ÇELİKLERE UYGULANAN
ISIL İŞLEMLER
Isıl İşlemin Tarifi
Genel anlamda ısıl işlem, metal veya alaşımlara istenilen
özellikleri kazandırmak amacıyla katı halde uygulanan
kontrollü ısıtma ve soğutma işlemleri olarak tanımlanır.
Isıl işlemin Türk Standartlarındaki (TS 1112) tanımı ise; katı
haldeki metal veya alaşımlara belirli özellikler kazandırmak
amacıyla bir veya daha çok sayıda, yerine göre birbiri peşine
zamanlanarak uygulanan ısıtma ve soğutma işlemleri olarak
verilmektedir.
Çeliklere uygulanan bütün temel ısıl işlemler, iç yapının
dönüşümü ile ilgilidir. Dönüşüm ürünlerinin türü, bileşimi ve
metalografik yapısı çeliğin fiziksel ve mekanik özelliklerini
büyük ölçüde etkiler. Başka bir deyişle; bir çeliğin fiziksel ve
mekanik özellikleri içerdiği dönüşüm ürünlerinin cinsine,
miktarına ve metalografik yapısına bağlıdır.
Isıl İşlemin Genel Uygulaması
•Isıtma
•Isıtılan Sıcaklıkta bekletme
•Soğutma
Isıl işlem uygulanacak çelikleri içerdiği karbon oranına göre
iki farklı grupta toplayabiliriz;
1-Ötektoid altı çelikler (%C <0,8),
2-Ötektoid üstü çelikler (%C > 0,8)
Şekil 1- Demir – Karbon denge diyagramı
Geri
•Çeliğin ısıl işlemine ostenitleştirme (ostenizasyon) ile
başlanır.
•Ostenitleştirme; çeliğin uygun bir sıcaklığa kadar
yavaşça ısıtılıp, yapısının tamamen ostenite
dönüşmesine kadar (yani iç yapının her bölgede benzer
yapı göstermesine kadar) tavlanması anlamına gelir.
•Ostenitleştirme için çelik malzeme, alt kritik sıcaklık
çizgisinin (Ac1) üzerindeki bir sıcaklığa kadar ısıtılır.
Şekil 1
Ötektoid altı çelikler, üst kritik sıcaklık çizgisinin (Ac3) 4060ºC üzerindeki sıcaklıklarda ostenitleştirme işlemine tabi
tutulurlar. Ac3 çizgisinin altındaki sıcaklıklarda ise ötektoid
dışı ferrit bulunur ve bu fazın oranı çeliğin karbon
oranına bağlıdır. Bu da çelik içerisinde yumuşak
bölgelerin oluşmasına neden olur ve böylece malzemenin
sertleşmesi engellenir.
Ötektoid üstü çelikler ise, Ac1 ile bu çeliklere ait üst kritik
sıcaklık çizgisi (Acm) arasındaki sıcaklıklarda ostenitleştirilir.
Acm çizgisi ani olarak yükseldiğinden, bütün yapıyı
ostenitleştirmek için çok yüksek sıcaklıklara çıkmak gerekir.
Isıtılan çelik, uygulanan ısıl işlem türüne göre bu sıcaklıkta
Şekil 1
belirli bir süre bekletilir ve belirli bir soğuma hızında
Isıl İşlem Uygulamasında Dikkat Edilecek Hususlar;
Çarpılmanın önlenebilmesi için soğuk şekil değişimine tabi
tutulmuş, yani aşırı ölçüde iç gerilme içeren malzemelerin,
gerilmesiz malzemelere göre daha yavaş ısıtılması gerekir.
•Ayrıca, kesit değişikliği gösteren parçaların ısıtılması
sırasında ince ve kalın kesitlerdeki ısınma veya sıcaklık artış
hızları arasındaki farklar da dikkate alınmalıdır.
•Sıcaklık etkisiyle parçada meydana gelebilecek çarpılmayı
en aza indirmek için, ince kısımları kalın kısımlara göre
daha yavaş ısıtılması gerekir.
•Isıl işlem sırasındaki hasar riskini azaltmak amacıyla
çelikler genelde yavaş ısıtılırlar.
Çeliğin iç yapısının tamamen değiştiği bu sıcaklıklara
çıkartılmasında, çelikte;
Çarpılma
Çatlama
Oksidasyon
Dekarbürizasyon (karbon atomlarının iç
yapıdan kopması) ve
Tane büyümesi
gibi istenmeyen durumlar meydana gelebilir. Bu
nedenle çelikler olabildiğince düşük sıcaklıklarda
ostenitleştirilirler.
Temel Isıl İşlemler
Geri
Şekil 2- Alaşımsız çeliklere uygulanan yumuşatma, normalizasyon,
küreselleştirme ve sertleştirme işlemleri için tavlama sıcaklık aralıkları
Temel Isıl İşlemler
1-GERİLİM GİDERME TAVI (STRESS RELIEVING)
Gerilim giderme tavı şekil verme, döküm veya kaynak
işlemlerinden doğan iç gerilmeleri azaltmak amacı ile çelik
parçaları, genellikle 550-650ºC arasında ısıtma ve sonra
yavaş yavaş soğutma işlemidir.
2-NORMALİZE TAVI (NORMALIZING)
Normalize tavı çelik malzemenin kristal yapısını daha
homojen, daha ince bir hale getirmek ve bir sonraki ısıl
işleminde karbürün uygun şekilde dağılmasını sağlamak
amacıyla çeliğin kritik sıcaklığının 40-60ºC üstünde
tavlanıp havada soğutulmasıdır (Şekil 2).
Şekil 2
Temel Isıl İşlemler
3-SU VERME İŞLEMİ (QUENCHING)
•Belli bir sıcaklığa kadar (genellikle 850-1100ºC) ısıtılmış
çeliğin cinsine göre su, yağ veya tuz banyolarında
soğutularak martensit bir yapı sağlamasına su verme işlemi
denir.
•Soğutma hızı, parçanın büyüklüğüne, çeliğin sertleşebilme
yeteneğine ve su verme ortamına bağlı olarak değişir.
•En fazla arzu edilen su verme hızı, en uygun sertlik
sağlamaya yarayan en ağır soğutma hızıdır.
•Soğutma hızı çok yüksek olursa parçada çatlaklar oluşur,
çok düşük olması halinde de uygun sertlik elde edilemez
(Şekil 2).
Şekil 2
Temel Isıl İşlemler
4-MENEVİŞLEME (TEMPERING)
•Menevişleme, ısıl işlem sonucu sertleştirilmiş bir
çeliğin su verme sonunda soğutmadan ileri gelen
•gerginlikleri gidermek ve çeliğin sahip olduğu
martensitik özlülüğünü ve direncini arttırmak için
•genellikle 150-450ºC arasında ısıtılarak ve uygun bir
hızla soğutularak gevrekliğini giderme işlemidir.
•Çatlamaları en aza indirebilmek için meneviş
işleminin su verme işleminden hemen sonra yapılması
gerekir.
Temel Isıl İşlemler
5-SEMENTASYON (YÜZEY SERTLEŞTİRME)
Sementasyon işlemi, düşük karbonlu çelik parçasının
yüzeyine karbon emdirilmesi işlemidir. Karbon emdirilmesi
işlemi, çelik parçasının karbon monoksit (CO) içeren bir
ortamda östenit faz sıcaklığına (850-950ºC) kadar
ısıtılmasıyla gaz-metal tepkimesi sonucu oluşur.
Çelik parça, sementasyon sıcaklığında yüzeyden çekirdeğe
doğru karbon difüzyonunun istenen derinliğe kadar
ilerlemesi için yeterli süre tutulur. Bu süreye sementasyon
zamanı adı verilir. Bu süre içinde çelik parçanın yüzeyinden
içeriye doğru difüz eden karbonun ilerleme derinliğine
sementasyon derinliği adı verilir.
TAVLAMA (yumuşatma tavı)
İstenilen yapısal, fiziksel ve mekanik özellikleri elde etmek ve
talaş kaldırmayı veya soğuk şekillendirmeyi kolaylaştırmak
amacıyla metal malzemelerin uygun sıcaklıklara kadar ısıtılıp,
gerekli değişikler sağlanıncaya kadar bu sıcaklıkta tutulması ve
sonradan yavaş soğutulması işlemine tavlama denir (Şekil 3).
Şekil 3- Tavlama işleminin şematik gösterimi
Yumuşatma Tavı
Yumuşatma tavı, çelik iç yapısındaki tane boyutunu küçülterek
sertliği azaltmak, talaş kaldırmayı kolaylaştırmak veya döküm ve
dövme parçalarındaki iç gerilmeleri gidermek amacı ile; Ötektoid
altı çelikleri Ac3, ötektoid üstü çelikleri ise Ac1 çizgilerinin
üzerindeki belirli sıcaklıklara kadar ısıtıp, iç yapılarını ostenite
dönüştürdükten sonra fırın içerisinde tutarak çok yavaş soğutulma
işlemidir.
% 0,2 C içeren iri taneli ötektoid altı bir çelik parçanın tanelerinin
tavlama işlemi sırasında iç yapısında meydana gelen değişimler şu
şekildedir;
a) İlk veya orijinal yapı iri ferrit ve perlit tanelerinden
oluşmaktadır (Şekil 4).
Şekil 4- Düşük karbonlu
çeliğin iç yapısı
Geri
Şekil 6- Ötektoid üstü
çeliklerin iç yapısı
Şekil 5- %0,2 C içeren çeliğin iç yapısında
tavlama işlemi sırasında meydana gelen
değişimlerin şematik gösterimi
b) Ac1 çizgisinin hemen üzerindeki bir sıcaklıkta
perlit ince taneli ostenite dönüşürken, ferrit yapıda
aynen kalır.
Eğer bu sıcaklıktan soğutmaya geçersek ferrit iri
taneleri değişmediğinden tane boyutunda herhangi
bir değişme olmaz (Şekil 5).
c) Ac3 çizgisinin üzerindeki bir sıcaklıkta yapı
tamamen ince taneli ostenite dönüşür (Şekil 5).
d) Parça oda sıcaklığına soğutulduğunda, ince ferrit
taneleri ile küçük perlit bölgelerini içeren bir iç yapı
oluşur (Şekil 5).
Şekil 5
Buradan; ötektoid altı çeliklerin yumuşatma tavına
tabi tutulabilmeleri için Ac3 çizgisinin üzerindeki
uygun sıcaklıklarda tavlanmalarının gerekli olduğu
sonucu ortaya çıkmaktadır. (Ac3 Üstüne çıkılmazsa tane incelmez)
Ötektoid altı çeliklerin sağlıklı biçimde ısıl işleme tabi
tutulabilmeleri için, önce homojen bir ostenitik yapıya
sahip olmaları gerekir. Bunun için, ostenitleştirme
sıcaklığına kadar ısıtılan çelik malzemelerin her 25
mm et kalınlığı için 1 saatlik bir süre o sıcaklıkta
tavlanmaları tavsiye edilir.
Ötektoid üstü çelikler Ac3,1 çizgisinin yaklaşık 50ºC
üzerindeki sıcaklıklarda ostenitleştirme işlemine tabi
tutulurlar.
Bu sıcaklıklarda tutulan çelikler, ostenit ve sementit
fazlarını içerir. Bu sıcaklıklardan çeliklere su verildiğinde
sementit parçacıkları yapıda aynen kalır.
Yapıdaki sementit fazı sertliği azaltmadığı gibi, çeliklerin
aşınma dirençlerini de artırır. Bu nedenle ötektoid üstü
çeliklerin tamamen ostenitleşmesine gerek yoktur.( dönüşümde
her halukarda sementit fazı kalır) Bu çelikler Ac3,1 çizgisinin en az
10ºC üzerindeki bir sıcaklıkta tavlanırlar.
Şekil 6
•Yumuşatma tavına tabi tutulan ötektoid üstü çeliklerin iç
yapıları kaba lamelli perlit alanları ile bunları çevreleyen
ötektoid dışı sementit fazından oluşur
•Bu yapıdaki perliti çevreleyen sementit ağı sert ve
gevrektir. İç yapıda kalın ve sert tane sınırlarının
bulunması, çeliklerin talaşlı yöntemle işlenmelerini
zorlaştırır. Bu nedenle yumuşatma tavı, ötektoid üstü
çeliklere son işlem olarak uygulanmaz.
• Ötektoid üstü yumuşatma tavı uygulanmış çeliklere küreselleştirme tavı
uygulanarak işlenmeye elverişli hale getirilirler.
Normalizasyon (Normalleştirme) Tavı:
Normalizasyon tavı genelde tane küçültmek, homojen bir
iç yapı elde etmek ve çoğunlukla mekanik özellikleri
iyileştirmek amacıyla ötektoid altı çelikleri Ac3 ve
ötektoid üstü çelikleri Acm dönüşüm sıcaklıklarının
yaklaşık olarak 40-50oC üstündeki sıcaklıklara kadar ısıtıp
,tavlandıktan sonra fırın dışında sakin havada soğutma
işlemidir
Normalizasyon tavının belli başlı amaçları;
a) tane küçültmek,
b) homojen bir iç yapı elde etmek,
c) ötektoid üstü çeliklerde tane sınırlarında bulunan
karbür ağını dağıtmak,
d) çeliklerin işlenme özelliklerini iyileştirmek,
e) mekanik özellikleri iyileştirmek ve
f) yumuşatma tavına tabi tutulmuş çeliklerin sertlik
ve mukavemetlerini artırmak
şeklinde sıralanabilir. Bu nedenlerle normalizasyon tavı,
çeliklere uygulanan son ısıl işlem olabilir.
Yumuşatma tavına tabi tutulan ötektoid üstü çeliklerin yapısında
oluşan sementit ağının, bu çeliklerin mukavemetini düşürdüğü
bilinmektedir.
Normalizasyon tavı, ötektoid üstü çeliklerdeki sementit ağının
parçalanmasını ve bazı durumlarda da büyük ölçüde giderilmesini
sağlar. Bu nedenle, normalize edilen çeliklerin mukavemetinde
artış görülür.
Normalizasyon tavında, parçanın havada soğutulması nedeniyle
nispeten yüksek soğuma hızı elde edilir. Genelde, soğuma hızı
arttıkça ostenitin dönüşüm sıcaklığı düşer ve daha ince ve yüksek
oranda perlit elde edilir.
Callister
Ferrit çok yumuşak, sementit ise çok sert bir fazdır.
Normalize edilen çeliğin yapısında bulunan sementit
katmanlarının birbirine yakın veya sık olarak dizilmeleri
nedeniyle çeliğin sertliği artar.
Yumuşatma tavı ile elde edilen kaba perlitin sertliği 10
RSD-C civarında iken, normalizasyon işlemi sonucunda
elde edilen perlitin sertliği yaklaşık 20 RSD-C değerine
ulaşır.
Normalize edilen çelikler, yumuşatma tavı gören
çeliklerden daha ince ve daha yüksek oranda perlitik yapı
içerirler.
Bu nedenle, normalize edilen çelikler yumuşatma tavına
tabi tutulan çeliklerden çok daha sert ve mukavemetli
olurlar.
Tablo 1- Çeliklerin yumuşatma tavına tabi tutulmuş ve normalize
edilmiş durumlardaki mekanik özellikleri
T
tutma
OT
S
T
T
N
Tavlama
fırında soğutma
RC 15
Normalizasyon
havada soğutma
RC 30
Sertleştirme
suda soğutma
RC 65
Temperleme
su verme sonrası ısıtma
RC 55
Ostemperleme
belli bir sıcaklığa
soğutma ve tutma
RC 45
zaman
©2003 Brooks/Cle, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning ™ is a trademark used herein under license.
Normalizasyon/Tavlama
Normalizasyon - ~5-10°C/dak
Tavlama - ~1°C/dak
Normalizasyon sebepleri (dökümler/plakalar vs.)
* tane boyutunu tasviye
* mukavemeti artırma
* tokluğu artırma
* Tg sıcaklığını düşürme
(örn. basınç kapları, gemi plakaları, boru
hatları
Tavlama (1oC/d.)
– sa: 250 MPa
– % genleme/2 in: 37
• Normalizasyon (10oC/min)
– sa: 310 MPa
– % genleme/2 in: 35
Mekanik özellikler:
Normalize yapılar daha
mukavimdir, çünkü;
• daha ince perlit
• perlit daha çok
• α tane boyutu daha ince
Küreselleştirme Tavı:
Küreselleştirme tavı, 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 tavı kullanılır.
Küreselleştirme tavı aşağıdaki yöntemlerden biri ile gerçekleştirilir.
a) Çelik malzeme Ac1 çizgisinin hemen altındaki bir
sıcaklığa (örneğin 700oC) 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.
Yüksek sıcaklıtaki tavlama işlemi, çeliğin içersindeki
perlitik yapı ile sementit ağının parçalanarak dağılmasına
neden olur.
Küreselleştirme tavı sonucunda, ferritik bir matris ile bunun
içersinde dağılmış durumda bulunan küre biçimindeki
karbürlerden oluşan bir iç yapı elde edilir.
Küreselleştirme tavı sonunda çeliğin sertliği azalır, buna
karşılık sünekliliği artar. Bu işlem sonucunda, ötektoid üstü
çelikler işlenmeye elverişli hale gelir.
Microstructure of SPHEROİDİTE, with Fe3C particles
dispersed in a ferrite matrix ( 850)
(From ASM Handbook, Vol. 7, (1972), ASM International, Materials Park, OH 44073.)
Spheroidite of a carbon steel
Spheroidisation
Küreselleştirme tavı, daha çok yüksek karbonlu çeliklere
uygulanır.
Düşük karbonlu çelikler nadiren küreselleştirme tavına tabi
tutulurlar. Çünkü; bu tür çelikler küreselleştirme tavı sonunda çok
yumuşarlar ve bu aşırı yumuşama talaşlı işlem sırasında bazı
zorluklar doğurur.
Orta karbonlu çelikler ise yeterli ölçüde süneklilik kazanmaları
için plastik şekil verme işleminden önce, bazen küreselleştirme
tavına tabi tutulurlar.
Yumuşatma, küreselleştirme ve normalizasyon işlemleri çelikleri
işlenmeye elverişli hale getirmek amacıyla uygulanır. Ancak,
uygulanacak ısıl işlem çeliğin karbon oranına göre seçilir.
Gerilim Giderme Tavı ve Ara Tavı
Gerilim giderme tavı; döküm, kaynak ve soğuk şekil
verme işlemlerinden kaynaklanan iç gerilmeleri
azaltmak amacıyla, metalik malzemeleri dönüşüm
sıcaklıklarının altındaki uygun bir sıcaklığa kadar
ısıtma ve sonra yavaş soğutma işlemidir.
Bu işlem, bazen dönüşüm sıcaklığı veya kritik sıcaklık
altı tavı olarak da adlandırılır. Çelik malzemeler 540oC
ile 630oC sıcaklıkları arasında gerilme giderme tavına
tabi tutulurlar.
Ara Tavı
Ara tavı ise;
gerilme giderme tavına çok benzeyen bir işlem olup,
ötektoid altı çeliklerden sac ve tel yapımında soğuk
şekillendirmeye devam edebilmek için çelik
malzemelerin Ac1 dönüşüm sıcaklığının hemen
altındaki bir sıcaklığa (550-680oC) kadar ısıtılıp,
yeniden kristalleşme sağlandıktan sonra yavaş
soğutulması işlemidir.
Uygulama:
Ötektoit altı,
ötektoit üstü çelik numuneler:
1- Yumuşatma tavı (mikroyapı-Sertlik)
2- Normalizasyon (mikroyapı-sertlik)
3- Su verme (mikroyapı-Sertlik)
4- küreselleştirme (mikroyapı-Sertlik)
Download

Yumuşatma Tavı