ÇELİKLERİN ISIL İŞLEMİ Alaşım hazırlandıktan sonra, çeliğin

1
ÇELİKLERİN ISIL İŞLEMİ

Alaşım hazırlandıktan sonra, çeliğin özellikleri mekanik ve/veya ısıl işlemlerle geliştirilebilir.

Isıl işlem, çeliğin genellikle, oda sıcaklığının üzerindeki sıcaklık aralığında (100-1300°C) faz
dönüşümlerini/yeni faz oluşumlarını içeren maksatlı “ısıtma/soğutma” periyotlarıdır.

Isıl işlem süreleri, iş parçasının boyutlarına bağlı olarak saniye ölçeğinden günler/haftalar
ölçeğine değişir.

Bu ısıl işlemler sonucunda elde edilen yapılar, Fe-C denge diyagramındaki denge fazları
dışında, diyagramda olmayan martenzit, beynit gibi “denge-dışı fazları” da bulundurur.

Dolayısıyla, istenilen özelliklerin elde edilebilmesi için çok sayıda yol olabilir.

Her durumda, parça güvenliği, çalışan güvenliği, maliyet, kullanım ömrü açısından en uygun yol
aranmalı ve takip edilmelidir.
Çeliklere Sıklıkla Uygulanan Bazı Isıl İşlemler
Homojenleştirme:
 Hemen hemen bütün döküm parçalara uygulanır.
 Döküm ürünlerin yapısını rafine etmeyi, özellikle de segregasyonun şiddetini azaltmayı
(alaşım bileşimini homojen hale getirmeyi) hedefler.
Normalizasyon:
o
İş parçasının yüksek sıcaklıktan (ostenit bölgesi) oda sıcaklığına havada soğuması işlemi olup,
yapıyı normalize etmeyi hedefler.
o
Normalizasyon, yüksek hız çelikleri için sertleştirme işlemi yerine geçer.
Tavlama:
 Isıl işlem teknolojisinde iki farklı şekilde kullanılır:
 1.si; mekanik olarak soğuk şekillendirilmiş parçaların tokluğunu artırmak (proses tavlaması).
 2.si; iş parçasının ostenit sıcaklığından oda sıcaklığına kadar fırın içerisinde soğutulması
işlemidir (tam tavlama)…
 Hedef, talaş kaldırma veya döverek şekillendirme için en yumuşak yapıyı elde etmektir.
Su verme (sertleştirme):

Martenzitik yapı elde etmek için çeliğin ostenit sıcaklığından oda sıcaklığına çok hızlı bir
şekilde soğutulması işlemidir.
2

Soğutma ortamı su, yağ, polimer katkılı sıvı, tuz banyoları, hava olabilir.

Sonuçta sert ve gevrek martenzit yapısı oluşur.
Gerilme giderme:
-
Özellikle talaş kaldırma veya kaynak işlemi sırasında oluşabilecek fazla gerilmeleri azaltmak
için uygulanan bir işlemdir.
Temperleme (menevişleme):
 Su vermeyle oluşan martenzitik yapının gevrekliğini azaltmak ve iş parçasının sertliğini
ayarlamak için dönüşüm sıcaklığının altındaki bir sıcaklıkta uzun olmayan bir süre
tutulmasıdır.
Küreselleştirme:
Çelik yapısını yumuşatmak, talaş kaldırma kabiliyetini artırmak için çeliğin ostenit
sıcaklığının hemen altındaki sıcaklıklarda uzun süre tutulması (ve bu arada sementitin
küreselleşmesi) işlemidir.
Karbürleme:
 Düşük karbonlu, az alaşımlı çeliklerin sertleştirilebilmesi için yüzeyinin karbonca
zenginleştirilmesi işlemi olup, ostenit bölgesinde yapılır.
Nitrürleme:

Çelik yüzeyinin azotça zenginleştirilmek suretiyle sertliğinin artırılması işlemidir.

500-580°C arasındaki sıcaklıklarda uygulanır.
Alevle veya İndüksiyonla sertleştirme:
o
Sertleşebilen bir çeliğin yüzeyinde belirli bir kalınlıktaki bölgenin alevle veya indüksiyonla
ostenit sıcaklığına ısıtılması ve sertleştirilmesi işlemidir.
 Bazı ısıl işlemler ise yüksek sıcaklıkta değil, tam tersine düşük sıcaklıkta gerçekleşir.
 Bu tür işlemlere sıfır-altı (sub-zero) işlemler denir ve dönüşüm sonucu oluşan martenzitin
miktarını arttırma hedeflenir.
 Sıfır-altı işlemler katı karbondioksit (-80°C), sıvı azot (-196°C) veya metil alkol (-97°C) veya
pentan (-129°C) sıcaklığında yapılabilir.
3
 Bir çelik için hangi ısıl işlemin uygun olduğu (işlem sıcaklığı-süresi, soğutma ortamı,
temperleme sıcaklığı, vb. gibi) çeliğin bileşimi ve kullanım amacına bağlı olarak değişir.
 Isıl işlem günümüzde birçok değişik alanda kullanılan çeliklerin, işlevini arttırmak ve
düzenlemekte uygulanan bir operasyondur.
 Çeliğe istenen mekanik özellikleri ısıl işlem uygulayarak kazandırabilirsiniz.
 Bu açıdan önemli sayılan ısıl işlem, yanlış bilgilenme ve yetersiz kullanılan uygulamalar
sonucunda büyük ekonomik kayıplara sebep olabilir.
 Bir malzeme yanlış yapılan ısıl işlem sonucunda kullanılmaz hale geliyorsa, bunun getirecek
kayıp ortadadır.
 Bu nedenle ısıl işlem sırasında mümkün olduğu kadar hata yapmaktan kaçınmak gerekir.
 Bunu sağlamak için yeterli bilgi ve beceri düzeyine sahip olmak şarttır.
 Diğer taraftan, ısıl işlem konusundaki yetersiz bilgi kişiyi, malzemeden istenen mekanik
özelliği daha ucuz bir ısıl işlem kullanarak elde etmek mümkünken daha pahalı malzeme ve
operasyonlar kullanmaya sevk edebilir.
 Bu da parça maliyetlerini yükseltici önemli bir ekonomik kayıptır.
Isıl İşlemin Tarifi ve Esasları
 Malzemeye istenen özellikleri kazandırmak amacıyla, malzemenin sıcaklığını belirli bir
programa göre değiştirme işlemine "ısıl işlem” adı verilir.
 İstenen özelliklere aşağıdaki örnekler verilebilir:
* Yüksek dayanım (akma, çekme, yorulma, vb. gibi)
* Aşınma dayanımı (yüksek yüzey sertliği)
* Yumuşaklık (soğuk şekil vermeye uygunluk)
* Yüksek talaş kaldırma yeteneği
* Küçük taneli yapı (yüksek kırılma tokluğu)
* İç gerilmesiz yapı
* Homojen içyapı
 Genel anlamda ISIL İŞLEM, metal veya alaşımlara istenilen özellikleri kazandırmak
amacıyla “katı halde uygulanan”, kontrollü ısıtma ve soğutma işlemleri olarak tanımlanır.
4
 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.
 Çeliğe uygulanan bütün temel ısıl işlemler, ostenit fazının 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.

Çeliğin ısıl işlemine ostenitleme (ostenitleştirme) ile başlanır.

Ostenitleştirme için çelik malzeme, alt kritik sıcaklık çizgisinin (Ac1) üzerindeki bir sıcaklığa
kadar ısıtılır.

Çoğu durumda, çeliğin belirlenen sıcaklığa kadar ısıtılmasında, seçilen ısıtma hızı ısıl işlem
çevrimindeki diğer faktörlere göre daha az önem taşır.

Ancak, 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 ısıtılmaları sırasında ince ve kalın kesitlerdeki
ısınma veya sıcaklık artış hızları arasındaki farklar da dikkate alınmalıdır.

Sıcaklık etkisiyle parçada herhangi bir çarpılmanın meydana gelmemesi için ince kısımların
kalın kısımlara göre daha yavaş ısıtılması gerekir.

Isıl işlem sırasındaki hasar riskini azaltmak için “çelikler genelde yavaş ısıtılırlar”.
OSTENİTLEŞTİRME, çeliğin A1 sıcaklık çizgisi üzerindeki uygun bir sıcaklığa kadar
yavaşça ısıtılıp, yapısının tamamen ostenite dönüşmesine kadar tavlanması demektir.
Ötektoid altı çelikler, üst kritik sıcaklık çizgisinin (A3) 40-60°C üzerindeki sıcaklıklarda
ostenitleştirme işlemine tabi tutulurlar.
A3 çizgisinin altındaki sıcaklıklarda ise çelik içerisinde ötektoid dışı ferrit bulunur ve bu
fazın oranı, çeliğin karbon oranına bağlıdır.
Ötektoid dışı ferrit, su verme işleminden sonra da yapıda aynen kalarak çeliğin sertleşmesini
engeller.
Ötektoid üstü çelikler ise, Ac1 ile bu çeliklere ait üst kritik sıcaklık çizgisi (Acm) arasındaki
sıcaklıklarda ostenitleştirilirler.
5
Acm çizgisi ani olarak yükseldiğinden bütün yapıyı ostenitleştirmek için çok yüksek sıcaklıklara
çıkmak gerekir.
Ancak, ostenitleştirme işleminin çok yüksek sıcaklıklarda yapılması durumunda çelikte
çarpılma, çatlama, oksidasyon, dekarbürizasyon ve tane büyümesi gibi istenmeyen olaylar
meydana gelebilir.
Bu nedenle çelik, “olabildiğince düşük sıcaklıklarda ostenitleştirilir”.
Çeliğe uygulanan belli başlı ısıl işlemler aşağıda açıklanmaktadır.
Isıl Çevrim Diyagramı
 Isıl işlem sırasında, malzeme sıcaklığının zamanla değişimini gösteren diyagramlardır.
 Bu diyagramlarda ısıl çevrimin safhaları gözükür.
 Isıtma, tutma (bekleme) ve soğutma aşamalarından oluşur:
T
tma
soğu
ısıtma
tutma
Sertlik
kontrolü
zaman
Şekil. Isıl çevrim diyagramı
(1) Isıtma safhası:
 Malzemeyi arzu edilen tutma sıcaklığına çıkarmak için yapılan işlemdir. İki yolla yapılabilir:
A. Soğuk parçayı tutma sıcaklığına çıkarılmış sıcak fırına koymak…
 Yüksek üretim hızı sağlar.
 Burada bir parçanın ısınma hızı, yüzey/hacim oranıyla doğru orantılıdır.
 Örneğin; silindirik parçalar için, silindir yarıçapı r ise bu oran 2/r'ye eşittir.
 Yani r=10 mm olan bir parça, r=20mm olan bir paçaya göre 2 kat fazla hızla ısınır.
 Bu sistemde, parça ile fırın arasındaki sıcaklık farkı oldukça yüksektir ve dolayısıyla
parçanın ısınma hızı da yüksektir.
 Diğer taraftan, malzemenin merkezi ile yüzeyi arasındaki sıcaklık farkı ve bu farkın eşitlenme
süresi bu yöntemde daha fazladır.
 Bu fark, parçanın ısı iletim katsayısı azaldıkça ve kesiti (çapı) arttıkça artar.
6
 Sıcaklık farkı ısıl gerilmeleri de arttırdığından, çarpılma ve çatlama tehlikesi açısından bu
yöntem büyük parçalardan ziyade “küçük parçalara uygulanmalıdır”.
B. Soğuk parçayı soğuk fırına koyup, fırınla birlikte ısıtmak…

Üretim hızı düşüktür, ancak çatlama ve çarpılma tehlikesi nispeten fazla değildir.

Bu yüzden karışık şekilli parçalarda, büyük kesitli parçalarda, ısı iletim yeteneği düşük
olan parçalarda ve yüksek alaşımlı çeliklerde bu yöntem tercih edilir.
 Bütün bunlara rağmen, çeliği tutma sıcaklığına mümkün olan en yüksek hızda çıkarmak
tercih edilmelidir.
 Çünkü bu, üretim hızını arttırdığı gibi enerji tüketimini de azaltır.
 Uygulamada dikkat edilecek birtakım hususlar vardır. Bunlar:
1- Soğuk şekil verme ile iç gerilmelere maruz kalmış malzemeler daha yavaş hızla ısıtılmalıdır.
2- Tavlanmamış yüksek karbonlu dökme ve dövme çelikler, hızlı ısınma sonucu oluşan aşırı
çarpılma ve çatlamaya neden olabilecek ilave gerilmeleri önlemek için yavaş ısıtılmalıdır.
3- Karbonlu takım çelikleri ve orta alaşımlı yapı çelikleri için ısınma zamanları, alaşımsız yapı
çeliklerine nazaran %25-50 daha fazla olmalıdır.
- Yüksek alaşımlı yapı ve takım çeliklerinde bu oran %50-100 civarındadır.
o
Malzemenin ani ısınmasını önleyerek homojen ısınmasını sağlamak amacıyla, malzemeyi
kademeli olarak, fırın bölmelerinde ayarlayarak ısıtmak gerekmektedir.
(2) Tutma safhası:
 Amaç, ısıtma sonucu ulaşılan sıcaklıkta istenen içyapı değişimlerini (örneğin: faz dönüşümü,
homojen yapı, soğuk şekil değiştirmiş malzemede yeni tanelerin oluşumu gibi) sağlamaktır.
 Bu tip yapı değişimleri zamana bağlı olup, atomlara katı yapı içerisinde yayınması (difüzyonu)
için gerekli zamanı sağlar.
 Sıcaklık ne kadar düşükse, yayınma için gerekli zaman o kadar artar.
 Bu zamana "tutma zamanı" denir.
 Tutma zamanının gereğinden fazla olmasının birtakım sakıncaları vardır. Bunlar:
1- Fırının gereğinden fazla kullanılması üretim ve enerji kaybına sebep olur.
2- Malzemede tane büyümesi meydana gelir ve malzeme gevrekleşir (düşük kırılma tokluğu).
3- Parça yüzeyi oksitlenir ve yüzeyde 0,2 mm'den kalın bir oksit tabakası olan "kav” oluşur.
7
-
Sıcaklık ne kadar yüksekse kavın kalınlığı da o derece fazla olur.
-
Kav oluşumunun getirdiği sakıncalar:
a) Kavın ısıl genleşmesi malzemeninkinden farklı olduğundan, malzeme yüzeyinden kalkar ve
malzeme boyutunda azalma olur.
b) Oksitlenme sonucu parça yüzeyi bozulduğundan ilave bir yüzey temizliği gerektirir.
c) Yüzeyde bulunan alaşım elemanının oksitlenmesi sonucu alaşım elemanı kaybı olur ve bu da
yüzeyde aşınmaya dayanımı azaltır (düşük yüzey sertliği).
d) Yüksek sıcaklıkta fazla tutulursa yüzeyden karbon kaybına neden olur (dekarbürizasyon).
“Sonuçta yüzey sertliği düşer (düşük yorulma ve aşınma dayanımı)”…
-
Kav oluşumu ve dekarburizasyonu önlemek için günümüzde kullanılan üç yöntem vardır:
1. Koruyucu atmosfer:
 Gerçek anlamda koruyucu atmosfer Argon, Helyum gibi asal gazlardır.
 Ancak maliyetli olduğu için endüstriyel ısıl işlemlerde koruyucu atmosfer olarak çoğunlukla
hidrojen, azot, amonyak, karbonla hidrojenin çeşitli hava/yakıt oranlarında karışımı olan
yanma ürünleri (metan, etan, vb.), karbondioksit (CO2) ve su buharı karışımı olarak kullanılır.
 Hidrojen tek başına kullanılırsa karbon azaltıcı etki yapar.
 CO2 ve su buharı tek başına oksitleyici ve karbon azaltıcı etki yapar.
 Bu yüzden karışım olarak kullanmak daha faydalıdır.
2. Tuz banyoları:

Tuz banyoları, malzemenin hava ile temasını keserek koruyucu bir görev yaparlar.

Malzemenin çabuk ve uniform (eşyönlü) tavlanmasını sağlarlar.

Kullanılan tuz banyolarına örnek olarak NaCl (sodyum klorür), BaCl (baryum klorür), KCl
(potasyum klorür), K2CO3 (potasyum karbonat) ile bunların karışımları verilebilir.

Uzun süre kullanılan tuz banyoları, oksitlenme ve ayrışma özellikleri gösterirler ve korozyona
veya malzeme yüzeyinden karbon kaybına sebep olurlar.

Bunu önlemek için tuz banyosunun içine periyodik olarak %1-1,5 ağırlık oranında öğütülmüş
ferro-silisyum veya boraks atılarak banyonun deokside edilmesi gerekir.

Bu amaçla bazen potasyum ferro-siyanid de kullanılır.
3. Diğer koruma yöntemleri:
a) Erimiş Kurşun banyoları
8
b) Dökme Demir talaşı içine gömülerek
c) Bakırla veya Boraksla kaplanarak
 ÖRNEK: HSS ( Yüksek Hız Takım Çelikleri) yüzeyde karbon kaybına karşı korumak için
200oC’ye kadar ısıtılıp, sıcak haldeki doymuş boraks çözeltisine daldırılır.
 Bu işlem, çelik yüzeyinde sürekli ve yüksek sıcaklıklarda dahi koruyucu bir boraks tabakası
oluşturur.
 Diğer bir yöntemde, takımı 800-850oC’ye kadar ısıtıp dehidre edilmiş boraks pudrasıyla
yıkamaktır.
(3) Soğutma safhası:
 Ostenit bölgesinde olan ısıl işlemlerde, çeliğin nihai özelliklerine etki eden en önemli faktör
soğutma hızıdır ve aşağıdaki faktörlere bağlı olarak değişir:
a. Malzeme kesiti düştükçe, soğuma hızı artar.
b. Soğutma ortamının soğutma şiddeti arttıkça, soğuma hızı artar.
c. Tutma sıcaklığı yükseldikçe, soğutma hızı artar.
d. Malzeme kalınlığı arttıkça, parça merkezinin soğuma hızı yüzeyin soğuma hızına oranla
giderek azalır.
e. Çelik yüzeyinde oluşacak kavın ısı iletim katsayısı düşük olduğundan, kav kalınlığı arttıkça,
soğuma hızı düşer.
f. Yüksek alaşımlı çeliklerin ısı iletim katsayısı düşük olduğundan, diğer çeliklere nazaran
daha yavaş soğurlar.
Bunun yanında, soğutma ortamının hareketli olması ortamın soğutma şiddetini arttırır.
Ayrıca malzemenin soğutma ortamı içinde hareket ettirilmesi de soğutma şiddetini artırır.
Soğutma sırasında, ısıtma aşamasına nazaran, parçaların çarpılma ve çatlama tehlikesi daha
fazladır.
Özellikle su verme konusunda görüleceği gibi, martenzit oluşum bölgesinde soğuma hızının
yüksek oluşu çatlama tehlikesini arttırır.
Bundan dolayı, karışık şekilli ve büyük parçaları soğuturken daha yavaş soğutmak gerekir.
Havada soğuyan parçaların merkez ve yüzey arasında bir sıcaklık farkı olmadığından bu
tehlike görülmez.
4. Haftanın sonu…