Çelik Sertleştirme Yöntemleri

Çelik, dünya üzerindeki en temel ve ikonik metallerden biridir. Demir ve karbonun birleşiminden sağlam, çok yönlü ve çok kullanılan bir alaşım ortaya çıkmıştır. Binalar, altyapı, su taşıtları, otomobiller, makineler ve cihazlardan çatal ve kaşık gibi basit mutfak eşyalarına kadar kullanım alanlarının sınırı yok gibidir. Bunun nedeni çeliğin sahip olduğu çok sayıda arzu edilen özelliktir. Bu özelliklerden biri, bir malzemenin çökme, darbe veya aşınmanın neden olduğu deformasyona direnme yeteneği olan sertliktir. Ancak çeliğin doğal sertliği, yük taşıyan yapılar ve motor parçaları gibi belirli mühendislik uygulamaları için her zaman yeterli değildir. Bu nedenle çeliğin diğer özelliklerinin yanı sıra sertliğini de önemli ölçüde artıracak yöntemler geliştirilmiştir. Bu yöntemler çelik sertleştirme olarak bilinir.
Çelik sertleştirme genellikle hammaddeler üzerinde değil, bitmiş ürünler üzerinde gerçekleştirilir. CNC işlemede çelik sertleştirme, işlenmiş parçalar üzerinde gerçekleştirilen bir ardıl işlemdir. Bu işlem birkaç nedenden dolayı bu şekilde yapılır. İlk olarak, işleme sürecinde büyük bir yüzdesi çıkarılacağı için bütün bir çelik bloğunu sertleştirmek ekonomik değildir. Ayrıca, sertleştirilmiş çeliğin işlenmesi çok daha zordur, çünkü iş parçasının sertliği takım penetrasyonunu daha zor hale getirir.

Çeliğin İç Yapısı ve Sertliği

Gördüğümüz tüm çelikler aynı bileşime sahip değildir. Kesin olarak, çeşitli amaçlar için farklı çelik kompozisyonları vardır. Çelikler arasındaki fark iç yapılarından kaynaklanır. Daha güçlü yük taşıyıcı metallere duyulan ihtiyaç arttıkça, çeliğin sertleştirilmesi gerekli hale geldi. Çelik en temel haliyle nispeten az mukavemete ve sertliğe sahiptir. Ancak iç yapısında yapılan bir değişiklik, mukavemet ve sertlikte etkileyici sonuçlar verir. Çelik sertleştirme basitçe, belirli bir iç yapının diğerine göre oluşumunu desteklemek için tasarlanmış süreçleri içerir. Çeliğin iç yapısına ait özellikler şunlardır:

Martensit

Bu, çeliğin iç kristal yapısının en sert formudur. Östenitik demirin hızlı soğuması martensit oluşturur. Hızlı soğuma hızı nedeniyle karbon katı bir çözelti içinde hapsolur ve parçanın sertleşmesine neden olur. Son derece sert ve kırılgandır. Martensit, ana fazın tanelerini bölen ve alt bölümlere ayıran, her zaman birbirine dokunan ancak asla birbirini geçmeyen merceksi plakalar veya trombositler olarak görünen iğnemsi bir asiküler mikro yapıya sahiptir. Bu yapı Fe-C, Fe-Ni-C dahil olmak üzere pek çok alaşım sisteminde görülür.

Östenit

Östenit, martenzitten sonraki en sert çelik iç yapısıdır. Demirin gama-demir olduğu demir alaşımlarını ifade eder. Genellikle 1500ºC’nin altında ve 723ºC’nin üzerinde oluşur.

Perlit

Perlit martensitik yapıdan farklıdır, çünkü perlit yapısı yavaş soğumadan oluşur. Ferrit ve sementitin lamelli bir düzenidir. 723ºC’de gama-demir FCC yapısından alfa-demire dönüşerek demir karbürü (sementit) çözeltiden dışarı atar.

Çelik Sertleştirme Yöntemleri Nelerdir?

Çelik sertleştirmenin çeşitli yöntemleri vardır. Bu ardıl işlem yöntemleri ısıl, mekanik, kimyasal veya bunların iki ya da daha fazlasının bir kombinasyonu olabilir. Isıl sertleştirme işlemleri en yaygın çelik sertleştirme yöntemleridir. Tipik olarak çeliğin ısıtılması, belirli bir sıcaklıkta tutulması ve soğutulması olmak üzere üç ana aşamadan oluşurlar. İlk aşama genellikle metalin içten yapısal değişikliklere neden olacak kadar çok yüksek bir sıcaklığa ısıtılmasını içerir. Bu aynı zamanda metalin şeklini değiştirmek gibi üzerinde çalışmayı da kolaylaştırır. Çeşitli çelik sertleştirme yöntemleri şunlardır:

Soğuk İşleme

Soğuk işlem tipik olarak çelik veya metallerin özelliklerini değiştirir. Bu çelik sertleştirme yöntemi basitçe bir metalin erime noktasının altındaki bir sıcaklıkta deforme edilmesidir. Akma dayanımı, çekme dayanımı ve sertlik gibi özellikler artarken, plastisite ve malzemenin deforme olma kabiliyeti azalır. Plastik deformasyon sırasında dislokasyonların birikmesi ve dolanmasından kaynaklanan gerilme sertleşmesi, elementleri güçlendirmenin önemli bir modudur. Soğuk işlem sırasında enerjinin yaklaşık %90’ı ısı olarak dağılsa da, geri kalanı kristal kafeste depolanır ve böylece iç enerjisi artar.

Katı Çözelti Alaşımlama

Bu yöntem, katı bir çözelti oluşturmak için ana metale bir alaşım elementinin eklenmesidir. Katılaşmanın ardından metal, alaşım atomlarının ana metalin kristal kafesindeki varlığı nedeniyle sertleşir. Çözünen ve çözücü atomları arasındaki boyut farkı katı çözeltinin etkinliğini etkiler. Eğer çözünen atom çözücü atomundan daha büyükse, sıkıştırıcı gerilme alanları ortaya çıkar. Öte yandan, çözücü atomu çözünen atomlarından daha büyükse, çekme gerinim alanları meydana gelir. Kafesi tetragonal bir yapıya dönüştüren çözünen atomlar hızlı sertleşmeye neden olur. Çelikteki sementitin etkisi buna bariz bir örnektir.

Su Verme ve Temperleme

Martensitik dönüşüm olarak da adlandırılan su verme işleminde, çelik kritik sıcaklığın üzerinde östenit aralığına ısıtılır, bu sıcaklıkta tutulur ve daha sonra hızla soğutulur veya daha sıklıkla su, yağ veya erimiş tuz içinde söndürülür. Hipoötektoid çelikler için ısıtma sıcaklığı, östenit çözünürlük çizgisi sınırının 30-50ºC üzerindedir. Hipereutektoid çelikler için sıcaklık ötektoid sıcaklığın üzerindedir. Su verme, çeliği önemli ölçüde sertleştiren martensitik dönüşüme neden olur. Ancak sertleşmiş çelik çok kırılgandır. Bu nedenle, iç gerilmeleri gidermek ve kırılganlığı azaltmak için temperleme yapmak gerekir. Maksimum sertlik, su verme işlemindeki soğutma hızı tam martenzit dönüşümünü sağlayacak kadar hızlı olduğunda elde edilebilir

Yüzey Sertleştirme (Case Hardening)

Adından da anlaşılacağı gibi, karbürleme işlemi krank milleri, rulmanlar ve benzeri uygulamalarda aşınmaya direnmek için gerekli olan sert bir yüzey oluşturur. Bu çelik sertleştirme yöntemi, genellikle üç yaklaşımdan birini içerir:

İndüksiyon ve Alevle Sertleştirme

Bu, yüzeye uygulanan diferansiyel bir ısıl işlemdir. Malzemenin merkezinin etkilenmesini önlemek için yüzey hızla ısıtılır. Malzeme daha sonra çok daha hızlı bir su verme işlemine tabi tutulur. Bu şekilde yüzeyde yüksek seviyede martenzit gelişir.

Difüzyonla Sertleştirme (Nitrürleme)

Nitrasyon, yüzey bölgesinin bileşimsel bir değişimini içerir. İnce parçacıklar, seçilen gazların çelikle reaksiyona girmesine ve çeliğin içine yayılmasına izin verilerek dağıtılır. Bu işlemde çelik, temperlenmiş martensitik bir yapı elde etmek için ısıl işleme tabi tutulur. Daha sonra 12-36 saat boyunca yaklaşık 550ºC’de amonyak atmosferine maruz bırakılır. Al veya Crengibi küçük alaşım elementleri, yüzey sertliğini ve aşınma direncini önemli ölçüde artıran ince bir nitrür dağılımının oluşumunu destekler. Bu nitrür bileşimi sertlik açısından martenzitten çok daha üstündür.

Karbürleme

Bu, çeliğin yüksek sıcaklıkta karbonlu bir atmosfere maruz bırakılmasını içerir. Karbonlu atmosfer yüksek kaliteli kömürden veya ayrıştırılmış doğal gazdan üretilebilir. Karbon atomları metalin alt yüzeyine yayılır ve yüksek karbonlu bir durum ortaya çıkar, bu da daha sonraki su verme işleminde aşınmaya dirençli sert bir martensitik yüzey oluşturur.

Çelik Sertlik Testi

Sertliğin belirli bir ölçü birimi yoktur. Bunun yerine, indeks numaraları kullanılarak tanımlanır. Çeşitli sertlik testleri vardır ve bir malzemenin sertliğini tanımlamak için kullanılan indeks, kullanılan teste bağlıdır. Bazı yaygın sertlik testleri şunlardır:

Brinell Sertlik Testi

Bu testte, çapı bilinen bir çelik bilye malzemenin yüzeyine yük olarak uygulanır. Brinell Sertlik Sayısı (BHN) daha sonra aşağıdaki tablodaki formül kullanılarak hesaplanır. Oluşan baskının çapı ölçülür; çelik bilyenin çapı ile birlikte BHN hesaplanır.

Vickers Sertlik Testi

Vickers sertlik testinde, kare tabanlı bir elmas piramit yüktür. Bu yük malzemenin yüzeyine yaklaşık 30 saniye boyunca uygulanır. Piramidal baskının alanı hesaplanır ve daha sonra metalin sertliğini hesaplamak için kullanılır.

Knoop Mikrosertlik Testi

Bu sertlik testi özellikle ince tabakalar veya çok kırılgan malzemeler içindir. Piramidal bir elmas uç, malzeme üzerinde çok küçük bir girinti oluşturur. Daha sonra, yapılan girinti bir mikroskop kullanılarak incelenir ve malzemenin sertliğini hesaplamak için kullanılır.

Rockwell Sertlik Testi

Rockwell sertliği, ısıl işlemden önce ve sonra çeliğin sertliğindeki farkı ölçmek için geliştirilmiştir. Delici, çelik bir bilye veya elmas sferokonik bir delici olabilir. Sertlik, malzemeye nüfuz etme derinliği belirlenerek ölçülür. Normalde iki yük uygulanır. İlk izlenime neden olmak için küçük bir yük ve ana penetrasyona neden olmak için büyük bir yük.

Sertleştirilebilen Çelik Sınıfları

Amerikan Demir ve Çelik Enstitüsü (AISI) çeliği dört ana gruba ayırmaktadır:

1. Karbon çeliği
2. Alaşımlı çelikler
3. Paslanmaz çelikler
4. Takım çelikleri

Çelik için temel elementler demir ve karbondur. Ancak, karbon ve diğer alaşım elementlerinin değişen miktarları her bir kalitenin özelliklerini belirler. Herhangi bir çeliğin karbon içeriği, sertleşebilirliğinin yanı sıra ulaşılabilecek maksimum sertliğini de belirler. Karbon martensit oluşumunu teşvik ettiğinden, bu durum özellikle su verme işlemi için geçerlidir.

Karbon Çeliği (UNS G10050-G15900, DIN 1.0xx)

Karbon çelikleri %2’ye kadar karbon içeren demir alaşımlarıdır. Genellikle belirli özellikleri geliştiren eser miktarda alaşım elementleri içerirler. Karbon çeliği, içerdiği gerçek karbon miktarına bağlı olarak düşük karbonlu çelik, orta karbonlu çelik ve yüksek karbonlu çelik olarak sınıflandırılabilir.

Düşük Karbonlu Çelik

Yumuşak çelik olarak da bilinen bu çelik %0,08 – 0,35 karbon içerir. Düşük karbon içerikleri nedeniyle, düşük karbonlu çelikler su verme yoluyla çelik sertleşmesine uğramazlar. Ancak sementasyon ile sertleştirilebilirler.

Orta Karbonlu Çelik

Bu çelikler %0,35 – %0,5 karbon içerir. Düşük karbonlu çeliklerden daha güçlüdürler, ancak işlenmeleri daha zordur. Orta karbonlu çelikler su verme yoluyla kolayca sertleşir. Eser miktarda manganez ile alaşımlandırıldıklarında sertleşebilirlikleri artar. Orta karbonlu çelikler ayrıca krank milleri gibi aşınma direncinin kritik olduğu uygulamalar için sertleştirilir.

Yüksek Karbonlu Çelikler

Yüksek karbonlu çelikler %0,5’in üzerinde karbon içerir. Bu tür çelikler yüksek karbon içeriği nedeniyle çok sertleştirilebilir. Tipik olarak su verme yoluyla sertleştirilirler. Ancak, bu onları oldukça kırılgan hale getirir, bu nedenle temperleme gereklidir.

Alaşımlı Çelikler (UNS G13300-G98500, DIN 1.2xxx)

Karbon içeriğine ek olarak, kimyasal bileşim de çeliklerin sertleşebilirliğini etkileyen bir diğer faktördür. Alaşımlı çelikler değişen miktarlarda bakır, nikel, manganez, bor ve vanadyum içerir. Bu çelikler su verme yoluyla çok sertleştirilebilir. Bunun nedeni, alaşım elementlerinin östenit ayrışmasını geciktirmesi ve böylece alaşımlı çeliklerde kolayca martensit oluşturmasıdır. Katı çözelti sertleştirme de alaşımlı çelikleri sertleştirmenin etkili ve yaygın bir yoludur.

Paslanmaz Çelikler (UNS S00001-S99999, DIN 1.4xxx)

Paslanmaz çelikler, ana alaşım elementi olarak %10 ila %20 krom içeren çeliklerdir. Korozyona ve erozyona karşı çok dayanıklıdırlar. Yapılarına ve bileşimlerine göre paslanmaz çelikler şu şekilde sınıflandırılabilir:

Östenitik

Östenitik çelikler tipik olarak demir, %18 krom, %8 nikel ve %0,8’den az karbon içerir. En yaygın kullanılan paslanmaz çelik türüdür. Östenitik çelikler manyetik değildir ve ısıl işlem görmezler. Bununla birlikte, soğuk işleme yoluyla kolayca sertleşmeye uğrarlar.

Ferritik

Bu çelikler tipik olarak %0,1’den daha az karbon, %12-17 krom ve eser miktarda nikel içerir. Ferritik çelikler manyetiktir ancak ısıl işlemle sertleştirilemezler. Soğuk işlem, onları sertleştirmek için etkili bir yöntemdir.

Martensitik

İç yapıları nedeniyle martensitik çelikler oldukça serttir. Bu çelikler %12-17 kromun yanı sıra %1,2’ye kadar karbon içerir. Nispeten yüksek karbon içerikleri nedeniyle, martensitik çelikler ısıl işlemle kolayca sertleşir.

Dubleks

Dubleks çelikler hem ferritik hem de östenitik mikro yapılara sahiptir. Bu çelikler ısıl işlem veya yüzey sertleştirme yoluyla sertleştirilir.

Çökelme Sertleşmesi (Yaşlandırma)

Çökelme sertleşmeli çelikler krom, nikel ve bakır, alüminyum ve titanyum gibi diğer alaşım elementlerini içeren paslanmaz çeliklerdir. Bu alaşım elementleri, paslanmaz Çeliğin çözelti ve yaşlandırma ısıl işlemi ile sertleşmesini sağlar. Östenitik veya martensitik olabilirler.

Kalıp Çelikleri (UNS T00001-T99999; DIN 1.23xx, 1.27xx, 1.25xx)

Adından da anlaşılacağı gibi, takım çelikleri düzenli olarak kesme ve delme aletleri gibi aletlerin üretiminde kullanılır. Tipik olarak tungsten, kobalt, vanadyum ve molibden içerirler. Bu aletler soğuk işleme ve su verme gibi ısıl işlemlerle sertleştirilebilir.

Çelik Türleri ve En Uygun Sertleştirme Yöntemleri

Bookmark (0)

Close

Paylaş