Isıl İşlem ve Sertleştirme

Konu Anlatımı

Isıl İşlem ve Sertleştirme

Ham metal, kullanıma hazır hâle gelene kadar çoğu zaman birtakım ısıl işlemlerden geçirilir. Bu işlemlerin ortak noktası, malzemenin belirli bir sıcaklığa ısıtılıp belirli bir hızda soğutulmasıdır. Amaç, malzemenin davranışını istenen yöne göre ayarlamaktır: sertleştirmek, toklaştırmak veya gerilimi azaltmak.

Isıl işlemlerin temel mantığı

Metallerde atomlar, belirli bir sıcaklığın üzerinde kafeslerini terk edip birbirine daha yakın konumlara geçebilir; bu yapı austenit olarak adlandırılır. Isıl işlemler, parçayı bu yapıya ulaştırıp sonrasında soğutma koşullarını ayarlayarak istenen mikroyapıyı oluşturur. Yani sıcaklık dönüşümün kapısını, soğutma hızı ise hangi yapının oluşacağını belirler.

Bu iki etkenin birlikte kullanılması, aynı çelikten farklı davranışlar elde etmeyi mümkün kılar. Bir parça sertleştirilip çok yüksek sertlik kazanabilir; aynı parça menevişleme sonrasında daha yumuşak ve daha tok hâle gelebilir. Bu esneklik, ısıl işlemi tekdüze bir işlem olmaktan çıkarıp ayarlanabilir bir sürece dönüştürür.

Sementasyon ve normalleme

Sementasyon, düşük karbonlu çeliğin karbon bakımından zengin bir atmosferde uzun süre ısıtılarak yüzeyinin sertleştirilmesidir. Karbon atomları yüzeyden içeri doğru sızar ve gövdeye doğru ilerler. İnce kesitli parçalarda yalnızca dış tabaka sertleştiği için gövde tok kalır; böylece darbe dayanımı korunurken aşınma direnci kazanılır.

Normalleme, çeliğin austenitleme sıcaklığına ısıtılıp havada serbestçe soğutulmasıyla yapılır. Havada soğuma, suda soğutmaya göre daha yavaştır. Bu yavaş soğuma ince taneli ve dengeli bir mikroyapı verir; böylece parçanın tokluğu artar ve iç gerilim kontrol altında tutulur. Normalleme, dengeli bir başlangıç durumu hazırlamak için sıkça kullanılır.

Sertleştirme ve menevişleme

Sertleştirme, çeliğin uygun sıcaklığa ısıtılıp hızlı bir ortamda soğutulmasıyla martensitik yapı oluşturmasıdır. Hızlı soğutma, karbonun kafesde kalmasını sağlar ve kafesin genişlemesini geciktirir. Bunun sonucunda sertlik çok yükselir; bu artışın bedeli ise artan gevreklik ve çatlama riskidir.

Menevişleme, sertleştirilmiş çeliğin daha düşük bir sıcaklığa kadar yeniden ısıtılıp bırakılmasıyla yapılır. Bu ısıtma, martensit içindeki karbonun bir bölümünü kafes dışına çıkarır. Karbon miktarı azalınca sertlik düşer, buna karşılık çatlama riski ve gerilim de azalır. Menevişleme; gerilim azaltma, çatlama riskini düşürme ya da sertliği belirli bir değere ayarlama amacıyla uygulanabilir.

Soğutma ortamları ve sıcaklıklar

Soğutma ortamının çekiciliği, ısının metalden ne kadar hızlı alındığını belirler. Su, yağ, hava ve gaz farklı soğutma hızları sağlar; aynı çelik bu ortamlarda farklı sertlik değerleri verebilir. Ayrıca her çelik için uygun bir ısıl işlem sıcaklığı aralığı vardır; bu aralık kimyasal bileşime göre değişir ve aynı sıcaklık her çelik için uygun olmaz.

Isıl işlem sıcaklığı, parçanın her noktasında aynı etkiyi yapmaz. Yüzey ile çekirdek arasında bir geçiş bölgesi oluşur ve bu bölge sertleştirme sonrasında sert yüzey ile daha yumuşak çekirdek arasında geçiş sağlar. Ayrıca farklı bölgeler farklı hızda genişlediği için distorsiyon yani ölçü değişimi meydana gelir; bu gerilim çatlak başlangıcı yaratabilir.

Kayıt ve izlenebilirlik

Yapılan her ısıl işlem, parça kimliğiyle birlikte sıcaklık ve süre bilgisi olarak kayıt altına alınır. Isıl işlem sıcaklığı ölçüm cihazlarıyla izlenir ve fırın içi kayıtları saklanır. Bu kayıt olmadan parçanın geçmişi bilinemez; bir kusur çıktığında hangi aşamanın sorumlu olduğu saptanamaz.

Homojenleştirme de ısıl işlemler arasında sayılır. Dökümden gelen çeliğin dendrit yapısını çözmek, uzun süre yüksek sıcaklıkta tutulmasını gerektirir. Bu işlemle dendritler arasındaki bileşim farkı azalır, malzeme tekdüze hâle gelir ve kırılganlık düşer. Böylece sonraki işlemler için sağlam bir başlangıç durumu hazırlanmış olur.

Bu Derste Ne Öğreneceğiz

Isıl işlemlerin amacını, çelikte uygulanan başlıca işlemleri, sıcaklık ve soğutma koşullarını ile sertleştirmenin teknik esaslarını inceleyen konudur. — Bu konuda şu kazanımlara ulaşacaksınız:

• Isıl işlem ile metalin özelliklerinin değiştirilmesi arasındaki ilişkiyi açıklar.
• Normalleme, sementasyon, sertleştirme ve menevişleme işlemlerini birbirinden ayırır.
• Soğutma ortamının soğuma hızına ve sertliğe etkisini karşılaştırır.
• Menevişlemenin sertlik ile çatlama riski arasındaki dengeyi açıklar.
• Sertleştirme sonrası ölçülen sertlik değerleri arasındaki farkı hesaplar.
• Bir ısıl işlem çevriminin toplam süresini oluşturan evreleri belirtir.

Ön Bilgi

Bu konuya geçmeden önce şu temel kavramları hatırlamak yeterli olacaktır:

• Isıl işlem, metalin belirli sıcaklığa ısıtılıp belirli hızda soğutulmasıyla özelliklerini değiştirme yöntemidir.
• Sıcaklık dönüşümün kapısını, soğutma hızı ise oluşacak mikroyapıyı belirler.
• Sementasyon, düşük karbonlu çeliğin yüzeyini karbon bakımından zenginleştirerek sertleştirir.
• Normalleme, austenitleme sıcaklığından sonra havada serbestçe soğutmakla yapılır.
• Sertleştirme, hızlı soğutmayla martensitik yapı oluşturur ve sertliği çok yükseltir.

Basit Örnek

Günlük hayattan basit bir uygulama: