MALZEME BİLGİSİ
DERS 10
DR. FATİH AY
www.fatihay.net
[email protected]
GEÇEN HAFTA
 TEMEL KAVRAMLAR
 FAZ DÖNÜŞÜMLERİNİN KİNETİĞİ
 DEMİR-KARBON ALAŞIMLARINDA MİKROYAPI VE
ÖZELLİK DEĞİŞİMİ
 DEMİR-KARBON ALAŞIMLARININ MEKANİK
ÖZELLİKLERİ
BÖLÜM 8
UYGULAMALAR VE METAL ALAŞIMLARIN
İŞLENMESİ
 DEMİR ESASLI ALAŞIMLAR
 DEMİR DIŞI ALAŞIMLAR
 METALLERE UYGULANAN İMALAT YÖNTEMLERİ
 METALLERE UYGULANAN ISIL İŞLEMLER
ÖĞRENECEKLERİNİZ:
•
•
•
•
•
Dört farklı çelik sınıfını bilir, her birinin kimyasal bileşimindeki farkı,
birbirinden ayırıcı belirgin özelliklerini ve kullanım yerlerini
belirtebilirsiniz
Beş farklı dökme demir türünü bilir, önemli mekanik özelliklerini, iç yapı
özellikleri ile birlikte tanımlayabilirsiniz
Metal ve alaşımların şekillendirilmesinde kullanılan dört mekanik şekil
verme yöntemini bilir ve tanımlayabilirsiniz
Beş metal dökme yöntemini bilir ve tanımlayabilirsiniz
Aşağıdaki ısıl işlemlerin amacını ve uygulanış yöntemlerini
açıklayabilirsiniz: yeniden kristalleşme tavı, gerilme giderme tavı,
normalleştirme tavı, tam tavlama işlemi ve küreselleştirme tavı
ÖĞRENECEKLERİNİZ:
•
•
•
•
Çeliklerde sertleşebilme kabiliyetini tanımlayabilirsiniz
Belirli bir çeliğin sertleşebilme eğrisi, su verme sırasındaki soğuma hızı ve
çubuk boyutlarına ait bilgilerin verilmesi durumunda, silindirik bir çelik için
östenitlenme ve su verme sonrasında elde edilecek sertlik profilini
oluşturabilirsiniz
Faz diyagramlarından yararlanarak metal alaşımlarına çökelme
(yaşlandırma) sertleştirilmesi işlemi sırasında uygulanacak iki ardışık ısıl
işlemi tanımlayabilir ve açıklayabilirsiniz
Çökelme sertleşmesi için sabit sıcaklıkta uygulanan yaşlandırma işlemi
sırasında, alaşımın oda sıcaklığındaki sertliğinin yaşlandırma süresinin
logaritmik değeriyle değişimini veren grafiği şematik olarak çizebilir ve
eğrinin şeklindeki değişimleri çökelme sertleştirmesi mekanizmalarından
yararlanarak açıklayabilirsiniz
GİRİŞ
Ticari alaşımların kısa gösterimleri, genel özellikleri ve kullanım
sınırlamalarının bilinmesi malzeme seçim süreçleri için önemlidir
İmalat yöntemleri ile alaşım özellikleri değiştirilebilir, uygun ısıl işlemler
ile değişik özellikler kazandırılabilir
Kimyasal bileşimlerinde esas bileşen Fe olan alaşımlar demir esaslı
alaşımlar olarak adlandırılır
Diğerleri ise demir-dışı metaller olarak isimlendirilir
Demir esaslı alaşımların sınıflandırılması
DEMİR ESASLI ALAŞIMLAR
Çok yaygın olarak kullanılırlar:
1- Demir içeren bileşikler doğada bol miktarda bulunur
2- Demirin cevherden ayrıştırılması, arıtılması, alaşımlandırılması ve imal edilmesi
işlemleri göreceli olarak daha ekonomiktir
3- Demir alaşımlarına çok değişik aralıklarda mekanik ve fiziksel özellikler
kazandırılabilir
ÇELİKLER
Düşük-karbonlu çelikler:
Orta-karbonlu çelikler:
Yüksek-karbonlu çelikler:
• En çok üretilen ve en çok kullanım alanına sahip çelik
türüdür
• %0,25 de daha az miktarda karbon içerir
• Daha çok soğuk şekillendirme ile dayanımı arttırılır
• Maliyeti diğer çelik türlerine göre daha düşüktür
• Karbon oranı %0,25 ile %0,60 arasındadır
• Isıl işlem için uygundur
• Krom, nikel, molibden gibi elementler ile ısıl işlem
kapasiteleri geliştirilebilir
• Karbon oranı %0,60 ile %1,40 arasındadır
• Bu tür çelikler her zaman su verilerek temperlenmiş halde
kullanılır
• Aşınma direnci gerektiren ve sert, aynı zamanda keskin
kenarlara sahip olunması durumunda tercih edilir
ÇELİKLER
Düşük-karbonlu çelikler:
• Otomotiv sektöründe araç gövdesi ve parçalarının
imalatında, I profil, U profil gibi yapı çelikleri olarak
inşaat sektöründe, boru hatları, binalar, köprüler ve
içecek kutularının imalatında kullanılır
Orta-karbonlu çelikler:
• Raylar, raylı araçlara ait tekerlekler, dişliler, krank milleri
ve performansta yüksek dayanım, aşınma dayanımı ve
tokluğun aynı anda gerekli olduğu durumlarda tercih
edilir
Yüksek-karbonlu çelikler:
• Kesici takımlarn, şekillendirme kalıplarının imalatında,
bıçak, jilet, testere, yay ve yüksek dayanımlı tellerin
üretiminde kullanılır
ÇELİKLER
KOROZYON DİRENCİ
TOKLUK
Düşük-karbonlu çelikler
Orta-karbonlu çelikler
Yüksek-karbonlu çelikler
SÜNEKLİK
DAYANIM
Yüksek-karbonlu çelikler
SERTLİK
Orta-karbonlu çelikler
Düşük-karbonlu çelikler
Karbon oranı
Basit
karbonlularda
0 ve 1
Diğer alaşım
elementlerini
içeren çelikler
Çelikler
için harf
Tüm
alaşımlar için
AISI/SAE
kodu
• Korozyon direnci için en az %11 krom katılır
Paslanmaz çelikler:
Martenzitik
Ferritik
Östenitik
Sadece soğuk
şekillendirme
• Nikel ve molibden ilavesi korozyon direncini daha da
arttırır
• Mekanik
özellikleri
değerlendirilebilir
geniş
• Paslanmaz çelik,
adlandırılır
matris
ana
bir
aralıkta
elemanına
göre
• En iyi korozyon direnci östenitik paslanmaz çeliklerindir
• Bu çelikler yüksek sıcaklıklarda da mekanik dayanım
ve korozyon dirençlerini koruyabilirler
DÖKME DEMİRLER
• Karbon oranı ağırlıkça%2,14 üzeri demir alaşımlarıdır.
• Pratikte %3 ile %4,3 karbon ve diğer alaşım elementlerini içerir
• Gevrek olduklarından döküm yöntemi ile üretilmeleri en uygundur
 Kır (Gri) Dökme Demir
 Küresel (Sfero) Dökme Demir
 Beyaz Dökme Demir
 Temper Dökme Demir
 Kompakt Grafitli Dökme Demir
DÖKME DEMİRLER
• Grafitin dayanımı demirin
edilebilecek kadar küçüktür
yanında
ihmal
• Dolayısıyla grafit bölgeler boşluk gibi davranır
• Bir de keskin köşelerin oluşturduğu çentik etkisi
ilave olunca yapı çok gevrek-kırılgan davranır
• Dolayısı dökme demirler genelde basıya karşı
zorlanan
parçalarda
kullanılır.
Çekme
zorlanmaları olan yerlerde kullanılmaz.
Lameller
21
DÖKME DEMİRLER
Kararsız sementit fazının dönüşümü
Fe3C
3Fe (α) + C (grafit)
Ötektik ve ötektoid reaksiyon
sıcaklıkları değişmiştir (1147 ve 727˚C)
Çoğu dökme demirlerde karbon
yerine grafit bulunur
DÖKME DEMİRLER
Kır (Gri) Dökme Demir:
• Karbon oranı %2,5 ile %4, Silisyum oranı %1 ile %3
arasında değişir
• Grafit lameller, ferrit ve perlit fazı içinde kuru yaprak
gibi görülür
Çekme
Nispeten zayıf ve gevrek davranış
Basma
Daha dayanıklı hatta sünek
• Titreşim sönümleme kapasitesi çok iyidir
• Tüm metalik malzemeler arasında en ucuz olanıdır!
Küresel (Sfero) Dökme Demir:
DÖKME DEMİRLER
• Magnezyum ve/veya seryum ilavesi ile elde edilir
• Bu yapıda oluşan grafit lamel yerine küre şeklinde
olduğu için küresel (sfero) olarak adlandırılır.
• Matris fazı olan perlitik veya ferritik yapı içinde küresel
grafit taneleri vardır
• Mekanik özellikleri çeliklerinkine yakındır
DÖKME DEMİRLER
Beyaz Dökme Demir:
• %1 den daha az Silisyum içeren dökme demirler, karbon
grafit şeklinde ayrılmaz ve oluşan sementit içinde kalır
• Beyaz renkli kırık yüzeyler oluşturduğundan bu ismi alır
• Sementit fazından dolayı hem çok sert hem çok gevrektir
• Temper dökme demirin ham maddesi olarak kullanılır
DÖKME DEMİRLER
Temper Dökme Demir:
• Beyaz dökme demirin 800-900˚C arasına ısıtılması
ve burada uzun süre tavlanması neticesinde grafit
sementitten ayrılarak patlamış mısır görünümünde
temper grafitlerini oluşturur
• Kır dökme demirlere göre oldukça dayanıklı ve
çok daha sünektir
• Üretimleri diğer dökme demir türlerine göre daha
azdır
DÖKME DEMİRLER
Kompakt Grafitli Dökme Demir:
• İçeriğinde %1,7 ile %3 oranında silisyum ve %3,1 ile %4
oranında karbon bulunur
• Yapıda grafit kurtçuk şeklinde bulunur
• Yapı kır dökme demir ile küresel dökme demir arasındadır
• Yorulma dayanımı iyidir
• Isıl iletkenliği daha yüksektir
• Isıl şoka daha dirençlidir
• Yüksek sıcaklıklarda oksitlenme özelliği daha düşüktür
DÖKME DEMİRLER
28
DEMİR DIŞI ALAŞIMLAR
Çelik ve demir esaslı alaşımlar geniş bir aralıkta mekanik özellikler
sunabilmesi, ekonomik olması ve kolay üretimi dolayısıyla daha yüksek
miktarlarda kullanılmaktadır
Ancak
- Özgül ağırlıkları yüksektir
- Diğer metal alaşımlar ile karşılaştırıldıklarında elektriksel iletkenlikleri düşüktür
- Normal ortamlarda korozyondan daha fazla etkilenirler
DEMİR DIŞI ALAŞIMLAR
Gevrek ve normal şartlarda şekillendirebilme özelliğine sahip olmayan
alaşımlar döküm alaşımlar olarak adlandırılır
Mekanik şekillendirebilme özelliğine sahip olan alaşımlar ise yoğruk alaşımlar
olarak adlandırılır
DEMİR DIŞI ALAŞIMLAR
Bakır ve Alaşımları:
Saf bakır son derece yumuşak ve son derece yumuşak olduğu için talaşlı
imalatı zordur
Soğuk şekillendirme kabiliyeti çok yüksektir
Korozyon direnci iyi olmakla birlikte alaşımlar ile çok daha iyi hale getirilebilir
Isıl işlem yöntemleri ile sertleştirilemez
En önemli bakır alaşımı içinde baskın elementi çinko olan pirinçtir
Berilyumlu bakır; ısıl işlem uygulanabilen, çekme dayanımı yüksek, elektrik
iletkenliği mükemmel, iyi korozyon ve aşınma dayanımına sahip bir alaşımdır
Kurşun, alüminyum, silisyum, nikel
Bakır
Bronz
DEMİR DIŞI ALAŞIMLAR
Alüminyum ve Alaşımları:
Yoğunluğu çelik ve diğer metallere göre oldukça düşüktür (2,7g/cm3)
Isıl ve elektrik iletkenlikleri yüksek, korozyon direnci oldukça iyidir
Yüksek süneklik özelliği dolayısıyla kolayca şekillendirilebilir (folyo haline
getirilebilir)
Erime noktası çok düşük olduğu için yüksek sıcaklık uygulamaları için uygun
değildir
Ana alaşım elementleri bakır, çinko, magnezyum, mangan ve silisyumdur
Özgül dayanımları çelikten daha iyidir
DEMİR DIŞI ALAŞIMLAR
Magnezyum ve Alaşımları:
Magnezyumun en önemli özelliği yapı elemanları içinde en düşük yoğunluğa
sahip olmasıdır (1,7g/cm3)
Nispeten yumuşak ve düşük elastiklik modülüne sahiptir
Alüminyum, mangan, çinko ve bazı nadir toprak elementleri ana alaşım
elementi olarak kullanılır
Uçak ve roket parçalarında, bavul ve bagaj gibi uygulamalarda tercih edilir
Son yıllarda daha düşük yoğunlukta olmaları, katı olmaları, daha kolay geri
dönüştürülebilmeleri ve daha düşük maliyetle üretilebilmeleri nedeniyle, birçok
uygulamada plastiklerin yerini aldıkları görülmektedir
DEMİR DIŞI ALAŞIMLAR
Titanyum ve Alaşımları:
Çekme, akma dayanımı ve özgül dayanımı oldukça iyidir
Sünek olduğu için kolayca şekillendirilebilir, ayrıca talaşlı imalata uygundur
Yüksek sürünme özelliklerinden dolayı yüksek sıcaklık uygulamalarında tercih
edilir
Al, Sn, V, Mo genellikle kullanılan alaşım elementleridir
Korozyon dirençleri çok iyidir
Yüksek sıcaklıklarda imalat sırasında reaktif olduklarından özel imalat
yöntemleri gerektirirler
Üretim maliyetleri yüksektir
DEMİR DIŞI ALAŞIMLAR
Refrakter Metaller:
Ergime sıcaklıkları çok yüksektir
Niyobyum (Nb), molibden (Mo), tungsten (veya wolfram) (W) ve tantal (Ta) refrakter
metallerdir
En düşük ergime sıcaklığı 2468˚C (Nb), en yüksek ergime sıcaklığı 3410˚C (W) dir
Elastiklik modülü yüksek, dayanımı oldukça iyidir
Yüksek sıcaklıklarda dahi sertlik değerleri yüksektir
Ta ve Mo paslanmaz çeliklerin korozyon direncini arttırmak için eklenir
Mo
W
Ta
Ekstrüzyon kalıplarında
uzay araçlarının bazı parçalarında, elektrik ampul flamanlarında, x-ışını tüplerinde,
kaynak elektrotlarında
Yüksek korozyon direnci istenen uygulamalarda
DEMİR DIŞI ALAŞIMLAR
Süper Alaşımlar:
Yüksek sıcaklıklara ve bu sıcaklıklardaki aşırı oksitlenmeye dirençlidirler
Yoğunlukları düşüktür
Demir-nikel esaslı, nikel esaslı ve kobalt esaslı olmak üzere sınıflandırılırlar
Nb, Mo, W ve Ta gibi refrakter metaller ile alaşımlandırılırlar
Bu özelliklerinden dolayı jet türbinleri ve nükleer reaktörlere ait bazı parça
imalatında ve petro-kimya rafinerilerinde kullanılırlar
METALLERE UYGULANAN İMALAT YÖNTEMLERİ
METALLERE UYGULANAN İMALAT YÖNTEMLERİ
Arındırma
Alaşımlama
Isıl İşlemler
İmalat Yöntemleri





Plastik şekil verme
Döküm
Toz metalürjisi
Kaynakla birleştirme
Talaşlı imalat
PLASTİK ŞEKİL VERME YÖNTEMLERİ
Sıcak şekil değiştirme:
 Yeniden kristalleşme sıcaklığı üzerinde gerçekleşir
 Büyük şekil değişimleri elde edilebilir
 Tekrar tekrar işlem yapılabilir
 Yüksek sıcaklıklarda metallerin çoğu korozyona uğrar
Soğuk şekil değiştirme:

Ergime sıcaklığının %30 altında yapılan işlemlere
denir

Sıcak şekillendirmeye göre enerji maliyetleri daha
yüksektir

Daha iyi yüzey görünümü, daha hassas boyut
toleransı ve daha iyi mekanik dayanım elde edilebilir
PLASTİK ŞEKİL VERME YÖNTEMLERİ
PLASTİK ŞEKİL VERME YÖNTEMLERİ
Dövme:
 Şekillendirme işlemi ardı ardına gerçekleştirilen
vuruşlar ya da sürekli basınç uygulama ile sıkıştırılarak
gerçekleştirilir
 Kapalı kalıpta dövme ile iki veya daha fazla
parçadan oluşan kalıplar vasıtası ile kuvvet uygulanır
 Açık kalıpla dövmede, basit şekilli değişik şekilli kalıp
çiftleri arasında metal ezilerek şekillendirilir
 Büyük parçaların kademeli olarak dövülmesinde
kullanılır
PLASTİK ŞEKİL VERME YÖNTEMLERİ
Haddeleme:
 En çok kullanılan metal şekillendirme
yöntemidir
 Metal iki merdane arasında ezilerek
kalınlığı merdaneler arası boşluk
seviyesine düşürülür
 Sac, levha veya folyo gibi yassı
ürünler soğuk haddeleme ile üretilir
 Yuvarlak kesitli metaller, I-profiller ve
tren rayları üzerinde uygun oluklar
işlenmiş
merdaneler kullanılarak
üretilirler
PLASTİK ŞEKİL VERME YÖNTEMLERİ
Ekstrüzyon:
 Kovan içine yerleştirilmiş bir metale basma gerilmeleri
uygulanarak, metalin kalıp deliğinden kesit alanını
küçülterek geçmesi sağlanır
 Kuvvet bir piston yardımı ile uygulanır
 Bu yöntem ile çubuklar, dikişsiz borular, tüpler ve
değişik kesit geometrisine sahip profiller üretilebilir
PLASTİK ŞEKİL VERME YÖNTEMLERİ
Çubuk Çekme:
 Bir metalin ürün kesitine sahip kalıp deliğinden
küçültülerek çekilmesiyle gerçekleştirilir
 Konik şekildeki kalıbın çıkış tarafındaki malzemenin
ucundan tutularak çekme kuvveti uygulanır
 Kesit küçülmesi sonucu malzemenin boyu uzar
 Çubuk, tel, bazı tüp ve borular bu yöntem ile üretilir
DÖKÜM
 Ergimiş durumdaki metalin istenen geometride boşluğa sahip olan bir kalıp içine dökülür ve
burada katılaşır
 Katılaşma sonrasında parça kalıbın şeklini alır ve hacmi kalıp boşluğuna göre bir miktar
küçülür
Kum Kalıba Döküm:
Ergimiş metal kumdan kalıbın içine dökülür. Kalıp kumdan hazırlandığı için bu adı alır. Alt
ve üst kalıp parçası kapatılarak içeriye yolluk sistemi ile ergimiş metal akıtılır ve soğutulur.
Motor gövdeleri, yangın vanaları, büyük boru tesisat armatürleri bu yöntem ile üretilir.
Basınçlı Döküm:
Sıvı metal basınç yardımıyla ve nispeten yüksek hızlarla kalıp içerisine akmaya zorlanır.
Kalıplar basınç kullanıldığı için kokil adı verilen iki parça çelikten oluşur. Tek bir kalıp seti
binlerce parça üretiminde kullanılabilir. Düşük ergime sıcaklığına sahip alaşımlar ve küçük
parça imalatı için uygundur.
DÖKÜM
Hassas Döküm:
Model mum veya plastik gibi düşük sıcaklıklarda eriyen malzemelerden yapılır. Mumun
etrafına dökülen gevşek malzeme (genelde alçı veya seramik) model etrafında
katılaştırılarak, içerideki malzeme eritilerek dışarı atılır. Böylece kalıbın içindeki boşluk
parça imalatına hazır hale gelir. Kuyumculuk sektöründe, dişçilikte dolgu ve kaplama
imalatında, gaz türbinlerinde ve jet motorlarının yanma odalarında kullanılan kanatçıklar
bu yöntem ile üretilir.
Strafor Modelli Kalıba Döküm:
Polisitiren adı verilen köpük malzemesi istenen şekilde hazırlanır. Hazırlanan model kum ile
sıkıştırılarak şekli alması sağlanır. Daha sonra metal dökülüp, köpüğün yanıp yok olması
sağlanır ve kum kalıp kırılarak imalat tamamlanır. Bu yöntemle karmaşık şekilli malzemeler,
ekonomik olarak üretilebilir. Araç motor blokları, motor silindir kafaları, araç krank milleri,
deniz motor gövdeleri ile elektrik motor gövdeleri bu yöntemle üretilir.
DÖKÜM
Sürekli Döküm:
Sıvı metal büyük ingot kalıplar içerisine dökülerek katılaştırılır. Katılaşma sonrasında
haddeleme işlemi ile hammadde dikdörtgen veya kare kütüklere dönüştürülür. Bununla
birlikte ingot şekline göre silindir üretimler de yapmak mümkündür. Bu yöntemde kimyasal
bileşim ve mekanik özelliklerin kesit boyunca dağılımı oldukça homojendir.
DİĞER YÖNTEMLER
Toz Metalurjisi (Sinterleme):
Metal veya alaşım tozların istenen şekle uygun kalıp içine yerleştirilip, yüksek basınç ile
sıkıştırılır ve ısıl işlem uygulanarak yoğunluğun arttırılması sağlanır. Sinterleme teknolojisi
ile neredeyse hiç boşluk (porozite) içermeyen ve tam yoğunluğa sahip, ana malzemenin
tüm özelliklerini sağlayan üretimler yapmak mümkündür. Düşük sünekliğe sahip metaller
için uygundur.
Kaynakla Birleştirme:
Bir parçanın bütün imalatının uygun olmadığı veya masraflı olduğu durumlarda iki veya daha
çok metal parçaların birleştirilerek tek parça haline getirilmesi yöntemidir. Hem aynı hem
farklı metaller kaynak ile birleştirilebilir. Ark kaynağı, yanıcı gaz kaynağı, sert lehimleme ve
yumuşak lehimleme gibi bir çok türü mevcuttur.
10. DERSİN SONU
Download

Ders 10 - Yrd.Doç.Dr.Fatih AY