su verme

Çeliklere Uygulanan
SERTLEŞTİRME YÖNTEMLERİ
Temel Bilgiler ve Kavramlar
Sertleştirme, çeliklerin A3 veya A1 sıcaklığı üzerindeki bir
sıcaklıktan, yüzeyde (veya aynı zamanda kesitte) önemli
sertlik artışı sağlayacak bir hızda soğutulmasıdır
(su verme).
Böylece genelde martenzite dönüşen iç yapıda ferrit ve
perlit oluşumu engellenir.
Bir çeliğin sertleşme davranışı iki ayrı kavramı kapsar;
- Erişilebilen en büyük sertlik
- Elde edilebilen sertleşme derinliği
Martenzitik yapının ulaşabileceği en büyük sertlik
öncelikle çeliğin karbon derişikliğine bağlıdır.
Diğer alaşım elementlerinin tür ve miktarı bu değeri pek
etkilemez.
Sertleşme kabiliyeti de denilen sertleşme derinliği ise,
sertliğin ön görülen bir değeri aştığı kenar tabakasının
kalınlığıdır.
Bu değer, karbondan çok alaşım elementlerinin miktarı ve
türü ile değişir.
Alaşımsız çeliklerin kritik soğuma hızının yüksek
olmasından dolayı sertleşme derinliği azdır.
Elde edilebilen martenzitik bölgenin kalınlığı 5 mm
değerini geçemez.
Dolayısıyla bu melzemeler sığ sertleşme çelikleri olarak
da adlandırılırlar.
“Sertleşebilirlik” Kavramı; Sertleşebilirliğin Ölçülmesi
Alından su verme Deneyi (JOMINY- Deneyi) :
“Sertleşebilirlik” bir çeliğin ne kadar yüksek sertlik değerlerine sahip olabilmesini
değil, o çeliğin suverme ile sertleştirilebilen en büyük çapını (maksimum parça
kalınlığını) gösterir, sertleşme davranışının bir ölçüsüdür.
Sertleşebilirlik her çeliğe göre değeri değişen bir kavram olup, alından su verme
deneyi (Jominy- Deneyi) ile tayin edilir.
Jominy- Deneyi ile boyutları belirlenmiş silindirik bir çelik çubuğa alından su
vererek sertleşme derinliği (yüzeyde itibaren derinliğe bağlı sertlik değişim) tespit
edilir.
Deney, tekrarlanabilirliğin eldesi bakımından, çelik parçanın boyutu ve deney
düzeneği itibariyle standartlaştırma şartlarında gerçekleştirilir (Şekil-7)
Alından –belirtilen deney şartlarında- su verdikten sonra numune, karşılıklı iki
taraftan (eksene paralel) 0.4 mm derinlikte taşlanır;
taşlanan yüzeylerde, alından itibaren derinlik yönünde sertlik ölçümleri yapılır;
sonuçlar alından uzaklığa bağlı olarak bir diyagrama taşınır.
Çeliklerin sertleşebilirliği, alaşım elementlerinin cinsine ve oranına göre büyük
farklılıklar arzedebilir (Şekil-8).
Şekil-8) Alından suvermede, derinliğe göre
sertlik değişimi (“alaşım elementleri
etkisi” örneği için sertleşebilirlik
eğrileri )
1) Alaşımsız çelik: C45 ;
2) Az alaşımlı çelik: 42CrMo4
Alaşım elementleri oranı arttıkça sertleşme derinliği artar:
Soğutma yüzeylerinden daha büyük mesafelerde bile sertleşme
sağlanmış olur; aynı mesafelerdeki tam sertleşme için daha düşük
soğutma hızları yeterli gelir (alaşım elementlerinin varlığı, difuzyon
hızını ve kritik soğuma hızını düşürecektir).
Sertleşme derinliği [mm] tespiti için, içyapısında %50 martenzit
oluşabilmiş bölgenin alın yüzeyinden uzaklığı belirlenir; martenzit
analizi yerine, pratik uygulamada, söz konusu çeliğin C- oranına göre
% 50 martenzit oluşması halindeki sahip olması gereken sertlik
(Şekil-4) esas alınır.
Alından su verme ile hem sertleşebilirlik (sertleşme derinliği), hem
de su verme sertliği (alında ölçülen -maksimum- sertlik) değerleri
belirlenmiş olur.
Ötektoidaltı çeliklere A3 sıcaklığının 30~50 °C üzerindeki
ostenitleme sıcaklıklarından su verilir.
Tutma süresi
(bileşim ile parça
boyutlarına bağlı)
Suda veya
yağda su verme
Vsoğ. > Vükr. Olmak üzere Mf. sıcaklığının altına
inildiğinde iç yapı ≈%100 martenzite dönüşür.
Soğuma hızı üst kritik değerden azalarak uzaklaştıkça,
martenzitin yerini (artan ölçüde) diğer dönüşüm ürünleri
alır.
Böylece erişilebilen sertlik, karbon ve martenzit oranına
göre değişim sergileyecektir.
Ostenitleme sıcaklığı gereğinden yüksek seçilirse, tane
irileşmesi meydana geleceğinden, soğuma sırasında
yayınma güçleşir. Ostenitin perlite dönüşüm eğiliminin
azalmasından dolayı çeliğin sertleşme kabiliyeti artar.
Ancak martenzitin kaba taneli ve aşırı gevrek olmasına
yol açtığı için bu yöntem pek uygulanmaz.
Bazı takım çeliklerinde sertleştirme davranışını
iyileştirmek amacıyla kararlı karbürleri çözebilecek kadar
yüksek ostenitleme sıcaklıklarına çıkılması ve uzun tutma
süreleri sakınca yaratmaz.
Çünkü alaşımlı çeliklerde tane büyüme tehlikesi, bunu
engelleyen karbürler çözünmedikçe söz konusu değildir.
Tam ostenitleme gerçekleşmezse, yani sertleştirme
sıcaklığı Ac3 ten düşükse, çözünmeyen ferrit sertleşmiş iç
yapıda yumuşak bölgelerin kalmasına neden olur; sertlik
düşer ve eş dağılım göstermez.
Ötektoidüstü bir çeliğin tam ostenitlenmesi için Acm.
sıcaklığının üzerine çıkılması, ostenitte çözünen karbon
miktarını arttırarak Mf. Sıcaklığını düşürür.
Parçayı 0 °C’ın altına soğutma gibi önlemler alınmazsa,
su verme sonucunda iç yapıda büyük miktarlarda artık
ostenit ile karşılaşılır.
Ayrıca yüksek tav sıcaklığı kaba taneli çok gevrek
martenzit oluşumuna yol açar.
Bu
olumsuz
durumlarla
karşılaşılmaması
için,
ötektoidüstü çeliklere, AC1 in hemen üzerinden su
verilerek, ince martenzit ve sertliği aynı düzeyde olan bir
miktar II.Sementit elde edilir.
Bu seçim aynı zamanda enerji tasarrufu da sağlar.
Suverme Ortamları
Su verme işleminin etkisini aşağıdaki koşullar belirler:
* Çeliğin sertleşme davranışı (karbon ve alaşım miktarı),
* Su verme ortamının soğutma kabiliyeti,
* Soğutma ortamının sıcaklığı ve hareketi,
* Parçanın ısı iletim kabiliyeti (alaşım elementi miktarı ile
azalır),
* Parçanın boyut ve biçimi,
* Parçanın su verme ortamında kalma süresi,
* Yüzey durumu (örneğin tufalli)
İdeal bir su verme ortamı malzemeden perlit kademesinde
mümkün olduğu kadar çok martenzit kademesinde ise
çatlama tehlikesini azaltmak için mümkün olduğu kadar
az ısı çekmelidir.
Yüksek sıcaklıktaki parçanın su
vb. bir sıvıya daldırılarak
soğutulması, yüzeyinde oluşan
buhar filminin yalıtım etkisiyle
başlangıçta oldukça yavaştır.
Sıcaklık düştükçe (< 600 °C) ve
ortam hareketinin de yardımıyla
bu filmin yırtılması sonucu
buhar kabarcıklar halinde
yükselmeye başlar.
Parçayla doğrudan temas eden suyun kuvvetle buharlaşmaya
devam etmesi, soğuma hızını 400 °C ile 500 °C arasında en
büyük değerine ulaştırır.
Yüzey sıcaklığı buharlaşma noktasına indikten sonra ısı
hemen hemen sadece konveksiyonla uzaklaştırıldığından
su verme etkisi yeniden azalır.
Suya NaOH, NaCl gibi uçucu olmayan maddelerin %5-10
oranında katılması, buharlaşma noktasını yükseltir, ayrıca
film oluşumunu engeller.
Böylece en etkin soğutma bölgesi saf suya göre daha üst
sıcaklıklara kaymış bir suverme ortamının kullanılmasıyla, parçanın sertleşme derinliği artarken çatlama
tehlikesi de azalmış olur.
Su verme yağlarının suya göre yaklaşık üç kat daha az
olan soğutma etkisi , ancak alaşımlı çeliklerin
sertleştirilmesi için yeterlidir.
BASİT SUVERME
Su veya yağ gibi tek bir ortamda gerçekleştirilen sürekli
soğutma yöntemidir.
Sertleşme derinliği az olan karmaşık şekilli alaşımsız
çeliklerde, yüksek hızla (suda) soğutma sonucunda
parçaların iç ve dış kısımları arasında büyük sıcaklık
farkları meydana gelir. Bu durum, parçalarda çarpılma ve
çatlak oluşma tehlikesini yaratır.
Bu türden sorun yaratacak konstrüksiyon elemanları için;
- kritik soğuma hızları düşük olan (yağda soğutulabilen)
alaşımlı çelikler seçilmelidir
ve ayrıca
- Suverme gerilmelerini azaltıcı aşağıdakiyöntemlere
başvurulabilir.
Ötektoitaltı çelikler için kısaca “su verme” diye özetlenebilecek bu ısıl işlemi
(uygulanışı ve belirtilen içyapıları için uygulamada kabul görmüş optimum
değerler itibariyle) şematik bir programla vermek mümkündür :
[oC]
ΔT
TS
T
A3
A3
TS
Vkr [oC/s]
Tt
ts
Şekil-
tt
t (zaman) [h]
Ötektoitaltı çelikler için, bir su verme programı (“ıslah etme” için de geçerli genel ve
şematik gösterim).
A3 : C- oranına bağlı γ → α dönüşümünün başladığı sıcaklık % C = 0 için A3 = 910 oC;
% C = 0,8 için A3 = 723 oC
TS : Su verme Sıcaklığı) = A3 + 30 ÷ 50 [oC]
Vs : Soğutma hızı ≥ Vkr (kritik soğuma hızı)
ts : γ- sahasında tutma süresi ( ≈ 45 ÷ 60 [dk])
KESİKLİ SUVERME
Ostenitlenmiş parça önce 300 ~ 400 °C sıcaklığa kadar
hızlı (genellikle suda), daha sonra da iç ve dış kısımlar
arasındaki sıcaklığın dengelenmesi beklenmeden ortam
değiştirilerek yavaş (yağda) soğutulur.
Böylece ideal su verme koşullarına bir ölçüde yaklaşılmış
olunur.
Ancak, ara sıcaklığın seçimi ve yakalanması deneyim
gerektiğinden bu yöntem fazla tercih edilmez.
Kesikli Suverme Sıcaklık-Zaman Grafiği
DURAKLI SUVERME
(Martemperleme)
Ostenitlenen çeliğe sıcaklığı Ms’in hemen üzerindeki
(gerektiğinde altında da seçilebilir) bir Td değerinde sabit
tutulan ve çoğunlukla tuz eriyiği olan bir banyoda
suverilir.
İç ve dış sıcaklık dengesi sağlanıncaya kadar burada
bekletilen parça beynit dönüşümü başlamadan dışarı
alınarak yağ veya havada yavaş olarak soğutulur.
Böylece, sabit sıcaklıkta bekletme sırasında,
- ostenitin kolayca şekil değiştirmesiyle ısıl gerilmeler
giderilmiş olur,
- parçanın her yanında eş zamanlı martenzit oluşumu
sağlanarak, dönüşüm gerilmeleri de büyük ölçüde
azaltılmış olunur.
Ancak sıcak banyoda oldukça yavaş soğumadan dolayı
perlitin engellenmesi güçleştiğinden öncelikle alaşımlı
çelikler için önerilen bir yöntemdir.
Parçanın ince kesitli olması durumunda bazı alaşımsız
çeliklere de uygulanır.
Martemperleme yapılacak çeliklerin Ms- sıcaklığı çok
yüksek olmamalıdır.
Aksi halde, elverişli yayınma koşulları dolayısıyla beynit
dönüşümü kolaylaşacağından, tutma süresi yeterince uzun
alınamaz.
Bu nedenle ıslah veya takım çeliklerinden,
80 °C ~ 240 °C arasında banyo sıcaklığı gerektiren, en az
% 0,6 karbonlular tercih edilir.
Suverme Gerilmeleri :
Suverilen parçaların iç-dış, ince-kalın gibi değişik
bölgelerindeki değişik soğuma koşulları nedeniyle oluşan
gerilmelerdir.
İki tür gerilmenin toplamı şeklinde çarpılma ve /veya
çatlama tehlikesi yaratırlar.
- Isıl gerilmeler : Hızlı soğuma sonucu parçadaki
sıcaklık dağılımına bağlı farklı büzülmeler dolayısıyla
meydana gelirler.
- Dönüşüm gerilmeleri : Ostenitin
martenzite
dönüşmesi, parçanın heryanında aynı oran ve zamanda
gerçekleşmemesi nedeniyle oluşurlar.
Suverme gerilmeleri, düşük soğuma hızları uygulanarak
veya ısıl dengeleme yardımıyla da azaltılabilir.
Dolayısıyla çeliğin kritik soğuma hızı sadece gerektiği
kadar aşılmalıdır.
Yararlanılan Kaynaklar:
1-
“Mühendislik Malzemeleri”
Prof.Dr.-Ing. A.Halim DEMİRCİ
Alfa-2004
2-
“Malzeme Bilgisi” Cilt-II
Prof. Dipl. –Ing. H-J. BARGEL & Prof. Dr. –Ing. G. SCHULZE
Çevirenler : Prof. Dr. Şefik GÜLEÇ & Doç. Dr. Ahmet ARAN Gebze-1987