engel olmaya çalışır. Bunun neticesinde parça ısınır. Alternatif akımın frekansı artırıldıkça eddy ve histerisiz akımları parça yüzeyine daha yakın mesafeden geçme eğilimindedir. Bu eğilim kılıf etkisi olarak bilinmektedir. Kılıf etkisi parça yüzeyinde çok hızlı ısınmayı sağlar. İç kısımlar soğuk ya da ılık kalırlar.

İndüksiyonla sertleştirmenin en büyük üstünlüğü hızlılığıdır. Fakat burada, ilk yapının önemi büyüktür. Eğer çelik normalize edilmiş ya da su verilip menevişlenmiş ise, indüksiyonla ısıtması çok kısadır. Tam tavlama işlemi uygulamış çeliklerde ise tane sınırlarında çökelen karbürlerin çözünebilmeleri için ısıtma süresinin uzatılması gerekir. Bu aşırı ısıtmaya neden olabilir, ya da indüksiyonla ısınma yetersiz kalabilir.

İndüksiyonla yüzey sertleşmesi yapılan bazı makine parçaları şunlardır. Krank milleri, eksantrik milleri, piston kolları, düz dişliler, hadde merdaneleri, supaplar, supaplara ait tahrik elemanları.

İndüksiyonla yüzey sertleştirmenin üstünlükleri :

Alevle yüzey sertleştirme için bir önceki bölümde sayılan üstünlükler, indüksiyonla yüzey sertleştirme için de geçerlidir. Fakat indüksiyonla yüzey sertleştirme:

- Daha ince sertleşme derinliği elde etme,

- Bu yöntem bir üretim hattı ile beraber birleştirilip otomatik hale getirilebilme,

- Parça başına daha düşük maliyet gibi üstünlüklere de sahiptir.

İndüksiyonla yüzey sertleştirmenin dezavantajları :

- Kullanılan cihazlar yüksek yatırım maliyeti gerektirir.

- Cihazların tamir ve bakım masrafları yüksektir.

- Yöntem, indüksiyon sertleşmesi için uygun bir şekle sahip parçalar ile sınırlıdır.

Havada sertleştirme

Genellikle ince kesitli az alaşımlı çelikler ve yüksek alaşımlı çelikler, basınçlı hava veya durgun hava ile sertleştirilebilirler. Hava ile soğutma hızı çok düşüktür ve iç gerilmelerden kaynaklanan çarpılmalar ihmal edilebilir düzeydedir. Hava genelde çok ani soğuması istenmeyen mamullerin fırın çıkışlarında kullanılır.

Havanın kullanılmasının avantajları, distirsiyonun ihmal edilebilir düzeye indirilmesi ve çeliğe soğuma sırasında doğrultma işleminin kolayca uygulanabilmesidir. Parça sabit basınçlı bir hava akımında döndürüldüğünde, düzenli bir şekilde soğuması gerekir. Havada soğumanın bir dezavantajı, soğuma sırasında yüzeyin oksitlenmesidir.

Havada sertleşecek olan çeliklerin ostenit yapısının oluşması için yapılacak tavlama, tuz banyolarında ya da koruyucu (gaz) atmosferli fırınlarda yapılır. Ostenitleme sıcaklığı düşük olan hava çelikleri kurşun banyosunda ya da oksitleyici atmosferli fırınlarda tavlanır.

Soğutma işlemleri ise çeşitli şekillerde yapılır. Durgun hava, fanlı hava ve basınçlı hava ortamında yapılır. Soğutma ortamlarının korozyon yapıcı etkisi havada bulunan oksijen nedeniyle ön plana çıkar. Bu açıdan havanın soğutma ortamı olarak kullanılması düşünüldüğünde korozyon direncini düşürdüğü göz önüne alınmalıdır.

Sertleştirme ortamının sıcaklığı

Su için uygun sıcaklık (20-40 °C), yağ için (50-80 °C) arasındadır. Sıcaklık sürekli olarak kontrol edilmelidir. Yağ sıcaklığını artırmak için, su verme işlemi öncesi bazı sıcak çelik parçalar banyoda soğutulurlar. Sertleştirme sırasında yüksek sıcaklıktaki çelik parçanın ortam sıcaklığını yükseltmemesi için ortam hacminin yeterli miktarda olması gerekir. Soğutma hızını artırmak ve ortam sıcaklığını sabit tutmak için sıvı ortamın karıştırılması sağlanmalıdır. Ayrıca çelik parça sıvı ortam içinde hareket ettirilmelidir. Böylece, parça yüzeyinde oluşacak olan buhar tabakası etkili bir şekilde giderilerek soğuma hızı artırılmış olur. Şekil de su banyosunda sertleştirilen paslanmaz çeliğin 25 ve 50 °C için elde edilen soğuma eğrileri, ve Şekil de yağ banyosunda 50 °C'de parça hareketinin soğuma hızına etkisi görülmektedir.