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:

<strong>Soru: </strong>Küçük kesitli bir dişli parçası neden sementasyon uygular?

1. Parça dar kesitli olduğu için tamamı sertleştirilirse kırılabilir.
2. Sementasyonda yalnızca dış yüzey sertleştirilir, gövde karbon bakımından fakir kalır.
3. Böylece yüzey aşınma direnci kazanırken gövde darbe dayanımını korur.

<strong>Cevap: </strong>İnce kesitli parçada gövde tok kalacağı için sementasyon uygundur.

İleri Örnek

Sınav ve uygulama düzeyinde daha ileri bir örnek:

<strong>Soru: </strong>Isıtması 45 dakika, soğutması 20 dakika, menevişleme beklemesi 60 dakika olan bir çevrim toplam kaç dakikadır?

1. Çevrim süresi, ısıtma, soğutma ve bekleme sürelerinin toplanmasıyla bulunur.
2. Verilen üç süre aritmetik olarak toplanır.
3. Toplam dakika cinsinden raporlanır.

<strong>Cevap: </strong>Çevrimin toplam süresi 125 dakikadır.

Adım Adım

Örnek 1: Sementasyon uygulaması — adım adım çözüm:

1. Parça dar kesitli olduğu için tamamı sertleştirilirse kırılabilir.
2. Sementasyonda yalnızca dış yüzey sertleştirilir, gövde karbon bakımından fakir kalır.
3. Böylece yüzey aşınma direnci kazanırken gövde darbe dayanımını korur.

Karşılaştırma Tablosu

Sık Yapılan Hatalar

&lt;b&gt;Isıl işlemi sadece ısıtmayla sınırlamak:&lt;/b&gt; Isıl işlem, belirli sıcaklığa ısıtmanın yanında belirli hızda soğutmayı da kapsar; soğutma olmadan işlem tamamlanmaz.

&lt;b&gt;Menevişlemenin sertliği artırdığını sanmak:&lt;/b&gt; Menevişleme, martensit içindeki karbonun bir bölümünü kafes dışına çıkardığı için sertliği düşürür.

&lt;b&gt;Sementasyonu sertleştirmeyle aynı işlem saymak:&lt;/b&gt; Sementasyon yüzeyi karbon bakımından zenginleştiren bir ısıl işlemdir; gövde karbon bakımından fakir kalır.

&lt;b&gt;Soğutma ortamının etkisini küçümsemek:&lt;/b&gt; Su, yağ, hava ve gaz farklı çekicilikte olduğundan aynı çelik farklı ortamlarda farklı sertlik verebilir.

&lt;b&gt;Her çelik için aynı işlem sıcaklığını kullanmak:&lt;/b&gt; İşlem sıcaklığı aralığı çeliğin kimyasal bileşimine göre değişir; aynı sıcaklık her çelik için uygun olmaz.

&lt;b&gt;Isıl işlem kaydı tutmayı önemsememek:&lt;/b&gt; Kayıt tutulmazsa parçanın geçmişi bilinemez ve kusur çıktığında sorumlu aşama saptanamaz.

Özet

Isıl işlem, metalin mikroyapısını değiştirerek sertlik, dayanım ve süneklik gibi özelliklerini ayarlama yöntemidir. Temel mantık şudur: metal belirli bir sıcaklığa ısıtıldığında kristal yapısı değişir, uygun hızda soğutulduğunda ise farklı mikroyapılar oluşur. Sementasyon, düşük karbonlu çeliğin karbon bakımından zengin atmosferde uzun süre ısıtılarak yüzeyinin sertleştirilmesidir; gövde tok kalır. Normalleme, austenitleme sıcaklığına ısıtıp havada serbestçe soğutmaktır; yavaş soğuma ince taneli dengeli bir yapı verir. Sertleştirme, aynı sıcaklığa ısıtıp hızlı bir ortamda soğutmaktır ve martensitik yapı oluşturur. Menevişleme ise sertleştirilmiş çeliğin daha düşük sıcaklıkta yeniden ısıtılıp bırakılmasıdır; bu işlem sertliği düşürürken çatlama riskini ve gerilimi de azaltır. Soğutma ortamının çekiciliği soğuma hızını belirler; su, yağ, hava ve gaz farklı hızlar sağlar. Isıl işlem sıcaklığı, çeliğin farklı bölgelerinde farklı oranlarda dönüşüm oluşturduğu için geçiş bölgesi doğar. Ayrıca farklı bölgelerin farklı genişlemesi distorsiyona yol açar. Yapılan her işlem parça kimliğiyle birlikte sıcaklık ve süre bilgisi olarak kayıt altına alınır.

Kendini Dene

<strong>Soru: </strong>Sertleştirme ile menevişlemenin malzemede yarattığı değişimleri karşılaştıran bir tablo hazırlayınız.

<strong>Örnek cevap: </strong>Puanlama anahtarı: iki işlemin uygulama sırasının doğru yazılması 3 puan; sertlik değişiminin karşılaştırılması 3 puan; tokluk ve çatlama riski üzerine yorum 3 puan; düzen 1 puan. Toplam 10 puan.