SU VERME – SERTLEŞTİRME
Çeliklere yapısal özellik kazandıran en önemli ısıl işlem sertleştirmedir. Sertleştirme öncelikle çelik parçanın A3 veya A3, 1 çizgisi üzerinde bir sıcaklıkta ısıtılması, bu sıcaklıkta belli bir süre tutulması ve martensit oluşumu için uygun bir ortamda hızla soğutulması işlemidir. Sertleştirme işlemi sonucu çeliğin mekanik özellikleri ( dayanım, akma sınırı vs ) önemli ölçüde artar.
Çeliğin sertliğinin artabilmesi, martensit oluşumuna bağlıdır. Bunun için geçer şartlar;
1. çelik sertleşebilir olmalıdır
2. çelik, ostenit alanına kadar ısıtılmalıdır ( ötektoid üstü çeliklerde A3,1 çizgisi üstüne kadar)
3. çelik, martensit oluşturacak kadar kısa bir sürede hızla soğutulmalıdır
4. soğutma ortamının sıcaklığı, çeliğin martensit başlangıç sıcaklığının altında olmalıdır.
MARTENSİT OLUŞUMUNDA KRİSTAL YAPIDAKİ OLAYLAR
Oda sıcaklığında meydana gelen kristal kafes yapıları için çıkış yapısı ostenittir. Ostenit yüzey merkezli kübik ( YMK ) yapıya sahiptir. Ferrit hacim merkezli kübik ( HMK ) yapıya sahiptir. Bu fazda östenit ölçüsü 3.63 A ( angstrom) iken ferrit 2.86 A dır. Östenitin değerinin daha fazla oluşu, daha fazla karbon atomunun gama kristalleri içerisinde barınmasını sağlar. Oda sıcaklığında ostenite rastlanmaz ve soğutma hızına bağlı olarak başka bir yapıya dönüşür. Yavaş soğutma olursa ostenitin bünyesinde çözünmüş olan karbon rahatlıkla dışarıya çıkabilir ve yapı ferrit + sementit karışımına dönüşür. Hızlı soğutma olursa, sıcaklığın ani düşmesiyle birlikte, gama kristalleri içerisindeki karbon atomları yerlerinde kalmak istemeyerek yapı dışına çıkmak isteyeceklerdir. Ancak zaman bunun için yeterli değildir ( hızlı soğutma ) zamanın çok kısa oluşu karbon atomlarını kafesin içine hapseder. Karbonun zoraki bulunduğu bu yapıya “martensit yapı” denir
Martensit, hacim merkezli tetragonal ( HMT ) yapıya sahiptir, bu yapıda birim kafesin iki boyutu (a) eşit uzunlukta, üçüncü boyutu (c) ise karbonun hapsedilmesi sonucu biraz uzamıştır. HMT yapının boyutlarındaki oran ( c/a) çeliğin içerdiği karbon miktarına bağlı olarak artar ve en fazla 1.08 değerine ulaşır. Martensit sertliğinin asıl nedeni çeliğin kristal yapısındaki bu değişimdir. Martensitin yoğunluğu ostenitten azdır. Dolayısıyla dönüşüm sırasında bir hacimsel artış, genişleme oluşur, doğal olarak bu gelişme beraberinde yüksek iç gerilmeler meydana getirir. İç gerilmeleri fazla olan bu yapının şekil değiştirme yeteneği çok çok az, sertliği ise kullanılamayacak kadar fazladır.
Çeliğin yavaş soğutulmasıyla perlit ( ferrit+sementit) hızlı soğutulmasıyla da martensit oluştuğunu biliyoruz. Soğutma hızı martensit oluşturabilecek kadar hızlı değilse bu kez de oluşan yapılara trostit, sorbit, ince perlit gibi adlar verilir. Bir çeliğin hangi sıcaklıklarda, ne kadar zamanda, hangi yapıya dönüşeceğinin bilinmesi gerekir. Amerikalı metalograf Bain, çeliklerdeki dönüşmeyi zaman, sıcaklık ve soğutma hızlarına bağlı olarak incelemiştir. “bain diyagramları” da denen bu eğriler “S” harfine benzediği için “ S Diyagramları” olarakta bilinir. Zaman , sıcaklık, dönüşüm arasındaki ilişkiyi vermesi nedeniyle uluslar arası TTT diyagramları diye de karşımıza çıkabilir. S diyagramlarını ayrıntılı bir şekilde incelemeyeceğiz gerektiği durumda hep beraber yorum yaparız.
SERTLEŞTİRMEYE ETKİ EDEN FAKTÖRLER
1. Sertleştirme veya Ostenitleme Sıcaklığı:
Sertleştirme sıcaklığı, maksimum sertlik ve aynı zamanda ince taneli çelik oluşturacak şekilde seçilir. Ötektoidaltı çelikler için önerilen sıcaklık A3 çizgisinin 10-15 derece üzeridir. Ötektoidüstü çelikler için ise genellikle Acm ile A3,1 çizgileri arasındadır.
2. Ostenitin Homojenliği:
Ostenitin homojenliğinden kasıt, her ostenit tanesinin eşit miktarda karbon içermesidir
Bir ötektoidaltı çeliği sertleştirme amacıyla ısıtmaya başlayalım. Sıcaklık A1 çizgisine eşitlendiğinde perlitler ostenit taneciklerine dönüşür. Bu tanecikler %0.80 karbon içerir. Isıtmaya devam ettiğimizde otektoid öncesi ferritlerde ostenite dönüşür ve bunlar perlitten oluşan ostenit tanelerine göre daha az karbon içerir. A3 çizgisine ulaşıldığında yapı ostenit olur, fakat taneler farklı oranlarda karbon içerirler. Böyle bir yapı hızla soğutulduğunda düşük karbonlu ostenit martensite dönüşemez, yüksek karbon içeren ostenit tanecikleri martensit yapıya dönüşür. Bu durum farklı sertlik değerlerine sahip, homojen olmayan bir yapıya neden olur. İstenmeyen böyle bir durumdan kaçınmak için, çelikler sertleştirme sıcaklığında belli bir süre bekletilir.
Bekletme süresi çeliğin et kalınlığına ve alaşım elemanlarına bağlı olarak seçilir ve genellikle çeliğin her mm et kalınlığı için 1 dakika alınır. Bu süre sade karbonlu çelikler ve düşük alaşımlı çelikler için geçerlidir. Yüksek alaşımlı çeliklerde alaşım karbürlerinin dönüşümleri daha geç olduğu için bekleme süreleri bu tip çelikler için daha uzun tutulmalıdır.
3. Sertleştirme Ortamının Niteliği
Soğutma hızlarına göre ortamları sıralayacak olursak
1-tuzlu su
2-su
3-erimiş tuz banyoları
4-yağ
5-hava
Sertleştirmede ana amaç tüm yapının martensite dönüşmesidir. Bu nedenle soğuma hızı kontrol edilerek perlit oluşumunun engellenmesi gerekir. Bu çelik cinsine bağlı olarak soğutma ortamının seçimiyle sağlanır. Sade karbonlu çelikler için soğuma ortamı olarak pratikte daima su seçilir. Çelik ne kadar yüksek alaşımlı ise soğutma hızı da buna bağlı olarak düşürülmelidir.
a) Su: çeliklerin soğutulma işlemlerinde en çok kullanılan sıvıdır. Her zaman ve bol bulunması, ucuz olması, sağlık açısından bir zararının olmaması gibi çalışma üstünlükleri vardır, soğutma hızı çok yüksektir, yağdan yaklaşık 3 kat daha fazladır. Bu hızdan ötürü fazla gerginliklere ve çatlamalara, çarpılmalara yol açabilir. Özellikle karışık şekilli parçaları sertleştirirken çatlama ve çarpılmaları önleyici önlem alınmalıdır. Suyla soğutmada daldırılan kızgın parçanın etrafında buhar tamponu oluşumunu engellemek için ya parça sürekli hareket ettirilmelidir ya da suyu karıştıracak bir sistem yapılmalıdır. Sade karbonlu çelikler ve çok az alaşımlı bazı çelikler için seçilebilir.
b) Tuzlu Su: normal su içerisine ağırlıkça %10 yemek tuzu ilavesiyle hazırlanır. Tuz suyun kaynama noktasını yükselteceğinden buharlaşmayı azaltır ve bu nedenle sudan daha iyi bir sertleştirme sağlar, yalnız tuzlu suyun çabucak korozyona neden olacağı unutulmamalıdır.
c) Erimiş Tuz banyoları: bazı çelik türleri için 160-500 derece sıcaklık aralığında erimiş tuz banyoları kullanılmaktadır. Bu sıcaklık aralıklarına en uygun tuzlar alkali metallerin nitrat ve nitrit tuzlarıdır ve genellikle yarı yarıya sodyum nitrat ve potasyum nitrat içerirler. Tuz banyolarında soğutma hızı yağ banyolarından daha üstündür. Bu durum, tuz banyolarında su vermede iç gerilimleri, çarpılma ve büzülmeleri en aza indirger. Bazı uygulamalarda yalın karbon çelikleri ile düşük alaşımlı çeliklere erimiş tuz banyosunda su verilir.
d) Yağlar: su ve çeşitlemelerinden sonra en çok kullanılan soğutma sıvısı yağlardır. Yağda soğutma hızı, suda soğutmadan daha yavaştır, yağda sertleştirmede daha az iç gerilmeler doğar buna bağlı olarak ta çarpılma ve çatlamalar daha az olur. Piyasada çok değişik özellikte ısıl işlem yağı bulunmasının yanında bazı bitkisel yağlar da yine su verme işleminde kullanılabilir.
e) Hava: genellikle ince kesitli az alşımlı çelikler ve yüksek alaşımlı çelikler, basınçlı hava veya durgun hava ile sertleştirilebilirler. Hava ile soğutma hızı çok düşüktür, bu nedenle iç gerilmeler sonucu oluşan çarpılmalar ihmal edilebilecek düzeydedir.
4. Sertleştirme Ortamının Sıcaklığı:
Su için en uygun sıcaklık 20-40 derece, yağ için 50-80 derece arasındadır. Eğer mümkünse sıcaklık sürekli kontrol edilmelidir. Yağ sıcaklığını arttırmak için ya ısıtılır ya da su verme öncesi ısıtılan birkaç parça yağın sıcaklığını yükseltmek için pratik olarak yağa daldırılır. Sertleştirme sırasında veya sonrasında soğutma sıvısının sıcaklığının fazla yükselmemesi için ortam hacminin yeterli olması gerekir, ortamın sürekli karıştırılması gerekir, su verilecek parçanın da su verme sırasında sürekli hareket ettirilmesi gerekir. Böylelikle yüzeye en yakın fazla ısınmış sıvıdan uzaklaşılarak etkili ve homojen bir sertlik elde edilir.
5. Parçanın Yüzey Koşulları:
Çelik fırında ostenitleme sırasında ısıtılırken fırın atmosferinde bulunan oksijen veya su buharından ötürü yüzeyde tufalleşme olur. Aslında tufal parça yüzeyinde ısıl işlem sonucu oluşmuş bir oksit tabakasıdır. İnce tufal fazla önemli değilken tufal kalınlığı 0.1 mm den fazla olduğunda bunun soğutma üzerinde ciddi olumsuz etkisi vardır. Bu nedenle tufal oluşumunu azaltmak gerekir. Bununla ilgi başlıca çözümler, bakır kaplama, koruyucu atmosfer, nötr tuz banyoları, dökme demir talaşı olarak sıralanabilir.
6. Parça Boyutları:
Bu konuya fazla değinmeyeceğiz, ama bilinmesi gerekir ki parça kalınlığı arttıkça yüzeyden merkeze doğru dengesiz sertleşme söz konusu olacaktır. Tersine su verilen parça çok inceyse soğutma hızı bizim öngördüğümüzden çok daha hızlı olacaktır, bu da çatlama ve çarpılma riski demektir.
7. Alaşım Elemanlarının Cinsi Ve Miktarı:
Alaşımsız karbon çeliklerinin sertleşme derinlikleri az olduğundan bu tip çelikler hızlı bir soğutma ortamında soğutulurlar. Bu nedenle genellikle suda sertleştirme yöntemi uygulanır. Ancak küçük ve ince kesitli olanlara yağda su verilmesi daha iyidir. Alaşım elemanları çeliğin sertleşebilirliğine olumlu yönde katkı verir. Yavaş dönüşüm sıcaklıklarında bile martensit oluşur. Alaşım elemanları toplamı ve özellikle krom, vanadyum, molibden, wolfram gibi elemanlar arttıkça dönüşüm başlangıçları hem daha uzun sürelere hem de daha düşük sıcaklıklara kayarlar. Böylece toplam alaşım miktarına bağlı olarak sertleşme derinliği de artar.
SU VERME TEKNİKLERİ
1. Doğrudan su verme: en eski sertleştirme yöntemidir, ve halen en yaygın kullanıma sahiptir ( özellikle kırsalda) bu yöntemde çelik, östenitleşme işlemi sonucunu beklemeden ve ayrıca bir ara ısıl işlem uygulanmada, östenitleme sıcaklığından doğrudan su verme ortamına daldırılır, ortamın niteliğinin önemi yoktur.
2. Kesintili su verme: martensit oluşumunu sağlamak için çeliğin hızla oda sıcaklığına soğutulması, çelikte çarpılma büzülme ve çatlamalara neden olabilir. Bu gibi olguları önlemek için kesintili su verme işlemi uygulanır. Yöntemde aslında yapılan çatlamanın olabileceği kritik sınırı geçer geçmez ( S diyagramlarındaki burun kısmı) yavaş yavaş soğutularak martensit oluşması sağlanır
3. Martemperleme: kesintili su vermenin en yaygın kullanılanı martemperlemedir, bu yöntemde çelik, martensit başlama noktası üzerinde bir sıcaklıkta bulunan erimiş tuz banyosu içinde hızla soğutulur. Çelik parçanın her yanı banyo sıcaklığında soğutulduktan sonra beynit reaksiyonu başlamadan önce ( beynit: ferritin içinde ince karbürlü yapı) çelik banyodan çıkarılarak havada soğutulur. Havada soğutularak elde edilen martensit suda su verme ile oluşan martensit kadar sert olduğu halde, tehlikeli iç gerilmeler meydana gelmez.
4. Ostemperleme: Martemperlemeye benzer. Ancak ostemperlemeyle elde edilen mikroyapı martensit olmayıp beynittir. Çelik martemperlemede olduğu gibi tuz banyosunda soğutulur ve tamamen beynite dönüşünceye kadar beklenir. Bu işlemle çeliğe yüksek sertlik kadar yüksek darbe mukavemeti de kazandırılır.
SERTLEŞTİRME İŞLEMİNDE DİKKAT EDİLMESİ GEREKEN NOKTALAR
1. parça üzerinde yağ, is, oksit vb yabancı maddeler olmamalıdır, bu sertleştirmeyi olumsuz etkiler, kimi bölgeler daha sert kimi daha yumuşak olabilir.
2. 2. bazı uygulamalarda delik, kanal, büyük kesit değişimlerinde görülen çatlama ve çarpılmaları önlemek için tıkama yoluna gidilir. Bunun için genellikle ateş toprağından yapılmış çamur kullanılır. Vida delikleri ise vidayla tıkanabilir, deliklere dış bükey havşa açmakta bir yöntemdir.
3. keskin kesit değişimi olan yerlerde, kesit farkını gidermek için uygun çelik bloklar kullanmak, tellerle sararak üzerini ateş çamuru ile sıvamak çözüm olabilir.
4. atmosfer kontrollü fırın, yada kaplar kullanılmalıdır ( yüzey tufalleşmesini önlemke, karbon yanmasını önlemek amaçlı)
5. daralan kesitli parçalarda öncelikle kesitin kalın olan yerinden su verme işlemine başlanmalıdır.
6. iş parçaları fırından alınırken mümkünse ince ve noktasal basan kısaç ( yada kıskaç

) kullanılmalıdır, bu lokal yumuşak kalma olasılığı olan bölgelerin oluşmasını önler.
7. yağ ortamında su verilecekse her zaman için bir yangın söndürücü elinizin altında olmalıdır.