T.C. ADNAN MENDERES ÜNİVERSİTESİ AYDIN MESLEK YÜKSEKOKULU
DEĞİŞİMİN GELECEĞİ
AYMYO YAYINLARI DERS NOTU NO: 00
MALZEME BİLGİSİ
Hazırlayan Öğr. Gör. Serap KARAGÖZ Makine Resim Konstrüksiyon Programı malzemebilimi.net
Aydın – 2008 malzemebilimi.net
1
İÇİNDEKİLER KONU
Sayfa No ÖNSÖZ …………………………………………………………………… 7
1.
MALZEME BİLGİSİ ……………………………………………… 8
1.1. 1.2. 1.2.1. 1.2.2. 1.2.3. 1.2.4. 1.3. 1.3.1.
TANIMLAR ………………………………………………………..……… 8 MALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI ............ …………….. 8 Metaller …………………………………………………………... 8 Seramikler ………………………………………………………... 8 Polimerler ………………………………………………………… 8 Kompozitler ……………………………………………………… 9 MALZEME SEÇİMİ ……………………………………………………. 9 Maddenin İç Yapısı ……………………………………………………… 9
1.3.1.1. Atomlar Arası Bağlar ……………………………………………………….. 9 1.3.1.2. Atomların Dizilişleri ………………………………………………………..... 12 1.3.2. Malzeme Özellikleri ……………………………………………………… 14 1.3.3. İmalat İşlemleri …………………………………………………………… 14 1.4. ALAŞIMLAR …………………………………………………………....... 14 1.4.1. Katı Eriyikler (Tek Fazlı Alaşımlar) ………………………………… 14 1.4.2. Ötektikler (Çift Fazlı Alaşımlar) ……………………………………... 15 1.5. ATOMİK DİFÜZYON …………………………………………………. 16 1.6. ERGİME – KATILAŞMA ……………………………………………... 17 1.7. ALLOTROPİ – FAZ DÖNÜŞÜMÜ …………………………………. 18 2. DEMİR …………………………………………………………………….. 19 2.1. DEMİR FİLİZLERİ ……………………………………………………... 19 2.1.1. Hematit …………………………………………………………… 19 2.1.2. Magnetit ………………………………………………………….. 19 2.1.5. Pirit ……………………………………………………………….. 19 2.1.4. Siderit …………………………………………………………….. 19 2.1.3. Limonit …………………………………………………………… 19 2.2. YÜKSEK FIRINDA HAMDEMİRİN ÜRETİLMESİ ………….. 20 2.3. YÜKSEK FIRINDAN ELDE EDİLEN ÜRÜNLER ……………... 21 2.3.1. Hamdemir ………………………………………………………… 21 2.3.2. Yüksek Fırın Gazı ……………………………………………….. 21 2.3.3. Curuf ……………………………………………………………… 21 3. DÖKMEDEMİR ………………………………………………………. 23 3.1. DÖKMEDEMİR ÜRETİMİ …………………………………………… 24 3.2. İÇ YAPI VE GRAFİT OLUŞUMU ………………………………….. 25 3.3. KATILAŞMA ŞEKİLLERİ …………………………………………… 25 3.4. DÖKÜM MALZEMELERDE ARANILAN ÖZELLİKLER …. 25 3.5. DÖKMEDEMİR ÇEŞİTLERİ ………………………………………... 25 3.5.1. Dökme Çelik ……………………………………………………... 26 3.5.2. Lamel Grafitli Dökmedemir ........................................................ 26 3.5.3. Küresel Grafitli Dökmedemir ………………………………….. 26 malzemebilimi.net
2
KONU
Sayfa No 3.5.4. Temper Dökmedemir …………………………………………… 26 3.5.4.1. Temper Dökmedemir Üretimi ……………………………………………… 26 3.5.4.2. Temper Dökmedemirlerin Kullanım Alanı ………………………………. 27 3.5.5. Özel Dökmedemirler (Alaşımlı Dökmedemirler) …………….. 27 4. ÇELİK ……………………………………………………………………. 28 4.1. ÇELİK ÜRETİMİ …………………………………………..................... 28 4.1.1. Bessemer-Thomas Yöntemi ………………………………………....... 28 4.1.2. Siemens-Martin Yöntemi ………………………………………………. 29 4.1.3. Oksijen Üfleme Yöntemi ……………………………………………….. 29 4.1.4. Elektro-Çelik Yöntemi ………………………………………………….. 30 4.2. Çeliklerin Sınıflandırılması ……………………………………………. 30 4.2.1. Üretim Yöntemine Göre ……………………………………….............. 30 4.2.2. Kullanma Alanlarına Göre …………………………………………….. 30 4.2.3. Kimyasal Bileşimine Göre ……………………………………………… 31 4.2.4. Kaliteye Göre …… ………………………………………………………. 31 4.2.5. Sertleştirme Ortamlarına Göre ………………………………………. 31
4.3. 4.4. 4.4.1. 4.4.2. 4.4.3. 4.4.4. 4.4.5. 4.4.6. 4.4.7. 4.4.8. 4.4.9. 4.4.10. 4.4.11. 4.4.12. 4.4.13. 4.4.14. 4.4.15. 4.4.16. 4.5. 4.5.1. 4.5.2. 4.5.3. 4.5.4. 4.5.5. 4.5.6.
KATKI ELEMANLARININ ÇELİĞE KAZANDIRDIĞI GENEL ÖZELLİKLER ………………………………………… 31 ÇELİKTE KATKI ELEMANLARI ………………………………… 31 Karbon …………………………………………………………… 31 Silisyum …………………………………………………………... 31 Manganez ………………………………………………………… 31 Fosfor ……………………………………………………………... 32 Kükürt ……………………………………………………………. 32 Oksijen ……………………………………………………………. 32 Azot ……………………………………………………………….. 32 Hidrojen ………………………………………………………….. 32 Bakır ……………………………………………………………… 32 Krom ……………………………………………………………… 32 Nikel ……………………………………………………………… 32 Wolfram ………………………………………………………….. 32 Molibden …………………………………………………………. 32 Vanadyum ………………………………………………………... 33 Kobalt …………………………………………………………….. 33 Alüminyum ………………………………………………………. 33 ÇELİK STANDARDLARI ……………………………………………. 34 Çelik Ve Demir-Karbon Alaşımlarının Sınıflandırılması ……… 34 Çelik Ve Demir-Karbon Alaşımlarının Eritme Ve Isıl İşlemleri 34 Alaşımsız Ve Alaşımlı Çeliklerin Sembol Sayıları ……………….. 35 Çeliklerin Genel Sembol Sayıları İle Gösterilmesi ………………. 35 Çeliklerde Garanti Edilen Özelliklerin Tanıtma Sayıları ……… 36 Demir – Karbon Malzemelerin Kısa Gösterilme Şekilleri ……. 41
4.5.6.1. Kütle Çeliği ………………………………………………………………….. 41
malzemebilimi.net
3
KONU Sayfa No 4.5.6.2. Kalite Çelikleri ……………………………………………………………… 42 4.5.6.3. Otomat Çelikleri ……………………………………………………………. 42 4.5.6.4. Alaşımlı Kalite Çelikleri ……………………………………………………. 43 4.5.6.5. Alaşımsız Asal Çelikler – Takım Çelikleri ………………………………… 43 4.5.6.6. Alaşımsız Asal Çelikler – Makine Yapı Çelikleri ……………………….... 44 4.5.6.7. Az Alaşımlı Asal Çelikler …………………………………………………... 44 4.5.6.8. Yüksek Alaşımlı Asal Çelikler ……………………………………………... 45 4.5.6.9. Dökme Çelikler ……………………………………………………………… 46 4.5.6.10. Lamel Grafitli Dökmedemirler …………………………………………….. 46 4.5.6.11. Küresel Grafitli Dökmedemirler …………………………………………… 46 5. ÇELİKLERİN ISIL İŞLEMLERİ …………………………….. 47 5.1. TANIMLAR ………………………………………………………………. 47 5.2. ISIL İŞLEMLERİN AMAÇLARI ………………………………….. 48 5.3. DEMİR-SEMENTİT DENGE DİYAGRAMI …………………….. 48 6. TAVLAMA ……………………………………………………………… 53 6.1. TAVLAMA ÇEŞİTLERİ ………………………………………………. 53 6.1.1. Normalleştirme Tavı …………………………………………………….. 53 6.1.2. Yumuşatma Tavı …………………………………………………………. 54 6.1.3 Gerilme Giderme Tavı (Temperleme) ………………………………. 54 6.1.3.2. Islah Etme ……………………………………………………………………. 55 6.1.3.1. Menevişleme …………………………………………………………………. 55 6.1.4. Difüzyon Tavı ……………………………………………………………… 55 6.1.5. Yeniden Kristalleştirme Tavı ………………………………………….. 55 7. SERTLEŞTİRME ……………………………………………………. 56 7.1. ÇELİKLERİN SERTLEŞTİRİLMESİ …………………………….. 56 7.2. SERTLEŞTİRME İŞLEMİNİN AŞAMALARI ………………….. 57 7.2.1. Ön Isıtma …………………………………………………………………… 57 7.2.2. Austenite Dönüştürme …………………………………………………... 57 7.2.3. Bekletme – Isı Emdirme ………………………………………………... 57 7.2.4. Sertleştirme- Martenzite Dönüştürme ……………………………… 57 7.3. SU VERME ………………………………………………………………... 58 7.3.1. Su Vermede Kullanılan Sıvılar ……………………………………….. 59 7.3.1.1. Su ………………………………………………………………...................... 59 7.3.1.2. Tuzlu Su ………………………………………………………………........... 59 7.3.1.3. Özel Bileşikler ………………………………………………………………... 59 7.3.1.4. Yağlar ………………………………………………………………............... 59 7.3.1.5. Ergimiş Tuz ve Metal Banyoları ……………………………………………. 59 7.4. YÜZEY SERTLEŞTİRME ……………………………………………. 59
7.4.1.
Yüzeyin Kimyasal Bileşimini Değiştirerek Yapılan Yüzey Sertleştirme ………………………………………………………. 59
7.4.1.1. Sementasyon …………………………………………………………………. 60 7.4.1.2. Nitrürasyon ……………………………………………………………………61
7.4.2. Yüzeyin Kimyasal Bileşimini Değiştirmeden Yapılan Yüzey Sertleştirme (Isı Birikimi İle yüzey Sertleştirme) ........................... 7.4.2.1. Alevle Yüzey Sertleştirme …………………………………………………... 61 7.4.2.2. Endüksiyon Akımı İle Yüzey Sertleştirme ………………………………… 61 malzemebilimi.net
61
4
KONU
8. 8.1. 8.1.1. 8.1.2. 8.1.2.1. 8.1.2.2. 8.1.2.3. 8.1.2.4.
8.2. 8.2.1. 8.2.2. 8.2.3. 8.2.4. 8.2.4.1. 8.2.4.2. 8.2.4.3.
9. 9.1. 9.1.1. 9.1.1.1. 9.1.1.2.
9.2. 9.2.1. 9.2.1.1. 9.2.1.2.
9.3. 9.3.1. 9.4. 9.4.1. 9.5. 9.6. 9.7. 9.8. 9.9. 9.10. 9.11. 9.12. 9.13. 9.14. 9.15. 9.16. 9.16.1. 9.16.2. 9.16.3.
Sayfa No KOROZYON ….………………………………………………………... 62 KOROZYON ÇEŞİTLERİ ……………………………………………. 62 Kimyasal Korozyon ……………………………………………………… 62 Elektrokimyasal Korozyon …………………………………………….. 62 Değme Yoluyla Korozyon …………………………………………………… 62 Kendi Kendine Korozyon …………………………………………………… 62 Dış Akımlardan Doğan Korozyon …………………………………………... 63 Kristaller Arası Korozyon ……………………………………………………63 KOROZYONDAN KORUNMA ……………………………………... 63 Alaşım Yaparak Korozyondan Koruma ……………………………. 63 Korozyona Neden Olan Cisimleri Uzaklaştırmak ……………….. 63 Katodik Koruma …………………………………………………………. 63 Kaplama İle Koruma …………………………………………………… 63 Madensel Koruyucu Örtüler ……………………………………………….. 64 Organik Koruyucu Örtüler ………………………………………………… 64 İnorganik Koruyucu Örtüler ………………………………………………. 64 DEMİR OLMAYAN METALLER ……………………........... 65 BAKIR ………………………………………………………………………. 65 Bakır Alaşımları ………………………………………………………….. 65 Dökme Bakır Alaşımları .…………………………………………………… 66 Dövme Bakır Alaşımları .…………………………………………………… 66 ALÜMİNYUM ……………………………………………………………. 67 Alüminyum Alaşımları .………………………………………………… 67 Dökme Alüminyum Alaşımları ……………………………………………... 67 Dövme Alüminyum Alaşımları ……………………………………………... 67 ÇİNKO ……………………………………………………………………… 68 Çinko Alaşımları …………………………………………………………. 68 NİKEL ……………………………………………………………………… 68 Nikel Alaşımları …………………………………………………………... 68 KALAY …………………………………………………………………….. 69 KURŞUN …………………………………………………………………… 69 KROM ……………………………………………………………………..... 69 WOLFRAM ……………………………………………………………….. 69 MOLİBDEN ………………………………………………………............ 70 VANADYUM ……………………………………………………………… 70 KOBALT …………………………………………………………………… 70 KADMİYUM ……………………………………………………………… 71 BİZMUT ……………………………………………………………………. 71 MAGNEZYUM …………………………………………………………... 71 TİTAN ….…………………………………………………………………… 71 SOY METALLER ……………………………………………………….. 71 Platin ….…………………………………………………………………….. 71 Altın ……………………………………………………………… 72 Gümüş ……………………………………………………………. 72
malzemebilimi.net
5
KONU
Sayfa No 10. PLASTİKLER …………………………………………………………. 73 10.1. PLASTİKLERİN GENEL ÖZELLİKLERİ ……………………… 73 10.2. PLASTİKLERİN ÜRETİMİ ………………………………………….. 74 10.3. PLASTİKLERİN SINIFLANDIRILMASI ………………………... 75 11. KOMPOZİTLER …………………………………………………….. 77 11.1. KOMPOZİTLERİN SINIFLANDIRILMASI …………………….. 77 11.1.1. Tanecik Takviyeli Kompozitler ………………………………… 77 11.1.2. Lif Takviyeli Kompozitler ………………………………………. 78 11.1.3. Tabakalı Malzemeler ………….………………………………… 78 11.2. KOMPOZİTLERİN YAPISI ………………………………………….. 78 11.3. KOMPOZİTLER MALZEMELERİN AVANTAJLARI ……… 78 12. MALZEME MUAYENESİ ………………………………………. 79 12.1. MALZEME MUAYENELERİNİN SINIFLANDIRILMASI … 79 12.1.1. Şekil Bakımından Muayene …………………………………………… 79 12.1.2. Tip Bakımından Muayene …………………………………………….. 79 12.1.3. Amaç Bakımından Muayene …..…………………………………….... 79 12.2. MALZEME MUAYENE YÖNTEMLERİ …………………………. 80 12.2.1. Atelye Deneyleri ………………………………………................ 80 12.2.1.1. Görünüşle Belirleme …………………………………….................. 80 12.2.1.2. Ses Deneyi ……………………………………................................. 80 12.2.1.3. Kıvılcım Deneyi ……………………………………......................... 81 12.2.2. Teknolojik Deneyler …………………………………………….. 82 12.2.2.1. Bükme Ve Kırma Deneyi ..……………………………….................. 82 12.2.2.2. Eğme Ve Katlama Deneyi ……………………………………........... 82 12.2.2.3. Derinleştirme Deneyi …………………………………….................. 83 12.2.2.4. Kaynak Dikiş Kontrolü …………………………………….............. 83 12.2.2.5. Boruların Denenmesi ……………………………………................. 83 12.2.2.6. Burma Deneyi ……………………………………........................... 84 12.2.2.7. Darbeli Bükme Deneyi ……………………………………............... 84 12.2.3. Mekanik Deneyler ……………………………………………….. 84 12.2.3.1. Çekme Deneyi ……………………………………........................... 84 12.2.3.2. Basma Deneyi ……………………………………........................... 85 12.2.3.3. Kesme Deneyi ……………………………………........................... 85 12.2.3.4. Yorulma……………………………………................................... 85 12.2.3.5. Sünme ……………………………………..................................... 85 12.2.3.6. Gevşeme …………...…………………………………….................. 86 12.2.3.7. Kayma ……………………………………..................................... 86 12.2.3.8. Kırılma …………………………………….................................... 86 12.2.3.9. Aşınma ……………………………………..................................................... 86 12.2.4. Tahribatsız Malzeme Muayenesi ……………………………….. 86
malzemebilimi.net
6
KONU
13. 13.1. 13.1.1. 13.1.2. 13.1.3. 13.1.4. 13.1.5.
TASARIMDA
Sayfa No MALZEME SEÇİMİ ………………………… 87
MALZEME SEÇİMİNDE UYULMASI GEREKEN KURALLAR ……………………………………………………………… 87 Malzemenin Bulunabilirliği …………………………………………… 87 Fiziksel,Kimyasal, Mekanik Ve Teknolojik Özelikler ………….. 88 Ekonomiklik Değeri ..……………………………………………………. 88 Korozyon Direnci ………………………………………………………... 88 Üretim İşlemlerine Uygunluk ………………………………………… 88
KAYNAKLAR ………………………………………………………… 90
malzemebilimi.net
7
ÖNSÖZ Makine Resim Konstrüksiyon Programı öğretim programlarına genel olarak bakıldığında, her ders öğrencilerin tasarım becerilerini geliştirmeye yönelik bütünün bir parçasıdır. Makine tasarımında amaç belirli gereksinimi karşılayan, çalışan bir sistem oluşturmaktır. Belirli bir gereksinimi karşılayacak olan sistem önce düşünce olarak ortaya çıkar. Daha sonra çözüm olabilecek düşünceler kâğıda aktarılır. Yani birinci aşama düşünce, ikinci aşama ise çizimdir. Ancak çizim aşamasına geçmeden önce çevresel faktörler göz önüne alınarak bazı koşullar belirlenir. Tasarlanan sistemde koşulları yerine getirecek parçalar ve biçimleri ile, bu biçimleri oluşturacak imalat yöntemleri dikkate alınmalıdır. Sistemlerin işlevlerini yerine getirebilmeleri ve ekonomik ömürlü çalışmaları önemlidir. Bu da sistemi oluşturan parçalar için uygun malzeme seçmekle mümkün olur. Sonuç olarak bir tasarımcının malzeme cinsi, çalışma koşulları ve imalat yöntemi ilişkileri konusunda yeterli bilgiye sahip olması gereklidir. Öğrencilerin doğru malzeme seçimi yapabilmeleri için gerekli bilgileri edinmeleri amacıyla, Malzeme Bilgisi dersi öğretim programına alınmıştır. Bu ders notu Aydın Meslek Yüksekokulu öğrencilerine yönelik olarak hazırlanmıştır. Konular öğretim programına uygun olarak sıralanmış, içyapı ve malzeme özellikleri ile çalışma koşulları ilişkileri göz önüne alınmıştır. Makinecilikte en çok kullanılan malzemeler ve malzeme seçimi ile ilgili genel bilgilere yer verilmiştir.
Öğr.Gör.Serap KARAGÖZ AYDIN 2007
malzemebilimi.net
8
1. MALZEME BİLGİSİ 1.1. TANIMLAR Malzeme: Bir amacı gerçekleştirmek için kullanılan her madde malzeme adını alır. Başka bir ifade ile belirli ön işlemlerden geçerek insanların ihtiyaçlarını karşılayan her maddeye malzeme denir. Maddeler işlenerek malzemeyi, malzemeler de işlenerek eşyaları meydana getirir. Dişli yapımında kullanılan çelik, iletken olarak kullanılan bakır, uçak endüstrisinde kullanılan alüminyum, ısı yalıtımında kullanılan asbest, inşaatta kullanılan çimento vb. maddeler bir amaç için kullanılan malzemelerdir. Atom: Nötron ve protonlardan oluşan bir çekirdek ve çekirdeğin etrafında dönen elektronlardan meydana gelen maddenin en küçük birimidir. Element: Aynı cins atomlardan meydana gelen ve her noktasında aynı özellikleri taşıyan saf maddedir. Bileşik: İki veya daha fazla elementin kimyasal bir tepkime ile birleşerek oluşturduğu maddedir. Karışım: İki veya daha fazla elementin homojen veya heterojen olarak karıştırılması sonucunda meydana gelen maddedir. Saf madde: Bütün özellikleri her noktasında aynı olan maddedir. Saf madde element, karışım veya bileşik şeklinde olabilir. Organik madde: Genellikle karbonun diğer elementlerle yaptığı bileşiklerdir. İnorganik madde: Genellikle karbon dışındaki elementlerin yaptığı bileşiklerdir.
1.2. MALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI
Metaller Seramikler Polimerler Kompozitler
1.2.1. Metaller Demir, alüminyum, çinko, krom, bakır, nikel v.b elementler bu guruba girer. Elementler genellikle tek başlarına kullanılmazlar. İki veya daha fazla element karıştırılıp alaşım yapılarak kullanılabilir hale getirilirler. Metaller genel olarak elektrik ve ısı iletkenliği, dayanım, rijitlik, şekillendirilebilirlik, darbe direnci gibi özelliklere sahiptirler.
1.2.2. Seramikler Kil ve kaolen gibi malzemelerin yüksek sıcaklıkta pişirilmesi ile elde edilen malzemelerdir. Genel olarak metal ve metal olmayan elementlerden oluşan inorganik bileşiklerdir. Cam, tuğla, porselen, taşlar, tuğla gibi malzemeler bu guruba girer. Yapıları kararlı, korozyona ve yüksek sıcaklıklara dayanıklı, sert, kırılgan, ısı ve elektrik yalıtkanlığı olan, erime sıcaklıkları yüksek malzemelerdir. Malzeme olarak makine sanayine de giren seramikler, örneğin rulmanların yuvarlanma elemanı yapımında kullanılmaktadır. Hibrid rulman da denilen seramik rulmanlar, çelik rulmanlara göre sertlik, ısıya dayanım, elastiklik gibi konularda daha üstün özelliklere sahiptir.
1.2.3. Polimerler Polimerler genel olarak plastik ve lastik malzemelerdir. Tarım ve petrol ürünlerinin organik moleküllerinden polimerizasyon işlemi ile elde edilir. Genel olarak ısı ve elektrik yalıtkanlığı, düşük dayanım, korozyon direnci ve hafiflik gibi özelliklere sahiptirler.
malzemebilimi.net
9
1.2.4. Kompozitler Kompozitler çok fazlı malzemelerdir. Birbirlerinin zayıf yönlerini yok edecek şekilde maddeler bir araya getirilerek iyi özellikler kazandırılmış bileşiklerdir. Bileşenler gözle görülebilecek niteliktedir. Beton, kontrplak, cam fiber, oto lastiği kompozit malzemelerdir. Hafif, sağlam, yüksek sıcaklıklara dayanıklı, sert darbelere dayanımlıdırlar.
1.3. MALZEME SEÇİMİ Makine parçalarının uygun yöntemlerle şekillendirilmeleri ve kendilerinden beklenen sürede görevlerini yapabilmeleri içyapı ve özellikleri ile ilişkilidir. Bir teknik elemanın doğru malzemeyi seçebilmesi için malzemelerin içyapısı ve özellikleri ile imalat yöntemleri konusunda bilgi sahibi olması gerekir. Yapı, özellik ve şekillendirme biçimi birbirini doğrudan etkileyen üç faktördür. Bir tanesinin değişikliği diğer iki faktörü dolayısıyla sonucu etkiler. Bu nedenle malzeme seçimi bu üç faktör ve ilişkileri göz önüne alınarak yapılmalıdır.
1.3.1. Maddenin İç Yapısı Malzemelerin özelliklerini öğrenmek için atomik yapıyı bilmek gerekir. Doğada bulunan bütün elementler atomlardan meydana gelmiştir. Atom çekirdekteki nötron ve protonla, çevredeki elektronlardan oluşur. Bir atomun elektron ve proton sayıları eşittir. Eşitlik bozulup, atomun elektron ve proton sayıları farklı olursa iyon adı verilir. Atomda protonlar (+) yüklü ve nötronlar yüksüz (nötr) olup merkezde, elektronlar ise (-) elektrik yüklü olup çekirdek etrafında bir yörüngede sonsuz hızla hareket ederler. Çekirdek merkezdeki güneş, elektronlarsa güneşin etrafında dönen gezegenlere benzetilebilir. Elektronlar çekirdek etrafında kabuk (yörünge) olarak adlandırılan yerlerinde sonsuz hızla dönerler. Bir atomda en dış kabukta bulunan elektronlara valans elektronları adı verilir. Elektronların dizilişi malzemenin kimyasal özelliklerini, atomlar arası bağ kuvvetini, atom büyüklüğünü, elektrik ve ısı iletkenliğini, optik özelliklerini ve daha başka özelliklerini etkilemektedir. Cisimler doğada gaz, sıvı ve katı halde bulunurlar. Gazlarda atomlar arası mesafe çok fazla, atomlar arası bağ kuvveti zayıf olduğundan atomlar serbestçe hareket edebilir ve bu nedenle sıkıştırılarak hacimleri küçültülebilir. Sıvılarda atomlar arası mesafe yok denecek kadar azdır, ancak aralarındaki bağ zayıf olduğundan birbirleri ile temas halindeki atomlar serbestçe hareket ederler ve bir şekle sahip olamazlar ve sıkıştırılamazlar. Katı cisimlerde ise durum farklıdır. Katıların atomları arasında kuvvetli bir bağ vardır ve atomlar birbirlerine sıkıca bağlıdır. Bu nedenle katılar belirli bir şekle sahiptir ve bu şekli bozmak için (biçim değişikliği sağlayabilmek için) büyük kuvvetler gereklidir. 1.3.1.1. Atomlar Arası Bağlar Maddelerin atomları arasında belirli bir çekim gücü (bağ) vardır. Bu bağ malzemelerin dayanımı, sertlik v.b. özelliklerini belirler. Bağ kuvvetleri yüksek ve zayıf olmak üzere iki gurupta toplanabilir. Yüksek kuvvetli bağlar; Metalik Bağ İyonik Bağ Kovalent (Valans) Bağ Zayıf kuvvetli bağ ise Van Der Waals Bağıdır. Atomlar arası bağı kuvvetli olan maddeler şekillendirmeye dirençli, ergime sıcaklığı yüksek, ısıl genleşmesi düşük malzemelerdir.
malzemebilimi.net
10
Metalik Bağ Metal atomlarını bir arada tutan bağ türüdür. Metal atomlarının elektronları dış kabukta maksimum sayıda olmadığından çekirdeğe bağlı olarak kabul edilmezler. Dış kabuktaki bu elektronlar (Valans elektronları) metal içerisinde serbestçe hareket ederler ve belirli bir atoma ait değillerdir. Başka bir deyişle, düşük valanslı metal elementler valans elektronlarını bırakarak bir elektron bulutu oluştururlar. Serbest hale geçen valans elektronları tek bir atomla değil birçok atomla ilgili olurlar. Çekirdekler (+) yüklü merkezlerdir ve sonsuz sayıdaki (-) yüklü elektronlarla aralarında bir çekim gücü oluştururlar. Sonsuz sayıdaki + yüklü çekirdekle, sonsuz sayıdaki – yüklü elektronun birbirini çekmesi metalik bağ’ı meydana getirir (Şekil 1.1).
Şekil 1.1 Metalik bağ (Erdoğan, 1998) Bir metal eğilmeye zorlandığında elektronların durumu nedeniyle atomlar arası bağ kırılmaz sadece yer değiştirir. Bu da metallerde elastikiyet ve biçimlendirme kolaylığı sağlar. Metaller elektriği iyi iletirler. Metalik bağlı malzemelerde uygulanan bir gerilim etkisi altında valans elektronları, hareket ederek devrenin tamamlanmasına dolayısıyla akıma neden olurlar. İyonik Bağ Katı cisimlerde iyonik bağ iki ayrı cins atomda valans elektronlarının alışverişine bağlı olarak oluşur. Bir atom valans elektronlarını vererek diğer atomun dış kabuğunu doldurur (Şekil 1.2). Elektron veren element + yük kazanırken alan element – yük kazanır. iyon adı verilen bu + ve – yüklü atomlar birbirini çeker ve bu çekim gücüne de iyonik bağ denir.
Şekil 1.2 İyonik bağ (Erdoğan, 1998) İyonik bağlı yapıya bir kuvvet uygulandığında, metalik bağdaki gibi elektronların hareket rahatlığı olmadığından iyonlar arasındaki elektriksel denge bozulur. İyonik bağlı malzemeler genellikle bu nedenle gevrek ve kırılgandırlar. Örneğin seramikler iyonik bağlı malzemelerdir. Bir iyonik bağlı malzemeye gerilim uygulandığında akımın akışını sağlamak için iyonların hareket etmesi gerekir. Oysa iyonların hareketi yavaş olduğundan bu tür malzemelerin genellikle elektrik iletkenliği zayıftır. malzemebilimi.net
11
Kovalent Bağ Valans bağı da denilen bu bağ türünde atomlar valans elektronlarının bazılarını ortak kullanırlar. Ortak kullanılan (-) yüklü elektronlarla (+) yüklü çekirdek arasında valans bağı oluşur (Şekil 1.3).
Şekil 1.3 Kovalent bağ (Erdoğan, 1998) Bu şekilde bağlı maddeler esnek değildir ve elektriği iyi iletmezler. Kovalent bağlar çok sağlam bir yapı oluşturur. Bağın kırılması için büyük kuvvetler gerekir. Elektrik iletkenliği de zayıftır. Çünkü bir elektronun akım taşıyabilmesi için hareket etmesi gerekir. Bağ kuvvetli olduğundan bu çok zordur. Örneğin doğadaki en sert malzeme olan elmas kovalent bağlı bir maddedir. Van Der Waals Bağı Asal gazlarda moleküllerinin birbirlerini bağlayabilmesi için serbest elektronları yoktur. Bu tip moleküller ancak çok zayıf bir elektrik yükü ile birbirlerini çekerler. Bu zayıf elektrik yükü de moleküllerdeki + ve – yüklü merkezlerin birbirlerini çekmesine neden olarak bir bağ oluşturur ki bu bağa Der Waals bağı adı verilir. Birçok plastik, seramik, su gibi maddelerin molekülleri guruplaşarak bazıları pozitif, bazı moleküller ise negatif yüklenirler. Bir molekülün pozitif yüklenmiş kısmı ile diğer bir molekülün negatif yüklenmiş kısmı arasında meydana gelen çekim moleküller arasında zayıf bir bağ oluşturur. Van der Waals bağları ikincil bağlardır. Molekül içerisindeki atomlar birbirlerine kovalent veya iyonik bağ ile bağlanırlar. Örneğin su kaynama noktasına kadar ısıtılırsa moleküller arasındaki Van Der Waals bağı kırılır. Ancak molekülü oluşturan hidrojen ve oksijen atomları arasındaki kovalent bağı kırmak için büyük sıcaklıklar gereklidir (Şekil 1.4).
Şekil 1.4 Van Der Waals bağı (Erdoğan, 1998)
malzemebilimi.net
12
1.3.1.2. Atomların Dizilişleri Atomlar kristal, moleküler ve amorf olmak üzere üç farklı diziliş gösterirler. Kristal Kafes Yapısı Tüm metallerin, seramik malzemelerin çoğunluğunun, plastik malzemelerin de bazılarının atom ve moleküllerinin, diziliş şekli ve bulundukları konum, düzgün geometrik şekiller meydana getirir. X ışınları ile yapılan araştırmalar bu malzemelerde atomların bulundukları noktaların birleştirilmesiyle 14 değişik düzgün geometrik şekle sahip olduklarını göstermiştir. Bu geometrik yapıya kristal kafes denir. Metallerin oluşturduğu kafes yapısına da faz adı verilir (Şekil 1.5).
Şekil 1.5 a) Hacim merkezli kübik kristal kafesine sahip metaller; Demir (α,β,δ), molibden, wolfram, vanadyum b)Yüzey merkezli kübik kristal kafesine sahip metaller; Demir γ, alüminyum, bakır, nikel, kurşun, gümüş altın.c)Hekzagonal sıkı dolgulu kristal kafesine sahip metaller; Titan, Magnezyum, kobalt, çinko, kadmiyum. 1-Basit monoklinik 2-Uç merkezli monoklinik 3-Triklinik 4-Hekzagonal 5-Rombohedral 6-Basit orthorombik 7-Hacim merkezli orthorombik 8-Uç merkezli orthorombik 9-Yüzey merkezli orthorombik 10-Basit kübik 11-Hacim merkezli kübik 12-Yüzey merkezli kübik 13-Basit tetragonal 14-Hacim merkezli tetragonal (Baydur, 1979)
Katılaşma sırasında, her bir kristal yapı kendi karakterine uygun kristal düzenini oluşturur. Her bir birim hücre diğerine bağlanır. Bunu bir ağacın dallarına benzetebiliriz. Bu yapıya dentrik denir. Dışarı doğru gelişen dentritler diğerleri ile birleşerek taneleri oluşturur. Birleşen dentrit sınırlarına tane sınırları adı verilir. Yavaş soğutma ile kaba, hızlı soğutma ile ince taneli bir yapı oluşur (İpek, 1999).
Şekil 1.6 Dentrik oluşumu a) Katılaşmanın başladığı çekirdek b) dentrik dallanma c) dentrik kolların birleşmesi d) taneler ve sınırları (İpek, 1999)
malzemebilimi.net
13
Moleküler Yapı Birbirlerine bir kuvvetle bağlı atom gruplarına molekül adı verilir. Moleküllerin iç bağları kuvvetli ancak moleküller arası bağlar zayıftır. Bu nedenle Van Der Waals bağı olarak da adlandırılırlar. Moleküller arası bağın zayıf olması moleküllere bir ölçüde serbest hareket yeteneği sağlar. Bu nedenle bu yapıdaki malzemelerin ergime ve kaynama sıcaklıkları düşüktür ve katı halde bile yumuşaktırlar. Küçük moleküllere manomer denir. Manomerlerin bir araya gelerek belirli koşullarda bağlanması polimerleri meydana getirir. Bu olaya polimerizasyon adı verilir. Polimerlerin bir diğer ve yaygın olarak bilinen ismi plastiklerdir.
Şekil 1.7 Moleküler yapı (Erdoğan, 1999) Amorf Yapı Kristal yapıda olduğu gibi düzenli dizilmiş bir yapısı olmayan atomlardan oluşan yapıya amorf yapı denir. Gazlar, sıvılar, hızlı soğumuş metaller, cam v.b. malzemeler bu yapıdadır. Atomlar arası mesafe maddenin özelliğine göre eşit veya farklı olabilir. Örneğin gazlar moleküler yapıda olmasına rağmen, moleküller birbirlerinden uzak ve bağımsızdırlar. Sıvıların ise gazlar gibi akışkan ve düzenli bir kristal yapıları yoktur. Ancak içyapı bakımından yarı düzenlidirler. Atomlar arasındaki mesafe birbirine büyük oranda eşittir. Sıvı haldeki metallerin de atomlar arası mesafesi genellikle eşit, ancak düzenli bir yapıları yoktur.
Şekil 1.8 Amorf yapı (Erdoğan, 1998)
malzemebilimi.net
14
1.3.2. Malzeme Özellikleri Malzemelerin özellikleri mekanik özellikler ve fiziksel özellikler olmak üzere iki guruba ayrılarak incelenebilir. Mekanik özellikler, malzemelerin yükler ve gerilmeler karşısında gösterdikleri davranışlardır. Dayanım, süneklik, sürtünme hızı, aşınma, yorulma, elastiklik, uzama v.b. özellikler mekanik özelliklerdir. Kimyasal yapı, elektrik iletkenliği - yalıtkanlığı, manyetiklik, ısı karşısındaki davranışları vb. ise fiziksel özellikleridir.
1.3.3. İmalat İşlemleri Sıcak ve soğuk, talaşlı ve talaşsız şekillendirme gibi, makinelerin ve makine parçalarının üretilmeleri sırasında kullanılan tüm yöntemler imalat işlemleridir. Malzemelerin mekanik ve fiziksel özellikleri hem imalat işlemleri, hem de üretilen parçanın görevini yapması açısından önemlidir. Malzemenin içyapısı özelliklerini belirler. Özellikler ise imalat yönteminin seçimi için önemlidir.
1.4. ALAŞIMLAR Genellikle metaller, tek başlarına kullanılmazlar. Endüstriyel amaçları karşılamak için alaşım yapılarak kullanılırlar. İki veya daha fazla metalin veya en az birisi metal diğeri metal olmayan malzemenin bir arada ergitilmesi ile oluşturulan yeni malzemeye alaşım denir. Bir başka şekilde alaşım, yeni özellikler kazandırmak amacıyla bir metale başka maddeler karıştırılarak elde edilen yeni malzeme olarak tanımlanabilir. Alaşımlar, alaşım tipine bağlı olarak kendisini meydana getiren elemanların özelliklerini taşıyabildiği gibi, kendisini meydana getiren elemanların özellikleri ile hiç ilgisi olmayan yepyeni bir malzeme olarak da ortaya çıkabilirler. Metaller belirli bir kafes yapısına sahiptir. Metallerin kafes yapısına faz adı verilir. Saf metallerde tek tip faz vardır. Alaşımlarda ise tek tip faz olabildiği gibi iki ve daha fazla tipte faz olabilir. Fazların meydana gelmesinde alaşımı oluşturan metallerin bileşimi ve sıcaklık faktörleri etkilidir. Alaşımların özellikleri, alaşımı meydana getiren elemanların fazları arasındaki ilgiye bağlıdır. Alaşımlar iki şekilde meydana gelir. 1- Katı Eriyikler 2- Ötektikler
1.4.1. Katı Eriyikler (Tek Fazlı Alaşımlar) Bu tip alaşımlarda alaşım elemanlarının kafes sistemlerinde bir değişim olur ve elemanlardan birinin kristal kafesinde her iki elemanında atomları yerleşir. Bir tek faz (yapı) meydana getirirler. Sonuç olarak yeni özelliklerde bir malzeme (alaşım) oluşur. Tek Fazlı alaşımlara katı eriyik adı verilir. Bu alaşımlarda yalnız bir kafes şekli vardır. Bu kafeste alaşımı meydana getiren elemanların atomları bulunmaktadır. Kafesteki sayının az olduğu alaşım elemanının atomlarına erimiştir, kafeste sayısı fazla olan alaşım elemanı atomlarına da eritmiştir denir. Alaşım elemanlarının atomları büyüklüklerine göre kafeste iki şekilde bulunabilirler. Yerine geçme yoluyla oluşan katı eriyikler Araya sıkışma yoluyla olan katı eriyikler (Şekil 1.9)
Şekil 1.9 Katı eriyiklerin kafes yapıları (Baydur, 1979) malzemebilimi.net
15
1.4.2. Ötektikler (Çift Fazlı Alaşımlar) Bu tip alaşımlarda alaşımı meydana getiren elemanların kafes sistemlerinde bir değişim olmaz. Elemanlar alaşımda kendi kafes sistemlerini aynen korurlar. Bu tip alaşımlarda alaşım oranına bağlı olarak homojen bir yapıda her iki fazında özelliği görülür. Bu nedenle bu tip alaşımlar üstün özellik göstermez ve sınırlı özellik değişimi gösterebilir. Alaşımdaki elemanların oranlarına bağlı olarak her iki elemanın ortak özelliklerini veya alaşımda oranı fazla olan elemanın özelliğinin etkin olduğu özellikler gösterirler. Çift fazlı alaşımlara ötektik denir. Mekanik karışım adı da verilen bu tip alaşımlarda alaşım elemanlarının ortak özelliklerine sahip bir alaşım elde edilir. Ötektik alaşımlarda mutlak homojenliğin sağlandığı oran ötektik oran, sıcaklık da ötektik sıcaklık olarak isimlendirilir. Ötektik sıcaklık her iki alaşım elemanının da ergime sıcaklıkları altındaki bir değerdir. Şekil 1.10’da kadmiyum ve bizmut metallerinin oluşturduğu ötektik yapı görülmektedir. Şekildeki denge diyagramında saf haldeki iki metal ile 9 farklı alaşım oranının zaman sıcaklık koordinatlarındaki eğrilerine bakıldığında saf metaller birer, alaşımlarda ise ikişer durak noktası olduğu görülmektedir. Durak noktalarının birleştirilmesi ile de yanda sıcaklık – alaşım oranları diyagramı elde edilmiştir. E noktası ötektik oranı ve ötektik sıcaklığı göstermektedir. AEB noktaları arasındaki eğri sıvılaşma eğrisi, CED eğrisi ise katılaşma eğrisidir. Sıvılaşma ve katılaşma eğrileri arasındaki iki bölge ise katı ve sıvı fazların birlikte olduğu bölgedir. Ötektik orandaki alaşıma ötektik alaşım denir. Ötektik alaşımların saf metaller gibi bir tek ergime ya da katılaşma sıcaklığı vardır ve aynı metallerin diğer oranlardaki alaşımlarına göre en düşük ergime – katılaşma sıcaklığına sahiptirler. Bunun nedeni farklı metal atomlarının birbirlerinin kristal kafes oluşturmasına engel olmasıdır. Sıcaklık katılaşma sıcaklığına düştüğü zaman, her ikisi de aynı anda kristal kafeslerini oluşturmaya başlarlar. Şekil 1.10’da görüldüğü gibi kadmiyum ve bizmut alaşımı için ötektik oran %40 kadmiyum %60 bizmut şeklindedir. Ötektik alaşımlar ergime derecesi düşük ve kendini çekme oranı az olduğundan, döküme elverişlidirler. Ayrıca iri taneli yapıları nedeniyle iyi mekanik özelliklere sahiptirler.
Şekil 1.10 Ötektiklerin oluşumu (Erdoğan, 1999)
malzemebilimi.net
16
1.5. ATOMİK DİFÜZYON Katı cisimlerde atomlar bulundukları yerde bir salınım (titreşim – devinim) hareketi yaparlar. Bu salınım hareketi cismin sıcaklığına ve üzerindeki enerjiye bağlıdır. Bir katı cisme ısı verildiği zaman, ısının kinetik enerjiye dönüşmesi sonucu atomların yapmakta oldukları titreşim hareketi şiddetlenir. Titreşimin artması atomların daha fazla yer kaplamalarına ve dolayısıyla hacimlerinin büyümesine neden olur ki bu olaya ısıl genleşme denir. Metallere verilecek olan ısıyı daha da artıracak olursak atomların titreşim hareketi daha fazla artar. Titreşimin atomları birbirine bağlayan kuvveti yenecek seviyeye ulaşması ile bazı atomlar serbest hareket etme yeteneğine kavuşur. Isı etkisi ile bazı atomların aradaki bağ kuvvetini yenecek bir enerji kazanarak serbest hareket etmesi olayına atomik difüzyon denir. Atomik difüzyondan endüstride geniş ölçüde yararlanılmaktadır. Sementasyon, nitrürasyon, siyanürleme, borlama işlemleri atomik difüzyon uygulamalarıdır. Atomik difüzyon ile serbest hareket yeteneği kazanan atomlar, yerlerini terk ederek; 1- Başka bir kristal kafeste yer bulup yerleşebilir. 2- Kristal sınır çizgilerinde yer bulur yerleşebilir. 3- Metal içerisinde uygun bir yer buluncaya kadar serbest hareket etmeye devam edebilirler (Şekil 1.11).
Şekil 1.11 Atomik difüzyon (Erdoğan, 1998)
malzemebilimi.net
17
1.6. ERGİME – KATILAŞMA Metale ısı vermeye devam edilirse, atomik difüzyon şiddetlenir ve yerlerini terk ederek serbest hareket eden atom sayısı artar. Sıvılarda atomlar serbestçe hareket ettiklerine göre, katı atomları da serbestçe hareket ediyorsa katı sıvı hale geçmiş demektir. Ergime; metallerde atomik difüzyonun şiddetlenmesi sonucunda atomları bir arada tutan bağın ortadan kalkması ve buna bağlı olarak kristal kafes yapısı düzeninin bozulması olayıdır. Metallere verilen ısı başlangıçta metal atomlarının titreşimlerini artırmaya harcanırken sıcaklık yükselmesi olur. Ancak atomlarda difüzyon şiddetlenip, atomlar serbest harekete başladığı andan itibaren bütün metal kütlesi ergiyinceye kadar sıcaklık yükselmesi görülmez. Çünkü ergime başlangıcından, ergime bitinceye kadar verilen ısı metallerde kristal kafeslerin bozulmasına ve serbest kalmasına harcanır. Katılaşma sırasında ise olay tersine işler. Ergiyik metalin katılaşması için ısı etkisinin ortadan kalkması gerekir. Yüksek ısı azaltıldığında ya da ortadan kaldırıldığında kristal kafes yapısı oluşmaya başlar. Yani atomlar arası bağ oluşur ve atomlar belirli bir düzenle kristal kafesleri oluşturur. Uygulanan ısı düştükçe atomların titreşimi azalır, aralarındaki bağ kuvvetlenir. Ancak dıştan uygulanan ısı yok edilse bile katılaşma başlangıcından bitişine kadar metalde sıcaklık düşmesi görülmez. Çünkü kristal kafeslerin oluşması sırasında doğan enerji sıcaklık düşmesini önler ve sıcaklık sabit kalır. Kristal kafesler oluşup metal katı şeklini aldıktan sonra ısı düşmesi tekrar başlar ve ortam sıcaklığına ulaşıncaya kadar devam eder (Şekil 1.12).
Ergime
Katılaşma
Şekil 1.12 Ergime – Katılaşma davranışları (Baydur, 1979)
malzemebilimi.net
18
1.7. ALOTROPİ – FAZ DÖNÜŞÜMÜ Metallerin ısıl eğrilerini çizerken, ergime ve katılaşma noktalarında bir duraklama görülmektedir. Bu noktalarda ısı iletimi sürdüğü halde sıcaklık değişmemektedir. Bazı metallerde ergime – katılaşma noktalarının dışında da duraklamalar görülür. Bu sırada bir süre sıcaklık değişmez ve incelenirse söz konusu noktalarda o metalin özellik ve yapıları değişmektedir. Metallerde ergime noktası dışında meydana gelen özellik ve yapı değişimine alotropi ya da faz değişimi denir. Bu metallere de alotropik metal denir. Demir, manganez, kobalt, titanyum alotropik metallere örnek gösterilebilir. Şekil 1.13’de demirin faz değişimleri görülmektedir.
Şekil 1.13 Demirin alotropisi (Baydur, 1979)
malzemebilimi.net
19
2. DEMİR En çok kullanılan metallerin başında gelen demir, yer kabuğunun %5.6’ sını oluşturmaktadır. Yumuşak, kolay biçimlendirilebilen, yoğunluğu 7,88 gr/cm3, ergime sıcaklığı 1535°C, sertliği 67 BSD (Brinell sertlik değeri), uzaması %40 olan, mıknatıslanabilen, elektrik ve ısıyı iyi ileten gri renkli bir metaldir. Saf demirin, laboratuarlarda araştırma amaçlı kullanımı dışında manyetik donanım, vakum tüpü imalatı gibi çok kısıtlı kullanım alanı vardır. Demiri, endüstrinin en önemli metali haline getiren içerisindeki karbondur. Değişik oranlarda karbon ve diğer metallerle yaptığı alaşımlarla istenen özellikler kazandırılan demir çok geniş bir kullanım alanına sahiptir.
2.1. DEMİR FİLİZLERİ Doğada demire sahip pek çok filiz vardır. Ancak demir, içerisindeki demir miktarı ve elde etme kolaylıkları bakımından en çok Hematit, Limonit, Siderit ve Pirit’den elde edilmektedir.
2.1.1. Hematit Kimyasal bileşimi Fe2O3 demir oranı %70 civarında olan, dünya demir üretiminin en fazla yapıldığı filizdir.
2.1.2. Magnetit Kimyasal bileşimi Fe3O4 demir oranı %72,4 olan rengi kurşuniden siyaha kadar değişen bir filizdir. İçerisindeki demir oranı hematite göre daha fazla olmasına rağmen mıknatıslanma özelliği nedeniyle ergitilmesi sırasında sorun yarattığı için demir üretiminde çok fazla tercih edilmemektedir.
2.1.3. Limonit Kimyasal bileşimi 2Fe2O3xH2O - Fe2O3 3 H2O3, demir üretiminde hematitten sonra en çok kullanılan, içerisindeki demir oranı %50-60 olan demir filizidir.
2.1.4. Siderit Kimyasal bileşimi FeCO3 demir oranı %48,2 olan demir karbonatlı filizdir. Temel maddeleri demir ve nikel olan bu filiz göktaşı olarak da bilinir. İçerisinde bulunan karbonat bileşimi nedeniyle demir üretimi sırasında fazla kireç taşı gerektirmemesi nedeniyle üretimi ekonomik hale getirir.
2.1.5. Pirit Kimyasal bileşimi FeS3 demir oranı %46,6 olan kükürtlü demir filizidir. İçerisindeki kükürt nedeniyle çelik üretiminde kırılganlık özelliği kazandırması nedeniyle demir üretiminde en son sırada tercih edilen filizdir.
malzemebilimi.net
20
2.2. YÜKSEK FIRINDA HAMDEMİRİN ÜRETİLMESİ
Şekil 2.1 Yüksek fırın (Şahin, 1997) Demir filizlerinin kok ve kireç taşı ile bir arada ergitilmesinde kullanılan ve kapasitelerine göre yükseklikleri 30–90 m arasında değişen fırınlara yüksek fırın adı verilir. Yüksek fırın ters kapatılmış iki kesik koniden oluşur. Yüksek fırının iç kısmı çok yüksek sıcaklıklara maruz kaldığı için kalınlığı 1,5 m’yi bulan ateş tuğlası (şamet) ile kaplanmıştır. Yüksek fırının içi çok sıcak olduğu için fırının soğutulması çevrede bulunan kanallardan su geçirilerek sağlanır. Fırınların dış kısmı kalın çelik levhalarla kaplanmıştır. Ateş tuğlalarının ömrü 5–10 yıl arasındadır. Fırının üst kapağından devamlı olarak kok+filiz+kireç taşı karışımı doldurulur. Bir yüksek fırın şarj edildikten (doldurulduktan) sonra ateşlenir. Yanma sırasında tam yanamayan bir gaz fırının üst kısmında toplanır. Bu gaza Yüksek fırın gazı ya da ağız gazı denir. Yüksek fırının üst kısmı kurutma bölgesidir. Kuruma işlemi 300–400°C sıcaklıklarda olur. Bu bölgede filiz, kok ve kireç taşı karışımındaki nem buharlaşır. Üst bölgede kurutulup ısıtılan karışımın içerisindeki yabancı gazlar ayrışır. Orta bölgede ısı yükselirken kimyasal reaksiyon başlar. Karışımın içerisindeki oksit ayrışırken ergiyen demir karbonla birleşerek ham demiri oluşturmaya başlar. Ergiyen demir (1300 – 1500°C) alt bölgeye akarken yabancı maddeler de ergiyerek kireç taşının yardımıyla curuf olarak ergiyiğin üstünde toplanır. Hamdemirin toplandığı haznenin sıcaklığı 1600°C kadardır. Haznede alttan demir üstten de curuf alınır. Yüksek fırından elde edilen hamdemire PİK denir. Hamdemirin içerisinde %2,5-4,5 arasında karbon vardır. Sert, kırılgan ve biçimlendirilebilme özelliği olmayan bir üründür. Çelik ya da dökmedemir üretiminde kullanılır.
malzemebilimi.net
21
2.3. YÜKSEK FIRINDAN ELDE EDİLEN ÜRÜNLER 2 ton %50'lik filiz; 1ton kok, 1 ton kireç taşı, 3000 m³ sıcak hava Yüksek Fırın
Curuf 1,1 ton
Hamdemir 1 ton
Gaz 4000 m³ % 20 - 27 CO
Şekil 2.2 Hamdemir üretimi
2.3.1. Hamdemir Yüksek fırında amaç hamdemir üretmektir. Ancak elde edilen diğer maddeler de değişik amaçlarla kullanılır. Hamdemir üretimi sırasında iki çeşit hamdemir üretilir. Esmer Hamdemir: Bu hamdemirde silisyum oranı fazladır. Karbonu grafit hale dönüştürerek demire esmer renk verir. Bu nedenle bu demire esmer hamdemir denir. Beyaz Hamdemir: Bu hamdemirde manganez oranı fazladır. Manganez demirdeki karbon ile birleşerek hamdemirin renginin beyaz olmasını sağlar. Bu nedenle de bu demire beyaz hamdemir denir. Beyaz hamdemir sert, aşınmaya dayanıklı, esmer hamdemir yumuşak ve dayanıksızdır. Beyaz hamdemir çelik, esmer hamdemir dökmedemir yapımında kullanılır. Hamdemirde % 2,5–4,5 oranında karbon vardır. Sert, kırılgan ve biçimlendirilebilme özelliği olmayan bir üründür. Çelik ve dökmdemir üretiminde kullanılır.
2.3.2. Yüksek Fırın Gazı Yüksek fırında yanmanın tam olmayışından dolayı fırının üst kısmından alınan gazda % 25 CO, % 15 CO2, % 4 H, % 0,2 kadar da metan bulunur. Kalan miktar da azottur. Azot ve karbondioksit dışındaki diğer gazlar yandığı zaman enerji verirler. Isı enerjisinin düşük olmasına rağmen çok miktarda elde edildiğinden yan ürün olarak yüksek fırında ve çelik fırınlarında kullanılır.
2.3.3. Curuf Yüksek fırında elde edilen curuf ise özel işlemlerden geçirilerek mineral yünü adı verilen ve izolasyonda kullanılan bir malzeme elde edilir. Curufun bir kısmı da beton içinde kum ve çakıl olarak kullanılır.
malzemebilimi.net
22
Şekil 2.3 Çelik ve dökmedemirin imalat süreci (Akkurt ve Kent, 1979)
malzemebilimi.net
23
3. DÖKMEDEMİR Çinlilerin demir madenini eritirken karbon içeriğini yükseltmeleri sonucu 3000 yıl önce dökmedemir ürettikleri bilinmektedir. Döküm endüstrisinin en yüksek tonaja sahip ürünü dökme demirlerdir. Dökme demirlerin iyi bir malzeme oluşu ve üretim maliyetinin düşük olması kullanım alanını genişletmektedir. Dökme demirler çok geniş bir aralıkta değişen mukavemet, sertlik, işlenebilirlik, aşınma direnci, korozyon direnci ve diğer özelliklere sahiptirler. Yüksek fırından alınan ham demir, dayanıksız ve kırılgandır. Makine imalatında ve konstrüksiyon işlerinde kullanılmaya elverişli değildir. Genel olarak ham demir yüksek fırından alındıktan sonra büyük potalara dökülür daha sonra kupal ocaklarına gönderilerek döküm işlerinde kullanılmak üzere dökme demirler elde edilir Geçmişte dökmedemir malzemeler kalite arandığında tercih edilmezken, günümüzde birçok alanda dövme ve kaynaklı parçalara oranla daha ekonomik bir çözüm getirmektedir. Parçaların dayanımları düşünüldüğünde en uygun şekil döküm yoluyla elde edilir. Dökmedemir, yüksek fırından elde edilen hamdemirin kupal ocaklarında karbonunu yakarak %1,7 ila %3’e kadar düşürmek suretiyle elde edilen, düşük sıcaklıklarda ergiyen akıcı bir malzemedir. Ergime sıcaklığı yaklaşık 1250°C dir. Kendini çekme özelliği %k=1~2, yoğunluğu 7,2 – 7,4 g/cm3, karbon oranı yaklaşık %2dir. Yalnızca döküm işlerinde kullanılır. İçerisinde karbonun yanı sıra Silisyum (Si), Manganez (Mn), Kükürt (S), ve Fosfor (P) bulunur. Dökmedemirde karbonun yanı sıra silisyum da bulunduğundan ve soğuma hızının yavaş olmasından katılaşma sırasında karbon grafit halinde katılaşır. İçerisindeki karbonun sementit halinde olması nedeniyle çok serttir ve dövülerek biçimlendirilemez. Dökmedemirler, birçok farklı özellik içeren bir demir alaşım ailesidir ve isimlerinden de anlaşılacağı gibi, katı halde çalışılmayıp istenilen şekle dökülerek getirilirler. %2’den ve genellikle %1 den de daha az karbon içeren çeliklerin aksine % 2~% 4 arası karbon ve % 1~%3 arası silisyum içerirler. Belirli özellikleri kontrol etmek ve çeşitlendirmek için başka metalik ve ametalik alaşım elemanları da ilave edilir. Kimyasal yapının yanı sıra özelliklerine etki eden diğer önemli faktörler katılaşma işlemi, katılaşma derecesi ve ısıl işlemlerdir. Dökmedemirler mükemmel dökme alaşımları olurlar, geniş bir güç ve sertlik yelpazeleri vardır. Bununla birlikte makinede kullanılmaları da kolaydır. Aşınmaya, çizilmeye ve oksitlenmeye karşı alaşımla kullanıldıkları takdirde büyük direnç gösterirler. Yaygın kullanımları daha düşük fiyatlı oluşlarına ve işlenebilme özelliklerine bağlıdır. Yeni malzemelerin yarattığı rekabete rağmen dökmedemirler ekonomik ve binlerce mühendislik uygulamasına uygun malzemeler olduklarını kanıtlamışlardır. Dökmedemirler düşük maliyeti, döküme elverişliliği ve yüksek basma dayanımları sebebiyle geniş kullanım alanına sahiptirler. Dökmedemirler katılaştığı zaman, son katılaşan zerreler ötektiklik seviyesindedir. Eğer başka katkı elemanı yoksa dökmedemirde en az %1,7 karbon bulunur. Dokuda %1,7 den az karbon varsa bu malzeme dökmedemir değildir ve dokuda ötektiklik yoktur. Dökmedemirdeki yabancı maddeler ve katkı elemanları bulunduğu zaman karbon miktarı daha düşük olabilir. Eğer dökmedemirde %2 silisyum bulunuyorsa karbon miktarı %1,7 den %1,1 e düşmektedir. Dökme işlerinde kullanılan bu malzeme içinde silisyum fazla ise esmer (kır) dökmedemir, manganez fazla ise beyaz dökmedemir adını alır.
malzemebilimi.net
24
3.1. DÖKMEDEMİR ÜRETİMİ Kupal ocaklarında bir kat kok, bir kat hamdemir, ve bir kat kireçtaşı konulmak suretiyle fırına alttan gönderilen basınçlı soğuk hava yardımı ile üç saat içerisinde ergiyik dökme demir fırından alınır. Gerekirse fırına hurda malzemeler ve katkı elemanlar da konulabilir (Şekil 3.1). Kireç taşı hamdemirdeki yabancı maddelerle birleşerek curufu oluşturur. Altta haznede ergiyik üzerinde toplanan curuf, curuf alma kanalından zaman zaman boşaltılır. Altta toplanan sıvı, dökmedemir kanalından alınır. Dökmedemirin özelliği ve bileşimi hamdemir ve fırına eklenen hurda malzemeye bağlıdır.
Şekil 3.1 Kupol fırını (Baydur, 1979)
malzemebilimi.net
25
3.2. İÇYAPI VE GRAFİT OLUŞUMU Dökme çelik tamamen metastabil olarak katılaşırken, (tüm karbon sementit olarak iç yapıda yer alır) dökmedemir demir-karbon alaşımının stabil sisteminde katılaşır (tüm karbon element olarak grafit halinde iç yapıda yer alır). -Grafit yavaş soğuma sonucu ve silisyum varsa oluşur. -Sementit hızlı soğuma sonucu ve manganez varsa oluşur. Kalınlık soğuma hızını etkiler. Farklı kalınlıktaki döküm parçalarında düzensiz bir iç yapı meydana gelir. Parçanın dayanımı ve sertliği farklılıklar gösterir. Dökmedemirlerde standartlaştırma genellikle çekme dayanımına göre yapılır. Çekme dayanımını etkileyen önemli bir faktör de grafit kristallerinin şekil ve büyüklüğüdür (Şekil.3.2).
Şekil 3.2 Dökmedemir malzemelerde grafit kristalleri (Erdoğan, 1999)
3.3. KATILAŞMA ŞEKİLLERİ Stabil sistem: Demir kristalleri (ferrit) + karbon kristalleri (grafit) Alaşımdaki tüm karbon miktarı yapı içerisinde grafit şeklindedir. Bu iç yapı yavaş soğutma ile elde edilir. Silisyum miktarı içyapının ferrit + grafit şeklinde olmasını kolaylaştırır. Bu tip yapı stabil katılaşma veya stabil sistem olarak adlandırılır. Metastabil sistem: Demir kristalleri (ferrit) + Demir karbür kristali (sementit) Alaşımın içerdiği bütün karbon miktarı, kimyasal olarak demir karbür şeklinde bağlanmıştır ve sementit şeklinde yapıda yer alır. Bu iç yapı hızlı soğuma ile oluşur ve manganez oranı ile oluşumu kolaylaşır. Sementit kristali yüksek sıcaklıkta parçalanmış ferrit ve grafit taneciklerine (temper grafiti) dönüşebileceği için bu tip bir katılaşmaya uğramış alaşım sistemine metastabil sistem denir.
3.4.
DÖKÜM MALZEMELERDE ARANILAN ÖZELLİKLER
Döküm malzemelerden istenen verimin alınabilmesi için bazı özelliklere sahip olmaları gerekir. 1. Düşük ergime sıcaklığı 2. Düşük kendini çekme 3. İyi kalıp doldurma kabiliyeti 4. İyi işlenebilme kabiliyeti
3.5.
DÖKMEDEMİR ÇEŞİTLERİ Dökmedemirler iç yapılarına göre çeşitlendirilirler. 1. Dökme çelik 2. Lamel grafitli dökmedemir 3. Küresel grafitli dökmedemir 4. Temper dökmedemir 5. Özel dökmedemirler
malzemebilimi.net
26
3.5.1. Dökme Çelik Yukarıda sözü edilen, döküm malzemelerde aranılan özelliklerin en az bulunduğu döküm malzemesidir. Ancak yüksek dayanım ve fazla sünme özelliği aranıyorsa, işletme sıcaklığı 300°C’ın üzerinde ise dökme çelik kullanılır. Diğer döküm malzemeleri bu koşullarda yeterli olmamaktadır.
3.5.2. Lamel Grafitli Dökmedemir Lamel grafitli dökmedemir (DDL), Kupol ocaklarında hamdemir ve belirli miktarda hurda, sirkülasyon maddeleri ve gerekiyorsa alaşım ilavesi ile üretilir. Döküm malzemelerinde aranılan özellikleri genellikle iyidir. Kullanım Alanı: DDL10-DDL20 arası malzeme, aşınma etkisi altında olmayan, titreşimlerin çok iyi yutulması istenen parçaların imalatında kullanılır. Örneğin makine gövdeleri, çerçeveleri, yatak blokları vb. DDL25-DDL40 ise daha çok aşınma söz konusu olduğunda, örneğin silindir blokları, motor gövdeleri, dişliçarklar, makinelerin taşıyıcı ayaklarında kullanılır.
3.5.3. Küresel Grafitli Dökmedemir Küresel grafitli dökmedemir daha çok elektrik fırınlarında, özel hamdemir ve çelik hurdasından üretilir. DDK özellikleri bakımından çeliğe DDL’den daha fazla benzer. İyi dökülebilirliği yanında çeliğe benzeyen dayanım ve uzama özelliği ile orta derecede sünekliği vardır. Titreşimleri tutma kabiliyeti DDL’ye göre daha düşüktür. Kullanım Alanı: Dökme çeliğin dökümünün zor olduğu, kır dökmedemirin çok gevrek bulunduğu, temper dökümün de boyut bakımından kullanılamadığı durumlarda DDK kullanılabilir. Örneğin krank milleri, hadde silindirleri, makine gövdeleri, dişli çarklar gibi.
3.5.4. Temper Dökmedemir Temper döküm genellikle az karbonlu çeliklerin özelliğini gösterir. Esmer dökmedemirden pahalı, çelikten ise ucuzdur. Temper dökümler grafitleşmeyi önleyen kısa devreli yumuşatma tavı ya da katkı elemanları ile elde edilmektedir. İçerisinde bulunan az miktardaki perlit, temper dökmedemirin kırılmaz, esnek, eğilip bükülmeye uygun dökmedemir olmasını sağlar. Temper dökmedemir iki şekilde elde edilir. Beyaz Temper Dökmedemir (DDTB): Beyaz dökmedemir oksitleyici cisimler içerisine gömülerek karbonun bir kısmı uzaklaştırılır. Dökmedemirin karbonu azaltılır, beyaz bir iç yapı oluşur. Siyah Temper Dökmedemir (DDTS): Beyaz dökmedemir nötr cisimler içerisine gömülür ve sonra ısı işlemine tabi tutulur. Gri-siyah renkli bir iç yapısı vardır. 3.5.4.1. Temper Dökmedemir Üretimi Kupol ocaklarında özel hamdemir ve çelik hurdasından ergitilir. DDTS ikinci bir fırnda son haline gelecek şekilde tekrar ergitilir. Çünkü kupol ocağında düşük karbon miktarına inmek güçtür. Temper dökmedemir grafitsiz olarak katılaşmalıdır. Kendini çekme oranı %2’dir. Bu nedenle parçaların büyüklüğü sınırlıdır. Büyüklük yaklaşık 100 kg ve et kalınlığı (cidar) maximum 60 mm civarındadır. Daha kalın parçalarda soğuma sırasında grafit oluşumu söz konusu olabilir. Bu istenmeyen yapı tavlama ile düzelmez ve sünekliği düşürür. DDTB için ise et kalınlığı temperleme sırasında dekarbürizasyonun oluşması için 25 mm ile sınırlandırılmıştır.
malzemebilimi.net
27
3.5.4.2. Temper Dökmedemirlerin Kullanım Alanı Temperleme işleminden sonra malzeme –70°C kadar olan sıcaklıklarda bile sünek ve darbeye dayanıklıdır. Talaş kaldırma özelliği iyidir. Kaynak edilebilir. Temper dökmedemir özellikle darbeye dayanıklı olması istenen ince cidarlı, karışık döküm parçalarda uygulanır. Bu tip parçalar için dökme çelik kullanılması döküm tekniği zorlukları nedeniyle ekonomik değildir.
3.5.5. Özel Dökmedemirler (Alaşımlı Dökmedemirler) 1-Aşınmaya dayanıklı dökmedemirler 2-Korozyona dayanıklı dökmedemirler Alaşım Simgesi Alaşıma Etkisi Malzemesi Dökmedemir içerisindeki karbonun küresel olmasını, Magnezyum Mg dolayısıyla yumuşak olmasını sağlar. Nikel
Ni
Dayanımı, sertliği, korozyon dayanımını yükseltir. Talaşlı imalatı kolaylaştırır.
Krom
Cr
Karbonun grafitleşmesini önler. Sertliği, ısı ve korozyon dayanımını yükseltir.
Nikel - Krom
Ni - Cr
Dökmedemir içerisindeki karbonun karbür ve grafitleşmesini önler. Sertlik ve dayanımını arttırır. Dökmedemirlerin Kuvvetler karşısındaki dayanımını arttırır.Isı ve aşınma dayanımını yükseltir.Tüm yapının sertleşmesini sağlar, ancak talaşlı imalatı güçleştirir. Dökmedemir içerisindeki karbonun karbürleşmesini sağlar. Sertlik ve ısı dayanımını yükseltir.
Molibden
Mb
Vanadyum
V
Alüminyum
Al
Dökmedemirlerin pullanmasını önler, ancak azottan etkilenir.
Kobalt
Co
Sertlik ve ısı dayanımını, büyük oranda da dayanımı arttırır.
Wolfram
W
Çekme ve ısı dayanımını yükseltir.
Karbon
C
Dayanım ve sertliği arttırır. Sertlrştirme işlemlerine uygun hale getirir.
Hidrojen
H
Gevrekleşmeye neden olur.
Azot
N
Gevrekleşmeye neden olur.
Fosfor
P
Çekme dayanımı, uzama sınırı ve korozyon dayanımını yükseltir.
Silisyum
Si
Çekme dayanımı, uzama sınırı ve korozyon dayanımını yükseltir.
Çizelge 3.1 Dökmedemirlerde alaşım elementleri ve etkileri (Şahin, 1997) malzemebilimi.net
28
4. ÇELİK Demire endüstriyel özellik kazandıran içerisindeki karbondur. Çelik ise içerisindeki karbon oranına göre, karbonun meydana getirdiği sementit ile saf demirin (Ferrit) karışımından oluşan bir alaşımdır. Bunun yanında çelikler karbonla beraber çelik katkı elementleri (manganez, silisyum v.b.) veya alaşımlı çelikler ise büyük oranda alaşım elementleri içerirler. Çelikte karbon fazla ise karbonun demirle yapacağı kimyasal bileşik olan sementit de fazla olacağından çelik sertleşir. Çünkü sementit sert, kırılgan ve biçimlendirilme özelliği olmayan bir fazdır. Çelikte karbon az ise bu kez ferrit fazla olacağından yumuşak ve biçimlendirilme özelliği yüksek olur. Çelik, herhangi bir işlemden geçmeden dövülebilen ve genellikle % 1,7’den fazla karbon içermeyen bir demir-karbon alaşımıdır. Özel durumlarda % 2 karbon içeren yüksek alaşımlı çelikler, orandaki alaşım maddeleri nedeni ile çelik grubuna girer. Hamdemirde büyük miktarda karbon, ayrıca da katkı elementleri bulunur. Bu katkı elemanlarından manganez ve silisyum % 0,8’den fazla olmamak şartı ile çelikte istenen elementlerdir. Kükürt ve fosfor ise her oranda zararlıdır ve mümkün olduğu kadar uzaklaştırılmalıdır.
4.1. ÇELİK ÜRETİMİ Demirin içerisinde katkı elementleri vardır. İstenmeyen bu katkı elementleri hamdemirin içerisinden hava ile birlikte oksijen yardımı ile yakılarak çıkarılabilir. Bu oksidasyon işlemine üfleme işlemi denir. Oksidasyon için gerekli oksijen çeşitli şekillerde sisteme verilebilir. Bu da çelik üretiminin yöntemini belirler.
4.1.1. Bessemer-Thomas Yöntemi
Şekil 4.1 Konvertör (Baydur, 1979) Bessemer yönteminde reaksiyonlar armut biçimindeki konvertör denilen, dışı çelik, iç kısmı özel tuğlalarla kaplanmış bir kapta meydana gelir. Bir eksen etrafında dönebilen konvertör 30 - 100 ton hamdemir alabilir. Oksijen alttan hava ile birlikte üflenir. Basınçlı havanın içerisindeki oksijenin etkisi ile hamdemirdeki karbon büyük bir şiddetle yanar.(1600 Co ) 15-20 dk. süren reaksiyondan sonra hava üflemesi kesilir ve saf demir özelliğine sahip eriyik konvertörden alınır. Karbon ve diğer katkı elemanlarının oranlarını ayarlamak için konvertöre veya eriyiğe uygun miktarda ferromangan ve ferrosilisyum katılır. Bessemer yöntemi ile üretilen çeliklerde kırılganlık ve biçimlendirme güçlüğü gibi kötü özellikler görülmüştür. Bu olumsuzluklara tam yanma olmaması nedeniyle hamdemirdeki kükürt ve fosfor neden olmaktadır. Thomas adlı ingiliz bilim adamı, konvertörün içerisini kaplayan silika tuğlaların (%90 SiO2) hamdemirdeki kükürt ve fosforun yanması için yeteri kadar ısıya dayanıklı olmadığını saptamış, bunun yerine yüksek sıcaklıklara dayanıklı Dolamit tuğlaları (MgO + CaO) kullanarak ve konvertöre kireçtaşı atarak Bessemer’den elde edilen çeliklerdeki olumsuzlukların giderilmesini sağlamıştır. Bessemer çelik üretim yöntemi eski bir sistemdir. Yerini Thomas yöntemine bırakmıştır (Baydur, 1979). malzemebilimi.net
29
4.1.2. Siemens-Martin Yöntemi
Şekil 4.2 Siemens-Martin fırını (Baydur, 1979) Bessemer-Thomas yöntemi ile iyi kalitede ve ekonomik çelik üretimi sağlanmaktadır. Ancak daha kaliteli ve katkılı çelik üretimi Siemens-Martin yöntemi ile elde edilmektedir. Hurda malzemelerin üretimde kullanılarak değerlendirilmesi de bu yöntemle mümkün olmaktadır (Şekil 4.2). Bu yöntemde de oksijen sisteme hava ile birlikte üflenir. Siemens-Martin Fırınlarında hava, baca gazları ile ısıtılıp, fazladan oksijen verilerek 2000 °C’a kadar sıcaklık elde edilebilir. Bu sıcaklık hurda malzeme ve birçok katkı elementinin eritilmesine yeterlidir. Bu yöntemle büyük miktarlarda hurda malzeme değerlendirilir. Bu yöntemde çelik içerisinde daha az fosfor ve azot kalır.
4.1.3. Oksijen Üfleme Yöntemi Thomas çeliklerinin yüksek miktarda azot ve fosfor içermeleri gibi kötü özellikleri nedeniyle, Thomas yönteminde düşük azot ve fosfor miktarlı çelikler üretmek amacıyla çalışmalar yapılmış ve bazı değişiklere gidilmiştir. Bu yöntemde teknik olarak saf olan oksijen su soğutmalı bakır borudan geçirilerek üflenir. Kazan şeklindeki reaksiyon kabı, kapalı bir tabana ve kolayca yer değiştirebileceği bir sisteme sahiptir (Şekil 4.3). Bu yöntemde konvertöre üstten bir borudan oksijen üflenir. Oksijen üflenerek üretim sağlandığı için Oksijen Konvertör yöntemi olarak da bilinir. Diğer yöntemlerden daha üstün çelik üretilir. Konvertöre üflenen oksijen hem kimyasal etki yaparak ve hem de yanarak CO ve CO2 oluşturur. CO ve CO2 konvertörde şiddetli kaynamaya yol açar. Karbonun yanması sonucunda konvertör sıcaklığı 1610°C ‘ye ulaşır. İşlem bittikten sonra konvertör eğilerek, ergiyik çelik potalara dökülür. Gerekiyorsa potalara Ferromangan ve Ferrosilisyum ilavesi ile çeliğin Manganez ve silisyum miktarı ayarlanır.
Şekil 4.3 Konvertör (Baydur, 1979) malzemebilimi.net
30
4.1.4. Elektro-Çelik Yöntemi Üstün kalitede ve kısa sürede çok miktarda çelik üretmenin mümkün olduğu bir yöntemdir. Elektrikle çelik üretiminde Ark ve Endüksiyon fırınlarından yararlanılır. Ark fırınında üç kömür elektrotla ark sağlanarak ergitme ısısı elde edilir. Endüksiyon fırınlarında büyük frekanslı akımın geçtiği sargılar arasındaki bir pota fırın işlevini görür. Kısa sürede büyük ısılar elde edilir. Yüksek alaşımlı çeliklerin ergitilmesinde kullanılır (Şekil 4.4).
Şekil 4.4 Elektrik Ark ve Endüksiyon frırınları (Baydur, 1979)
4.2. ÇELİKLERİN SINIFLANDIRILMASI Çelikleri beş grupta sınıflandırabiliriz; 1-Üretim yöntemine göre 2-Kullanım alanlarına göre 3-Kimyasal bileşimlerine göre 4- Kaliteye göre 5-Sertleştirilme ortamlarına göre
4.2.1. Üretim Yöntemine Göre Çelikler Bessemer- Thomas, Siemens-Martin, Oksijen konvertör ve benzeri yöntemlerle üretilir. Çelik hangi yöntemle üretilmiş ise o ismi alır, Siemens Martin çeliği gibi.
4.2.2. Kullanma Alanlarına Göre Çeliklerin taşıdıkları özellikler oldukça fazladır. Bu nedenle her çelik kendi özelliğine uygun yerde kullanılır ve kullanıldığı yere göre isim alır. Takım çeliği, yay çeliği gibi.
4.2.3. Kimyasal Bileşimine Göre Bu grupta çelikler, içerisindeki elemanlara göre sınıflandırılmaktadır. Bunlar; Sade Karbonlu Çelikler: İçinde yalnızca karbon bulunan çeliklerdir. Şu şekilde sınıflandırılır. Ötektik Altı Çelikler; içerisinde %0,85’den az karbon bulunan çeliklerdir. Yumuşak çelikler (%0,1 – 0,2 karbonlu çelikler) Az karbonlu çelikler (%0,2 – 0,3 karbonlu çelikler) Orta karbonlu çelikler (%0,3 – 0,85 karbonlu çelikler) Ötektik Üstü Çelikler; içerisinde %0,85’den fazla karbon bulunan çeliklerdir.
malzemebilimi.net
31
Katkılı Çelikler: İstenilen özelliklere sahip olabilmeleri için içlerine katkı elemanları eklenerek elde edilen çeliklerdir. Katkılı çelikler de kendi aralarında şu şekilde sınıflandırılır. Basit Alaşımlı Çelikler; Bu tip çeliklerde katkı elemanı olarak karbondan başka yalnızca bir eleman vardır. İçerisinde Nikel varsa Nikelli çelik, Krom varsa Kromlu çelik gibi adlar alırlar. Çift Alaşımlı Çelikler; Bu çeliklerde karbondan başka iki çeşit katkı elemanı vardır. Buna göre adlandırılırlar. Örneğin Krom-Nikelli Çelik gibi. Çok Alaşımlı Çelikler; Bu çeliklerde katkı eleman sayısı sınırlı değildir. Çelikte istenildiği kadar katkı elemanı bulunabilir.
4.2.4. Kaliteye Göre Kalitesi dikkate alındığında çelikler aşağıdaki şekilde sınıflandırılır. Biçimlendire özelliği bakımından (dökmeye ve dövmeye elverişli çelikler gibi.) Yapısal özellikleri bakımından (Korozyona, ısıya, aşınmaya dayanıklı çelikler gibi.) Mikroskobik yapı bakımından (Ferritik, Perlitik çelikler gibi.)
4.2.5. Sertleştirme Ortamlarına Göre Çeliklerin sertleştirilmesinde kullanılan sıvı, yağ ve havaya göre isimlendirilir. Örneğin su çeliği, yağ çeliği, hava çeliği gibi.
4.3. KATKI ELEMANLARININ ÖZELLİKLER
ÇELİĞE
KAZANDIRDIĞI
GENEL
Katkı elemanlarının çeliğe kazandırdığı özelliklerin en önemlileri aşağıda sıralanmıştır. 1. Dayanımı ve sertliğini artırır. 2. Sertleştirmeyi kolaylaştırır, çekirdeğine kadar sertleştirmeyi sağlar. 3. Korozyona karşı direncini yükseltir. 4. Mıknatıslanma özelliğini geliştirir. 5. Yüksek sıcaklıklara karşı dayanımını artırır. 6. Elektrik direncini yükseltir. 7. Isı etkisi altında genleşmeyi ayarlar. 8. Kristal yapısını inceltir.
4.4. ÇELİKTE KATKI ELEMANLARI 4.4.1. Karbon Çelikteki en önemli katkı elemanıdır. Çeliğin özelliklerini başlı başına belirler. Çeliğin oksitini alır, sertleştirir ve austenitin dönüşme sıcaklığını 910°C’dan 723°C sıcaklığa düşürüp elektrik direncini yükseltir.
4.4.2. Silisyum Çeliğin oksitini alır, yabancı maddeleri curuf halinde yüzeyde toplar. Dayanım ve akma sınırını yükseltir. Çekirdeğe kadar sertleşmeyi sağlar. Silisyumlu çelikler yay, yapı ve ışlah çelikleri olarak kullanılırlar. İçerisinde %14’e kadar silisyum bulunan çelikler kimyasal etkilere dayanımlı olur.
4.4.3. Manganez Her çelikte bulunur. Kuvvetli oksit giderici bir elemandır. Çeliğin yapısını kabalaştırır ve ısıl işlemlere karşı hassaslaştırır. Manganezli çelikler kesmeye ve aşınmaya büyük direnç gösterirler. Kasa ve hapishane parmaklıkları yapımında kullanılırlar. %1 manganezli çelikler ısıl işlemden sonra ölçü değiştirmedikleri için sıcak iş kalıpları yapımında tercih edilirler. malzemebilimi.net
32
4.4.4. Fosfor Çeliklere zararlı etkisi olan bir elemandır. Çeliklerde genellikle %0,05 - %0,005 arasında bulunduğu zaman döküme akıcılık kazandırır ve az miktarda dayanımı yükseltir. Buna karşılık elektrik direncini ve asitlere dayanımını azaltır.
4.4.5. Kükürt Çeliği gevrek ve kırılgan yapar. Çelikte genellikle % 0,02 - % 0,035 arasında bulunur. Kükürdün zararlı etkisini önlemek için, iki katı kadar manganez çeliğe ilave edilir.
4.4.6. Oksijen Oksijen çelikte istenmeyen bir elementtir. Çeliği sertleştirir ve kırılgan yapar. Oksijenin giderilmesi için üretim sırasında ortama manganez, alüminyum ve vanadyum gibi elementler katılır.
4.4.7. Azot Genellikle çeliği gevrek ve kırılgan yapar. Gaz boşlukları meydana getirir. Bu nedenle zararlıdır. Ancak korozyon önleyici etkisi vardır. Bunun dışında çeliğin yüzeyine azot emdirilerek yapılan nitrürasyon işleminde, çeliği sertleştirmek amacıyla kullanılır.
4.4.8. Hidrojen Hidrojenin çeliği gevrekleştirici etkisi vardır, ancak 200°C’lık sıcaklıklarda ısıtıldığında bu gevreklik kaybolur.
4.4.9. Bakır Bakır çeliğin dayanımını yükseltir. Asit ve korozyon direnci sağlar. Paslanmaz çeliklerin üretiminde katkı elemanı olarak kullanılır. Fosforla beraber bulunduğu zaman atmosfer etkilerine direnci daha da arttırır.
4.4.10. Krom Çeliklerde en çok kullanılan katkı elemanlarındandır. Karbonla birleşerek çok sert olan krom karbürü meydana getirir. Dönüşme hızını yavaşlatır. Kromlu çelikler mıknatıs yapımında kullanılır. %1’e kadar kromlu çelikler suda, daha fazla kromlu çelikler yağda ya da havada sertleştirilirler. Krom dövme ve ısıl işlemlere hassasiyeti artırır. Çeliklere korozyona dayanım, ısı ve yüksek aşınma direnci ile kesme özelliği kazandırır.
4.4.11. Nikel Nikel çeliğin dönüşme sıcaklığını düşürür. Dayanımını yükseltici etkisi olmasa da elastikliğini artırır. Bakırla birlikte katılırsa korozyon direncini yükseltir. Otomobil endüstrisinde çok kullanılır. %22 nikelli çelikler tuzlu su ve korozyona dayanıklıdırlar. %24 – 32 nikelli çelikler elektrik direnç telleri yapımında kullanılır. %36 – 46 nikelli çelikler 0 – 100°C arası sıcaklıklarda genleşmezler.
4.4.12. Wolfram Wolfram, çelikte sertliği artırıp, yüksek kesme özelliği kazandıran bir elementtir. Dönüşme hızını düşürür. Bu nedenle havada sertleştirilir. Mıknatıs yapımında ve kesici takımların imalatında kullanılır. Sıcak iş kalıplarının imalatında da % 4 - 9 W bulunur.
4.4.13. Molibden Molibden, çelikte yalnız başına bulunmayıp daima krom ve nikelle birlikte kullanılan bir alaşım elemanıdır. Dayanım ve akma sınırını yükseltir. Gevrekliğini ortadan kaldırır. Darbeli ve vuruntulu yerlerde kullanılmaya elverişlidir. Molibdenli çelikler uçak, dizel motorları v.b. makine parçalarının yapımında kullanılırlar. malzemebilimi.net
33
4.4.14. Vanadyum Çeliklere az miktarda katılan, buna karşılık çok büyük özellik değişimi sağlayan bir katkı elemanıdır. Dönüşme sıcaklığını yükseltir. Sertlik ve dayanımı arttırır. Vanadyumlu çelikler darbeli ve vuruntulu çalışan makine elemanları için uygundur. Vanadyum hava çeliklerinin en önemli katkı elemanıdır.
4.4.15. Kobalt Kobalt çeliğin manyetik özelliklerini iyileştirir. %5 – 40 kobaltlı çelikler mıknatıs yapımında kullanılır. Çeliği ısı işlemlerine elverişli hale getirir. Hava çeliklerine önemli oranda kobalt katılır.
4.4.16. Alüminyum Alüminyum çelikte silisyuma benzer etkiler yapar. Oksitleri gidererek oksijeni zararsız hale getirir. Çeliği iri taneli yapar. Yüksek sıcaklıklarda oksitlenmeyi engeller. %5 oranında alüminyum çeliklerde gaz giderici etkiye sahiptir.
Çizelge 4.1 Alaşım elementlerinin çeliklerin özelliklerine etkileri (Eker ve ark. 1994)
malzemebilimi.net
34
4.5. ÇELİK STANDARDLARI Çelikler TSE tarafında ilk defa 1972 yılında TS 1111 numara ile Demir-karbon döküm malzemesi, sınıflar ve işaretler adı altında standardlaştırılmıştır. TSE çelik standardlarını 5 (beş) ana gurupta toplamıştır. 1- Çelik ve Demir-karbon alaşımlarının sınıflandırılması 2- Çelik ve Demir-karbon alaşımlarının eritme ve ısıl işlemleri 3- Alaşımsız ve alaşımlı çeliklerin ısıl işlemleri 4- Çeliklerin genel sembol sayıları ile gösterilmesi 5- Çeliklerin kısa gösterilme şekilleri
4.5.1. Çelik ve Demir-Karbon Alaşımlarının Sınıflandırılması Çelikler
Dökme demirler
Kütle Çeliği Az Alaşımlı Alaşımsız Çelik
Özel Dökmedemirler
Çok Alaşımlı
Kalite Çeliği Alaşımlı Dökme Çelikler
Otomat Çeliği
Alaşımsız
Asal Çelik
Beyaz DD Austenitik
Alaşımlı
Dökmedemirler
Alaşımsız Lamel Grafitli Alaşımlı Çelik
Az Alaşımlı
Küresel Grafitli
Çok Alaşımlı
Grafitli Temper Dökmedemirler Siyah TD Beyaz TD
Şekil 4.5 Çelik ve deimr-karbon alaşımları (Baydur, 1979)
4.5.2. Çelik ve Demir-Karbon Alaşımlarının Eritme Ve Isıl İşlemleri Üretim İşlemleri M- Siemens-Martin çelikleri I - Endüksiyon elektrik ocağı çelikleri E – Elektrik ark ocağı çelikleri D – Oksijen konvertör çelikleri B – Bazik çelikler A – Asit çelikler S - Sakin dökülmüş Sy- Yarı sakin dökülmüş K – Kaynar dökülmüş Y – Yaşlanmayan çelik
Isıl İşlemleri Sr – Sertleştirilmiş Me - Menevişlenmiş Yt - Yumuşatma tavı görmüş Nr - Normalleştirme tavı görmüş Gt - Gerilim giderme tavı görmüş Is - Islah edilmiş
malzemebilimi.net
35
4.5.3. Alaşımsız Ve Alaşımlı Çeliklerin Sembol Sayıları
Sade Karbonlu Çelikler 03 - 04 - 05 - 06 Otomat Çelikleri 07 Az Alaşımlı Kalite Çelikleri 08 - 09 Genel Amaçlar için Adi Çelikler 00 Genel Yapı Çeliği 01
Alaşımsızasalçelikler
Asal Çelikler Özel fizik karekteristiği olan Çelikler 10 Makine Yapım Çelikleri 11 - 12 ; İGÇ. 13 - 14 Takım Çelikleri 15 - 16 - 17 - 18; İGÇ.19 Takım Çelikler i 20 - 28 ; IGÇ.29
Alaşımlıasalçelikler
KütleÇelikleri
KaliteÇelikleri
Kütle ve Kalite Çelikleri
Çeşitli Çelikler 30 - 39
Kimyasal Etkilere Dayanıklı Çelikler 40 - 49
Genel Yapı Çeliği Dışındaki Çelikler 02
Makine Yapım Çelikleri 50 - 85 Sert Kesici Uçlar 86 - 87 - 88 - 89
Şekil 4.6 Çeliklerin sembol sayıları (Baydur, 1979)
4.5.4. Çeliklerin Genel Sembol Sayıları İle Gösterilmesi
X
XXXX
Malzeme Ana Sembol Sayısı Çelik = 1
Çelik Tip Numaraları ve Kimyasal Bileşim
XX Tiplerin Numaraları
XX Çelik Üretim Yöntem ve ısıl işlemleri A - B
XX Sıra Numaralarına göre Kimyasal Bileşimler
Şekil 4.7 Çeliklerin genel gösterilişleri (Baydur, 1979) Çelik üretim ve yöntem ve ısıl işlemleri ile ilgili olan üçüncü sembol grubunda A = Çelik üretim ve işlemlerini, B = Çeliğin ısıl işlemlerini belirtmektedir.
malzemebilimi.net
36
4.5.5. Çeliklerde Garanti Edilen Özelliklerin Tanıtma Sayıları Tanıtma Sayısı 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Akma sınırı
Katlama veya Şişirme
Vurma Aşınma Dayanımı ısı Dayanımı
X X X X X X
X X
X
X
X X
Çizelge 4.2 Tanıtma Sayıları (Baydur, 1979) Karbonlu Çelikler Sade karbonlu Otomat çelikleri Manganlı çelikler, Nikelli Çelikler %0,5 Ni %1,5 Ni %2,5 Ni %5 Ni Nikel – Kromlu Çelikler %1,25 Ni, %0,65 Cr %1,75 Ni, %1,00 Cr %2,50 Ni, %1,57 Cr %2,00 Ni, %0,80 Cr Korozyon ve ısıya dayanıklı çelikler Molibdenli Çelikler Krom Krom – Nikel Nikel Kromlu Çelikler Düşük kromlu Kromlu Yüksek kromlu Krom – Vanadyum çelikler Tungstenli çelikler Yüksek alaşımlı çelikler Silisyum – Manganlı çelikler Kurşunlu çelikler
10xx 11xx 13xx 20xx 21xx 23xx 25xx 31xx 32xx 33xx 34xx 303xx 41xx 43xx 46xx ve 48xx 50xx 51xx 52xx 6xxx 7xxx 8xxx 9xxx 11Lxx
Çizelge 4.3 SAE – AISI çelik standartları (x % karbon miktarını gösterir) (İpek, 1999)
malzemebilimi.net
37
Tipi
Karbon Oranı
SAE Numarası
Kullanım Yeri
1006 1008 1010 1015 1020 1030 1111 1113 1040
Soğuk şekillendirilebilir. Tel, çivi, cıvata, perçin Sac üretimi Kaynak çubukları, fan Mil, imalat şekilleri (profil, lama) Dövme, karbürlenmiş parçalar Otomat çelikleri Otomat çelikleri Isıl işlemle kuvvetlendirilen ve yüksek tokluk gerektiren yük taşıyan çeşitli millerin imalatı Yüksek mukavemet ve yüksek tokluk gerektiren yay testere laması, dişli bileziği, süpab yayları Takım malzemesi, zımba Müzik aleti teli, kesici alet, yaprak yay Eğe, marangoz kesici takımı, yaprak yay, bıçak Bilyalı yataklar, zımba, kalıp
Karbonlu çelik
0,05 ile 0,30
Düşük
Orta
0,30 ile 0,60 1060
Yüksek
0,60 ile 2,0
1070 1080 1095 5210
Dökmedemirler Kesilebilir dökmedemirlerden motor blokları, boru, dişli, tezgah yatakları Talaşlı imalatı çok zor, aşınma direnci yüksek makine parçaları Kam mili, krank mili Piston, silindir bloğu ve kafası, dövme kalıpları
Gri Beyaz Dövülebilir Küresel
Çizelge 4.4 Çeliklerde karbon oranları ve kullanma yerleri (İpek, 1999)
malzemebilimi.net
38
Türk Standartlarına Göre Malzeme Çeşitleri Adı
TS Nr.
Gösterilmesi
Kullanım alanı
Yaşlanmayan Çelik
3364
yFe35 - yFe41 yFe45 - yFe52
Uzun bekleme ile sünekliği ve ilk yapıldığı duruma göre belirli mekanik özelliklerinin korunmasında
Cıvata ve Somun Çeliği
2837
Fe36 – Fe38 – Fe44
Cıvata ve somun yapımında
Sıcak İş Takım Çelikleri
3920
55 Ni Cr Mo V6, 56 Ni Cr Mo 7, 38 Cr 5 Mo 1 V, 40 Cr 5 Mo 1 V 32 Cr 3 Mo V
Çalışma sırasında yüzey sıcaklığı 200°C’nin üzerine çıkan takımların yapımında
Filmasinler (Değişik profillerde kangal halinde yarı mamül çelik)
2348
C5-1, C7-1, C9-1, C12-1, C6-2, C8-2, C15-2, C20-2, C26-2, C35-2, C45-2, C55-2, C65-2, C75-2, C85-2, C95-2
Burulma, kırılma ve çatlama olmaması gereken yerlerde
Genel Yapı Çelikleri
2162
Fe33, Fe37-2, Fe37-3, Fe44-2, Fe44-3, Fe50-2, Fe52-3, Fe60-2, Fe70-2
Dayanımın fazla olması istenen yerlerde
Yüksek Hız Çelikleri
3703
H 6-5-3, HC 6-5-2, H 7-5-2-5, H7-4-2-5, H 10-4-3-10, H12-1-4-5, H 18-1-2-5
Çok iyi tokluk ve kesme özelliğine sahip kaba talaşlı imalat takımları, torna kalemleri ve freze çakılarında
38Si6, 60SiCr7, 60SiMn5, 38Si7, 66Si7, 66SiMn5, 46Si7, 67Si7, 55Cr3, 51Si7, 67SiCr5, 50CrV3, 55Si7, 58CrV4, 50CrMV4, 65Si7 Sade Karbonlu: HI, HII, HIII, HIV Az alaşımlı : 17Mn4, 19Mn5 15Mo3, 13CrMo44
Yayların, segmanların ve esneme özelliği olan makine elemanlarının yapımında
Yay Çelikleri
2288
Kazanlar İçin Çelik ve Sac Levhalar
3650
Alaşımsız Çelik Şerit Saclar (Yumuşak Çelik)
3811
Fe12 (sert) Fe13 (orta sert) Fe14 (yumuşak)
Soğuk şekillendirmeye uygun yerlerde
Alaşımsız ve genel yapı çeliği saclar
3812
Fe37, Fe42, Fe50 Fe52, Fe60, Fe70
Sacdan yapılan elemanlarda
Perçin Çeliği
1909
Fe34, Fe40, Fe44
Sıcak ve soğuk perçinlerde
Alaşımsız Yumuşak Çelikler
3813
Fe12, Fe14, Fe13
Soğuk haddelenerek yapılan çelik şerit ve saclarda
Alaşımsız Takım Çelikleri
3941
C60T, C70T, C80T, C85T, C105T
Yüzeyleri sert ve aşınmaya dayanıklı olması istenen yerlerde
Kazanların yapımında
Çizelge 4.5 Çelik Türleri (Şen ve Özçilingir, 2004)
malzemebilimi.net
39
Türk Standartlarına Göre Malzeme Çeşitleri Adı TS Nr. Gösterilmesi Alaşımlı Soğuk İş
3921
Takım Çelikleri
Alaşımsız Parlak
3186
Çelikler
X 210 Cr 12 W, 155 Cr V 3 X 210 Cr 12, 100 Cr 6 X 165 Cr 12 Mo V, 145 W 33 X 155 Cr 123 V 1 Mo, 21MnCrV8 X 45 Ni 4 Cr Mo, 90 Mn Cr 5 X 19 Cr 17 Mo, 60 W Cr V 7 Fe 34.6 Fe 37.1 Fe 37.2 Fe 42.1 Fe 42.2 Fe 50.1 Fe 50.2 Fe 60.2 Fe 70.2
C 10 C 15 Ck 10 Ck 15 C 22 C 35 C 45 C 60
Ck 22 Ck 35 Ck 45 Ck 60
Kullanım alanı Çalışma esnasında 200°C’yi geçmeyen takımların yapımında
Parlak çelik çubuk yapımında
3149
Ck 35, 40 Cr Mo V 47 Cq 35, X 19 Cr Mo V NBN 111 21Cr MoV57, X8CrNiMoBnb1616 24 Cr Mo 5, X 22 Cr Mo V 121
Yüksek sıcaklığa dayanıklı cıvata ve somun yapımında
Otomat Çelikleri
3051
9 S 20, 9 S Mn Pb 28 9 S Mn 28, 9 S Mn 36
Hızlı talaş kaldırma işleminde talaş alma işçiliğinin kolay olduğu yerlerde (yüzey sertleştirmeye uygun olan çelikler)
Sementasyon Çelikleri
2850
Ck 10, 20 Mn Cr 5, 15 Cr Ni 8 Ck 15, 20 Mo Cr 5, 17 Cr Ni Mo 8 15 Cr 3, 25 Mo Cr 4, 21Ni Cr Mo2 16 Mn Cr 5, 15 Cr Ni 6
Yüzey sertleştirmeye uygun olan yerlerde
Nitrürlenebilen Çelikler
2556
31 Cr Mo 12, 34 Cr Al Mo 5 39 Cr Mo V 139, 41 Cr Al Mo 7 34 Cr Al Ni 7
Nitrürasyonla yüzey sertleştirmeye uygun olan yerler
2835
KFe 35-2 SFe 35-2 Fe 35-3 SFe 41-2 Fe 41
Zincir halkaları yapımında
Yüksek Sıcaklığa Dayanıklı Cıvata Ve Somun Gereçleri
Zincir Çelikleri
Biçimlendirilebilen
2532
Paslanmaz Çelikler
Islah Çelikleri
2525
15 Mn 3 Al 21 Mn 24 21 Mn Al 4 21 Mn Si 5 27 Mn Si 5
Ferritik: X7Cr13, X8Cr17, X8Cr17Nb Martensitik: X10Cr13, X22 Cr17Wr X12Cr17Mo3, X40Cr13 Ostenitik: X2Cr18Ni9, X10Cr18Ni12Mo X10Cr18Ni9Ti, X2Cr18Ni10Mo X5Cr18Ni9, X5Cr18Ni10 X10Cr18Ni10MoTi, X2Cr18Ni13MoW C22, C35, C45, C55, C60 40 Mn 4, 28 Mn 6, 38 Cr 2, 46 Cr 2, 34 Cr 4, 50 Cr Mo 4, 36 Cr Ni Mo 4, 30 Cr Ni Mo 8, Ck22, Ck35, Ck45, Ck55, 25 Cr Mo 4, 42 Cr Mo 4, 37 Cr 4, 41 Cr 4
Paslanmaya karşı dayanım gerektiren yerlerde
Sertleşmeye elverişli olan ıslah edilmiş durumda yüksek özlülük isteyen yerlerde
Çizelge 4.6 Çelik Türleri (Şen ve Özçilingir, 2004)
malzemebilimi.net
40
Demir – Karbon Döküm Malzemeleri
TS 1111 (DIN 17006)
Demir Karbon Döküm Malzemelerin Sınıflandırılması ve Sembolleri: Alaşımsız : Normal kalite, özel kalite Dökme Çelik (DÇ) Alaşımlı : Sıcağa dayanıklı, ıslah edilmiş yüksek dayanımlı, alev ve indüksiyonla sertleştirilen, paslanmaz, yüksek sıcaklığa dayanıklı, mıknatıslanmayan Siyah temper dökme demir : DDTS Temper Dökme Demir (DDT)
Beyaz temper dökme demir : DDTB Beyaz dökme demir : DDB
Dökme Demir (DD)
Lamel grafitli dökme demir : DDL Küresel grafitli dökme demir : DDK Ostenitik grafitli dökme demir : DDO Az alaşımlı : Sert döküm, sert yüzeyli döküm Grafitli dökme demir : DDG
Özel Dökme Demir (DDÖ)
Yüksek alaşımlı : Az karbonlu, çok karbonlu
Lamel Grafitli Dökme Demir
GG - 15
Malzeme Nr 0.6015
Çekme Gerilmesi 2 Rm N/mm 155
Brinell Sertliği HB 30 245
GG – 20
0.6020
205
270
GG - 25
0.6025
250
285
GG – 30
0.6030
270
285
Sıcağa ve basınca dayanıklı parçalar
GG - 35
0.6035
315
285
Yüksek gerilmeli parçalar
Kısa Adı
Kullanıldığı Yerler Az ve normal gerilmeli parçalar, kol, destek ve yatak gövdeleri
Küresel Grafitli Dökme Demir
GGG - 40
0.7040
400
Akma Gerilmesi Rp 2 N/mm 250
GGG - 50
0.7050
500
320
7
GGG - 60
0.7060
600
380
3
GGG - 70
0.7070
700
440
3
FerritikPerlitik FerritikPerlitik Perlitik
GGG - 80
0.7080
800
500
2
Perlitik
Kısa Adı
Malzeme Nr
Çekme Gerilmesi 2 Rm N/mm
% Uzama Sayısı A5 15
Malzeme
Kullanıldığı Yerler
Yapısı
Ferritik
İşlenebilme özelliği iyi olan, aşınmaya karşı az dirençli yerlerde; makine gövdelerinde İşlenebilme özelliği iyi olan, orta derecede mukavemetli yerlerde; bağlama parçaları, pres gövdesi ve pres kollarında Yüzey sertleştirmesi iyi olan, dişli ağızları, krank mili ve kavrama parçası, zincir gibi yerlerde
Genel Kullanım Amaçlı Çelik Döküm
200
% Uzama Sayısı A5 25
= 0,15
450
230
22
= 0,25
1.0552
520
260
18
= 0,35
1.0558
600
300
15
= 0,45
Kısa Adı
Malzeme Nr
Çekme Gerilmesi 2 Rm N/mm
Akma Gerilmesi 2 Rp N/mm
GS - 38
1.0420
380
GS – 45
1.0446
GS – 52 GS - 60
C %
Kullanıldığı Yerler
Orta ve yüksek gerilmeler etkisinde olan, tekerlek çatalı, valf gövdesi gibi parçalarda
Çizelge 4.7 Döküm Malzemeler (Şen ve Özçilingir, 2004)
malzemebilimi.net
41
4.5.6. Demir – Karbon Malzemelerin Kısa Gösterilme Şekilleri
Çeliğe katılan alaşım elementlerinin miktarını ifade etmek için çelikteki % miktarlar aşağıdaki katsayılarla çarpılmalıdır (Şen ve Özçilingir, 2005). Cr, Co, Mn, Si, Ni, W --------------------- 4 Al, Be, Cu, Mg, Nb, Ta, Ti, V, Zr ------- 10 P, S, N, Ce, C ------------------------------- 100 B ---------------------------------------------- 1000
Normal olarak verilen element miktarları aşağıda verilen değerleri geçmezse yazılmaz (Şen ve Özçilingir, 2005). Mn: % 1 Cu : % 0,4
Si: % 0,5 Cr: % 0,25
N : % 0,5 Mo: % 0,1
V : % 0,6 B : % 0,01
Fe 33 33 daN/mm2 dayanımlı genel yapı çeliği Fe 44 – 2 44 daN/mm2 dayanımlı, 2. kalite genel yapı çeliği 4.5.6.1. Kütle Çeliği IA
Sy Fe 42
Eritme şekli(Endüksiyon elektrik ocağı-asit çelik) Eritme şekli ile ilgili özel nitelik(yarı sakin dökülmüş) Çelik sembolü (demir) En küçük çekme dayanımı Kg/mm² veya daN/mm²) Garanti edilen özellik tanıma sayısı(aşınma ısı dayanımı) Isıl işlem durumu (Sertleştirilmiş)
malzemebilimi.net
8
Sr
42
4.5.6.2. Kalite Çelikleri yapılır. M
S
C 20
3
Siemens-Martin Çeliği Sakin dökülmüş
Karbon Karbon yüzdesi % 0,20 Vurma dayanımı garanti edilmiş Isıl işlem durumu (yumuşatma tavı görmüş) 4.5.6.3. Otomat Çelikleri 35
S 20
Karbon yüzdesi % 0,35 Kükürt Kükürt yüzdesi % 0,20 45
S
Mn
Karbon yüzdesi % 0,45 Kükürt Mangan (mangan oranı % 0,35-1olduğu için gösterilmez) Kurşun Kurşun yüzdesi % 0,20
malzemebilimi.net
Pb
20
Yt
43
4.5.6.4. Alaşımlı Kalite Çelikleri 25
Mn
6
65
Mn
Si
Karbon %0,25 Manganez Manganez % 1,5(x4) 8
Karbon % 0,65 Manganez %1'den az miktarı yazılmaz Silisyum Silisyum % 2 (x4) 4.5.6.5. Alaşımsız Asal Çelikler – Takım Çelikleri
C
60
T1
C
100
Tö
Karbon Karbon yüzdesi % 0,35 1.Kalite takım çeliği
Karbon Karbon yüzdesi % 1 Özel takım çeliği
malzemebilimi.net
44
4.5.6.6. Alaşımsız Asal Çelikler – Makine Yapı Çelikleri C 85
Karbon
Cf
65
Karbon (Alev ve endüksiyonla Yüzey sertleştirme)
Karbon yüzdesi % 0,85
Karbon yüzdesi % 0,65 Cq
20
Ck
Karbon (Soğuk ezmeye uygun ıslah çeliği)
Karbon (Fosfor ve kükürt oranı %35'ten az olanlar)
Karbon yüzdesi % 0,20
Karbon yüzdesi % 0,1
4.5.6.7. Az Alaşımlı Asal Çelikler 25
Ni
8
15
Cu
30
Karbon yüzdesi % 0,25 Nikel Nikel yüzdesi % 2(8/4=2)
Karbon yüzdesi % 0,15 Bakır Bakır yüzdesi % 3(30/10=3)
malzemebilimi.net
10
45
4.5.6.8. Yüksek Alaşımlı Asal Çelikler
X 10 Cr 18 Ni 8 Yüksek alaşımlı çelik Karbon yüzdesi % 0,1 Krom Krom yüzdesi % 18 Nikel Nikel yüzdesi % 8 X 35 Ni 13 Mn 9 Cr 8 Yüksek alaşımlı çelik Karbon yüzdesi % 0,35 Nikel Nikel yüzdesi % 13 Manganez Manganez yüzdesi % 9 Krom Krom yüzdesi % 8 Azot (% 0,5'in altında)
malzemebilimi.net
N
46
4.5.6.9. Dökme Çelikler Dç
52
Dç
C15
Dç
C20 D50
Dökme Çelik Dayanım 52 daN/mm²
Dökme Çelik Karbon oranı % 0,15
Dökme çelik Karbon oranı % 0,20 Dayanım 50 daN/mm² Dç
S
C15 MnSi
Dökme çelik Sakin dökülmüş Karbon oranı % 0,15 Manganezli ve Silisyumlu
4.5.6.10. Lamel Grafitli Dökmedemirler DDL 25
Lamel grafitli dökmedemir Dayanım 25 daN/mm²
4.5.6.11. Küresel Grafitli Dökmedemirler DDK 60
Küresel grafitli dökmedemir Dayanım 60 daN/mm² malzemebilimi.net
47
5. ÇELİKLERİN ISIL İŞLEMLERİ 5.1. TANIMLAR Faz: Metallerin kafes yapısına FAZ adı verilir. Katı Eriyikler (Tek Fazlı Alaşımlar): Alaşımı oluşturan elementlerin kafes sistemlerinde bir değişim olur ve elementlerden birisinin kristal kafesinde her iki elementin de atomları yerleşir. Bir tek faz meydana gelir. Sonuç olarak yeni özelliklere sahip bir malzeme (alaşım) oluşur. Ötektikler (Çift Fazlı Alaşımlar): Alaşımı meydana getiren elementlerin kafes sistemlerinde bir değişim olmaz. Elementler kendi kafes sistemlerini aynı şekilde korurlar. Bu tip alaşımlar orana bağlı olarak homojen bir yapıda her iki fazın da özelliğini gösterirler. Bu nedenle bu tip alaşımlar üstün özellikli değildir ve sınırlı özellik değişimi sağlanabilir. Homojenliğin sağlandığı oran ÖTEKTİK ORAN ve sıcaklıkta ÖTEKTİK SICAKLIK olarak adlandırılır. Ötektik sıcaklık alaşım elemanlarının ergime sıcaklıklarının altında bir sıcaklıktır. Ötektoit: Katı eriyiklerin yapmış oldukları bir ötektiktir. Katı eriyikler sıcaklık değişimi ile başka yapılara dönüşürler. Bu dönüşme katı durumda meydana geldiğinden aradaki farkı belirleyebilmek için ötektoit adı verilmektedir. Ferrit: Oda sıcaklığında 9 atomlu, hacim merkezli, kübik kristal kafeslerinden oluşmuştur. Saf demirdir. Sementit (Fe3C): %93,3 Ferrit ile %6,67 karbonun oluşturduğu kimyasal bileşiktir. Özgül ağırlığı düşük, sert ve kırılgandır. 215°C sıcaklıkta mıknatıslanma özelliğini kaybeder. Biçimlendirilebilme özelliği yoktur. Perlit:: %87 Ferrit ve %13 sementitin yaptığı bir ötektiktir. Yapısı mikroskop altında incelendiği zaman inci gibi parlak olduğu görülür. Austenit: 14 atomlu yüzey merkezli karışık kristallerine verilen isimdir. Sıcaklık yükselmesi ile karbon eritkenliği artarak %1,7’ye kadar yükselir. Saf veya karbon eritmiş halde mıknatıslanmaz. Nikel ve manganez karışımı ile elde edilen ve alçak sıcaklıklarda da yapısı Austenit olan çelikler de elde edilmektedir. Bu çelikler mıknatıslanmazlar. Biçimlendirme özelliği çok yüksektir. Isı ve elektriği iyi iletmezler. Ledeburit: Yüksek sıcaklıklarda Austenit ile Sementitin, oda sıcaklığında ise perlit ile sementitin meydana getirdiği bir yapıdır. Isıl İşlem: Metal ve alaşımlarının özelliklerini değiştirmek için katı halde iken uygulanan ısıtma ve soğutma işlemleridir. Parçaların ısıl işlem sonunda iç yapılarında değişme olur, dış şekilleri değişmez. Isıl işlemler üç ana grupta toplanır. 1-Tavlama
2-Sertleştirme
3-Islah etme
malzemebilimi.net
48
5.2.
ISIL İŞLEMLERİN AMAÇLARI
Çeliklere uygulanan ısıl işlemlerin genel olarak amaçları aşağıda sıralanmıştır. 1. Soğuk ve sıcak şekillendirme gerginliklerini gidermek. 2. Talaş çıkaran işçilikleri kolaylaştırmak. 3. Sertlik ve dayanım kazandırmak. 4. Darbelere direnci yükseltmek. 5. Elektrik ve manyetik özellikleri geliştirmek. 6. Kristal yapıyı değiştirmek. 7. Isı ve korozyon direncini yükseltmek. 8. Kimyasal bileşimi değiştirerek özellik kazandırmak. 9. Zamanla sertleşmeyi sağlamak. 10. Metal ve alaşımlarının gazlarını uzaklaştırmak.
5.3. DEMİR-SEMENTİT DENGE DİYAGRAMI Demir malzemenin endüstriyel amaçlara uygunluğu, içerisindeki sementit miktarına bağlıdır. Sementiti meydana getiren karbon olduğuna göre, demirin özelliklerini de belirleyen karbondur. Demir içerisindeki karbonun element halinde olmayıp hemen bileşik meydana getirmesi ve bu bileşiğin de ana malzeme demirle alaşım yapmasından dolayı bu alaşıma demir – sementit alaşımı, denge diyagramına da demir – sementit denge diyagramı denir. Bir miktar saf demir ergitilir ve içerisine 1900°C sıcaklıklarda ağırlığın toplam %6,67’si oranında karbon katılacak olursa karbonun hepsi demir içerisinde erir. Sıcaklık oda sıcaklığına inerek katılaştığı zaman Fe3C kimyasal bileşiğindeki demirkarbür oluşur. Demir ve karbonun bir arada bulunduğu malzemenin hepsi, karbon oranına bağlı olarak, saf demirle sementitin meydana getirdiği bir seri alaşımlar dizisi oluşturur. Denge diyagramı incelenecek olursa demir ve sementitin birçok faz meydana getirdiği, gerek ötektik, gerek ötektoit ve gerekse katı eriyik olan bir dizi alaşımlar görülür. Delta Bölgesi Demir – sementit denge diyagramına (Şekil 5.4) bakıldığında, kristallerinin 1400°C sıcaklıkta kristal kafeslerine dönüştüğü görülmektedir. Bu bölge endüstride büyük önem taşımaktadır. ile gösterilen bölgede saf () kristalleri, ile ifade edilen bölge ve kristallerinden oluşmaktadır. ’üncü bölge ise + sıvı bölgesini göstermektedir. Ötektoit Bölge Bu bölge içerisinde %0,008 karbon bulunan (pratikte sıfır karbon) sınır ile % 1,7 karbon bulunan sınıra kadardır. Saf demir ile austenitin vermiş olduğu bir ötektik olmasına rağmen ötektoit adı verilir (Şekil 5.3). Saf demir, 910°C sıcaklıkta kristallerine dönüşür. Demire karbon katıldığı zaman durum ötektiğe benzemekte ve dönüşüme 910°C sıcaklıktan daha alçak sıcaklıklara düşmektedir. Dönüşme ötektoit sıcaklık olan 723°C sıcaklıkta tamamlanır. Ötektoit oran % 0,85 karbon oranındadır. Karbon bu bölgede saf demrden yeteri kadarı ile sementit yapar ve bu sementit de belirli orandaki demirle perlit adını verdiğimiz yapıyı oluşturur. Demirdeki karbon oranı ötektoit sınır olan %0,85’e ulaşıncaya kadar yapıda ferrit ile perlit bulunur. Karbon miktarı %0,85 olduğu zaman yapıda ötektoit olan perlit bulunur. Oran %0,85’ten fazla olacak olursa, karbonun ancak %0,85 kadarı ötektoit yapacağından fazla karbon yapıda sementit olarak bulunur. Bu nedenle ötektoit bölge Şekil 5.1’de görüldüğü gibi karbon oranı %0,85’ten az, %0,85 ve %0,85’ten fazla olmak üzere üçe ayrılır. Sıcaklık 723°C üzerine çıkınca ötektoit yapı hemen austenite dönüşür. Yapıda karbon oranına bağlı olarak ferrit ve sementitin austenite dönüşmeleri ise şekilde bulunan kendi eğrileri aşıldığı zaman gerçekleşir. Ferrit ve sementit daha yüksek sıcaklıklarda dönüşümlerini tamamlarlar. Dönüşüm tamamlandığı zaman bütün yapı austenite dönüşür.
malzemebilimi.net
49
Şekil 5.1 Ötektoit bölge (Baydur, 1979)
İçerisinde %0,3 karbon bulunan X noktasından başlayarak diyagram incelendiğinde (Şekil 5.1) austenit bölgesinde a noktasında 900°C sıcaklıktan soğutmaya başlanan yapı b noktasına gelindiğinde dönüşüme uğrayarak ötektoit orandan fazla olan ferrit oluşmaya başlar. Kalan austenitin karbon oranı (saf demirin ayrılmasından dolayı) yükselmeye başlar. Sıcaklık (0) noktasına geldiği zaman daha önce ötektiklerde yapılan inceleme uyarınca alaşımda oluşan ferrit miktarı kalan austenit ve kalan austenitteki karbon oranının bulunması mümkündür. Austenitteki karbon oranı O’dan inilen dik ile bulunabilir. b noktasındaki ferrit oluşumunu ise şöyle açıklanabilir. Ötektiklerde olduğu gibi ötektik fazlası olan ferritin önce oluşması gerektiğinden austenitten ferrit ayrılır. Kalan austenitin karbon oranıda bu nedenle artar. Austenit 14 atomlu, yüzey merkezli kristal kafeslerinden ibarettir. Bu noktada austenitte erimiş olan karbon miktarı çok azdır. Bu nedenle içerisinde karbon eritilmemiş olan kristalleri dönüşmeye daha kolay imkan bulur ve ferrit bu şekilde oluşmuş olur. Sıcaklık düşmeye devam ettikçe, ferrit oluşumunun artması karşısında, kalan austenitin karbon oranı da artar ve sıcaklık 723°C olduğu zaman austenitin karbon oranı ötektoit oran olan %0,85 olur. C noktasında görülen sıcaklığın altında karbon oranı %0,85’e ulaşan austenit perlite dönüşür. 723°C sıcaklık altında oda sıcaklığına kadar yapıda ferrit + perlit bulunur. Karbon oranı ötektoit oran olan Y noktasında bakıldığında, S noktasına kadar herhangi bir dönüşme olmadan austenit olarak kalan yapının, bu noktada ve 723°C sıcaklıkta birdenbire ve tamamen Perlite dönüştüğü görülür. Z bölgesinde ise, yapı D noktasında austenit yapı varken sıcaklık düşmesi ile b’ noktasına erişilince (SE çizgisi en fazla karbon eritme çizgisi olduğundan) austenitte eriyebilecek en fazla karbonun eritilebileceği sınıra erişilmiş olur. Bu sıcaklık altında austenit daha az karbon eritebilir. Bu nedenle sıcaklık b’den aşağı indiği zaman austenitin eritemiyeceği karbon atomları austenitten çıkacak fakat serbest kalamayacağı için de bir miktar demir atomları ile birleşerek sementiti oluşturacaktır. Bu noktadan sonra yapılacak inceleme aynen X noktasındaki inceleme şeklinde devam edecektir. Tek fark ferrit yerine sementitin yer almasıdır. Çeliklerin ısınması sırasında olaylar tersine bir şekilde gelişir. Yukarıda anlatılan olaylar yavaş soğuma ile gerçekleşir. Hızlı soğuma ile yapıda farklı olaylar oluşur. malzemebilimi.net
50
Perlit Oluşumu Karbon atomları austenitte ancak 723°C üzerinde erimiş olarak bulunabilir. Bu sıcaklığın altında karbon atomları austenitte kalamazlar ve austenit kristallerinden ayrılarak serbest hale geçerler. Ancak serbest olarak da bulunmaları imkansız olduğundan bir kısmı demir atomları ile birleşerek sementit meydana getirirler.
Şekil 5.2 Perlitik yapı (Baydur, 1979) Austenit dönüşümü ile bir taraftan sementit meydana gelirken diğer yandan karbon atomlarının sementit yapması sonunda geriye kalan saf demir de ferrit kristallerini oluşturur. Yalnız bu oluşum, ötektik prensiplerine göre olduğundan plakalar halindedir. Önce bir sementit plakası oluşur ve etrafını hemen ferrit plakaları kaplar. Böylece bütün austenit bitinceye kadar dönüşme devam eder (Şekil 5.2). Ötektik Bölge Bu bölge içerisindeki yapı %1,7 karbon bulunan austenit ile yine içerisinde %6,67 karbon bulunan sementitin meydana getirdiği bir ötektiktir. Ötektik oran %4,3 karbon ve %95,7 demirden ibarettir. Ötektik sıcaklık 1130°C’tır. İçerisinde %2,5 karbon bulunan bölge incelendiğinde, sıvı bölgeden soğutma başladığı zaman önce austenitin (içerisinde %1,7 karbon vardır) katılaşmaya başladığı görülür. Çünkü bu noktada austenit oranı ötektik orandan fazladır. Sıcaklık düştükçe sıvının karbon oranı yükselmeye başlar. Sıcaklık 1130°C olunca kalan sıvının karbon oranı %4,3’e ulaşır. Bu noktada sıvının katılaşması ile ötektik yapı yani ledeburit meydana gelir. Sıcaklık 1130oC’tan aşağı düşmeye başlayınca daha önce açıklandığı gibi austenit ancak %1,7 karbon eritebileceğinden ve bu sıcaklık altında eritebileceği karbon miktarı azalacağından austenitte bir kısım karbon açığa çıkarak sementit meydana getirir. 1130°C altındaki sıcaklıklarda yapıda ledeburit + sementit + austenit bulunur. Sıcaklık 723°C altına düşünce austenitte daha önce açıklanan biçimde karbon oranı ötektoit orana düşeceği için, bu oranda da karbona sahip austenitin perlite dönüşmesi ile yapıda perlit + sementit + ledeburit bulunur. Ötektoit orana bakıldığında (Şekil 5.3) C noktasındaki 1130°C sıcaklığa kadar herhangi bir dönüşme olmaz. Karbon %4.3 oranında kaldığı sürece sıcaklık düşmesiyle bütün yapı yalnız ledeburite dönüşür ve sıcaklık oda sıcaklığına erişinceye kadar da aynen devam eder. Ötektik orandan fazla karbon bulunan bir alaşımda önce sementit oluşur. Sıcaklık 1130°C olunca kalan sıvı ledeburit olur ve bu sıcaklıktan oda sıcaklığına kadar başka bir değişiklik meydana gelmez.
malzemebilimi.net
51
Şekil 5.3 Demir-Sementit denge diyagramı (Erdoğan, 1998)
malzemebilimi.net
52
Şekil 5.4 Demir – Sementit Denge Diyagramı (Baydur, 1979)
malzemebilimi.net
53
6. TAVLAMA Tavlama, çeliğin demir – sementit denge diyagramında görülen katılaşma eğrisi altında belli bir sıcaklığa kadar ısıtılması, bu sıcaklıkta belirli bir süre bekletildikten sonra soğutulması işlemlerine denir.
6.1. TAVLAMA ÇEŞİTLERİ Tavlama amacına göre değişik sıcaklıklarda yapılır. 1. Normalizasyon tavlaması 2. Yumuşatma tavlaması 3. Gerilme giderme tavlaması 4. Difüzyon tavlaması 5. Yeniden kristalleşme tavlaması (Yalçın ve Gürü, 2002)
Şekil 6.1 Karbon miktarına bağlı olarak çeliklerin tavlanma sıcaklıkları (Erdoğan, 1999)
6.1.1. Normalleştirme Tavı Haddeleme, döküm, çekme gibi işlemlere tabi tutulmuş çelik ile kaynak edilmiş parçaların kaynak bölgesinde, yüksek sıcaklıkta bekleme sonucunda iri taneli bir yapı meydana gelir. İri taneli çelik yapısında sekil değiştirme sırasında kopmaya karşı eğilim oluşur. Normalleştirme tavı, çeliğin ince taneli yapısına geri dönmesini sağlar ve çeliğe çekme dayanımı, süneklik gibi özelliklerini geri kazandırır. Demir karbon denge diyagramının çelik bölgesindeki %0,8 karbon oranı sınırının solunda kalan bölge ötektoit altı, sağındaki bölge ise ötektoit üstü çelikleri ifade etmektedir. (Sekil 6.1) Bu bölgelerde bulunan çeliklerin yapıları ve özellikleri birbirlerinden oldukça farklıdır. Ötektoit altı çelikler Ferrit + perlit ötektoit üstü çelikler ise perlit + sementit yapıdan meydana gelir. Özellik farklılığı, ötektoit üstü ve altı çeliklere uygulanacak ısıl işlemlerin farklı olmasını gerektirir. Ötektoit altı çelikler, demir karbon denge diyagramının çelik bölgesinde bulunan GS eğrisi üzerinde austenitin soğutulmasından oluşurlar. Ötektoit altı demirin ısıtılması ile austenit yapı hemen oluşmaz. PS eğrisi üzerinde perlit kaybolur. Perlit içerisindeki ferrit kristalleri dönüşüme (+) uğrarlar. Oluşan austenit kristalleri zamanla irileşmeye baslar. Bu nedenle malzemebilimi.net
54
normal yapıya dönmeleri için sıcaklığın derhal PS ergisinin altına düşürülmesi gerekir. İnce taneli austenit soğutma sonucu gene ince taneli olan ferrit + perlit haline dönüşür. Bileşiminde %0,85 ila %1,7 karbon bulunan çelikler ötektoit üstü çeliklerdir. Bu çelikler tamamen austenit yapıya dönüşemezler. Yapı içinde miktar sementit de bulunur. SK eğrisi üzerine çıkıldığında sadece perlit kısmı aynı şekilde ince taneli austenit yapıya dönüşür. Sementit ağı önceleri parçalanmaz, ancak SE eğrisi sıcaklığı geçilince yavaş yavaş austenit içinde çözünmeye baslar. Yüksek tavlama sıcaklığı nedeniyle tane irileşmesinin meydana gelmesi önlenemez. Bu yüzden ötektoit üstü çelikler için tavlama sıcaklığı SK eğrisi üzerindedir. Yüksek sıcaklık ve yavaş soğuma, iç yapının iri taneli olmasına yol açar. Dolayısıyla da ötektoit üstü çeliklerin tavlanması sirasinda ortaya çıkan iri tanelerin ortadan kaldırılması gerekir. Bu işlem normalleştirme tavlamasıyla yapılır. Normalleştirme tavlaması sonucunda ötektoit üstü çeliklerde iri taneli yapı kaybolur ve malzeme daha iyi mekanik özelliklere kavuşur. Normalleştirme tavında çelik, her noktası aynı ısıda olacak şekilde 600°C sıcaklığa kadar yavaş olarak tav fırınlarında ısıtılır. Daha sonra 723°C'deki dönüşüm bölgesi sıcaklığının 30–50°C üzerine kadar hızlı olarak ısıtılır ve bu sıcaklıkta malzemenin merkezi de tamamen dönüşüme uğrayana kadar bekletilir. Bu bekletme süresinin, malzemenin her 1 mm’si için 2 dakika olması yeterlidir. Daha sonra hızlı soğutma ile dönüşüm bölgesi sıcaklığının altına inilir(Yalçın ve Gürü, 2002).
6.1.2. Yumuşatma Tavı Yumuşatma tavı, çeliği ulaşabileceği en yüksek yumuşaklığa eriştirmek için uygulanır. Yani dayanım ve sertliği düşürüp, yüksek uzama gösterebilecek hale getirmek amacı ile yapılır. Bu şekilde tavlama ile yüksek karbonlu çeliklerde talaş kaldırma kolaylaştırılmış olur. Yumuşatma tavı çeliklerde elverişli bir içyapı kazandırmak için, %0,5’den daha fazla karbonlu çeliklerde ise, su verme sertliğini gidermek amacı ile uygulanır. Malzeme birkaç saat perlit altı çeliklere ait PSK eğrisi civarında tavlanır. Perlit üstü çeliklerde sıcaklık bu eğri boyunca inişli çıkışlı değişmelidir (Şekil 6.1). Ardından 600°C sıcaklığa kadar yavaş soğutma yapıldıktan sonra parçaların şekline bağlı olarak oda sıcaklığında soğutulur. Bütün çeliklerde talaşsız işlemler için elverişli bir başlangıç iç yapısı oluşturmak, %0,5’den fazla karbon içeren çeliklerde talaşlı işlemlere hazırlama, takım çeliklerinde sertleştirmeye hazırlık, su verme sertliğini gidermek amaçları ile uygulanır.
6.1.3. Gerilme Giderme Tavı (Temperleme) Dökülmüş ve sıcak dövülmüş parçalar, genellikle düzensiz soğurlar. Parçanın şekline bağlı olarak içinde ve dışında sıcaklık farkı olur. Bu da içte çekme gerilmeleri, dışta basma gerilmesi oluşmasına neden olur. Malzeme kullanıldığı sırada da başka gerilmelerin etkisinde kalır. Üst üste gelen gerilmeler toplanarak malzemenin çatlamasına neden olur. İç yapı gerilme giderme tavlaması sırasında değişime uğramaz. İşlem sonunda sözü edilen gerilmeler giderilerek parçanın işlenme yeteneği arttırılır. Makina parçaları 550 – 600°C sıcaklıklar arasındaki bölgeye yavaş erişecek şekilde ısıtılır ve burada yaklaşık 4 saat süre ile tavlanır. Soğutma parçanın bütün kısımları aynı sıcaklıkta kalacak şekilde yavaş yapılır. Sıcak dövülmüş ve dökülmüş çeliklere talaş kaldırma işleminden önce, dar toleranslı parçalara yüzey temizlemeden önce ve kaynak yapılmış parçalara uygulanır. Büyük kaynak konstrüksiyonlarında kaynak dikişinin yanındaki bölgeler, bölgesel olarak alevle tavlanır ve hemen arkasından su püskürtülerek gerilmeler giderilir. Gerilme giderme tavlaması, normalizasyon ve yumuşatma tavları ile birlikte de düşünülebilir. Bunun için normalizasyon veya yumuşatma tavı sırasında 600°C sıcaklıktan sonra yavaş soğutma gerilmeleri giderme için yeterlidir. Gerginlik giderme işlemi menevişleme ve ıslah etme olmak üzere iki şekilde yapılır. malzemebilimi.net
55
6.1.3.1. Menevişleme Çeliklere düşük sıcaklıklarda uygulanan bir ısıl işlemdir. Menevişleme ile çelikteki gergin yapı giderilerek darbe, sarsıntı ve vuruntulara daha dayanıklı hale getirilir. Sade karbonlu çeliklerde 100–300°C, alaşımlı çeliklerde 200-400°C sıcaklıklar arasında uygulanır. Menevişleme sırasında kristal kafesler içerisinde hapsedilmiş olan karbon atomlarının çok küçük bir kısmı ayrılarak serbest karbür tanecikleri oluşturur. 6.1.3.2. Islah Etme Su verilerek sertleştirilmiş çeliklerde dönüşme sıcaklığına yakın 400–675 °C sıcaklıklar arasında tavlamak şeklinde uygulanan bir ısıl işlemdir. Isıl işlemi ile yapıdaki martenzit tamamen yok edilerek özlü ve darbelere dirençli bir yapı elde edilir.
6.1.4. Difüzyon Tavı Yüksek sıcaklıklarda çelik birçok maddeyi çözündürme yeteneği olan austenitten meydana gelir. Çözünebilir bileşenlerin iç yapıda düzenli bir şekilde dağılmasını sağlamak amacıyla yapılır. Parça içerdiği karbon miktarına göre 1000 – 1300°C sıcaklıklar arasında uzun süre tavlanır ve sonra soğutulur. Difüzyon tavlaması, yüksek oranda kükürt içeren otomat çeliklerine uygulanır. Alaşım elementlerinin yüksek sıcaklıklarda ergiyen karbürleri eriyik içerisinde ilk önce katılaştıkları için kaba kristaller meydana getirirler. Difüzyon tavı ile bunlar daha düzenli olarak dağılırlar. Bu nedenle çözündürme veya dağıtma tavlaması da denir.
6.1.5. Yeniden Kristalleştirme Tavı Soğuk sekil değiştirme işlemlerinden sonra bozulan kristal yapıyı düzeltmek ve uzama yeteneğini yeniden kazandırmak amacı ile uygulanır. Çelik, kuvvetli bir soğuk sekil değiştirmeden sonra 500°C’de, zayıf bir soğuk sekil değiştirmeden sonra ise, yaklaşık 300°C’de yeniden kristalleştirilir. Yarı mamul malzemelerde (ince sac, tel, boru ve profil) soğuk sekil verme işlemi sırasında malzeme sertleştiği için işlemler arasında malzeme yeniden şekil değiştirilebilir hale getirilmelidir. Bu nedenle yapılan yeniden kristalleştirme tavlamasına ara tavlama da denilir. Derin çekme parçalarında düşük sekil değiştirmiş bölgelerin oluşmasına engel olunamaz. Bu bölgelerdeki iri taneli yapı, normalizasyon tavlaması ile giderilebilir. Kullanılan düşük karbonlu çeliklerde normalizasyon sıcaklığı yüksektir. Enerji sarfiyatının fazla olması nedeniyle bu gibi durumlarda yalnızca bir yeniden kristalleştirme tavlaması uygulanır.
malzemebilimi.net
56
7. SERTLEŞTİRME Sertleştirme, çeliklerin yapısını değiştirmek için yapılan kontrollü soğutmadır. Çeliklerin sertleştirilmesinde amaç malzemenin dayanımını arttırmaktır. Bu nedenle çelikler 700°C sıcaklığın üzerinde ısıtılır. Isıtma sırasında çelikteki bağlar kopar. Isıtılan çelik ani soğutma ortamında (suda ya da yağda) soğutulduğunda kopan bağlar ilk hallerine dönüşemediklerinden yeni bir doku elde edilir. Çeliğin ani soğutulması ile gerginlik kazandırılmış dolayısıyla malzeme sertleştirilmiş olur. Sertleştirilme sonucunda dayanım önemli ölçüde artar. Sade karbonlu çeliklerde dayanımı bu şekilde üç katına kadar çıkarmak mümkündür. Sade karbonlu çeliklerde su verme ile sağlanan sertlik, dönüşümün hızlı olması nedeniyle yüzeyde yüksek, çekirdeğe inildikçe düşüktür. Katkılı çeliklerde ise dönüşüm yavaş olduğundan çekirdeğe kadar sertleşme sağlanabilmektedir.
Şekil 7.1Sertleştirme ortamı (Serfiçeli, 2000)
7.1. ÇELİKLERİN SERTLEŞTİRİLMESİ Çeliğe özellik kazandıran en önemli ısıl işlem sertleştirmedir. Sertleştirme için çeliklerin austenit bölgesine kadar ısıtılması gerekir. Çelik bir ferrit-sementit alaşımıdır. Bu alaşımın karbon oranı %1,7’ye kadar bir ötektoit yapar. Ötektoit oranda karbon %0,085 ve sıcaklık 723°C dır. Ötektoit sıcaklık üzerinde çelik bir yapı değişimine uğrar. Isıl işlemine tabi tutulmadan önce çelik çift fazlıdır. Bu fazlar karbon oranına göre ferrit + perlit veya perlit + sementit’tir. Ötektoit sıcaklık üzerinde perlit yapı austenit’e dönüşür. Diğer fazlar ferrit ve sementit ise GSE çizgisi üzerinde dönüşmesini tamamlayarak austenit olur. Austenit karbon eritme özelliği olan 14 atomlu yüzey merkezli bir kristal yapıdır. Isı verilmeye başlandığında ötektik sıcaklık üzerinde perlit ve sementitin dönüşmesi sonucunda serbest kalan karbon atomları austenitik yapıda merkez boşluğuna girerek yerleşir ve katı eriyik meydana getirir. Isı arttıkça boşluklar büyüyeceğinden daha fazla karbon atomu eritme (içine alma) yeteneği kazanan kristaller %1,7’ye kadar karbon alacak duruma gelir. Çelik soğumaya başladığında işlem tersine işleyerek yine sementit ve perlit yapı oluşur. Hızlı soğutma yapılarak buna zaman verilmezse karbon atomları bulunduğu kristal kafes içerisinde kalmış olur. Yeni kristal yapı karbon eritme yeteneğine sahip olmadığı halde zoraki karbon atomu bulundurur. Fazladan karbon atomları olduğu için bu kristaller düzgün kübik şekilde olamazlar. Düzgün olmayan bu kristal yapı martenzit adını alır ve şekil bozukluğu gerginliklere neden olur. Sertliğin sebebi de budur. malzemebilimi.net
57
S (Bain) diyagramları herhangi bir çeliğin, hangi sıcaklıkta, hangi hızla, hangi yapıya dönüştüğünü belirleyen diyagramlardır (Şekil 7.2).
Şekil 7.2 S (Bain) diyagramı (Baydur, 1979)
7.2. SERTLEŞTİRME İŞLEMİNİN AŞAMALARI 7.2.1. Ön Isıtma Çelik malzeme oda sıcaklığından hemen su verme sıcaklığındaki fırına konulacak olursa, dış yüzeyler yüksek ısıyla karşılaşırken, iç kısımlar başlangıçta soğuk kalır. Bu sıcaklık farkı büyük iç gerilimlere ve sonucunda da çatlamalara neden olur. Bunu önlemek için çelik esas fırınlamadan önce, daha düşük sıcaklıktaki bir fırında ön ısıtmaya tabi tutulur. Ön ısıtma sade karbonlu çeliklerde 650-700°C, alaşımlı çeliklerde ise 800-900°C sıcaklıklarda yapılmalıdır. Ön ısıtmada zaman genellikle önemli değildir.
7.2.2. Austenite Dönüştürme Sade karbonlu çeliklerde austenite dönüştürme sıcaklığı perlitin dönüşme sıcaklığı olan 723°C ‘tır. Ötektoit üstü çeliklerde austenite dönüştürmek için SE çizgisinin üstüne çıkmaya gerek yoktur. Çünkü 723°C’ta perlit austenite dönüşmektedir. Sementitin austenite dönüştürülmesine gerek yoktur. Dönüşmede elde edilecek martenzit de sementit kadar serttir. Ancak ötektik altı çeliklerde bütün yapının austenite dönüşmesi gereklidir. Alaşımlı çeliklerde alaşım elemanlarının karbürlerinin erimesi için daha yüksek sıcaklıklar gereklidir.
7.2.3. Bekletme – Isı Emdirme Çeliklerin su verme sıcaklığında dönüşmesinin tamamlanması için bir süre bekletilmesi gerekir. Bu bekletme işlemi genellikle her cm kalınlık için 5 dakikadır. Katkılı çeliklerde dönüşüm daha geç olduğundan 20- 30 dakika daha fazla bekletme gerekir.
7.2.4. Sertleştirme- Martenzite Dönüştürme Su verme sıcaklığına kadar tavlanmış olan çelikler S diyagramında ki Ms çizgisine kadar soğutulacak olursa Martenzit yapı elde edilir. Sertleştirme genel olarak Austenit bölgesinden, elle tutulabilecek bir sıcaklığa kadar yapılır.
malzemebilimi.net
58
7.3. SU VERME Martenzit yapı elde etmek için ısıtılan çeliğin hızla soğutulması için yapılan işlemlere genel olarak su verme adı verilir. Çeliklerin sertleştirilmesinde çeşitli soğutma sıvıları kullanılır. Çizelge 7.1’de soğutma maddeleri ve hızlarını görülmektedir. Soğutma ortamı Perlit bölgesi Ms sınırında 723 – 550°C 200°C %10 tuzlu su 1.96 0,98 Su 0°C 1,06 1,02 Su 18°C 1,00 1,00 Cıva 0,78 1,62 Hızlı soğutma yağı 0,27 0,04 Yavaş soğutma yağı 0,14 0,02 %10 yağ emülsiyonlu su 0,11 1,33 Su 100°C 0,044 0,71 Hava 0,03 0,007 Vakum 0,011 0,004 Çizelge 7.1 Soğutma sıvılarının soğutma hızları (Baydur, 1979) Sertleştirmede su verme işlemi iki şekilde uygulanır. 1-Basit su verme 2- Kademeli su verme
Şekil 7.3 (Baydur, 1979) Basit su verme, en basit ve en fazla uygulanan yöntemdir. Sertleştirilecek çelik su verme sıcaklığına kadar ısıtıldıktan sonra su veya yağ banyosuna daldırılmak suretiyle hızla soğutulur. Soğutma banyosu uygun seçilmezse çatlama ve çarpılmalar olabilir. Kademeli su verme yönteminde ise su verme sıcaklığına çıkarılmış çelik perlit burnuna (Şekil 7.3) kadar hızla soğutulduktan sonra bu ısıda bir süre bekletilir. Kademeli su verme iki şekilde yapılır. 1. Austemperleme: Bu işlemde çelik hızla perlit burnuna kadar soğutulup, bu ısıda dönüşüm sağlanıncaya kadar bekletilir. Austemperleme sonucu elde edilen yapı, sünekliği yüksek, darbe ve vuruntulara dayanıklıdır. 2. Martemperleme: Bu işlemde ise perlit burnunun altına kadar hızla soğutulan çelik bir süre bekletilir. Dönüşüme başlamadan hızla tekrar soğutulur. Martemperleme ile çelik yine martenzit yapıda olmakla beraber iç gerginlikleri az, çatlama ve çarpılmalar en az düzeye inmiş olur. malzemebilimi.net
59
7.3.1. Su Vermede Kullanılan Sıvılar Çeliklerin sertleştirilmesinde çeşitli soğutma sıvıları kullanılır. Kullanılan sıvılar genellikle su, tuzlu su, özel eriyikler, ergimiş tuz ve kurşun banyolarıdır. 7.3.1.1. Su En ucuz ve basit su verme ortamıdır. Çeliği büyük bir hızla soğutur. Soğutma hızı yağdan üç kat daha fazladır. Sade karbonlu çelikler için en uygun soğutma sıvısı sudur. Su ile sertleştirmede soğutma hızının yüksekliğinden ileri gelen iç gerginlikler çeliğin çatlamasına ve çarpılmasına neden olabilir. Büyük parçalar için su sıcaklığı 10°C, Karışık şekilli parçalar için ise 27°C civarında olmalıdır. Genellikle su sıcaklığı 18 – 20°C olur. 7.3.1.2. Tuzlu Su Ağırlık oranı bakımından %10 yemek tuzu karıştırılmış sudur. Korozyona neden olabileceğinden yaygın olarak kullanılmaz. Su verme işleminden sonra parçaların yıkanması gerekir. Tuz suyun kaynama noktasını yükselttiğinden buharlaşmayı azaltır ve daha iyi sertleşme sağlar. 7.3.1.3. Özel Bileşikler %10 Sodyum Hidroksitli (Na OH), Sülfürik asitli veya Potasyum Hidroksitli (P OH) su banyolarıdır. En hızlı soğutma sağlayan banyolardır. Su verme işleminden sonra çelik yüzeyinin parlak kalmasını sağlar. 7.3.1.4. Yağlar Yağda sertleştirmede, çeliklerde daha az iç gerginlik doğar. Buna bağlı olarak da çatlama ve çarpılmalar da daha az olur. Yüksek sıcaklıklarda ayrışmayan madeni yağlar kullanılır. 7.3.1.5. Ergimiş Tuz ve Metal Banyoları Bazı çelik türleri için 200 – 600°C sıcaklıklar arasında ergiyik tuz ve metal banyoları kullanılmaktadır. Tuz banyolarındaki soğutma hızı yağ banyosundan daha üstündür. Yapılan araştırmalarda 250 °C sıcaklıktaki tuz banyosu 20°C sıcaklıktaki yağ banyosu ile aynı soğutma hızına sahiptir.
7.4. YÜZEY SERTLEŞTİRME Sertleştirilmesi istenen makine elemanlarının çalışma şartları göz önüne alınırsa, tümüyle sertleştirilmesinin istendiği durumlar yanında, sadece gerekli kısımlarının sertleştirilmesi de istenebilir. Genellikle makine parçalarında aşınmaması gereken yüzeylerin sertleştirilmesi gereklidir. Darbeli ve vuruntulu çalışma koşulları için çeliğin özlü olması; özlü olabilmesi için de çekirdeğine kadar sertleşmemesi gereklidir. Bu nedenle çelikler yalnız yüzeyde ince bir katmanın sertleştirilmesi ile çalışma koşullarına uygun hale getirilirler. Bu işleme de yüzey sertleştirilmesi denir. Yüzey sertleştirme işlemleri iki gruba ayrılır. 1. Yüzeyin kimyasal bileşimini değiştirerek yapılan yüzey sertleştirme 2. Yüzeyin kimyasal bileşimini değiştirmeden yapılan yüzey sertleştirme
7.4.1. Yüzeyin Kimyasal Bileşimini Değiştirerek Yapılan Yüzey Sertleştirme Çekirdeğine kadar sertleşme yeteneğine sahip olmayan çeliklere uygulanır. Sertleşmeye yetecek kadar karbonu olmayan bu çeliklerin yüzeyine ince bir katmanın sertleşmesine yetecek karbon veya azot verilir. Yüzeyde ince bir katmanın kimyasal bileşimi sertleşme yeteneği kazanacak kadar değiştirilir. Bu şekildeki yüzey sertleştirme sementasyon veya nitrürasyon işlemleri ile sağlanır.
malzemebilimi.net
60
7.4.1.1. Sementasyon Karbürasyon adı da verilen bu yöntemle çelik yüzeyine atomik difüzyon yolu ile karbon atomları emdirilir. Çelik yüzeyinin karbon oranı yükseltilerek sertleşme yeteneği kazandırılır. Bu işleme sementasyon denir. Sementasyon işlemi ile yüzeyde 1- 3 mm’lik bir katman karbon emdirilerek sertleştirilir. Sementasyon Çeşitleri Katı Sementasyon Katı karbon verici maddeler kullanılarak yapıla sementasyondur. Karbon verici maddeler meşe kömürü, kok ya da linyit, kemik kömürü, deri, kösele, tırnak ve boynuz talaşlarıdır. Sementasyon edilecek parça katı karbon vericilerle zel çelik kasalar içerisine yerleştirilip kapatılır. Çelik parçaların etrafı en az 30 mm kalınlığında sementasyon maddesi ile kaplanmış olmalıdır. Kasanın kapağı sızdırmaz bir şekilde kapatılarak, kasa fırına yerleştirilir. Fırın sıcaklığı 875 – 950°C olmalıdır. Sementasyon kasası fırında 8 – 16 saat süre ile bekletilir. Bunun sonucunda malzeme yüzeyi yeterli oranda karbon emerek sertleşmiş olur (Şekil 7.4). Gaz Sementasyon Gaz sementasyon özel fırınlarda cıvata, vida, pim gibi küçük makine parçalarına uygulanır. Gaz sementasyonda metan, etan, asetilen, hava gazı v.b. gaz karbon vericiler kullanılır. Gaz sementasyonu uzun zaman alır, buna karşılık kabuk ince olur. Fırına gönderilen karbon verici gaz, sementasyon sıcaklığında karbon atomlarını çeliğe vererek etki eder ve kabuktaki karbon yüzdesinin yükselmesini sağlar (Şekil 7.4). Sıvı Sementasyon Sıvı karbon vericilerle yapılan sementasyon işlemidir. Sodyum Siyanür (Na CN), Potasyum Siyanür (K C N), Kalsiyum Siyanür (N2) sıvı sementasyon işleminde kullanılan bileşiklerdir. Bu maddeler ergitilerek sıvı hale getirilir. Çelik parçalar 800 – 875°C sıcaklığa kadar ısıtılıp sıvı siyanür banyosuna daldırılır. Bu banyoda 15 – 45 dakika bekletilir. Bu süre içerisinde malzeme yüzeyinin sertleştirilmesi gerçekleşir. Ekonomik olduğu için en fazla kullanılan yöntemdir. Sıvı sementasyona Siyanür banyosu adı da verilir (Şekil 7.4).
Şekil 7.4 Sementasyon (Erdoğan, 1999)
malzemebilimi.net
61
7.4.1.2. Nitrürasyon Az karbonlu ve az katkılı (krom, molibden ve alüminyumlu) çeliklere uygulanan yüzey sertleştirme yöntemidir. Sementasyondan farklı olarak çelik yüzeyine karbon yerine azot atomları emdirilir. Azot atomları çelik yüzeyinde bir nitrür tabakası oluştrur. Bu tabaka ayrıca sertleştirmeye gerek olmayan sert olan bir katmandır. Nitrürasyon fırınlarının sıcaklığı 450 – 540°C’dir ve fırından sürekli amonyak gazı geçirilir. Nitrür tabakasını, parçalanan amonyak gazından serbest kalan azot atomları çelik yüzeyine girerek oluşturur. Bu oluşum 72 saatte gerçekleşir. Elde edilen bu tabaka yüksek sıcaklıklarda da sertliğini korur.
7.4.2. Yüzeyin Kimyasal Bileşimini Değiştirmeden Yapılan Yüzey Sertleştirme (Isı Birikimi İle Yüzey Sertleştirme) Yapısında sertleşmeye yetecek kadar karbon bulunan çeliklere uygulanan yüzey sertleştirme yöntemidir. İçerisinde %0,35 – 0,70 karbon bulunan çeliklerin yüzeylerinde ince bir katmanın sertleştirilmesi işlemidir. Çeliklerin merkez kısmı değişime uğratılmadan yüzeyde bir tabakanın sertleştirilmesi ısı birikimi ile yapılır. Çeliğin ısı iletme yeteneği düşüktür. Kuvvetli ısı verilirse bu ısı yüzeyle aynı ölçüde iç kısımlara geçmez, yüzeyde birikir ve kısa zamanda bu kısım sertleştirme sıcaklığına yükselir. Su verme sıcaklığına ulaşıldığında su ve yağ püskürtülerek soğutma iki şekilde yapılır. Alevle yüzey sertleştirme Endüksiyon akımı ile yüzey sertleştirme 7.4.2.1. Alevle Yüzey Sertleştirme İçerisinde karbon oranı %0,35 – 0,70 arasında bulunan krom-nikelli, krom-molibden katkı elemanlı ve sade karbonlu çeliklere uygulanır. Sertleştirilecek yüzey, alev yardımı ile kısa zamanda su verme sıcaklığına kadar ısıtılır. Isıtılan yüzeye su püskürtülerek soğutma işlemi yapılır. Yapılan bu işlemle yüzeyde 1 –3 mm kalınlıktaki bir kısım sertleştirilmiş olur. Alevle yapılan yüzey sertleştirme işlemi fırına sığmayacak kadar büyük parçalara uygulanır (Şekil 7.5).
Şekil 7.5 Alevle yüzey sertleştirme (Erdoğan, 1999) 7.4.2.2. Endüksiyon Akımı İle Yüzey Sertleştirme Frekansı 10.000 – 1.000.000 arasında değişen bir akımın geçtiği sargılar arasına konulan çelik parçalar çok kısa bir zamanda yüzeyden ısınırlar. Akım kesilip, ısınan yüzeye su püskürtülerek soğuması dolayısıyla sertleşmesi sağlanmış olur. Krank milleri, dişliler, miller v.b. parçalar bu yöntem ile sertleştirilir. Parça yüzeyinden ince bir tabaka sertleştiği için parçada iç gerginlik meydana gelmez(Şekil 7.6).
Şekil 7.6 Endüksiyonla yüzey sertleştirme (Erdoğan, 1999)
malzemebilimi.net
62
8. KOROZYON Madensel malzemelerin dış etkenlerle aşınmasına korozyon adı verilir. Bir başka deyişle malzemenin çevresi ile girdiği kimyasal ya da elektrokimyasal reaksiyonlar sonucu gördüğü zarara KOROZYON denir. Ancak metallerin birbirleriyle sürtünmeleriyle oluşan aşınma korozyon değildir. Korozyon yüzeyde başlar. Malzemenin özelliğine göre yüzeyde kalabilir ya da derinlere işleyebilir ve bir süre sonra malzemeyi kullanılamaz hale getirir. Korozyon şu yollarla oluşur. 1- Malzeme yüzeyden korozyona uğrar (Demirin paslanması). 2- Alaşımlarda alaşım elemanlarından birisi korozyona uğrar. 3- Vida, perçin ve kaynaklı birleştirmelerde temas noktalarında korozyon oluşur. 4- Farklı malzemelerin birbirleriyle temasları sonucunda korozyon oluşur. 5- Yüksek gerilim altındaki malzemelerde korozyon oluşur.
8.1. KOROZYON ÇEŞİTLERİ Korozyon kimyasal ve elektrokimyasal olmak üzere meydana geliş şekli bakımından ikiye ayrılır.
8.1.1. Kimyasal Korozyon Metalik malzemelerin, korozyona sebep olan bir malzemenin doğrudan etkisinde olmaksızın, kendi kendine bazı maddelerden etkilenip kimyasal bileşikler oluşturarak aşınmasına kimyasal korozyon denir. Kimyasal korozyon zıt elektrik yüklü iyonların birbirlerini çekmeleri sonucunda kimyasal bileşik oluşturmalarıdır. Madensel malzemelerin oksijen, kükürt, azot, yoğun asitler, bazlar ve tuzlar tarafından aşındırılması bir kimyasal korozyondur. Metallerin kimyasal bileşik yapması yüksek sıcaklıklarda olabildiği için kimyasal korozyon sık görülmeyen bir korozyon türüdür. Kimyasal korozyon normal havanın, endüstriyel havanın, deniz suyunun etkisi ile oluşur. Normal hava oksitlenmeye, endüstriyel havada bulunan gazlar (CO2, SO2, H2S, NH3, NO2 ) havanın nemi ile birleşip asitleri oluşturarak aşınmaya, deniz suyu ise içindeki tuz ile deniz araçlarının zarar görmesine yani korozyona neden olur.
malzemebilimi.net
63
8.1.2. Elektrokimyasal Korozyon Madensel malzemelerin elektrik akımı ile aşınmasıdır. Elektrokimyasal korozyonun olabilmesi için elektrik akımının oluşabileceği bir ortamın (iletken ve elektrolit) var olması gerekir. Elektrolit; su, nem ya da ter olabilir. Elektrokimyasal korozyon genellikle kimyasal olaylardan doğar. Elektrokimyasal Korozyon Çeşitleri Elektrokimyasal korozyon, iki metalin birbirine değmesiyle, metali kendi içerisinde, dışarıdan aldığı veya malzemenin kristalleri arasındaki meydana gelen bir elektrik akımı ile oluşabilir. 8.1.2.1. Değme Yoluyla Korozyon Elektrolit bulunan bir ortamda iki metal temas halinde olursa değme noktasında bir elektrik akımı oluşur. Elektrokimyasal gerilimi az olan metal diğerini aşındırır. Bu tip korozyon değme yoluyla korozyondur. 8.1.2.2. Kendi Kendine Korozyon İki metalin bir arada bulunmadığı, bir tek metalin kendi kendine korozyona uğramasıdır. Kendi kendine korozyon dört şekilde oluşur. Korozyondan korumak için yapılan örtünün hatalı olmasından, Metal veya alaşım yapısının homojen olmamasından, Metal yüzeyinde yabancı maddeler bulunmasından, Kaynak noktalarındaki dikişin farklı özellikte oluşundan. Dökmedemirde grafitin katot olması sonucunda da aşınma meydana gelir. Bir malzemenin üzerinde biriken is de korozyona nedendir. Bu tip korozyonlar kendi kendine korozyondur. 8.1.2.3. Dış Akımlardan Doğan Korozyon Bir metalden doğru akım geçecek olursa akımın kaynağı anot olacağı için malzeme sürekli zarar görür. Bu şekildeki korozyona elektrik direklerinde, yeraltı kablolarında, gemilerde ve elektrik santrallerinde rastlanır. 8.1.2.4. Kristaller Arası Korozyon Metal alaşımlarında görülen en tehlikeli korozyondur. Farklı elektrokimyasal gerilime sahip kristaller arasında piller oluşur ve malzemeyi içten korozyona uğratır. Kristaller arası korozyon tehlikelidir, çünkü malzemenin yüzeyinde korozyon görülmez ve bir süre sonra birden bire parçalanma olur.
malzemebilimi.net
64
8.2. KOROZYONDAN KORUNMA İş parçalarının ve makine parçalarının kullanım süreleri ve işletme güvenliği çoğu kez korozyon olayının önlenmesine bağlı olur. Korozyondan korunmanın tüm yöntemleri, ya pil oluşumunu, ya da kimyasal çözülme etkisi gösteren malzemenin etkisini önleme amacıyla geliştirilmiştir. Madensel malzemelerde korozyondan korunma dört şekilde sağlanır. 1- Alaşım yaparak 2- Korozyona neden olan cisimleri uzaklaştırarak 3- Katodik koruma yolu ile 4- Kaplama yolu ile
8.2.1. Alaşım Yaparak Korozyondan Koruma Korozyondan korumak istenilen malzemenin içerisine başka malzemeler katarak koruma yapılır. Korozyondan korunmada en güvenilir yol olmasına rağmen pahalıdır. Korozyon yüzeyde oluştuğu halde alaşım yapılarak malzemenin tamamı korozyondan korunur. Örneğin çeliğe krom katılarak korozyon önlenir.
8.2.2. Korozyona Neden Olan Cisimleri Uzaklaştırmak Korozyondan korunmada güvenli bir yol olmasına rağmen kullanımı her zaman mümkün değildir. Kimya endüstrisinde kimyasal maddelerle teması kesmek, kalorifer kazanlarında kazan sacı ile suyun temasını, ısı işlemleri yaparken yüksek sıcaklıklarda havanın oksijeni ile çeliğin temasını önlemek her zaman mümkün değildir. Örneğin suyun demirle temasını kesmek için oto radyatörlerinde %0,6 oranında potasyum kromat katılarak korozyon önlenebilir.
8.2.3. Katodik Koruma Elektrokimyasal korozyon malzemenin iyonlaşarak üzerinde toplanan elektronları başka bir iletkene vermesi ile tekrar iyonlaşarak aşınması olayıdır. Eğer malzemeye dışarıdan elektron verecek olursak malzemenin iyonlaşması önlenmiş olacak ve korozyon oluşmayacaktır. Sonuç olarak bu şekilde korunacak malzemeye dışarıdan akım vermek katodik korumanın bir yoludur. Başka bir yol ise korozyondan korumak istediğimiz malzemeye daha aktif bir malzeme bağlamaktır. Bu şekilde daha aktif olan malzeme korozyona uğrayacak, kullandığımız malzeme zarar görmeyecektir.
8.2.4. Kaplama İle Koruma Korozyondan korumada en çok kullanılan yöntemdir. Korunmak istenen malzeme uygun bir kaplama maddesi ile kaplanır. Korozyondan koruma örtüleri üç çeşittir. Her üç yöntemde de korozyondan koruma örtüsü yeterli kalınlıkta ve dayanımda olmalı ve gözenek bulunmamalıdır. 8.2.4.1. Madensel Koruyucu Örtüler Çinko, krom, kadmiyum, kalay, kurşun, nikel, bakır gibi madenlerle yapılan yüzey kaplama yöntemidir. Bu madenler korozyonu önleyecek kalınlıkta ve gözeneksiz olarak elektroliz, ergitilmiş banyolara daldırmak, ergiterek yüzeye püskürtmek suretiyle korunacak yüzeye kaplama şeklinde uygulanır. 8.2.4.2. Organik Koruyucu Örtüler Yağlıboya, vernik, lak, katran, yağ, kauçuk, plastik gibi organik maddelerle yapılan kaplama işlemidir. Bu maddeler korozyon etkisine sahip ortamla malzemenin temasını keserek koruma sağlarlar. 8.2.4.3. İnorganik Koruyucu Örtüler Çimento, emaye gibi organik olmayan maddelerle yapılan kaplamadır. malzemebilimi.net
65
9. DEMİR OLMAYAN METALLER Demir olmayan metaller metal işleme endüstrisinde birçok ürünün imalatı için gerek duyulan metallerdir. Metaller özgül ağırlığı suyun özgül ağırlığının beş katından fazla olanlar ağır metaller, daha az olanlar hafif metaller olarak iki ana gruba ayrılır. Başka bir deyişle özgül ağırlığı 5 kg/dm3’den fazla olanlar ağır metaller, 5 Kg/dm3’den az olanlar hafif metaller sınıfına girer (Erdoğan, 1999) Önemli ağır metaller; bakır, çinko, kalay, kurşun, nikel, krom, wolfram, molibden, kobalt, manganez, antimon, kadmiyum, bizmut, cıva ve soy metaller olarak da gümüş, altın, platin sayılabilir. En önemli hafif metaller ise; alüminyum, magnezyum, titan, berilyumdur. Bu metaller tek başlarına dayanımı az ve yumuşaktırlar. Alaşım yapılarak özellikleri iyileştirilir ve istenilen özelliklere ulaşırlar. Sertlik ve dayanım artar, uzama azalır. Elektrik iletimi, korozyon direnci genellikle kötüleşir. Talaş kaldırma işlemleri kolaylaşır.
9.1. BAKIR Bakır doğada saf veya bileşik şeklinde bulunan, ısı ve elektriği iyi ileten, kolay işlenebilen, korozyona dayanıklı bir metaldir. Kimyasal simgesi Cu, özgül ağırlığı 8,93 kg/dm3, ergime ısısı 1083°C, çekme dayanımı 1600 kg/cm2’dir. Bakır doğada saf olarak bulunabildiği gibi, halkopirit, azurit, malahit, bornit, halkozin, kurpit, tedrahit gibi filizler şeklinde de bulunabilir.
9.1.1. Bakır Alaşımları Bakır, endüstride alaşımları yapılarak kullanılır. Bakır alaşımları genel olarak aşağıda sıralanan özelliklere sahiptir. Yüksek dayanıma sahip ve serttir. Soğuk biçimlendirme ile mekanik özellikleri geliştirilebilir ve ısı işlemlerine elverişli hale getirilir. Döküme elverişlidir. Korozyon dirençleri daha fazladır. Çinko ile yaptığı alaşım daha ucuzdur. Bakıra göre daha elastikidir. Bakır birçok metalle alaşım yapar. Bu alaşımların en önemlisi çinko ile yaptığı alaşım sonucu meydana gelen pirinçtir. Pirinç, bakır oranı en az %50 olan ve en çok kullanılan bakır alaşımıdır. Bakır oranı ne kadar artarsa o kadar iyi talaşsız ya da soğuk şekillendirilebilir. Bakırın çok kullanılan bir diğer alaşımı Kalayla yaptığı ve tunç olarak da bilinen bronzdur. Sert, dayanıklı, korozyondan etkilenmeyen bir metaldir. Bu özelliklerinden dolayı çevre etkilerinin yoğun olduğu yerlerde kullanılır. Bronz içerisindeki kalay oranı arttıkça dayanım artar, ancak gevrekleşir ve üretim maliyeti artar.
malzemebilimi.net
66
9.1.1.1. Alaşım Dökme Bakır Alaşımları % ağırlık oranı Kızıl döküm Bakır 85 Çinko 5 Kalay 5 Kurşun 5
Kullanma alanları Dişliçark yapımında
Sarı döküm
Süs eşyası dökümlerinde
Bakır 60 Çinko 38 Kalay 1 Kurşun 1
Döküm mangan bronzu
Bakır 58 Çinko 39,7 Alüminyum 1 Demir 1 Manganez 0,3 % 10’luk alüminyum bronzu Bakır 86 Demir 3,5 Alüminyum 10,5
Pervane göbekleri Dişliçarklar, yataklar, burçlar
Kurşunlu kalay bronzu
Bakır 88 Çinko 4,5 Kalay 6 Kurşun 1 Valfler, dişliçarklar, yataklar
Gun metal
Bakır 88 Çinko 2 Kalay 1
Cıvatalar, pompa parçaları
% 10‘luk alüminyum bronzu Bakır 86 Demir 3,5 Alüminyum 10,5 kum döküm, sertleştirilmiş
Alüminyum bronzları sertleştirilebilme özelliğine sahiptir.
Çizelge 9.1 Dökme bakır alaşımları 9.1.1.2. Alaşım Dövme Bakır Alaşımları % Ağırlık oranı 1-Yıldız metali Bakır 95 Çinko 5
Kullanma alanları Para ve altın kaplama alaşımlar
2- Ticari Bronz
Bakır 90 Çinko 10
Ucuz ziynet eşyası
3- Kızıl pirinç
Bakır 85 Çinko 15
Su tesisat malzemeleri
4- Adi pirinç
Bakır 80 Çinko 20
Müzik aletleri, pompa v.b.
5-Kartuş pirinci
Bakır 70 Çinko 30
Radyatör, tulumba v.b.
6-Sarı pirinç
Bakır 65 Çinko 35
Reflektör, yay, bağlayıcılar
7-Muntz metal
Bakır 60 Çinko 40
Valf gövdeleri, cıvata, somun
8- Kurşunlu adi pirinç
Bakır 64,5 Çinko 35 Kurşun 0,5
Su tesisatı v.b.
9- Kurşunlu orta pirinç
Bakır 64 Çinko 35 Kurşun 1
Dişliçark, vida v.b.
10-Otomat pirinci
Bakır 62 Çinko 35 Kurşun 3
11- % 5’lik alüminyum Bakır 95 Alüminyum 5 bronzu 12- Manganez bronzu Bakır 58,5 Çinko 39,2 Kalay 1 Demir 1 Manganez 0,3 13-Fosfor bronzu % 5’lik Bakır 94,8 Kalay 5 Fosfor 0,2
Korozyona dayanıklı boru tesisatı
14-Fosfor bronzu % 10’luk Bakır 89,8 Kalay 10 Fosfor 0,2
Köprü yatak yayları, özel yaylar
Pervane göbekleri Diyaframlar, anahtarlar
Çizelge 9.2 Dövme bakır alaşımları
malzemebilimi.net
67
9.2.ALÜMİNYUM Alüminyum saf iken dayanımı az, işlenebilirliği kolay, çabuk oksitlenen, oksitlenme ile sert bir yüzey tabakasına sahip olan, ısı ve elektrik iletkenliği iyi olan bir metaldir. Kimyasal simgesi Al, özgül ağırlığı 2,7 kg/dm3, ergime ısısı 658°C, çekme dayanımı 90-120 kg/mm2, genleşmesi %3,25’dir. Doğada filizler şeklinde çok bulunan (yer kabuğunun yaklaşık %6’sı), demir dışındaki metaller içerisinde üretim ve kullanım miktarı açısından başta gelen hafif bir metaldir. Çok kullanılmasının sebebi ise işlenebilirliği, hafifliği, ısı ve elektrik iletkenliği, korozyon direnci, yeniden kullanılabilirliği gibi özellikleridir.
9.2.1. Alüminyum Alaşımları Saf alüminyumun yumuşak, dayanımının düşük oluşu nedeni ile kullanım alanı sınırlıdır. Bu nedenle alüminyum, mekanik özelliklerini iyileştirmek için alaşım yapılarak kullanılır. Alaşım sayesinde ısıl işlemlere de elverişli hale getirilir. Soğuk ve sıcak olarak biçimlendirilmesi kolay, makinede talaş çıkartılması zordur. Makine ile yapılan işlemede yüksek hız ve özel keskin takımlar kullanılır. Alüminyum, alaşım yapılarak kullanım alanı genişleyen, ısıl işlem sayesinde de (sertleştirme) 600 N/mm2 dayanıma ulaşabilen bir metaldir. Sertleştirilemeyen alüminyum ise özellikle deniz suyuna dayanıklıdır. Otomat alüminyumu içerisinde %5,5 bakır, %0,5 kurşun ve %0,5 bizmut bulunan alüminyum alaşımıdır. Makinede kolayca işlenebilir. Alüminyum alaşımları İkiye ayrılır. 9.2.1.1. Dökme Alüminyum Alaşımları Döküm yapılarak kum ya da madeni kalıplarda elde edilen alaşımlardır. Özellikleri döküm şekline göre değişir. Alüminyum başta bakır, silisyum, manganez ve çinko olmak üzere birçok metal ile alaşım yapar. Mimaride, süslemecilikte, deniz motorları gövde ve blokların yapımında, motor parçalarında ve korozyona dayanım isteyen yerlerde silisyumlu alaşım kullanılır. Manganezle yaptığı alaşımda korozyon direnci açısından üstün özelliklere sahiptir. Çinko ile yaptığı alaşım ise ağır, ucuz, sertlik açısından oldukça iyi, ancak korozyon direnci düşüktür. Dökme alüminyum alaşımlarından, %11-13,5 silisyum, %0-0,5 magnezyum içeren dökme alüminyum alaşımı, çok iyi döküm özelliği gösterir. Talaşlı işçiliği iyi ve korozyon direnci yüksektir. Zorlanan ince kenarlı ve çarpmalara dayanıklı parçaların imalatında kullanılır. %9-11 silisyum, %0,2-0,4 magnezyum ve %0-0,5 manganez içeren dökme alüminyum alaşımı, yüksek zorlanmalı, ağır ve titreşimli çalışacak parçalar için dökülür. Kaynak edilebilir ve korozyona dirençlidir. %11 silisyum içeren alüminyum alaşımı ise aşınmaya karşı oldukça dirençlidir. 9.2.1.2. Dövme Alüminyum Alaşımları Dövme alüminyum alaşımları, dökme alüminyum alaşımlarından daha üstün mekanik özelliklere sahiptir. Bu üstünlük dövme, haddeleme, çekme ve ısı işlemlerinden sonra oluşur. Bu işlemler alüminyumun yapısını inceltir ve daha homojen bir yapı oluşturur. Dövme alüminyum alaşımları üç aşamada elde edilirler. Döküm yolu ile önce büyük bloklar elde edilir. Daha sonra 300 – 500°C sıcaklıklarda soğuk veya sıcak çekme, haddeleme ile uygun profiller haline getirilir. Gerektiği zamanlarda ısıl işlemler uygulanır. %3,5–4,9 bakır, %0,2–1,9 magnezyum, %0,3–1,1 manganez içeren dövme alüminyum alaşımları otomat tezgâhları için uygundur. % 0,6-1,6 magnezyum, %0,6-1,6 silisyum, % 0,2-1 manganez, %0-0,3 krom içeren alaşım ise iyi bir korozyon direncine sahiptir. Aynı alaşıma toplam %1–3 kadar kurşun, kalay, bizmut ve kadmiyum katılırsa talaşlı işlemler için uygun hale gelmektedir. %0,6–7,2 magnezyum, %0–0,6 manganez, %0–0,3 krom içeren alüminyum alaşımı dönen parçaların talaşlı işlemleri için uygundur. Özellikle optik ve hassas alet endüstrisinde kullanılır. malzemebilimi.net
68
9.3. ÇİNKO Doğada en fazla bulunan metallerdendir. Korozyon direnci yüksek, ancak kimyasal etkilere direnci olmayan bir metaldir. Doğadaki çinko filizlerinin en önemlileri sphalerite, willemite, franklinite, zincite’dir. Kimyasal simgesi Zn, özgül ağırlığı 7,133 kg/dm3, ergime ısısı 419°C’dır. 930°C sıcaklıkta buharlaşır. Katkı elemanı olarak pirinç ve bronz üretiminde, pil yapımı, inşaat levhası, su boruları, en çok da çeliklerin korozyona karşı dayanımı için kaplanması işlerinde kullanılır.
9.3.1. Çinko Alaşımları Çinkoda en fazla %1,6 kurşun, %0,8 demir, %0,75 kadmiyum bulunabilir. Dünya da üretilen çinko en çok galvanizlemede, kalıpçılıkta ve pirinç yapımında kullanılır. Çinko bunların dışında değişik amaçlarla da kullanılmaktadır. Galvanizleme: Demirin çinko ile kaplanmasıdır. Galvanizleme demirin korozyondan korunması amacıyla yapılır. Demir yüzeyinin çinko ile kaplanmasında, ergiyik çinko içerisine önceden temizlenmiş demiri daldırmak, elektrolizlemek ya da toz çinko içerisinde ısıtılması, parça yüzeyine çinko püskürtülmesi yöntemleri uygulanır.
9.4. NİKEL Nikel, gümüşi beyaz renkte, yüksek dayanım ve genleşme özelliğine sahip, korozyona oldukça dayanıklı, soğuk işlenebilen, kaynak edilebilen, lehim yapılabilen, talaşlı işlenemeyen bir metaldir. Magnetik ve ısı iletkenliği yüksektir. Kimyasal maddelere, özellikle de asitlere karşı dayanıklıdır. Kimyasal simgesi Ni, özgül ağırlığı 8,85 kg/dm3, ergime ısısı 1453°C, çekme dayanımı 400–800 N/mm2’dir. Bakır, demir, manganez filizlerinde nikel bulunur, ancak üretimin %85’i sülfürlü filizlerden elde edilir.
9.4.1. Nikel Alaşımları Ana maddesi nikel olan alaşımlarda en az % 50 nikel bulunur. En önemli nikel alaşımı monel’dir. İçerisinde 2/3 nikel, 1/3 bakır bulunan bu alaşıma alüminyum ve titan da katılabilir. Bu şekilde özellikleri daha da iyileşir. Monel ısı işlemi ile sertleştirilebilir. Soğuk biçimlendirme ile dayanımı ve sertliği yükselir. Sertliği 85 – 100 Rb olan monel malzemeden yapılan 0,75 mm ve daha küçük çaplı tellerde dayanım 10.000-14.000 kg/cm2’dir. Nikelli alaşımlar genellikle; nikel-krom, nikel-krom-demir, nikel-molibden alaşımları şeklinde olur. inkonel adı verilen Nikel-Krom-Demir alaşımlarının (%80 Ni, %20 Cr veya %60 Ni, %15 Cr+Demir) elektrik direnci ve ısı dayanımı yüksektir. İnkonel alkalilere, organik bileşiklere, amonyak, hidrojen, azot, karbondioksit gazlarına ve buhar etkilerine büyük dayanım gösterir. Sementasyon kasaları, süt pastörizasyon kapları, fotoğraf banyo küvetleri, fotoğraf makinası parçaları, pompalar, miller, makaralar, tekstil makinaları imalatında kullanılır. Nikel – Molibden alaşımları çok miktarda demir içerir. Dayanım bakımından alaşımlı çeliklerle karşılaştırılabilir. Tuz asiti ve nemli tuz asiti gazlarına büyük dayanım gösterir. 800°C sıcaklıklarda atmosfer etkilerine dayanıklıdır. Kullanma Alanları: Nikel ısı ve korozyona dayanıklı olması nedeniyle galvenize kaplamalarda, alaşımlı çeliklerin üretiminde, kimya endüstrisinde kullanılan araç-gerecin yapımında saf veya alaşım elemanı olarak kullanılır. Nikelin alüminyum, magnezyum ve berilyum ile yaptığı alaşım ısıtıcı elemanların imalatında, yüksek dayanım ve genleşme özelliği nedeniyle yaylarda, uçak endüstrisinde kullanılan perçinlerde tercih edilir. En önemli ve yaygın kullanım yeri ise Nikel-Krom-Molibdenli yüksek ısıya ve korozyona dayanıklı çeliklerin üretimidir.
malzemebilimi.net
69
9.5. KALAY İyi korozyon direnci nedeniyle çelik sacların kaplama malzemesi (Teneke ve konserve kutuları) olarak kullanılması önemlidir. Asit ve bazlardan etkilenir. 10°C’nin altında yüzeyde gri toz halinde bir tabaka oluşur. Kimyasal simgesi Sn, özgül ağırlığı 7,3 kg/dm3, ergime ısısı 232°C, Çekme dayanımı 40–50 N/mm2 uzaması %40’dır. Kalay çelik sacların kaplanmasında, teneke üretiminde, lehim ve alaşımlarda kullanılır. 0,008 – 0,2 mm kalınlıklarda yaprak halinde üretilebilir. En önemli alaşımı lehimdir (Örneğin L-Sn 60 Pb). Lehimde % 12 - 90 arası kalay ve geri kalanı kurşun, antimon ya da kadmiyum bulunur. Kalay kayma ve yük taşıma özelliği bakımından yatak metali (beyaz metal) olarak da kullanılır.
9.6.
KURŞUN
Kuşun, asitleri de içeren iyi bir korozyon direncine sahiptir. Kurşun bileşikleri çok zehirlidir. Bu nedenle özel güvenlik işaretleri ile belirtilir. Kimyasal simgesi Pb, özgül ağırlığı 11,3 kg/dm3, ergime ısısı 327°C, çekme dayanımı 15–20 N/mm2 , uzaması %50–30’dur. 100°C’ın üzerinde çabuk kırılır. Kurşun yer kabuğunda değişik birçok filizde bulunsa da en fazla galen adı verilen kükürtlü filizden elde edilir. Çok yumuşak olan kurşun kolaylıkla soğuk olarak biçimlendirilir ve biçimlendirme sırasında sertleşmez. Talaş kaldırma işleminde oldukça yumuşaktır. Kurşun tüm metallerle alaşım yapar. En çok kullanılan alaşımı, %5 – 25 antimonla yaptığı sert kurşundur. Kurşun yatak metali olarak kadmiyumla beyaz metali oluşturur. Aşınmaya dayanıklıdır ve iyi kayma özelliği gösterir. Kurşun üretiminin yaklaşık %50’si akümülatör plakalarının üretiminde tüketilir. Röntgen ışınlarını ve radyoaktif maddeleri iyi absorbe etmesi nedeniyle kuvvetli bir koruyucudur. Bunların yanında kurşun otomobil parçaları, çeşitli cihazlar, silah yapımı, mühür yapımı, ambalaj malzemesi, matbaacılıkta harf ve kalıp yapımı, asitlere dayanıklı olması nedeniyle kazan ve depo kaplamaları, kaynakçılıkta lehim yapımı gibi işlerde kullanılmaktadır.
9.7. KROM Ergitme ve elektroliz yolları ile elde edilen krom sert ve kırılgan olduğu için saf olarak pek kullanılmaz. Isıya dayanıklı ve korozyondan etkilenmeyen parlak renkte bir metaldir. Elektrik iletkenliğine, soğuk ve sıcak şekillendirmeye karşı direnç gösterir. Ancak soğuk halde iken delinebilir, eğelenebilir, kaynak edilebilir, pres ve torna edilebilir. Çeliği korozyona ve kimyasal etkilere dirençli hale getirir. Çelikte krom karbür oluşturarak sertlik verir. Kimyasal simgesi Cr, özgül ağırlığı 6,8 kg/dm3, ergime ısısı 1615°C, soğukken eğilip bükülemeyen ancak 325°C sıcaklıkta kolayca biçimlendirilebilen bir metaldir. Krom katkılı çeliklerin en önemli katkı elemanlarındandır. Özellikle paslanmaz çeliklerin önemli katkı elemanıdır. Isıya dayanıklı olması nedeniyle çeliğin ısı ve elektrik direncini yükselttiği için elektrik direnç telleri yapımında, kromun nikelle yaptığı alaşım ise ısıtma elemanlarının yapımında kullanılır.
9.8. WOLFRAM Doğada bulunan en ağır metallerdendir. Kimyasal simgesi W, özgül ağırlığı 19 kg/dm3, ergime ısısı 3370°C (metallerde en yüksek ergime derecesi), kaynama ısısı 5930°C’dır. Tungsten olarak da isimlendirilir. Ergime ısısının yüksek olması nedeniyle normal yollarla şekillendirilmesi mümkün değildir. Toz metalurjisi yolu ile biçimlendirilebilir. Yüksek ergime ısısı olduğu için elektrik ampullerinde, kaynak elektrotlarında, oto elektrik kontaklarında, uçak ateşleme düzenlerinde, radyoaktif madde saklama kapları yapımında, alaşım katkı elemanı olarak yapım ve takım çeliklerinde ve sert metal için kullanılır. Çeliklere yüksek ısı ve iyi kesilme özelliği kazandırır. Sert karbür kesici uçların (elmas kalemler) yapımında kullanılır. malzemebilimi.net
70
9.9. MOLİBDEN Molibden saf halde gümüşümsü beyaz renkli olup çok sert bir metaldir. Kimyasal özellikleri bakımından krom ve wolfram ile benzerlik gösteren molibden, yüksek ergime ve kaynama noktası, yüksek ısı dayanımı, yüksek ısı iletkenliği ve düşük termal genleşme gibi üstün özelliklere sahiptir. Özgül ağırlığı 10,28 gr/cm3 olan molibden 2623°C de ergir, 4639°C de kaynar. Soğukta havadan etkilenmez, akkor halindeyken oksitlenir, nitrik ve sülfürik asitlerden etkilenir, yüksek sıcaklıkta su buharını ayrıştırır. Molibden, wulfenit (PbMoO4) veya powellit (CaMoO4) gibi minerallerde bulunursa da, asıl ticari molibden kaynağı molibdenittir (MoS2). Molibden doğrudan madencilik yoluyla ve bakır madenciliği sırasında yan ürün olarak ta elde edilebilir. Genel olarak kullanım alanları şöyle özetlenebilir: Çeliğin yüksek sıcaklıklarda dayanımını arttırmada, Hava taşıtları ve uzay araçlarının yapımında, Nükleer enerji uygulamalarında, Elektrik uygulamalarındaki tellerin yapımında, Yüksek sıcaklıklarda yağların yapısı bozulduğu için molibden sülfat kaydırıcı yağ olarak, Katalizör olarak, Boya endüstrisinde renk verici (pigment) olarak.
9.10. VANADYUM Kimyasal simgesi V, özgül ağırlığı 5,7 kg/dm3, ergime ısısı 1715°C’dır. Biçimlendirilme özelliği olan, tel haline getirilebilen, atmosfer etkilerine dirençli bir metaldir. Vanadyum filizi vanadit’ten elde edilir. Ayrıca demir filizi, granit ve ateş toprağında vanadyum bulunur. Çelik grisi renginde ve çok serttir. Çelikler için alaşım malzemesi olarak kullanılır. Karbondan sonra çeliğe en fazla etkisi olan alaşım elemanıdır. Çok az miktarı büyük özellik artışı sağlar. Bu özellik artışını %0,1–0,2 arasındaki vanadyum sağlar. Daha fazla vanadyum aynı ölçüde özellik artışı sağlamaz. %0,1–0,15 vanadyum katılan çeliklerin dayanımı %50 artar. Vanadyum çeliği ince kristalli yapar ve ısıl işlemi sonunda çekirdek kısmının yumuşak, dış kısmının sert olmasını sağlar. İçerisinde %0,3–0,35 karbon bulunan vanadyumlu çelikler, küçük miller, makine parçaları, piston kolları, ağır darbe etkisi altında çalışan makine elemanları yapımında kullanılır. Aşınmaya dayanım gerektiren ve yüksek sertlik isteyen yerlerde tercih edilir. Az karbonlu krom vanadyumlu çelikler yüzey sertleştirilmesi ile otomobil, uçak dişlisi, kam mili, piston pimi gibi sertlik ve özlülük gereken işlerde kullanılır. Ayrıca dökmedemirlerde de dayanım arttırıcı elemandır. Ağır makine imalatında, madencilik ve yol yapımında kullanılan makinelerde, büyük ve ağır parçaların yapımında dökme yoluyla vanadyumlu çelikler kullanılmaktadır.
9.11. KOBALT Kobalt kurşuni renkte, kimyasal simgesi Co, özgül ağırlığı 8,6 kg/dm3, ergime ısısı 1495°C olan, 124 BSD sertlikte bir metaldir. Döküm halinde çekme dayanımı 25 kg/mm2, basma direnci 90 kg/mm2’dir. Kobalt demire katıldığı zaman yüksek sıcaklıklarda yumuşamayı önler. Bu nedenle hava çeliklerinin en önemli katkı elemanıdır. Yine çeliğe belirli oranlarda (%0,5-%40) ilave edildiğinde mıknatıslanma özelliğini yükseltir. Bu nedenle kobalt mıknatısların vazgeçilmez bir alaşım elemanıdır. Genel olarak kobalt, cam ve metal birleştirmelerinde, yüksek sıcaklığa dayanım gereken yerlerde, gaz türbinleri, vida, cıvata, egsoz çıkış kanalları yapımında kullanılır. İçerisinde %20–65 kobalt bulunan alaşımlar şiddetli korozyon etkilerine, aşınmaya ve oksitlenmeye karşı dirençlidirler.
malzemebilimi.net
71
9.12. KADMİYUM Düşük sıcaklıkta ergiyen alaşımların üretiminde çok yönlü kullanılır. %10 kadmiyum içeren bir alaşım 55 –65°C’da ergir. Demir, çelik ve alüminyumda galvenize tabaka oluşturulur. Bu tabaka çok ince olmasına rağmen dayanıklıdır. Özgül ağırlığı 8,65 kg/dm3, ergime ısısı 320°C’dır. Metallerin kaplanmasında kullanılan kadmiyum tek başına hiç kullanılmayan bir metaldir. Alaşım elemanı olarak sürtünmeli yataklarda yatak elemanı olarak kullanılır.
9.13. BİZMUT Hafif pembe renkte, çok kırılgan bir metaldir. Katılaşma sırasında galyum, antimon gibi hacmini genişleten ender metallerdendir. Katılaşırken %3,3’e kadar hacmi büyür. Kimyasal simgesi Bi, özgül ağırlığı 9,8 kg/dm3, ergime ısısı 2713°C’dır. Normal sıcaklıklarda biçimlendirmeye elverişli değildir. Ancak 225°C sıcaklıkta süngerleşerek istenilen biçim verilebilir. Kolay ergimesi istenen alaşımların ana maddelerindendir. Bu nedenle basınçlı gaz, buhar kazanları, düdüklü tencereler, yangın söndürme, su püskürtme sistemlerinin emniyet tapalarında kullanılır.
9.14. MAGNEZYUM Gümüşi beyaz renkte, 1,74 kg/dm3 özgül ağırlığı olan, 650°C’da ergiyen, çekme dayanımı 1200–2300 kg/cm2 olan bir metaldir. Soğuk biçimlendirme ile dayanımı 3300 kg/cm2’ye yükseltilebilir. Magnezyum en fazla deniz suyundan üretilmektedir. Deniz suyunda %0,1 kadar magnezyum vardır. Üretimde yardımcı madde olarak da deniz hayvanlarının kabuklarından yararlanılır. Saf magnezyumun ergidiği zaman yanma özelliği vardır. Donanma fişeği yapımında kullanılır. Magnezyum içerisine alüminyum, çinko, manganez katılarak kullanılır. Bu alaşımlar korozyona dayanıklı ve yüksek mekanik özelliklere sahiptir.
9.15. TİTAN Genellikle hafif metallerden sayılan titan, iyi yapım çelikleriyle denk dayanımda ve korozyona dirençlidir. Kimyasal simgesi Ti, özgül ağırlığı 4,51 kg/dm3, ergime ısısı 1700°C’dır. Sert metallerin katkı malzemelerindendir. Uçak üretiminde çelik ve alüminyum alaşımlarına katkı malzemesi olarak katılır.
9.16. SOY METALLER Genellikle kimyasal birleşme yapmayan, oksitlenmeyen metallerdir. Doğadan çoğu zaman saf olarak elde edilirler. Platin, altın, gümüş en önemlileridir. Bunların dışında osmiyum, palladyum, iridyum, rutenyum, radyum v.b. ‘de saf metallerdir.
9.16.1. Platin Platin, osmiyum ve iridyumdan sonra en ağır metaldir. Kimyasal simgesi Pt, özgül ağırlığı 21,5 kg/dm3, ergime ısıs 1770°C’dır. Oksitlenmez ve metal parlaklığını her zaman korur. Asitlerden ve bazlardan etkilenmez. İyi mekanik özelliklere sahiptir. Haddelenir, çekilir ve pres edilebilir. 0,025 mm kalınlığında tabaka ve 0,105 mm çapında tel haline getirilebilir. Platin kendi grubundaki diğer metaller gibi (radyum, iridyum, rutenyum, osmiyum) yüksek sıcaklıklarda kimyasal olarak etkilenmediği ve iyi bir katkı elemanı olduğu için kimya, petrol, elektrik, cam sanayii, dişçilik ve tıp alanında, otomotiv sanayiinde, süs eşyaları yapımında kullanılır.
malzemebilimi.net
72
9.16.4. Altın Element olarak soy metaller grubunda yer alan altının kimyasal simgesi Au, özgül ağırlığı 19,3 kg/dm3, ergime ısısı 1013°C’dır. Sarı renkli, çok kolay işlenebilen, şekil verilebilen, elektrik ve ısıyı iyi ileten bir metaldir. Doğada genellikle saf halde veya gümüş ve diğer metallerle birlikte bulunur. Genellikle gümüş, bakır ve nikelle alaşım yaparak kullanılır. Altına işleme kolaylığı kazandırmak için çinko da katılabilmektedir. Altın süs eşyalarında, dekorasyon işlerinde, elektrolizle kaplamada, çinicilikte, kimya endüstrisinde potaların yapımında, elektrik endüstrisinde kullanılmaktadır.
9.16.5. Gümüş En iyi elektrik ve ısı iletkenliğine sahip olması, gümüşün diğer metaller arasında ön plana çıkmasına neden olmaktadır (Serfiçeli, 2000). Doğada bazen saf olarak bulunabilse de genellikle kurşun ve bakır filizleri ile birliktedir. Kimyasal simgesi Ag, özgül ağırlığı 10,5 kg/dm3, ergime ısısı 960°C’dır. Gümüşün en önemli alaşım malzemesi bakırdır. Ancak diğer birçok metalle de alaşım yapar ya da bu metaller gümüş – bakır alaşımlarına katılır. Süs eşyalarında, gıda endüstrisinde, elektrik endüstrisinde, dişçilikte (dolgu malzemesi olarak), optik aletlerin yapımında kullanılır.
malzemebilimi.net
73
10. PLASTİKLER Plastikler, petrol, kömür, kireç taşı, tuz, kükürt, pamuk, odun gibi hammaddelerden kimyasal yollarla elde edilen, organik madde olarak tanımlanan malzemelerdir. Yapay (sentetik) malzemeler kapsamında; doğal maddenin kimyasal değişimiyle elde edilen malzemelerin dışında, bitkisel hammaddeden (selüloz) elde edilen selüloz plastiği ve hayvansal hammaddeden (sütten) elde edilen sentetikler de vardır. Tüm yapay malzemeler, hazırlanmaları sırasında genellikle 90 – 200°C sıcaklıklarda dövülebilir (yoğrulabilir) biçimdedir ve plastik şekil verilebilir. Bu nedenle plastik olarak adlandırılırlar. Asit, baz, tuz çözeltilerine ve su, hava etkilerine karsı dirençlidirler. Bu yüzden yüzey kaplamaya ihtiyaç duymazlar. Plastiklerin biçimlendirilmeleri kolaydır. Dökümden sonra genellikle talaşlı işleme gerek duyulmaz, ancak talaş kaldırılabilir. Ayrıca yapıştırılabilir, bazı çeşitleri kaynak edilebilir(termoplastlar). Büyük elastikiyete ve özlülüğe sahiptirler. Aşınmaya karsı dirençlidirler. Ancak ısı iletkenliğine sahip olmaları nedeniyle yatak malzemesi olarak kullanılmalarında özel önlemler gereklidir. Bu bakımdan kullanılmaları sınırlıdır. Düşük basınçlı ve düşük devirli yataklarda kullanılırlar. Gürültü ve titreşimi absorbe etme özelliğine sahip olmaları dişli yapımında tercih sebebidir. Yüksek sıcaklıkta çalışmamaları dezavantajlarıdır. Termoplastlar yumuşarlar ve erirler, duroplastlar ise yanarlar. Kullanılma sıcaklıkları genellikle düşüktür (bazen l20°C'nin üstünde) (Sekil 9.1). (Erdoğan, 1999).
Şekil 10.1 (Erdoğan, 1999)
10.1. PLASTİKLERİN GENEL ÖZELLİKLERİ
Hafiflik – Özgül ağırlık genellikle 0,9 – 1,4 kg/dm3’tür. Ender olarak 2,2 kg/dm3’de olabilir. Nem almama Elektrik yalıtkanlığı Düşük ısı iletme Korozyon dayanımı Düşük sıcaklıklarda ergime ve bu nedenle kolay biçimlendirilme İstenilen renkte yapılabilme Yüksek kimyasal direnç Katı veya esnek yapılabilmesi Talaşlı işleme uygunluk Saydamlık Ekonomiklik Hurdası tekrar kullanılmaz Fizyolojik olarak tehlikelidir Bütün bu özellikler plastiklere geniş bir kullanım alanı kazandırmaktadır. Çok değişik özellikte ki birçok plastik mühendislik malzemesi olarak kullanılmaktadır. malzemebilimi.net
74
10.2. PLASTİKLERİN ÜRETİMİ Plastik üretiminde gaz ya da sıvı manomerlerinin binlerce molekülleri, plastiklerin büyük (Makro) moleküllerini oluşturmak için, birbirlerine bağlanırlar. Manomerin bileşimine göre, uygulanan sentez yöntemi, polimerizasyon, polikondenzasyon ve poliadisyon adlarını alır. Bu üç yöntem, 3 farklı malzeme dokusu oluşturur. Makro moleküllerinin biçimi, büyüklüğü ve düzenlenmesi yanında kimyasal bileşim de plastiğin özelliğini belirler. Polimerizasyonda, ip gibi uzun makro moleküller oluşur. Oda sıcaklığında, ip moleküller çok ya da az düzenli sıkışık ve hemen hemen hareketsizdir. Artan sıcaklıkla aralarındaki çekme kuvveti azalır, molekül bağları zayıflar ve plastik madde elastikleşir. Sürdürülen ısıtma ile her bir molekül ipliği birbirinden kayarak uzaklaşır ve malzeme plastik yumuşaklığa ulaşır. Isıtma ile kırılganlıktan, elastiklikten uzaklaşarak plastik yumuşama durumuna gelen ve soğutulduğunda yine sertleşen malzemelere termoplast adi verilir. Şekil 10.3) Polikondenzasyonda, iki ayrı başlangıç maddesi oluşur. Örneğin Fenol ve Formaldehit, su gibi bir yan ürünün ayni zamanda kondenzasyonu (yoguşturmasi) ile büyük molekül bağı oluşur. Oluşan büyük moleküller dar gözlü bir ağ teşkil edecek biçimde birbirlerine de bağlanırlar (Sekil 10.3). Moleküllerin birbirlerine bağları çok sıkıdır, ne ısıtma ile ne de bir eriyikte çözülebilir. Sert ve kırılganlığının dışında kaynatılamaz ve çözülemez. Bu tip plastik malzemeler termoset plastik (duroplastik) adını alırlar. Poliadisyonda da, makro moleküller, büyük gözlü ağ biçiminde birbirlerine bağlanırlar. Buradaki fark, başlangıç molekülleri, yoguşma için ek bir madde istemezler. Makro moleküler yapı, plastiğin üretimi sırasında etkilenir. Bu durumda aynı kimyasal bileşimde olmalarına rağmen, sertlik ve ısı dirençleri gibi özellikleri farklı malzemeler elde edilmektedir. Bu şekilde, moleküleri birbirlerine az noktadan bağlı geniş ağ oluşturan, plastik malzemelere lastik elastikiyetinde olduğundan elastomer (elastikler) adi verilmektedir.
Şekil 10.2 Bazı termoplastiklerin hammadeleri ve üretimi
malzemebilimi.net
75
10.3 . PLASTİKLERİN SINIFLANDIRILMASI Plastikler molekül yapılarına göre sınıflandırılırlar.
Şekil 10.3 (Deveci, 1977)
TERMOPLASTİKLER Asetaller Akrilikler Floroplastikler Poliamidler Polietilen Polipropilen Polistiren Polikarbonat Polifenilen eter Polifenilen sülfit Polyamidler Polisülfon Polivinil klorür Poliüretan Selülozikler
TERMOSETLER Alkitler Alil Kazein Aminoplastlar Fenolikler Epoksiler Dialiftalat Poliester Melamin Poliüretan
ELASTÖMERLER Bütil Neopren Buna S Stiren butadien Silikon
Çizelge 10.1 Endüstride çok kullanılan plastikler (Yalçın ve Gürü, 2002)
malzemebilimi.net
76
Fenolik(Termoset)
Poliüretan
Camdolgulu
Köpük
Köpük
Köpük
HDKöpük UHMW
Köpük
Köpük
PVC
Polisülfon
Polistiren
Polietilen
Polpropilen
Polyester
Polyamide
Polikarbonat
Fenilenoksit
Naylon
Floroplastik
malzemebilimi.net
Çizelge 10.2 Bazı plastiklerin uygulama alanları (Yazıcıoğlu, 1999)
UHMW: Çok yüksek molekül ağırlıklı
Köpük
Selüloztik
Akrilik
Asetal
HD: Yüksek yoğunluklu
Makine parçaları, dişli, kam, piston, supap, pompa pervanesi, fan kanadı, rotor, çamaşır makinesi karıştırıcısı Hafif hizmet ve dekoratif kullanım, düğme, kol, kamera kutusu, boru fittingi, akü kutusu, direksiyon simidi, gözlük çerçevesi, takım sapı Küçük yuva ve içi boş şekiller, telefon gövdesi, baret, pompa, küçük alet gövdeleri Büyük yuva ve iç boş şekiller, tekne, büyük alet gövdesi, tank, boru, hava kanalı, buzdolabı astarı Optik ve saydam parçalar, emniyet gözlüğü, lens, kar aracı için siper camı, işaret levhası, buzdolabı rafı Aşınmaya dayanıklı parçalar, dişli, burç, yatak, oluk astarı, kayak tekerleği makaraları, aşınma şeritleri
ABS
Uygulama alanı
Polifenilensülfit
Termoplastikler
77
11. KOMPOZİTLER Kompozit malzemeler birbirlerinin zayıf yönlerini kapatarak daha iyi özellikler elde etmek amacıyla bir araya getirilen maddelerden oluşan üstün özellikli malzemelerdir. Metal, seramik, plastik gibi farklı malzemeler karıştırılarak yeni bir doku oluşturulması yoluyla elde edilen çok fazlı malzemelerdir. Bir başka tanımlamayla; İki veya daha fazla sayıdaki aynı veya farklı gruptaki malzemelerin, en iyi özelliklerini bir araya toplamak ya da yeni bir özellik ortaya çıkarmak amacıyla, makro seviyede birleştirilmesiyle oluşan malzemelere Kompozit Malzeme denir. Ortaya çıkan malzeme; çoğu zaman kendisini meydana getiren malzemelerden dayanım, tokluk, elastiklik gibi özellikleriyle daha nitelikli hale gelebilir. Dayanım, yorulma dayanımı, aşınma dayanımı, korozyon dayanımı, termal özellikler, ısı iletkenliği, akustik iletkenlik, elastiklik, rijitlik, hafiflik gibi bazı özelliklerin iyileştirilmesi amacıyla kompozit malzemeler üretilir. Kompozit malzeme üretmenin amacı üstün özellikli malzemeler elde etmektir.
11.1. KOMPOZİTLERİN SINIFLANDIRILMASI Kompozit malzemeler matriks malzemenin cinsine göre dört ana gruba ayrılırlar; 1- Metal Matriks Kompozit Malzemeler 2- Seramik Matriks Kompozit Malzemeler 3- Polimer Matriks Kompozit Malzemeler 4- Nano Kompozit Malzemeler Takviye malzemelerin şekline göre ise; 1- Tanecik takviyeli kompozitler 2- Lif takviyeli kompozitler 3- Tabakalı kompozitler olmak üzere üç gruba ayrılırlar. (Erdoğan, 1999)
11.1.1. Tanecik Takviyeli Kompozitler Çimento (bağlayıcı), kum ve çakıl (tanecik) su ile karıştırılarak oluşturulan beton, tanecik takviyeli kompozitler için çok bilinen bir örnektir. Benzer olarak, zımpara tasında alüminyum oksit taneciklerini bağlayan cam ya da reçine, toz haline getirilmiş metallerin yüksek sıcaklıkta pişirilmesi ile elde edilen sinter malzemeler tanecik takviyeli malzemeye örnek olarak gösterilebilir. Sinter malzemeler, sinterleme adı verilen pişirme işlemi ile toz haline getirilmiş metallerin birbirine bağlanması ile elde edilirler. Birbirinden çok farklı yoğunluk ve özelliklere sahip malzemelerin birbirine bağlanması sinterlemenin avantajıdır. Sinterlerne sıvı ve katı olmak üzere 2 farklı yöntemle uygulanır. Sıvı sinterlemede bağlayıcı metal ergir ve karbür taneleri arasında sürekli bir faz oluşturur. Sinterleme işleminden sonra bağlayıcı metal kristalleşir. Bağlayıcı olarak reçine kullanıldığında, sinterlemeden sonra reçine polimerize olur ve kuvvetli bir bağ oluşturur. Bağlayıcı olarak cam (silisli) malzeme de yaygın olarak kullanılmaktadır. Katı sinterlemede ise metal, metal oksit ya da karbür tozları karışım halinde kalıp içinde preslenir ve pişirilir. Erime noktalarının altındaki bir sıcaklıkta ve basınç altında bekletilirler. Atom difüzyonu yoluyla parçalar birbirine bağlanır. Sinterleme ile gözenekli (filtre ve yatak burçları gibi) ya da rijit (dişli gibi) malzemeler elde edilebilmektedir. Sinter malzemelerden elde edilmiş makine parçaları son ölçülerini almış olduğundan talaşlı işleme gerek duyulmaz.
malzemebilimi.net
78
11.1.2. Lif Takviyeli Malzemeler Cam, grafit gibi lif şeklindeki dayanıklı malzemelerle, alüminyum, plastik gibi bağlayıcı (matriks) malzemelerin bir araya gelerek oluşturduğu kompozitlerdir. Lif takviyeli kompozitlerde lifler, kuvvet yönüne paralel, dik ya da rasgele dağılmış olabilmektedir. Bu tür kompozitler dayanımı yüksek ve hafif malzemelerdir. Örneğin, cam lifi takviyeli epoksi reçinesinin çekme dayanımı 25 katına kadar artmaktadır. Cam yünü takviyeli plastik matriksli kompozit malzemeler geniş bir kullanım alanı bulmaktadır. Dişli, boru, su deposu, pülverizatör ilaç deposu vb. elemanlarının yapımında tercih edilmektedirler.
11.1.3. Tabakalı Malzemeler Plak ya da levha halindeki, dayanıklı malzemenin reçine gibi bağlayıcılar yardımı ile elde edilen kompozitlerdir. Sert dokuma, preslenmiş ağaç, kontrplak örnek olarak sayılabilir.
11.2. KOMPOZİTLERİN YAPISI Kompozit malzemeler matriks (ana) malzeme ile katkı malzemelerinden oluşur. Genel olarak takviye malzemesi taşıyıcı, matris faz ise onu bir arada tutmaya ve desteklemeye yarar. Genel olarak matrisin görevi yapıyı bir arada tutmak, çevresel etkilerden korumak ve yükü eşit dağıtmaktır. Bir matris malzemesi başlangıçta düşük viskoziteli bir yapıda iken daha sonra katkı malzemelerini sağlam ve uygun bir şekilde çevreleyebilecek katı forma kolaylıkla geçebilmelidir. Örneğin alüminyum içerisine silisyum karbür elementi ilave edersek, burada matriks malzemesi alüminyum, takviye malzemesi de silisyum karbür olur. Oluşan yeni malzeme metal matriks kompozit malzeme olur. Başka bir deyişle silisyum karbür takviyeli alüminyum kompozit malzemesidir. Günümüzde en çok kullanılan kompozitlerden biri de betondur. Çimento ve kumdan meydana gelen malzeme matris çelik çubuklar ile desteklenir. Bir diğer tanınmış kompozit ise kerpiçtir. Çamur ve samanın karıştırılması ile oluşturulur. Yakın dönemde yaygınlaşmış ve sıkça kullanılan bir diğer polimer matrisli kompozit ise anorganik ve organik elyafların (elyaf olarak: fiberglas, karbon, aramid, polietilen, polipropilen vs.) kullanıldığı fiberglas bileşiklerdir. Rulman sanayisinde kullanılan hibrit rulmanlar da kompozit malzemelerin kullanımına bir örnektir. Seramik ve takım çeliğinin bir arada kullanımı ile ortaya çıkan bu ürün çelik rulmanlara göre 6 kat daha uzun ömürlüdür.
11.3. KOMPOZİTLER MALZEMELERİN AVANTAJLARI 123456-
Yüksek Dayanım Hafiflik Tasarım esnekliği Boyutsal stabilite Elektrik yalıtkanlığı Korozyon dayanımı
7- Kalıplama kolaylığı 8- Renklendirilebilme 9- Şeffaflık özelliği 10- Isı Dayanımı 11- İmalat işlemlerine uygunluk
malzemebilimi.net
79
12. MALZEME MUAYENESİ Endüstride üretim ve malzeme muayenesi birleşmiştir. Muayene yapılmadan üretim söz konusu değildir. Büyük endüstriyel kuruluşlarda kalite-kontrol birimleri üretimin bütün aşamalarında görev yapmaktadır. İşletmeler satmak, satabilmek için üretimlerinin kaliteli ve güvenilir olduğunu kanıtlamak zorundadır. İşletmelerdeki kalite kontrol üniteleri bu açıdan büyük önem taşırlar. Malzeme muayenesi yapılamamış ürünlerin tüketiciye sunulması düşünülemez. Muayenesiz yapılan, satılan ya da satın alınan her ürün büyük riskler taşır. Herhangi bir amaç için malzeme seçimi veya seçilen bir malzemenin yerinde görevini yapıp yapmayacağını anlamak için ya da malzemenin özelliklerini belirlemek için uygulanan çeşitli deneyler malzeme muayenesi olarak tanımlanabilir. Malzeme muayenesi ile hatalı işlerden sakınmak, uygun malzeme seçerek güvenli ve ekonomik üretim yapmak mümkündür.
12.1. MALZEME MUAYENELERİNİN SINIFLANDIRILMASI Bir malzemenin muayenesinin başlıca üç nedeni vardır. Malzemenin esas görevi, malzemenin dayanımı ve korozyona karşı dayanıklılık gibi teknolojik özelliklerini belirlemektir. Malzeme muayenesi malzemenin çalışacağı yerde görevini yapıp yapmayacağı, standardlarla belirlenmiş teknolojik özelliklere sahip olup olmadığı gibi ayrıntıların saptanmasını amaçlar. Malzeme muayeneleri genel olarak, amaç, tip, şekil bakımından üç ana başlıkta toplanabilir.
12.1.1. Şekil Bakımından Muayene Bu şekilde muayeneler tahribatlı ve tahribatsız olmak üzere ikiye ayrılır. Tahribatlı muayenelerde malzeme kırılır, ezilir, parçalanır, çökertilir, eğilir, şişirilir, kopartılır, kesilir. Sonuç olarak bir daha kullanılamayacak duruma getirilir. Tahribatsız muayenelerde ise malzemeler herhangi bir zarara uğramadan X ışınları, ultraviyole ışınları, mikroskop altında doku kontrolü, sertlik ölçme işlemleri, ultrasonik muayene, kıvılcım testi gibi yollarla kontrol edilerek özellikleri hakkında bilgi edinilir.
12.1.2. Tip Bakımından Muayene Ticari, araştırma ve bilimsel olmak üzere üçe ayrılır. Ticari muayeneler, anlaşmalarda belirtilen özelliklerin olup olmadığını kontrol amacıyla yani ticari amaçlarla yapılan kontrollerdir. Araştırma amaçlı muayeneler, belirli koşullarda malzemenin özelliklerinin ne ölçüde değiştiğini saptamak için yapılır. Örneğin malzeme özellikleri çoğu zaman oda sıcaklığında belirlenir. 20 °C sıcaklık ve normal atmosfer basıncı altında elde edilmiş değerlerin bazen yeterli olmadığı ve malzemelerin belirli şartlarda hangi özellikleri göstereceği araştırılmak istenir. “– 150Co veya + 350°C sıcaklıklarda bir krom nikelli çeliğin dayanım ve özlülüğü nedir?” gibi sorulara yanıt aranır. Blimsel muayenede ise, yeni bulunan ya da geliştirilen bir malzemenin temel özellikleri, bu özelliklerle ilgili değerler ve katsayıların bulunması için yapılan muayenelerdir.
12.1.3. Amaç Bakımından Muayene Amaç, malzemelerin temel özelliklerinin belirlenmesidir. Fiziksel özellikler, özgül ağırlık, şekil, ölçü, nem oranı, yapısal durumu, ergime ve kaynama sıcaklıkları, manyetik özellik, ısıl genleşme özellikleridir. Mekanik özellikler, malzemelerin çekme, basma, eğme, burulma, kesme dayanımları, vurma dayanıklılığı, % uzama, % kesit daralması, sertlik, elastik ve plastik biçim değiştirebilme yeteneği, özlülük, kırılganlık ve akma özellikleridir.
malzemebilimi.net
80
Termal özellikler, malzemelerin ısı ve elektrik iletkenliği, genleşme ve uzama değerleri, özel ısı değerleridir. Teknolojik özellikler, dövülebilme, dökülebilme, kesilebilme, kaynak edilebilme, biçimlendirilebilmedir. Fiziko kimyasal özellikler, malzemelerin su emme ve geçirgenlik özellikleri ile bu özellikle ilgili olarak şişme ve büyüme durumlarıdır. Kimyasal özellikler, bileşim, atomik yapı ve atom ağırlıkları ile atmosfer ve korozyon etkilerine dayanım özellikleridir. Akustik özellikler, ses iletimi ve yansıtma özellikleridir. Optik özellikler, malzeme rengi, ışığı yansıtması ve ses iletme özellikleridir.
12.2. MALZEME MUAYENE YÖNTEMLERİ Malzeme muayeneleri, malzemenin kullanılacağı yere, özelliğine, ekonomikliğine, malzemenin bulunduğu ortama göre çeşitli şekillerde yapılabilir.
muayenenin
12.2.1. Atölye Deneyleri Atölye kontrolleri özel cihazlar veya makineler olmaksızın yapılabilen muayenelerdir. Malzemenin cinsi, bileşimi, nitelikleri ve kullanılacağı yere uygunluğu tam olarak değil yaklaşık değerlerle belirlenir. 12.2.1.1. Görünüşle Belirleme Cinsi ve özelliği bilinmeyen metalin yüzeyi kesici bir aletle tanınacak hale getirilir. Böylece malzeme hakkında bir fikir edinilebilir. 12.2.1.2. Ses Deneyi Malzeme belirli bir yükseklikten serbestçe beton veya düzgün sert bir yüzeye düşürülür. Düştüğünde malzeme tiz bir ses veriyorsa sert ve sağlam bir malzemedir, tok bir ses veriyorsa yumuşak bir malzemedir, denir. Eğer ses şakırtılı ( farklı ) çıkıyorsa malzemede çatlak olabilir. Görünüş Malzeme Metalık renk, çelik parlaklığı, kırmızı, sarı, açık gümüş Demir, bakır, pirinç, alüminyum Kabuk bağlamış üst yüzeyler, keskin kenarlar,düzlem Yapı çeliği (sıcak haddelenmiş yüzeyler olabilir.) Düz gümüş görünüşünde yüzeyler, tam kesit şekli Yapı çeliği (soğuk haddelenmiş olabilir.) Siyah grimsi renk, pürüzlü üst yüzeyler, yuvarlak Takım çeliği kenarlar Ses ( Çınlama ) Tiz ses Tok ses Şakırtılı ses
Malzeme Sert malzeme Yumuşak malzeme Çatlak malzeme Çizelge 12.1 (Şahin, 1997)
malzemebilimi.net
81
12.2.1.3. Kıvılcım Deneyi Kontrol edilecek malzeme zımpara taşına tutularak çıkan kıvılcımın şekli, rengi ve büyüklüğüne göre malzemenin cinsi tahmin edilir. Şekil 12,1’de bazı malzemelerin kıvılcım deneyi sonuçları görülmektedir.
Şekil 12.1 (Şahin, 1997)
malzemebilimi.net
82
12.2.2. Teknolojik Deneyler 12.2.2.1. Bükme Ve Kırma Deneyi Malzeme parçası mengeneye bağlanarak bükmeye çalışılır. Bükülüyorsa yumuşak bir malzemedir. Bükülmeden kırılıyorsa sert bir malzemedir. Bükülüyor ve kırılmadan şeklini koruyor, yani tekrar eski haline geliyorsa elastik malzeme, bükümden sonra kırılmıyor ve şeklini koruyorsa plastik malzeme gurubuna dâhil edilir. Döküm malzemeler bükülmeden kırılır. Yumuşak malzemeler bükülebilir, kırılmaz. Ancak birkaç kez bükmeden sonra kırılır. Bükmeden sonra kırılmış yüzey incelenerek malzeme hakkında bazı bilgiler de edinilebilir. Bükme Deneyi Malzeme Bükülmez, sert yüklemede kırılır. Sert gevrek malzeme, kır döküm veya sertleştirilmiş, menevişlenmiş çelik Büyük kuvvetle bükülmez, geriye Sert, elastik malzeme, yaylanır. sertleştirilmiş, menevişlenmiş çelik Kolay bükülür, bükümlerden sonra Yumuşak malzeme, kırılır. yumuşak tavlanmış Kırılma yüzeyleri Malzeme Kaba taneli, lif halinde kırılma yüzeyi Sertleştirilmiş çelik İnce taneli, düzgün kırılma yüzeyi Sertleştirilmiş çelik Kaba lifli kırılma, ince taneli kenar Yüzeyi sertleştirilmiş veya tabakası sementasyonla sertleştirilmiş çelik Çizelge 12.2 (Şahin, 1997) 12.2.2.2. Eğme Ve Katlama Deneyi Teknolojik eğme deneyi genellikle daire veya dikdörtgen kesitli düz deney malzemelerine uygulanır. Eğme deneyi, deney parçasının yön değiştirmeksizin ortasına bir eğme kuvveti uygulandığında malzeme eğme yüzeyinin herhangi bir yerinde çatlak oluşuncaya kadar bir biçim değiştirmesi işlemidir. Borularda eğme işlemi bir ucu sabitlenen bir borunun bükülmesidir. Bir iş parçası üzerinde uygulanan kuvvet sonucunda oluşan eğme açısı malzemenin kalite ölçüsü olarak söylenir. Katlama deneyi ise, eğme deneyinin özel bir durumu olup, iş parçasının iki ucunun birbirine paralel duruma gelinceye kadar katlanmaya çalışılmasıdır. Katlamada kırılma derecesi malzemenin kalite ölçüsünü gösterir.
Eğme Deneyi
Katlama Deneyi Şekil 12.2 (Şahin, 1997)
malzemebilimi.net
83
12.2.2.3. Derinleştirme Deneyi Bu deney genellikle sac malzemeler üzerinde uygulanır. Sac malzeme herhangi bir noktasından ucu yuvarlak bir zımba ile çökertilmeye çalışılır. Bu işleme yüzeyde yırtılma oluşuncaya kadar devam edilir. Çökmenin mm cinsinden derinlik ölçüsü sacın kalitesini gösterir.
Şekil 12.3 (Şahin, 1997) 12.2.2.4. Kaynak Dikiş Kontrolü Kaynakla birleştirilmiş iş parçası bir çekiç yardımı ile kaynak yerinden kırılmaya çalışılır. Kaynak yerinden kırılan parçaların kendileri, kaynak malzemesi (Elektrod, kaynak teli), kaynağın yapılışı ve uygunluğu hakkında gözle muayene edilerek bir yorum yapılır.
Şekil 12.4 Kaynak dikiş kontrolü (Şahin, 1997) 12.2.2.5. Boruların Denenmesi Borulara basınç, ezme genişletme ve kıvırma muayeneleri uygulanır. Basınç denemesi için sıvı kullanılır. Basınç denemesi gaz ve hava ile yapılmaz, patlama tehlikesi vardır. Bunun dışındaki deneyler boruların bağlantı işlemlerine uygunluğunun araştırılması için yapılır. Boruların katlama deneyi normal yassıltma ve sıkı yassıltma olarak iki şekilde yapılır. Normal yassıltmada boru belirli bir yüksekliğe kadar katlanır. Sıkı yassıltmada ise borunun yüzeyleri birbirine değinceye kadar katlanır. Bu sırada çatlama, yırtılma veya açılma gibi olaylar gözlenir.
Şekil 12.5 Boruların katlama deneyi (Şahin, 1997)
malzemebilimi.net
84
12.2.2.6. Burma Deneyi Bu deneyle metalik tellerin bir yönde burulması ile biçim değiştirme özelliği ve homojen olup olmadığı saptanır. Deney parçasının bir kısmının diğer kısma göre ekseni etrafında açısal olarak döndürülmesi şeklinde yapılır. Amaç parçanın dayanımını saptamaktır.
Şekil 12.6 Burma deneyi (Şahin, 1997) 12.2.2.7. Darbeli Bükme Deneyi Çentik darbeli bükme deneyi bir malzemenin dayanıklılığı hakkında bilgi edinmek için yapılır. Bu deneyi yapmak için özel cihaz kullanılır. Örnek iş parçası cihaza bağlandıktan sonra belirli bir uzaklıktan bir çekiç serbest olarak düşürülür ve çekicin iş parçasına çarpma ve geri dönüş mesafesi ölçülür. Aradaki fark (JÜL) malzemenin dayanıklılık değerini verir.
12.2.3. Mekanik Deneyler Malzemelerin özelliklerini belirlemek için malzeme üzerinde değişiklik yapacak şekilde uygulanan deneylerdir. 12.2.3.1. Çekme Deneyi Bir malzemenin çalışma sırasında karakteristik değerlerinin belirlenmesi için, oda sıcaklığında, silindirik, kare, prizmatik veya dikdörtgen kesitli, boyu çapının beş katı olan bir örnek parça iki ucundan çekme deneyi cihazına bağlanır. Her iki ucundan yavaş yavaş çekilir. İlk önce parçanın çapında bir değişiklik olmaksızın bir miktar uzama olur. Daha sonra kesit daralmaya başlar ve uygulanan kuvvet ile uzama değerleri kaydedilir. Uygulama devam ettirildiğinde uzama sürer ve sonunda parça kopar. Kopma anındaki değer bu parçanın çekme dayanımını gösterir. Çekme deneyinde parça çapı mm veya cm, uygulanan kuvvet kg cinsinden belirtilir. Parça kesitine uygulanan güç ise kg/mm2 veya kg/cm2 olur.
Şekil 12.7 Çekme deneyinde parçanın durumu ve çekme diyagramı (Şahin, 1997 -Curun,1981)
malzemebilimi.net
85
12.2.3.2. Basma Deneyi Basma deneyinde denenecek parçalar genellikle silindir şeklindedir. Özel durumlarda dikdörtgen ya da sacdan deney parçaları da kullanılabilir. Deney parçası cihaza parça ekseninde ve cihaz baskı kalıpları deney parçasını tam tutacak şekilde bağlanır. Deney sırasında deney parçası üzerine uygulanan güç ve hız ile deney parçasının boyutundaki değişme aralıkları ölçülür. Uygulanan gücün değişimi ile parça boyutundaki değişim saptanır. Gücün, parçanın başlangıçtaki kesit alanına bölünmesi parçanın basma dayanımını verir. Basma dayanımını bulurken hesaplamada kullanılan güç ilk çatlamaların başladığı anda ölçülebilen değerdir.
Şekil 12.8 Basma deneyi (Şahin, 1997)
12.2.3.3. Kesme Deneyi Kesme deneyinde silindirik deney parçası kesme deney düzeneğinde yavaş yavaş büyüyen bir makaslama kuvveti ile kesme etkisinde kalıncaya kadar yüklenir. Kesmenin olduğu andaki güç ölçülür ve parçanın alanına bölünerek kesme dayanımı hesaplanır.
Şekil 12.9 Kesme deneyi (Şahin, 1997) 12.2.3.4. Yorulma Sürekli yük altında çalışan malzemelerde zamanla dayanımda azalma görülür ve malzemenin belirli bir yerinde aşınma, çatlama ve kırılma oluşur. Yorulma kırılması ne zaman, nerede ve hangi koşullarda olacağı bilinemediği için tehlikelidir. Bu nedenle çalışan malzemeler zaman zaman test edilir. Test çalışma yerine ve parçanın görevine göre belirlenir. 12.2.3.5. Sünme Sünme sabit gerilme etkisi altında çalışan malzemelerde boy uzunluğu açısından değer artmasıdır. Boyuna sünme olayı, gerilme etkisi altında çalışan iş parçalarında ergime sıcaklığının yarısına yakın sıcaklıklarda etkili olur ve malzeme görevini yapamaz hale gelir. Sünme deneyleri iş parçasının çalışacağı yere göre belirli bir sıcaklık altında malzemenin boyuna gerilmesi şeklinde yapılır. malzemebilimi.net
86
12.2.3.6. Gevşeme Sabit yük altında çalışan malzemelerin gerilme dayanımının azalmasına gerilme gevşemesi ya da kısaca gevşeme denir. Gevşeme sünme olayı gibi zamana bağlı olarak ve sünmeden dolayı oluşur. Bu olay cıvatalı bağlantılarda, kazanların birleşme yerlerinde, çelik kafes ve beton içerisinde çalışan çelik malzemelerde çok önemlidir. 12.2.3.7. Kayma Kayma malzemenin yapısını oluşturan kristallerin bir etki ile birbiri üzerinde plastik olarak yer değiştirmesidir. Bir kristal yapı içerisinde kaymanın başlaması için kayma direncinin yenilmesi gerekir. Bu direnç azaldığı zaman malzeme yapısında oluşan kayma, kopma veya kırılma olarak görülür. 12.2.3.8. Kırılma Bir kuvvet etkisinde kalan malzemelerin iç yapısındaki dayanım gücü veya atomlar arasındaki bağ kuvveti belirli bir zorlamadan sonra dayanamaz. Malzeme önce gevşer, uzar, süner ve kopar. Bir malzemenin iki veya daha çok sayıda parçaya ayrılmasına kırılma denir. Kırılma gevrek ve sünek kırılma olarak iki şekilde olur. Gevrek kırılmada malzeme plastik şekil değiştirmeden aniden kırılır. Sünek kırılmada ise malzeme bir miktar şekil değiştirdikten sonra veya önce gevşer, uzar ve en sonunda da kırılır. 12.2.3.9. Aşınma Aşınma sürtünerek çalışan malzemelerin yüzeylerinde oluşan kayıptır. Aşınma miktarı, malzemenin özelliğine, türüne, sürtünen yüzeylerin kalitesine, sürtünme koşullarına, çevrenin fiziksel ve kimyasal etkilerine bağlıdır. Aşınma miktarı yüzeyin kalitesi ile doğrudan ilgili olduğu için çalışan yüzeylerin iyi işlenmesi ve sürtünmeyi kolaylaştırıcı önlemlerin alınması ile aşınma en aza indirilebilir.
12.2.4. Tahribatsız Malzeme Muayenesi Bu şekilde muayene ile yarı mamul ve mamul iş parçalarının gözle görülmeyen kusurları saptanabilir. Bu deneylerde herhangi bir deney parçasına gerek yoktur. Deney doğrudan iş parçası üzerinde yapılabilir ve sonuçta malzeme yapısında bir bozulma ya da değişiklik olmaz. Tahribatsız deneyler, malzemelerin sıcak işlenmesinden sonra katılaşması sırasında oluşan sıcak yırtılmayı ve iç çekmeyi, iç ve dış kılcal çatlakları, soğuk birleşme yerlerini, malzeme içerisinde oluşan boşlukları ve havayı, malzeme içerisinde kalan curuf, kum gibi kalıntıları, gaz gözenekleri gibi hataları belirlemek için yapılır. Tahribatsız malzeme deneylerinin genellikle en çok kullanılanları aşağıda sıralanmıştır. a) b) c) d)
Ultrasonik Muayene Rontgen Ve Gama Işınları İle Muayene Mikroskop Muayenesi Mıknatıs Akısı İle Muayene
malzemebilimi.net
87
13. TASARIMDA MALZEME SEÇİMİ Tasarımda malzeme seçimi, makinelerin çalışma koşulları göz önüne alınarak, gereksinimleri karşılayacak en uygun özelliklere sahip malzemeyi saptamak amacıyla yapılır. Tasarımda amaç, istenene yönelik, işleyebilen, çalışabilen bir parça, aygıt, makine vb. yapmak ya da üretmektir. Çizim aşamasına gelinceye kadar büyüklükle ilgili sınırlar, kapasite, üretim hızı gibi değerlerle mekanizmaların biçimi, bağlantı parçaları saptanır. Bütün bunlar maliyet göz önünde bulundurularak yapılır. Sistem oluşturulduktan sonra, gerilim, titreşim, hız, ivme, güç vb. hesapları yapılır. Parçaların çalışma koşullarına göre sert veya yumuşak olması, yüzey kalitesi, aşınma ve korozyon durumu gibi etmenler değerlendirilir. Bütün bu bilgiler toplandıktan sonra parçaların detay resimlerine geçilir. Burada en önemli iş amaca en uygun gereci seçmektir. Bu seçim yapılırken, kullanılan malzemenin özellikleri, bulunabilirliği ve maliyeti göz önünde bulundurulmalıdır. Malzeme seçiminde, belirli bir işlemi görecek makine parçası için, belirlenen koşullar altında çalışacak en uygun ve olabildiğince ucuz malzeme seçmek amaçlanır. Bu seçimi en uygun ve en iyi şekilde yapabilmek için bir yandan yapılacak parçanın çalışma koşulları ile ilgili tüm gereksinimlerini belirlemek, diğer yandan da bu gereksinimlere en uygun özellikleri sağlayacak malzemeyi saptamak gerekir. Malzeme seçiminde, malzemenin yapısı, özgül ağırlığı, ergime ısısı, elektrik ve ısı iletkenliği, düşük veya yüksek sıcaklık ortamında mı kullanılacağı, malzeme üzerine gelecek kuvvetler, malzemenin bulunabilirliği, işçiliğe elverişliliği, fiziki, mekanik ve teknolojik özellikleri, ekonomikliği, iç ve dış etkilere dayanımı, üretimde hangi yöntemlerin kullanılacağı gibi etmenler güz önüne alınmalıdır. Malzemelerin kullanıldığı yere uygunluğu son derece önemlidir. Uygun seçilen malzemeler sayesinde makinelerin, tezgahların, makine parçalarının daha uzun ömürlü ve daha emniyetli olmaları sağlanacaktır.
13.1. MALZEME SEÇİMİNDE UYULMASI GEREKEN KURALLAR Bir teknik elemanın malzeme seçimi yaparken göz önünde bulundurması gereken beş önemli faktör vardır; 1-Malzemenin bulunabilirliği 2-Üretim işlemlerine uygunluk 3-Fiziksel, kimyasal, teknolojik ve mekanik özellikler 4-Ekonomiklik değeri 5-Korozyon direnci
13.1.1. Malzemenin Bulunabilirliği Bir işin üretiminde kullanılacak malzeme, şekil, miktar, ölçü bakımından her istendiğinde bulunabilmelidir. Malzeme sağlanmasındaki aksama bir işletmenin düşük kapasite ile çalışmasına neden olur. Sanayi kuruluşları ancak tam kapasite ile ekonomik çalışabilirler ve yaşamlarını sürdürebilirler. Zaman zaman malzeme bulmakta zorlanan bir işletmenin zarara uğraması kaçınılmazdır. Bir işletme kuruluşunda malzeme etüdünü tamamlamış ve üretimde hangi malzemeleri kullanacağını ve bu malzemeleri nasıl sağlayacağını belirlemiş olmalıdır. Bu çalışmaları sadece bugünü düşünerek değil geleceğe yönelik de yapmalıdır.
malzemebilimi.net
88
13.1.2. Fiziksel, Kimyasal, Mekanik ve Teknolojik Özelikler Makine elemanlarının kullanılacakları yerde görevlerini yapıp yapmayacakları, malzeme özelliklerinin araştırılması ve belirlenmesi ile anlaşılır. Sertlik, dayanım, özlülük, aşınma direnci, elektrik ve ısı iletkenliği, dövülebilme, dökülebilme v.b. bir çok özellik bir malzemenin kullanma alanındaki uygunluğunu belirler. Malzemenin fiziksel, kimyasal, mekanik ve teknolojik özellikleri malzemenin iç yapısı ile ilgilidir. Bir malzemeye uygulanacak herhangi bir işlemin malzemede ne gibi özellik değişiklerine yol açacağı iç yapıya bağlıdır. Sonuç olarak malzeme seçiminde, malzemenin özelliklerini bilmek çok önemlidir.
13.1.3. Ekonomiklik Değeri Malzeme seçiminde çalışma koşullarına uygun olan en ucuz malzemeyi seçmek önemlidir. Bir makine parçası için malzeme seçerken fiyat, kullanılabilme zamanı ile birlikte düşünülmelidir. Ucuz olduğu düşünülerek seçilen bir malzeme, pahalı bir malzemeye göre kısa sürede kullanılamaz hale gelirse daha büyük ekonomik zarara neden olur. Bir makine parçasının belirli bir süre sağlıklı çalışması istenir. Seçilen malzeme belirlenen ömrünü tamamlamadan kullanılamaz hale gelmişse ekonomik değildir. Bunun yanında başlangıçta pahalı olsa bile uzun süre kullanılabilen malzeme ekonomiktir.
13.1.4. Korozyon Direnci Korozyon madensel malzemelerin kimyasal ve elektrokimyasal yollarla aşınması olayıdır. Malzemeler bulunur, işlenir, kullanılır bir süre sonra da kullanılamaz hale gelir. Malzemenin kullanım yerinde iç ve dış etkilerden en az etkilenecek şekilde seçilmesi ve kullanılması, kullanımında ömrünü uzatacak önlemlerin alınması gerekir. Aşındırıcı etkiye sahip bir ortamda çalışacak makine elemanları bu etkiye dirençli malzemeden yapılmalıdır. Örneğin, deniz suyunda çalışacak bir parça için normal çelik bir malzeme değil, paslanmaz çelik bir malzeme tercih edilmelidir. İlaç, gıda, kimya sanayisinde kullanılan araç ve aletlerin, Hastanelerdeki operasyon takımlarının, hassas ölçü aletlerinin, deniz araçlarının, güzel görünüm isteyen işlerin korozyon dayanımlı malzemeden yapılması gerekir.
13.1.5. Üretim İşlemlerine Uygunluk Bir parçanın malzemesi belirlenirken üretim yönteminin de göz önünde bulundurulması gerekir. Bir makine parçasının yapımında kullanılmak üzere piyasadan değişik birçok malzeme bulunabilir. Ancak birçok malzemeden bir tanesi en uygun olarak tanımlanabilir. Uygunluk, parçanın çalışma koşullarına uygunluğu yanında parçanın üretim yöntemine uygunluğu olarak da anlaşılmalıdır. Ancak bazen bir işin yapılmasında çok fazla malzeme seçeneği yoktur. Örneğin, wolfram biçimlendirilmesi çok zor bir malzemedir. Buna karşılık elektrik ampullerinde kullanılan flaman (tel) sadece wolframdan yapılabildiği için kullanılması zorunludur. Çizelge 13.1’de bazı malzemelerin üretim yöntemleri görülmektedir.
malzemebilimi.net
89
METALLER Döküm: Kum, kokil, pres ve hassas döküm, sürekli döküm
Sıvı haldeki metal, istenen şekle kalıp içerisine dökülerek veya enjekte edilerek getirilir.
Biçimlendirme: Dövme, tel çekme, derin çekme, eğme ve bükme
Katı haldeki metal genellikle ısıtılarak yüksek basınçla istenen şekle getirilir.
Kaynak: Gaz kaynağı, direnç kaynağı, ark kaynağı, sürtünme kaynağı, sert lehim, yumuşak lehim, difüzyonla birleştirme
Metal parçaları, sıvı metal, yüksek basınç veya sıcaklık kullanarak birleştirme yoluyla şekillendirilir.
Makine ile işleme: Tornalama, delme, frezeleme, kesme
Metaller talaş kaldırma işlemleri uygulanarak şekillendirilir.
Toz Metalurjisi:
Metal tozları yüksek sıcaklıklarda ve basınçla sıkıştırılır ve pişirilirler(sintirleme).
SERAMİKLER Döküm:
Sıvı malzeme – katı içeren karışım istenen şekil verilmek üzere kalıba dökülür.
Sıkıştırma: Ekstrüzyon, presleme, izostatik biçimlendirme
Seramiklerin katı ve sıvı çamurları sıkıştırılarak şekillendirilir.
Sinterleme:
Sıkıştırılmış haldeki malzemenin bağları güçlendirilmek üzere yüksek sıcaklıklarda biçimlendirilir.
POLİMERLER Kalıplama: enjeksiyon kalıplama, transfer kalıplama
Sıvı haldeki malzeme kalıplara dökülerek istenen biçimi alması sağlanır.
Biçimlendirme: Sarma ekstrüzyon, vakumlu biçimlendirme
Sıcak haldeki polimer belirli bir şekil vermek üzere bir kalıba veya belirli bir modelin etrafını doğru basınç uygulanarak zorlanır.
KOMPOZİTLER Kompoziti elde etmek için takviye elemanının etrafını sıvı haldeki ana malzeme ile doldurma
Döküm:
Biçimlendirme: Birleştirme: Yapıştırıcılı bağlama, patlamalı bağlama, difüzyonla bağlama Sıkıştırma ve sinterleme:
Kompoziti oluşturacak yumuşak elemanla sert elemanın birleşmesi basınç uygulanarak sağlanır. Kompoziti oluşturacak elemanlar yapıştırıcı yardımıyla, deformasyonla veya yüksek sıcaklık etkisi ile birleştirilir. Toz şeklindeki elemanlar yüksek basınçla sıkıştırılarak pişirilir.
Çizelge 13.1 Malzemelerin üretim yöntemleri (Erdoğan, 1998)
malzemebilimi.net
90
KAYNAKLAR AKKURT, M., KENT, M. 1979. Makine Elemanları. Birsen Yayınları, İstanbul. Anonymous, 2007 http://tr.wikipedia.org/wiki/Molibden. Erişim tarihi 20.08.2007 ASKELAND, D.R.(Çeviri M. ERDOĞAN). 1998. Malzeme Bilimi ve Mühendislik Malzemeleri I – II, Nobel Yayın, Ankara. BAYDUR, G. 1979. Malzeme Bilgisi. Milli Eğitim Bakanlığı Yayınları, Ankara. CURUN, N. 1981. Cisimlerin Dayanımı. Milli Eğitim Bakanlığı Yayınları, Ankara. EKER,B., TAŞERİ, L., Günaydın, L. 1994. Makine Tasarımı El Kitabı. Trakya Üniversitesi Yayınları- 214, Tekirdağ. ERDOĞAN, D. 1999. Makine Malzeme Bilgisi. Ankara Üniversitesi- Ziraat Fakültesi Yayınları1507, Ankara. İPEK, R. 1999. Pratik Malzeme Bilgisi. Cumhuriyet Üniversitesi Yayınları -81, Sivas. LAWRENCE, H.V.(Çeviri R.A. SAFOĞLU). 1990. Malzeme Bilimine Giriş. Birsen Yayınevi, İstanbul. SANDELOWSKY(Çeviri Kemal DEVECİ). 1977. Plastik Kalıp Konstrüksiyonu. MEB- Mesleki ve Teknik Öğretim Kitapları- 127, Ankara. SERFİÇELİ, Y.S. 2000. Malzeme Bilgisi. Milli eğitim Bakanlığı Yayınları- 3458, İstanbul. ŞAHİN, S. 1997. Malzeme Bilgisi. Şafak Matbaa, Ankara. ŞEN,İ.Z., ÖZÇİLİNGİR,N, Makine Resmi, DE-HA Yayıncılık, İstanbul, 2005 ŞEN,İ.Z., ÖZÇİLİNGİR,N. 2004. Standard Makine Elemanları Çizelgeleri. DE-HA Yayıncılık, İstanbul. WEISSBACH, W (Çeviri S. ANIK, E.S. ANIK ve M.VURAL). 1984. Malzeme Bilgisi ve muayenesi. Birsen Yayınları, İstanbul. YALÇIN, H., GÜRÜ, M. 2002. Malzeme Bilgisi. Palme Yayıncılık:203, Ankara. YAZICIOĞLU, O. 1999. Makine Elemanları. Beta Yayıncılık, İstanbul.
malzemebilimi.net
