Kategori arşivi: Çelikler

Paslanmaz çelik niçin paslanmaz?

Çelik ile demir arasında çok az bir fark vardır. Saf demir bir bakır kadar yumuşaktır. Onun içine yüzde 2’ye kadar karbon katılması ile inanılmaz bir mukavemet, sertlik ve mekanik özellikler elde edilir ki, adı artık çeliktir.

Demirin bol olması, kolay ve ucuz elde edilmesi nedeniyle çeliğin de kullanımı çok yaygındır. Ancak çelikte de, demirde olan bir zayıf nokta vardır. Paslanma, diğer bir deyişle oksidasyon.

Günlük hayatımızda kullanılan eşyaların paslanması sonucu her yıl dünyada milyonlarca dolar boşa gitmektedir. Bu kaybın büyük bir kısmı demir ve çeliğin paslanmasından dolayıdır. Paslanmayı kısaca demirin havadaki oksijen ile birleşmesi olarak tanımlayabiliriz. Aslında bu elektro-kimyasal bir reaksiyondur. Bu nedenle malzemenin bir yerinde başlayan paslanma boyanın altından geçerek diğer bir yerde ortaya çıkabilir. Sadece demir ve çelik değil diğer metaller de paslanır. Örneğin, alüminyum, pirinç, bronz gibi. Ancak onlarda malzeme ile oksijenin birleşmesinden oluşan çok ince tabaka, daha oluşur oluşmaz malzemenin hava ile temasını keserek koruyucu bir rol oynar, paslanmanın ilerlemesini önler.

Bu tabaka o kadar incedir ki, malzemenin rengi hemen hemen değişmez. Demirdeki paslanmanın özelliği onun ve oksijen atomlarının boyutlarındaki büyük farktan dolayı yüzeyde sağlam bir birleşme olamaması, paslanmanın malzemenin içine nüfuz etmesi, sadece görüntü değil mukavemetin de bozulmasıdır. Paslanmada havadaki nemin de etkisi büyüktür. Reaksiyondaki su miktarı pasın rengini de belirler. Bu nedenle pasın rengi siyah veya çok koyu kahverengi olabildiği gibi sarımtırak da olabilir.

Paslanmanın hızını artıran faktörlerden bidiğeri de tuzdur. O da bu elektro-kimyasal reaksiyonun hızını arttırır. Kışın kar nedeni ile yollarına tuz dökülen yerler ve deniz kenarlarında paslanma daha hızlı olur. Paslanmaz çelikten önce, paslanmayı önlemek için malzeme boyanıyor veya galvaniz kaplanıyordu. Bu çözümler de özellikle sağlık ve gıda sektöründe başka sorunlar yaratıyordu.

İlk paslanmaz çeliği Harry Brearley, 1913 yılında tesadüfen keşfetti. Tüfek namluları için çeşitli metalleri birleştirerek deneyler yaparken bazılarının paslanmaya karşı dirençli olduklarını gördü. Her büyük buluşta olduğu gibi, o da bunu sanayicilere kabul ettirebilmek için uzun bir uğraş verdi.

Krom gibi bazı metaller, atom boyutlarının birbirine yakın olmasından dolayı oksijenle çok kolay ve süratli birleşirler. Kalınlığı birkaç atom olacak kadar çok ince ama çok sağlam bir tabaka oluştururlar. Başka reaksiyon olmaz. Bu tabaka zedelense bile tekrar oluşur. Krom belli bir oranda çeliğe katılırsa yine aynı olay olur, çelik artık paslanmaz. Paslanmaz çeliğin içinde yüzde 10-30 krom vardır. Bu orana ve eklenecek nikel, titanyum, alüminyum, bakır, sülfür, fosfor ve benzeri elemanlara bağlı olarak kullanım yeri değişir.

Paslanmaz Çelik Nedir

Paslanmaz çelik, esas olarak paslanmayan çeliklerin genel adıdır. Özellikle nikel ve molibden çeliğin paslanmazlık özelliğini iyileştirmek için alaşım yapımında kullanılsa da paslanmazlığı sağlayan ana element kromdur. Paslanmazlık için gerekli en az krom miktarı, kütle olarak, yüzde 10.5’tir. Dünyada üretilen çeliğin çoğu karbon ve alaşımlı çeliktir. Karbon ve alaşımlı çeliğe göre paslanmaz çeliğin, daha küçük, fakat cazip ve gelişen bir pazarı vardır. Doğada yalnızca altın ve platin gibi metaller saf halde bulunur, normal metallerse diğer elementlerle bileşmiştir.

Paslanma, bu yüzden doğal bir olaydır. Doğada demir cevheri şeklinde bulunan demir, bu yüzden dengesizdir ve paslanmak ister. Paslanmak saf demirin suyun mevcudiyetinde oksijenle birleşmesidir. Herhangi bir koruyucu kaplamaya sahip olmayan karbon çeliği üzerinde bir pas katmanı oluşur ve çeliğin kalan kısmını korur. Yüzeydeki pas katmanının alınması durumunda yeni bir pas katmanı oluşur. Bu durum paslanma olarak adlandırılır. Boyama, çinko kaplama ( galvanizleme ), epoksi reçinelerle yapılan çeşitli kaplamalar paslanma sürecini durdurur.

Paslanmaz çelik değişik kullanım alanlarında koruyucu bir kaplamaya sahip karbon çelikleri, alüminyum, pirinç ve tunçla rekabet etmektedir. Paslanmaz çeliğin rekabet gücü emsalsiz ve karizmatik bir özelliğinden gelmektedir. Paslanmaz çelikteki kromun oksijene büyük bir yakınlığı vardır. Krom oksijenle karşılaştığında çeliğin yüzeyinde
moleküler düzeyde bir krom oksit filmi oluşur. Bu filmin kalınlığı 130 Angstrom ( 1 Angstrom = 10-6 cm. ) ‘dür. Bu durum, büyük bir binayı, mektup kağıdı kalınlığındaki çatı sacıyla yağmurdan korumak gibi bir şeydir.

Krom oksit katmanı edilgin, kuvvetli ve kendi kendini yenileme özelliğine sahiptir. Edilgin demek diğer malzemelerle tepkimeye girmeyen demektir. Kuvvetli demek çelik yüzeyine iyi yapışmış, yerinden kolayca sökülemez demektir. Yenilenebilir demek eğer krom oksit katmanı aşınırsa veya zorla yüzeyden sökülürse çeliğin içindeki krom tekrar havayla hemen yeni bir krom oksit katmanı oluşturur demektir.

Paslanmaz çelikten yapılmış bir çakı, uzun süre kullanıldığında aşınır ve ağzı körelir, bileği taşında bilendiğinde krom oksit katmanı sökülür. Kromun sağladığı bu yenilenme özelliği sayesinde paslanmazlığını muhafaza eder. Paslanmaz çeliğin ostenitik, martenzitik, ferritik ve çökelme sertleştirmeli gibi dört ana grubu vardır. Ostenitik paslanmaz çelik krom, nikel ve manganez alaşımıdır. Bu grup paslanmaz çelikler 200 ve 300 nolu serilerde yer alırlar. Bu grubtaki 304 paslanmaz çelik çok tanınır. Ferritik paslanmaz çelik 400 seride yer alır. Bu gruptaki çeliklerde ana alaşım elementi kromdur. Bu grupta yer alan çeliklerin işlenme kabiliyetleri, 200 ve 300 serideki çeliklere göre daha yüksektir.

Martenzitik paslanmaz çelikler de 400 seride yer alır. Fakat ferritik çeliklere göre daha az krom, daha çok karbon içerirler. Sertliklerini artırmak için ısıl işlem gerekir. Çökelme sertleştirmeli paslanmaz çelikler paslanmaz çeliklerin küçük bir grubudur. Yüksek krom ve nikel içerirler. Yaşlanmayla sertleşirler. Özellikleri martenzitik paslanmaz çeliklere benzemektedir.

Jominy Deneyi

Jominy deneyinin uygulanma amacı soğuma hızının farklı kimyasal bileşimlere sahip çeliklerin sertliğine etkisinin incelenmesidir. Ayrıca deney, çeliklere alaşım elementi olarak katılmasının, parçaların daha üniform olarak ve daha derinlemesine sertleşmenin sebebinin açıklanmasını sağlar.

Jominy deney düzeneği ve Jominy deney numunesi
Jominy deney düzeneği ve Jominy deney numunesi

Sertlik ve Sertleşebilirlik farklı kavramlardır. Jominy deneyi sertleşebilme kabiliyetini ölçer.

Sertleşebilirlik kavramları
a) Sertlik: Herhangi bir malzemeye kendisinden daha sert bir cisim etki ettiğinde; malzemenin, batmaya karşı gösterdiği direnç, sertlik olarak tanımlanır. Ayrıca sertlik şu şekilde de tanımlanabilir; Sertlik, malzemelerin plastik deformasyona karşı direnç gösterebilme kabiliyetidir.

b) Sertleşebilme Kabiliyeti: Sertleşebilirlik, çeliğin su vermede martenzit oluşumu ile sertleşme özelliğidir. Sertleşebilme özelliği, söz konusu çelik için bu çeliğin yüzeyinden merkezine sertlik dağılımı yanında elde edilen ve bazen yüzeyden %50 martenzitin bulunabildiği noktaya kadar olan uzaklıkla belirlenen sertleşme derinliğini verir. Sertleşebilme kabiliyetiyle ilgili olarak da diğer bir önemli bir kavram krıtik soğuma hızıdır. Kritik soğuma hızı, %100 martenzitik bir içyapı elde etmek için gerekli olan minimum soğuma hızı olarak tanımlanmaktadır.

AISI 8630 çeliği için Jominy deneyinden elde edilen verilerle sürekli soğuma eğrileri ve izotermal dönüşüm diyagramlari arasındaki ilişki
AISI 8630 çeliği için Jominy deneyinden elde edilen verilerle sürekli soğuma eğrileri ve izotermal dönüşüm diyagramlari arasındaki ilişki

Sertleşebilirliğe Etki Eden Faktörler

1.Karbon Oranı
Karbon, martenzitin sertliğini kontrol eder. Çelikte % 0,6’ya kadar C içerigi arttığında çeliğin sertliği artar. Daha yüksek seviyelerdeki karbon içeriği olduğu durumda, östenitten martenzite dönüşüm tamamlanamaz. Bu da yapıda kalıntı östenit bulunmasına sebep olur. Bu durumda yapıda martenzitin yanında östenit bulunacağından sertlik daha düşük seviyelerde kalır. Karbon miktarının yüksek olması malzemenin daha gevrek bir davranış göstermesine neden olur ve daha sonra yapılacak olan işlemlerde sorunlar yaratabilir. Bu yüzden % 0,4 C’a kadar olan çeliklerde sertleşebilirlik kontrolü daha kolaydır.

2.Kimyasal Bileşim
Kobalt dışındaki tüm alasım elementleri sertleşebilirliğe olumlu yönde etki eder. Çünkü bu elementler, difüzyon mekanizmasını yavaslattıgı için TTT diyagram eğrilerinin burnunun sağa dogru kaymasına sebep olur ve buna bağlı olarak da kritik soğuma hızı düşer.

Özellikle Cr, Mo, Mn, Si, Ni ilaveleri çelikte östenitten ferrit ve perlite dönüşümü geciktirir. Bu elementler ara yüzeyde tane büyümesini engelleyerek sertleşebilirliği arttırırlar.
Bor, % 0,002 – 0,003 oranında çeliğe ilave edildiğinde % 0,5 Mo ilavesindeki etkiyi gösterir.
Bor düşük karbonlu çeliklere ilave edildiğinde seçilebilirlikte en büyük etkiyi gösterir.

3.Östenit Tane Büyüklüğü

Östenit tane boyutunun artması ile sertleşebilirlik artar. Ferrit ve perlitin çekirdekleşmesi östenit tane sınırında heterojen çekirdeklenme ile gerçekleşir. Östenit tane boyutunun artması çekirdekleşme için gereken bölgenin daha az olmasını sağlar ve faz dönüşümü gecikir. Bu yüzden östenitleme sıcaklığı yüksek seçilerek tane boyutunun büyük olması saglanabilir. Bu durumda mikro yapı bir miktar kabalaşır, tokluk düser.

American Society for Testing and Materials (ASTM) standartlarına göre ostenit tane büyüklüğü 6-8 arasında olması tercih edilmesi istenir.

Çeliğin İç Yapısında Bulunan Fazlar

1.Ferrit (α-demir)

Ferrit, demirde (HMK) az miktarda karbonun erimesiyle oluşan bir arayer katı eriyiğidir. Demir-karbon denge diyagramında “α” işaretiyle gösterilen bölgede oluşur. Ferritte çözünebilen en fazla karbon miktarı % 0.008 karbon çözünür. Çelikteki en yumuşak fazdır. Ortalama özellikleri şöyle özetlenebilir:

Çekme mukavemeti: 40.000-psi =  275 MPa
Uzama : % 40
Sertlik : 0-HRC’nin altında

2.Sementit (Fe3C)

% 6.67 karbon içeren demir karbür bileşiğidir. Çeliğin yapısındaki en sert fazdır. Yapıda iğneli veya ağ şeklinde bulunan sementit, çok sert ve kırılgandır. Çekme dayanımı düşük, buna karşılık basma mukavemeti yüksektir.

3.Perlit

% 0.83 karbon bazı kaynaklara göre %0.80 içeren ötektoid yapıdır. Ferrit ve sementit fazlarının karışımı olan perlit çok yavaş soğuma şartlarında 723° C sıcaklıkta oluşur. Yapıda yuvarlak taneli veya lamelli olarak görülebilir. Taneli türü, 723° C sıcaklıkta tavlama ve çok yavaş soğutma ile elde edilebilir. Lamelli türü ise havada soğutma ile oluşur.
Ortalama özellikleri şöyle özetlenebilir:

Çekme mukavemeti: 120.000 psi = 827 MPa
Uzama : % 20 (2inçte)
Sertlik : 20 HRC
Perlitik yapı özellikle taşlanabilirlik açısından elverişlidir.

celigin ic yapısı

 Şekil: Çelikte görülen iç yapılar

4.Östenit (γ-demir)

YMK şeklinde demir yapıda katı karbon çözeltisidir. Demir-karbon denge diyagramında “γ” işaretiyle gösterilen bölgede oluşan östenit yaklaşık % 2’ye kadar karbon çözündürebilir. Her cins çelikte 723º C nin üzerinde bulunur. A3 ve Acm sıcaklıklarının üzerinde ise çözünme tamdır. Yumuşak ve antimanyetiktir.
Ortalama özellikleri şöyle özetlenebilir:

Çekme mukavemeti: 150.000 psi = 1034 MPa
Uzama : % 10 (2 inçte)
Sertlik : Maksimum 40 HRC
Alaşımsız çelikte normal olarak oda sıcaklıklarında bulunmaz.

celigin ic yapısı2

5. Martensit
Östenitin hızla soğutulması sonucu elde edilen iğneli ve sert bir yapıdır. Yaklaşık 200-250º  C civarında dönüşür.

6. Östenitin, perlitik dönüşüme izin vermeyecek hızlarda, ancak martensit elde etmeyecek kadar yavaş soğutulması sonucu değişik yapılar ortaya çıkar. Bu yapılar soğuma hızı arttıkça, sorbit, beynit, trostit isimlerini alır

a. Sorbit: Martensitin 400º C nin üzerinde tavlanması ile de elde edilebilir. Ferrit ve sementitin tanesiz ve çok ince karışımıdır. Mikroskop altında ince perlit olarak da tanımlanır. Bu yapı, özellikle tel çekme işlemlerinde aranır. Sertliği 250 HB civarındadır.

b.Beynit: Özmenevişleme işlemi ile elde edilen bu yapının sertliği perlit ve martensit yapıların arasında olup, 40-60 HRC arasında değişir. Beynitik çelikler, özellikle, yaylar, tarım araçları, segman, çanak, çayır bıçağı gibi aletlerin üretiminde kullanılırlar.

c.Trostit: Martensitin 250º C sıcaklıkta tavlanması ile de elde edilebilir. Ferrit ve sementitin tanesiz ince karışımıdır. Sertliği 400 HB civarındadır.

7.Ledeburit
Östenit ve sementit fazlarının mekanik karışımıdır. Demir-karbon denge diyagramının ötektik pozisyonudur.

8.Grafit

Sementit (Fe3C) her zaman kararlı bir faz değildir. Bazı özel durumlarda ayrışabilir:
Fe3C 3 Fe + C (grafit)

Yavaş soğutulmuş dökme demirlerin çoğunda grafit oda sıcaklığında mevcut olan bir yapı elemanıdır. Çeliklerde ise östenit sıcaklığının altında çok uzatılmış tavlamalar sonucu ortaya çıkabilir. Silis, grafit oluşumunu özendirir.

Demir- Karbon denge diyagramını görmek için tıklayınız.

Isıl İşlem Nedir? Neden Yapılır

Malzeme bilimi için son derece önemli ve vazgeçilmez bir seçenek olan ısıl işlemi ele alacağız. Başta çelikler olmaz üzere alüminyum bir çoğuna ısıl işlem uygulanarak malzemelerin mekanik özellikleri değiştirilebilir.

ısıl-islem

ISIL İŞLEM NEDİR?

1. Metal metal bir parçanın özelliklerinde belirgin bir değişiklik sağlamak amacıyla metal veya alaşımların katı halde ısıtılıp soğutulması işlemlerine “ısıl işlem” denir.

2. Isıl işlem istenen değişikliklerin yanı sıra istenmeyen değişiklikler de yaratabilir.Özel olarak yapılabileceği gibi başka bir işlemin sonucu olarakta ortaya çıkabilir.

ÇELİĞE NEDEN ISIL İŞLEM YAPILIR?

1. Aşınma dayanımını arttırmak için.
2. Mekanik özelliklerini iyileştirmek için(tokluk,çekme ve akma dayanımı).
3. Sünekliğini geliştirmek ve yumuşatmak için.
4. Kaba tane yapısını inceltmek için.

ISIL İŞLEM NE ZAMAN YAPILIR?

1. Çeliğe yapılan ilk işlem olabilir. Örneğin,işlenebilirliği geliştirmek için.
2. Bir parçanın imalat sırasında ısıl işlem görmesi gerekebilir. Örneğin soğuk şekillendirme sırasında parçanın tekrar şekil verilebilmesi için yumuşatılması gerekebilir.
3. Aşınma dayanımı elde etmek için en son işlem olarak yapılabilir. Örneğin saban demiri(pulluk kulağı).

ÇELİK ISIL İŞLEMİ NASIL YAPILIR?

1. Değişik mikro yapılar elde etmek amacı ile allotropik dönüşümlerden yararlanılarak.
2. Bu mikro yapıların oluşumu öncelikle soğuma hızına, ya da daha teknik bir ifade ile, zaman-sıcaklık ilişkisine bağlıdır.
3. Soğuk işlem görmüş düşük karbonlu bir çeliğin yapısını yeniden kristalleştirme işlemi, allotropik dönüşüme bağımlı değildir.

MALZEME – TASARIM – ISIL İŞLEM İLİŞKİLERİ

Isıl işlem pratiğinde sık sık karşılaşılabilen yetersiz sertlik, yetersiz mukavemet değerleri veya çatlak vb. sorunlar, üretim birimleri arsında çözümü zor tartışmalara neden olur ve hata, genellikle ısıl işlem bölümüne yüklenir. Aslında, amaçlar doğrultusunda, hatasız parçalar üretmek için dikkat edilmesi gereken bir çok nokta vardır. Örneğin, malzeme seçimi, tasarımı, taşlama ilk akla gelen önemli faktörlerdir.