Isıl İşlem

Konu Anlatımı

Isıl İşlem

Çelik bir malzeme, soğuk şekillendirme, taşıma yükü, darbe ve aşınma karşısında elde etmesi gereken sertliğe ve tokluğa göre farklı davranışlar göstermek zorundadır. Bu davranış kimyasal bileşimi sabit olsa bile değiştirilebilir: ısıtma, bekleme ve soğutma adımları kristal yapıyı yeniden kurar. Isıl işlem, metalin mikroyapısını kontrollü biçimde değiştirerek sertlik, tokluk ve iç gerilim gibi mekanik özellikleri ayarlama yöntemidir. Bir milin taşıyıcı gövdesi sert, bir dişliden kopmak istemeyen dişleri tok olmalıdır; ikisini aynı parçada isteğinize göre ayarlayabilmenin yolu ısıl işlemdir.

Bu derste ne öğreneceğiz?

Bu derste ısıl işlemin üç temel aşamasının neden bu sırayla ve her yöntemde tekrarlandığını, tavlama ile sertleştirmenin neden tam ters sonuç verdiğini, soğutma ortamının parçanın çatlama riskini nasıl belirlediğini, geri temperleme sıcaklığı yükseldikçe sertliğin neden düştüğünü ve işlem sonrası hangi denetimlerin zorunlu olduğunu öğreneceğiz. Ayrıca bir vardiyanın ısıl işlem kapasitesini verim katsayısıyla hesaplayıp planlama yapmayı uygulayacağız.

Ön bilgi

Ön bilgi olarak iki kavramı ayırt etmek gerekir. Sertlik malzemenin yüzeye yerleşmeye (aşınmaya) gösterdiği dirençtir; ölçümü genellikle Rockwell (HRC) veya Brinell (HB) sertlik skalasıyla yapılır. Tokluk ise kırılmadan ne kadar şekil değiştirebildiğidir. Bu ikisi ters yönde değişir: sertliği artıran her işlem tokluluğu azaltır. Bu yüzden sertleştirme tek başına uygulanmaz, ardından temperleme yapılır.

İkinci ön bilgi soğutma hızıdır. Austenit yapısı yüksek sıcaklıkta oluşur; soğutma yavaşsa bu yapı ferrit veya perlit gibi yumuşak yapılara dönüşür, hızlı soğutmada ise martensit adı verilen çok sert ve kırılgan yapı oluşur. Aynı parçanın sertliği tamamen soğutmanın hızına bağlıdır.

Üç Temel Aşama

Her ısıl işlem yöntemi üç aşamayı tekrarlar: austenitleme (ısıtma), bekleme, soğutma. Isıtma aşamasında çelik, mikroyapısının tamamen austenit olduğu sıcaklığa (genellikle çelik cinsine göre 850–900 °C) çıkarılır. Bekleme aşamasının amacı ısının parçanın her noktasında eşitlenmesi ve yapı dönüşümünün tamamlanmasıdır; süre çok kısa kalırsa parçanın merkezi ile yüzeyi farklı özellikler kazanır, çok uzun kalırsa taşma denilen katılaşma ve grafitlenme kusuru oluşabilir.

Soğutma aşaması yöntemi belirler. Yavaş ve fırın içinde soğutma yumuşatır (tavlama), havada soğuma dengeli bir yapı verir (normalleştirme), hızlı soğutma sertleştirir. Yüksek karbonlu veya geçiş kesitli parçalarda hızlı soğutma iç gerilim yaratarak çatlama riskini artırır; bu parçalarda kontrollü soğutma yağ veya polimer ortam kullanılır.

Tavlama

Tavlama, metali yumuşatmak ve iç gerilimleri azaltmak için uygulanır. Tam tavlama uygulamasında parça austenitleme sıcaklığının üzerine çıkarılır, uygun süre bekletilir ve fırında yavaşça soğutulur. Sonuçta yumuşak ferrit yapı baskın hâle gelir, parça işlenebilirliği artar ve kaynak sonrası oluşan iç gerilimler çözülür. Bu nedenle kaynaklanmış parçalar çoğu zaman gerilim azaltma tavlama ile normalize edilir; bu uygulama tam tavlama sıcaklığına çıkmaz, daha düşük bir sıcaklıkta uygulanır.

Tavlama yumuşattığı için parçanın dayanımı düşer. Eğer amaç yalnızca işlenebilirlik ve gerilim giderme değilse, tavlama sonrası sertleştirme gerekebilir. Tavlama ile sertleştirme ters etkilidir: biri yumuşatırken diğeri sertleştirir; bu yüzden öğrencilerin en sık karıştırdığı nokta bu yön ayrımıdır.

Normalleştirme

Normalleştirme, austenitleme sıcaklığına çıkıp havada soğutmayla yapılır. Soğutma hızı fırın içi yavaş soğutmadan hızlı, su soğutmadan yavaştır; bu orta hız ferrit ve perlit karışımı, yani ince taneli ve dengeli bir yapı verir. Normalleştirme, hem işlenebilirlik sağlar hem de tavlama ile sertleştirme arasında bir sertlik düzeyi bırakır.

Normalleştirmede de bekleme süresi önemlidir. Fırından çok hızlı çıkarılan parça yüzeyden soğurken merkez sıcak kalır; tersi, uzun bekletilen parçada büyüme (taşma) meydana gelir. Parça yükünün ve fırın yerleşiminin düzgün olması ısıtmanın homojen olmasını sağlar.

Sertleştirme

Sertleştirme, austenitleme sonrası hızlı soğutma ile martensit yapısı oluşturarak sertliği en üst düzeye çıkarma işlemidir. Yaygın soğutma ortamları su, tuzlu su (bainit için), yağ ve polimerlerdir. Su en hızlı, polimer en yavaş soğutma yapar. Seçim malzemeye ve kesit kalınlığına göre yapılır: ince ve hassas parçalarda çatlama riski yüksek olduğu için su yerine yağ ya da polimer kullanılır.

Geçiş kesitli parçalarda (örneğin dişli gövdesi gibi kalınlığı değişen parçalar) su geçiş sıcaklığına yakın bölgelerde gerilme çatlaması görülür. Bu nedenle yüksek karbonlu çeliklerde kontrollü ortam, düşük karbonlu sünek çeliklerde daha hızlı ortam tercih edilir. İşlem öncesi parça mutlaka temizlenmelidir; yüzeydeki yağ veya kalıntı fırında sertleşerek yüzey kusuru ve boyut hatası doğurur.

Geri Temperleme

Sertleştirilen parça çok sert ve kırılgandır; iç gerilimi yüksektir. Geri temperleme, sertleşen parçayı düşük sıcaklığa (genellikle 150–650 °C) kontrollü biçimde yeniden ısıtıp yeniden soğutarak kırılganlığı gidermektir. Temper sıcaklığı arttıkça sertlik azalır, tokluk artar.

Temperlemenin amacı sertliği tamamen yok etmek değil, sertlik–tokluk dengesini kurmaktır. Aşınan bir mil yüzeyi için sertlik önceliklidir; darbe alan bir bağlantı parçasında ise tokluk. Ayrıca sıcaklık gerilimi giderme (düşük sıcaklıkta uzun süreli temperleme) ve stabilizasyon gibi özel uygulamalar da vardır.

Cementasyon, Nitrema ve Karbonitrleme

Yüzey sertleştirme yöntemlerinde sertlik yalnızca yüzeyin birkaç mikronluk tabakasında oluşur, çekirdek sünek kalır. Cementasyon düşük karbonlu çelikte 850–930 °C'de karbon veren ortamda (kömür tozu, gaz, tuz) çalışarak yüzey karbonunu artırır; ardından sertleştirme ve temperleme uygulanır. Nitrema 500–550 °C civarında azot veren ortamda yüzeye azot diffüzyonu sağlar ve daha ince bir sertleştirilmiş tabaka oluşturur. Karbonitrleme ise her iki elementi birlikte verir.

Bu yöntemlerde çekirdek ile yüzey arasındaki özellik farkı kontrol edilmelidir. Sert kabuk geçiş bölgesinde ani değişim, darbe altında kabuğun kopmasına yol açar. Bu nedenle uygulamada geçiş bölgesi sertleştirme (double temper) gibi ek işlemlerle yumuşatılır.

Uygulama ve Kontrol

Uygulamada fırın sıcaklığı ölçüm cihazıyla izlenmeli ve kayıt altına alınmalıdır; kayıt, uygulanan işlem koşulunun tek kanıtıdır. İşlem sonrası sertlik ölçümü (genellikle Rockwell HRC), yüzey çatlağı kontrolü ve gerektiğinde boy ölçümü yapılır. Boy ölçümü gerekçesi gerçektir: austenit yapısı oluşurken hacim değişimi olur, bu yüzden ısıl işlem öncesi ve sonrası ölçü karşılaştırılır.

Ölçü toleransı dışına çıkan parça kabul edilmez; sapma kaydedilir ve düzeltme ya da yeniden işleme planına bağlanır. Batching (toplu işlem) planında parçalar arasında boşluk bırakılması, ısının parçalara eşit ulaşması için zorunludur.

Basit örnek

Örnek: Bir çelik parça, sertleştirme için 850 °C'de 20 dakika bekletildikten sonra yağ banyosunda soğutulmuştur. Bekleme tamamlanmadan soğutulsa ne olurdu? Bekleme süresinin 20 dakikadan 5 dakikaya düşürülmesi hangi sonucu değiştirir?

İleri örnek

Örnek: Bir atölyede 850 °C'lik fırın, günde üç vardiyada çalışmaktadır. Bir vardiya 480 dakika, verim katsayısı %85, bir parçanın sertleştirme + temperleme işlemleri toplamı 36 dakikadır. Bir vardiyada kaç parça işlenir, günde kaç parçaya ulaşılır?

Adım adım çözülmüş örnek

Yönerge: Aşağıdaki sıralamayı adım adım çözünüz. Adım 1: vardiya süresi dakikaya çevrilir: 8 × 60 = 480 dakika. Adım 2: net üretken süre hesaplanır: 480 × 0,85 = 408 dakika. Adım 3: birim süreye bölünür: 408 ÷ 36 = 11,33. Adım 4: tam adede yuvarlanır, vardiya başına 11 parça yazılır. Adım 5: günlük kapasite hesaplanır: 11 × 3 = 33 parça. Aynı hesap, 12 parçalık bir sipariş için vardiya sayısını da verir: 12 parça tek vardiyaya sığmaz, 2 vardiya gerekir.

Kavram karşılaştırma tablosu

Yüzey sertleştirme yöntemleri (cementasyon, nitreme, karbonitrleme) bu tabloda yer almaz; bunlarda sertlik yalnızca yüzeyin birkaç mikronluk tabakasında oluşur ve çekirdek sürekli kalır.

Sık Yapılan Hatalar

• Tavlama ile sertleştirmeyi karıştırmak: Tavlama yumuşatır ve gerilimi azaltır; sertleştirme hızlı soğutma ile sertlik verir. Yönler tamamen terstir.
• Sertleştirme sonrası temperlemeyi atlamak: Temperlenmeyen sertleşen parça ilk darbede kırılır; sertleştirme her zaman temperleme ile tamamlanır.
• Bekleme süresini ihmal etmek: Bekleme tamamlanmadan soğutma, yüzey ile merkez arasında farklı özellikler ve taşma kusuru doğurur.
• İnce parçada su soğutmayı seçmek: Su çok hızlı soğutur; ince ve geçiş kesitli parçalarda çatlama riskini yükseltir, yağ veya polimer tercih edilir.
• İşlem öncesi temizlik yapmamak: Yüzeydeki kalıntı fırında sertleşerek yüzey kusuru ve boyut hatası oluşturur.
• Fırın sıcaklığını gözle değil ölçümle doğrulamamak: Sıcaklık kaydı tutulmazsa uygulanan işlem koşulunun kanıtı kalmaz.
• Boy ölçümünü atlamak: Austenit oluşumu sırasında hacim değişimi olur; boy kontrolü yapılmazsa geçiş toleransı fark edilmeyen biçimde aşılır.
• Tolerans dışı parçayı sevk etmek: Sapma kaydedilip düzeltme veya yeniden işleme planına bağlanmadan parça teslim edilmez.

Özet

Isıl işlem, çeliğin mikroyapısını kontrollü ısıtma, bekleme ve soğutma ile değiştirip mekanik özelliklerini ayarlama yöntemidir. Her yöntemde üç aşama tekrarlanır. Tavlama fırında yavaş soğutmayla yumuşatır ve iç gerilimi azaltır; normalleştirme havada soğutmayla dengeli ince taneli yapı verir; sertleştirme hızlı soğutmayla martensit oluşturarak sertliği en üst düzeye çıkarır. Sertleştirme sertliği artırırken tokluğu düşürdüğü için ardından geri temperleme yapılır; temper sıcaklığı arttıkça sertlik azalır, tokluk artar ve denge kurulur. Yüzey sertleştirme yöntemlerinde sertlik yalnızca birkaç mikronluk yüzey tabakasında oluşur, çekirdek sünek kalır. İşlem sonrası sertlik ölçümü, çatlak kontrolü ve boy ölçümü zorunludur; tolerans dışı parça kayıt altına alınarak düzeltme veya yeniden işlemeye bağlanır. Planlama tarafında net üretken süre vardiya süresi ile verim katsayısından bulunur ve kapasite buna göre yazılır.

Kendini dene

Aşağıdaki üç soruyu bu dersten öğrendiklerinle yanıtla ve cevabını bir çalışma kâğıdına yaz. Kendini şu ölçütle değerlendir: (1) tavlama ile sertleştirmenin ters etkisini her ikisinin amacıyla birlikte yazdıysan 10 puan, (2) temper sıcaklığı ile sertlik-tokluk ilişkisini açıkladıysan 10 puan, (3) vardiya kapasitesini verim katsayısıyla hesaplayıp sonucu birimiyle yazdıysan 10 puan almışsındır. Toplam 30 puandır.