Çelik, %0,2 ile %2,1 oranında değişen karbon miktarı bileşiminden ve demir elementinin bir araya gelmesiyle oluşan bir alaşımdır. Işıl işlem ise, katı haldeki metal ve alaşımların kimyasal bileşimlerine göre belirli özellikler kazandırmak için uygulanan bir veya daha çok sayıda ısıtma (tavlama) ve soğutma işlemleridir.
Çelik malzemenin dokusu; içindeki karbon ve diğer alaşımların oranı, bulunuş şekli, çeliğin elde edilme yöntemi ve malzemenin çalışacağı yerdeki yapacağı göreve göre özellik kazandırılması gerekir. Bu özellikler şu şekilde sıralanabilir;
- Çelik malzeme elde edildikten sonra, elde etme esnasında meydana gelen iç gerginlikleri giderme,
- Sertlik kazandırma ve yumuşatma,
- Dayanım artırma,
- İşlenebilirlik,
- Soğuk veya sıcak dövme işçiliğine elverişlilik,
- Darbelere ve dış etkilere karşı direnç,
- Çalıştığı ortama uyum,
- Kimyasal olaylardan etkilenmeme,
- Elektrik ve manyetik özellikler kazandırma
Bu özellikleri kazandırmak için çeliklere ısıl işlemler uygulanır. Isıl işlem kısaca malzemenin kristal dokusunun değiştirilme işlemidir.
Çeliklere uygulanan ısıl işlemler nelerdir?
Tavlama
Çeliklerin iç gerginliklerini, sıcak ve soğuk işleme sonrasında oluşan imalat bozukluklarını, sertleştirme işleminden sonra oluşan çarpılmaları, sert dokuda olanların kolay işlenebilmesi için yumuşatılması gibi özellikleri sağlayabilmek için belirli bir özellikte uygulanan ısıtma soğutma işlemine “tavlama” denir.
- Yumuşatma Tavlaması
Çeliğin, ulaşabileceği en yüksek yumuşaklığa eriştirmek için uygulanır. Çelik türlerinde soğuk biçimlendirmeyi, orta ve yüksek karbonlu çeliklerde ise talaş kaldırma kolaylığı sağlamak için yumuşatma tavı uygulanır.
Sertleştirme sırasında oluşan martenzit imalat birçok uygulama için fazlasıyla sert ve gevrek olup darbe direnci ve işlenebilirliği çok düşüktür. Hızlı soğuma sonucu, su verme işleminden sonra parçada yüksek gerilimler oluşur. Bu sebeple, hem parçanın gevrekliğini gidererek tok bir malzeme elde etmek, hem de iç gerilimleri azaltmak amacıyla menevişleme denilen ısıl işlem uygulanır. Islah etme daha çok imalat çeliklerine uygulanan önce bir sertleştirme, arkasından da yüksek sıcaklıkta menevişleme (450-650 C°) işlemlerinin bütünüdür. İşlemin amacı yüksek sünekliktir. Menevişleme ile arasındaki fark, işlemlerin yapıldığı sıcaklıktır.
- Kristalleştirme Tavlaması
Soğuk şekil verme sonucunda sertleşen malzemenin özelliklerini (örneğin yüksek dayanım, düşük süneklik ve tokluk gibi) başlangıç durumuna getirmek amacıyla yapılır. Tavlama sıcaklığı 600-700°C’ olmakla birlikte, yaklaşık bir saatlik sürede gerçekleşir. Bu tavlamanın uygulanabilmesi için malzemenin en az %10 oranında soğuk şekillendirilmiş olması gerekir. Böylece metalik malzemenin, katı halde bozulmadan yeniden kristalleşmesi sağlanır. Ardından soğuk şekillendirme sonucunda oluşan sertleşme, giderilerek malzemeye daha sonraki soğuk şekillendirme işlemleri için gerekli olan süneklik kazandırılır.
Normalleştirme tavı, orta ve düşük karbonlu çeliklere çeşitli biçimlendirme işlemlerinden sonra, imalat bozukluklarını düzenlemek ve çekme dayanımını artırmak için yapılır.
Sertleştirme
Kristal imalatlarının kaymaya karşı gösterdiği direnç, beraberinde sertlik denilen yapıyı getirir. Sertleştirme, çeliklerin daha önceden belirlenmiş sertleştirme sıcaklıklarına kadar tavlanması, ardından soğutulması ve son olarak da sert dokunun istenilen düzeyde sünek hâle getirilmesidir.
Austenit dokusu (GSK eğrisinin üstü) 1000 – 1200°C sıcaklık bölgesine kadar ısıtılan çelik parça, bozulmaya zaman bulamayacak şekilde hızla soğutularak çeliğin sertleştirme işlemi yapılır. Parçanın 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.
Alevlenme sıcaklığı çok yüksek olan madeni yağlar kullanılır. Yağın sudan farkı daha yavaş soğutmasıdır. Bu durum bazı çeliklerin dokusuna daha uygundur (düşük alaşımlı çelikler gibi). Çeliğin yavaş soğutulması, iç gerilmelerin yani çarpılmanın az olmasını sağlar.
Yüksek alaşımlı çelikler havada yavaş soğutularak sertleştirilir. Havada sertleştirilen çelikler merkez çekirdeğine kadar aynı derecede sertleşir. Bu özelliğinden dolayı bilhassa kesici takımlar havada sertleştirilir.
Yüzey Sertleştirme
Yüzeyde sert ve aşınmaya dayanıklı, iç dokuda ise yumuşak ve tok özelliklerin istendiği, değişken ve darbeli zorlanmalara karşı dayanıklı parçalar elde etmek için uygulanan ısıl işlemlerdir. Genellikle karbon oranı çok az olan çeliklere uygulanır. Örneğin, dişli çarklar, rulmanlı yataklar, miller ve pistonlar gibi birçok bitmiş iş parçası bu işlemlere tabi tutulur.
- Sementasyon
Genelde düşük karbonlu çelikler için kullanılmakla birlikte, akma sınırlarının yüksekliği sebebiyle kolaylıkla şekillendirilebilirler. Bunlar sünek fakat sertleştirilemez karakterdedir.
Sementasyon işlemi iki aşamada yapılır:
- Karbürizasyon (yüzeye difüzyon yoluyla karbon emdirme),
- Sertleştirme işlemi,
Sementasyon yüzeyin dokusunu değiştirmede kullanılan maddenin cinsine göre adlandırılır:
- Katı sementasyon,
- Sıvı sementasyon,
- Gaz sementasyonu
- İndüksiyonla Yüzey Sertleştirme
Yüksek frekans üretebilen, devreden alınan alternatif akım yük sargısından geçer ve ısıtılacak parçanın yüzeyinde, endüksiyon akımı meydana getirir. Endüksiyon akımını ileten ekipmanın, ısıtılacak yüzeyi sıkıca sarması, ısıtma işleminin sağlıklı olmasının ilk şartıdır.
Uygulanan frekanslar 10 ile 10000 kHz değerleri arasındadır. İş parçasının bu akımın geçmesine karşı gösterdiği direnç, parçanın ısınmasına sebep olur. Isıtma derinliğinin tayini, kullanılan frekans ile enerji miktarı ve enerji verilmesi sırasında geçen süreye bağlıdır.
İçerisinde % 0,35 ile 0,60 oranında karbon bulunan, orta karbonlu çelikler, bu yöntemle yüzey sertleştirmeye tabi tutulur.
- Nitrürasyon
Katıklı çelik olan krom-alüminyum, krom-molibden vanadyumlu düşük alaşımlı çeliklere uygulanır. Bu yöntemde çelik, sıcaklığı 500-550 °C olan fırında amonyak gazı ortamında bekletilmesi sonucunda veya aynı sıcaklıklarda azot veren tuz banyosu içine konularak yüzeyde ince ve çok sert bir tabaka oluşur.
Nitrürasyon işleminin en büyük avantajı, işlem sonrasında parçanın tekrar tavlanıp sertleştirilmesine gerek olmamasıdır. Çünkü işlem sonrası elde edilen sertlik değeri yeterlidir. Bu yöntemle elde edilen sertlik değerini başka bir yöntemle elde etmek mümkün değildir.
Nitrürasyon yönteminin yukarıdaki birçok üstünlüğünün yanında nitrürasyon çok zaman alıcı bir metottur. 0,35 mm nitrür tabakası elde etmek için parçayı fırında ve amonyak gazı içinde yaklaşık 20 saat kadar bekletmek gerekir.
Çeliklere uygulanan ısıl işlemler nelerdir? -1 başlıklı blog yazımıza gidebilir ya da Kesici Takımlar Blogu’muza dönebilirsiniz.