Çeliklere Uygulanan Isıl İşlemler Nelerdir? -1

Isıl işlemim amacı ve önemi nedir?

Isıl işlem, katı hâldeki metal ve alaşımlarına kimyasal bileşimlerine göre belirli özellikler kazandırmak için uygulanan bir veya daha çok sayıda ısıtma (tavlama) ve soğutma işlemleridir. Çeliklere uygulanan ısıl işlemlerin amaçları şunlardır:

•  Demir karbon denge durumunu değiştirme,
• Yapısındaki düzensizlik nedeni ile oluşan iç gerginlikleri giderme,
• Talaş kaldırma işçiliğini kolaylaştırma,
• Soğuk ve sıcak biçimlendirmeden dolayı oluşan yapı bozukluklarını ve gerginlikleri giderme,
• Sertliğini ve dayanımını artırma,
• Sert olan malzemeyi yumuşatma,
• Kimyasal maddelere ve diğer dış etkenlere karşı dayanımı artırma
• Ani darbe ve titreşimlere karşı dayanımı artırma,
• Elektrik iletimi ve manyetik özellikleri değiştirme,
• Kimyasal bileşimini değiştirme,
• İstenmeyen gazları uzaklaştırma,
• Isıya ve korozyona karşı dayanımı artırma,
• Kristal kafes yapısını değiştirme

Yukarıda sıralanan her amaç için farklı ısıl işlemler uygulanır. Uygun ortam, sıcaklık ayarları, zaman ayarlaması, soğutma şekli ve süresi gibi faktörler her amaç için farklı uygulanır.

Çelikler nasıl sertleştirilir?

Sertleştirilmiş çeliklerin mümkün olan en yüksek sertlik derecesine ve aşınma dayanımına sahip olmaları istenir. Bu arada soğuk şekil değiştirme yetenekleri kaybolur ve süneklik çok düşer. Bunların gerçekleşebilmesi için çelikler, daha önceden belirlenmiş sıcaklıklara kadar tavlanıp daha sonra da soğutulursa iç yapıları kristal kaymalarına zorluk gösterecek bir yapıya kavuşur. Kristal yapılarının kaymaya karşı gösterdiği direnç, beraberinde sertlik denilen yapıyı getirir. Bir bakıma sertleştirme; çeliklerin daha önceden belirlenmiş sertleştirme sıcaklıklarına kadar tavlanması, bunun ardından soğutulması ve son olarak da sert yapının istenilen düzeyde sünek hâle getirilmesi şeklinde yapılır. Dolayısıyla sertleştirme işlemi üç aşamadan meydana gelir:

• Tavlama
• Soğutma
• Gerginlikleri giderme

Bu üç işlemi başarılı bir şekilde gerçekleştirebilmek için bazı şartlara uymak gerekir. Bunlar şu şekildedir;

• Düzensiz yapıya ve iç gerginliğe sahip çeliklere sertleştirme işlemi uygulanırsa malzeme çarpılır ve çatlamalar meydana gelir. Ayrıca iyi bir sertleştirme işlemi için malzemenin ince taneli bir yapıya sahip olması gerekir. Çünkü iri taneli malzemelerin sertleştirme işleminden sonra kırılganlık özellikleri çok fazla artmaktadır. Bu nedenle sertleştirme işleminden önce çeliğin yapı dokusu incelenmeli, düzensizlikler ve tane irilikleri giderilmelidir.
• Çeliğin homojen bir şekilde ısıtılması gerekmektedir. Aksi hâlde malzemenin her yeri aynı değerde sertleşmeyecektir. Homojen bir ısıtma için zaman ayarlı fırın kullanmak yararlı olur.
• Sertleştirme işlemine başlamadan önce malzemenin üzerinde bulunabilecek yağ, kir, oksit gibi yabancı maddeler temizlenmelidir. Çünkü sertleştirme sırasında bu maddelerin bulunduğu kısımlar, malzemenin diğer kısımlarına nazaran daha yumuşak kalarak düzensiz bir sertleştirmeye yol açar.
• Çelik parça üzerindeki delik, kanal, vida dişleri ve keskin köşelerin ısıdan dolayı çarpılmamaları için ateş toprağından yapılmış çamur veya kömür tozu ile kapatılmaları uygun olur.

Çelik parça, belirtilen bu şartlara uygun olarak hazırlandıktan sonra içerdiği karbon miktarına göre aşağıda görülen, G-S-K denilen bölgedeki sıcaklıklarda sertleştirme işlemine tabi tutulur.

Çelik malzeme içerisindeki karbon oranına göre, G-S-K eğrisinin 20-50 C° üzerindeki sıcaklık bölgesinde ısıtılması sonucu sertleştirme işlemi yapılır. Austenit yapısı, bozulmaya zaman bulamayacak şekilde hızla soğutularak çeliğin sertleştirme işlemi yapılır.
Alaşımlı çeliklerde soğuma daha hızlı olacağından malzemenin dış yüzeyi ile iç kısmı aynı oranda sertleşme olanağı bulur. Sade karbonlu çelikler de ise, soğuma daha hızlı gerçekleştiğinden malzemenin dış yüzeyi iç kısımlardan daha fazla sertlik kazanmaktadır.
Çeliklerin sertleştirme işleminde kullanılan soğutma yöntemi, sertlik değerini etkileyen en önemli faktörlerden biridir. Bu yöntemleri şu şekilde açıklayabiliriz;

Çeliğin Suda Sertleştirilmesi

Su, çeliği en hızlı soğutan, ucuz ve kolay bulunabilen bir sıvı olduğu için sertleştirme işlemlerinde en sık kullanılan maddedir. Çeşme suyundan oluşan bir su tankı bu iş için yeterlidir. Suyun sıcaklığının normal olarak 20 °C olduğu bilinir. Fakat büyük parçaların soğutulması esnasında su sıcaklığının 10 °C civarında buz kütleleri yardımıyla ya da su dolaşım düzeniyle düşürülmesi yararlıdır.
Austenit denilen (GSK eğrisinin üstü) sıcaklık bölgesine kadar ısıtılan çelik parça, tamamı suyun içine girecek şekilde hemen su tankına sokulur. Suyun serin kısımlarından daha fazla yararlanmak için çelik parça su tankı içinde sekiz çizdirilerek gezdirilir ve sertleştirme işlemi gerçekleştirilir.

Suya daldırma operasyonu sırasında şunlara dikkat etmek gerekir:

• Malzemenin uzun ekseni sıvıya dik olarak batırılmalıdır.
• Malzeme üzerinde kör delik varsa içerisinde hava kabarcığı kalmaması için delik kısmı dışa dönük olarak sıvıya batırılmalıdır.
• Önce kalın tarafı batırılmalıdır.
• Geniş yüzeyli parçalar dar taraflarından suya batırılmalıdır.
• Bazı parçalar sekiz çizdirilerek bazı parçalar ise aşağı yukarı hareket ettirilerek suya daldırılmalıdır.
• Kesinlikle iş parçasının bir kısmı dışarıda bırakılmamalıdır.

Yağda Çelik Sertleştirme

Yağda sertleştirme işleminin yapılışı su ile sertleştirme yönteminin aynısıdır. Ancak bu yöntemde alevlenme sıcaklığı çok yüksek olan madenî yağlar kullanılır. Yağın sudan farkı, daha yavaş soğutmasıdır. Bu durum bazı çeliklerin yapısına daha uygundur (düşük alaşımlı çelikler gibi). Çeliğin yavaş soğutulması, iç gerilmelerin yani çarpılmanın az olmasını sağlar.
Suda sertleştirilmiş çeliklerin sertlik tabakası ince olur. Yani çelik özüne kadar sertleşmez. Fakat yağda sertleştirme işlemi ile çeliğin sertlik tabakası daha derinlere iner.
Suda sertleştirme korozyon sorunlarına yol açabilecekken, yağda sertleştirme en yüksek korozyon direncini sağlar.

Havada Çelik Sertleştirme

Yüksek alaşımlı çelikler havada yavaş soğutularak sertleştirilir. Havada sertleştirilen çelikler, merkez çekirdeğine kadar aynı derecede sertleşir. Bu özelliğinden dolayı bilhassa kesici takımlar havada sertleştirilir.
Yüksek alaşımlı çelikten yapılmış takımlar, sertleşme (su alma) sıcaklığına kadar tavlandıktan sonra genellikle şu yöntemler ile soğutularak sertleştirilirler:

• Durgun hava: Hareket etmeyen açık hava
• Fanla soğutma: Fanla meydana getirilen bir hava akımı ile soğutma
• Basınçlı hava ile soğutma: Yüksek basınç kaynağından temin edilen hava ile soğutma

Çeliğin Serleştirilmesinde Diğer Yöntemler

Sertleştirme işleminde soğutma hızını artırmak için bazı sıvı bileşikleri kullanılır. Bunlardan en ucuzu su içerisine yemek tuzu katılmasıdır. Ancak tuzlu su korozyona neden olacağından soğutma işleminden sonra parça yıkanmalıdır. Soğutma sıvısı olarak sülfürik asit veya potasyum hidroksit maddelerinin sulu çözeltileri de sıkça kullanılır. Bu çözeltilerle yapılan sertleştirme işlemlerinde çelik yüzeyi çok parlak ve temiz olmaktadır. Ayrıca bir metal olan kurşun esaslı çözeltiler de sertleştirme işlemlerinde kullanılır. Ancak bu çözeltilerde yüksek oranda zehirli gaz çıktığından gerekli emniyet önlemleri alınmalı ve ortam iyi havalandırılmalıdır.