ÇELİKLERE UYGULANAN ISIL İŞLEMLER

• Isıl İşlemin Tarifi
• Isıl İşlemin genel Uygulaması
• Isıl İşlemin Uygulamasında dikkat edilecek Hususlar
• Temel ısıl İşlemler
  • Gerilim Giderme Tavı ( Stress Relieving )
  • Normalize Tavı ( Normalizing )
  • Menevişleme ( Tempering )
  • Su Verme İşlemi ( Queching )
  • Sementasyon ( Yüzey sertleştirme )
• Tavlama
• Yumuşatma Tavı
• Normalizasyon Normalleştirme Tavı
• Küreselleştirme Tavı
• Gerilim Giderme Tavı ve Ara Tavı
• Su verme sertleştirme
• Su verme işlemi sırasında ısı giderme mekanizması
• Su verme ortamları
• Su verme ortamının sıcaklığı ile su verme yönteminin soğumaya etkisi
• Su verme sertleştirmesimni etkileyen faktörler
  • 1. Parçanın Yüzey Durumu
  • 2. Büyüklük ve Kütle
• Menevişleme
• Parça Büyüklüğünün veya Kütlesinin su verme sertleştirmesine etkisi
  • 1. Martemperleme
  • 2. Ostemperleme
• Çeliklere Uygulanan Yüzey sertleştirme İşlemleri
• 1. Sementasyon ( Karbürleme )
• 2. Nitrüzasyon ( Nitrürleme )
• 3. Alevle Yüzey sertleştirme
• 4. Endüksiyon sertleştirme

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.

ISIL İŞLEMİN GENEL UYGULAMASI

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

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.

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.

Şekil 2- Alaşımsız çeliklere uygulanan yumuşatma, normalizasyon, küreselleştirme ve sertleştirme işlemleri için tavlama sıcaklık aralıkları.

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 (yeniden kristalleşme sıcaklığı) 40-60ºC üstünde tavlanıp havada soğutulmasıdır (Şekil 2).

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).

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.

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.

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, çelik iç yapısındaki tane boyutunu küçülterek sertliği azaltmak, talaş kaldırmayı kolaylaştırmak veya döküm ve dövme parçalarındaki iç gerilmeleri gidermektir. Ötektoid altı çelikleri Ac3, ötektoid üstü çelikleri ise Ac1 çizgilerinin üzerindeki belirli sıcaklıklara kadar ısıtılır, iç yapılarını ostenite dönüştürdükten sonra fırın içerisinde tutarak çok yavaş soğutulur.

% 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

Şekil 5- %0,2 C içeren çeliğin iç yapısında tavlama işlemi sırasında meydana gelen değişimlerin şematik gösterimi

Şekil 6- Ötektoid üstü çeliklerin iç yapısı

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).

Buradan; ötektoid altı çeliklerin yumuşatma tavına tabi tutulabilmeleri için Ac3 çizgisinin üzerindeki uygun sıcaklıklarda tavlanmalarının gerekli olduğu sonucu ortaya çıkmaktadır. 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. Bu çelikler Ac3,1 çizgisinin en az 10ºC üzerindeki bir sıcaklıkta tavlanırlar. Yumuşatma tavına tabi tutulan ötektoid üstü çeliklerin iç yapıları kaba lamelli perlit alanları ile bunları çevreleyen ötektoid dışı sementit fazından oluşur (Şekil 6). 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.

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 (Şekil 2).

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 perlit elde edilir.

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. Bu nedenle, normalize edilen çeliklerin sertlik ve mukavemeti, yumuşatma tavına tabi tutulan çeliklerin söz konusu değerlerinden önemli ölçüde yüksek olur. Tablo 1’de bazı çeliklerin yumuşatma tavına tabi tutulmuş ve normalize edilmiş durumlardaki mekanik özellikleri verilmektedir.

Tablo 1- Çeliklerin yumuşatma tavına tabi tutulmuş ve normalize edilmiş durumlardaki mekanik özellikleri

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 (Şekil 2). 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.

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. Küreselleştirme tavı 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.

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 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.

Su Verme Sertleştirmesi:

Tavlama işleminden sonra, çelikler yavaş ya da orta seviyedeki bir hızla soğutulduklarında, ostenit içerisinde çözünmüş durumda bulunan karbon atomları difüzyon ile ostenit yapıdan ayrılırlar. Soğuma hızı arttırıldığında, karbon atomları difüzyon ile katı çözeltiden ayrılmak için yeterli zaman bulamazlar. Demir atomları bir miktar hareket etseler bile, karbon atomlarının çözelti içersinde hapsedilmeleri nedeniyle farklı bir yapı oluşur. Hızlı soğuma sonucunda oluşan bu yapıya “martenzit” adı verilir.

Martenzitin sertliğinin yüksek olmasının en önemli nedeni, kafes yapısının çarpıtılmış olmasıdır. Martenzitik dönüşüm sırasında çelik malzemelerde bir miktar hacimsel büyüme meydana gelir. Söz konusu hacimsel büyüme, çok yüksek düzeyde yerel gerilmeler oluşturarak çeliklerin yapısının aşırı ölçüde çarpılmasına veya plastik şekil değişimine uğramasına neden olur. Kafes yapısının çapılması, su verilen çeliklerin sertlik ve mukavemetini arttırır.

Su verme işleminden sonra oluşan martenzit mikroskop altında iğne veya diken biçiminde gözükür ve bazen saman demetini andıran bir görünüm sergiler. Çeliklerin çoğunda martenzitik yapı belirsiz ve soluktur, bu nedenle kolayca ayırt edilemez. Yüksek karbonlu çeliklerde ise kalıntı ostenit arka fonu oluşturduğundan, martenzitin iğne veya diken biçimindeki yapısı daha belirgin bir görünüm kazanır.

Martenzitik dönüşüm yalnız soğuma sırasında meydana gelir. Bu nedenle, söz konusu dönüşüm zamandan bağımsız olup, yalnız sıcaklığın azalmasına yani soğumaya bağlıdır. Martenzitin en önemli özelliği, çok sert bir faz olmasıdır. Çeliklerde, sementitten sonra gelen en sert faz martenzittir. Yüksek sertlik değerleri, ancak yeterli oranda karbon içeren çeliklerde elde edilir.