Teknik Konular > Metalürji ve Malzeme Bilgisi

Çeliğin Yapısı ve Demir-Karbon Denge Diyagramı

(1/8) > >>

Sefa Çabuk:
DEMİR-KARBON ALAŞIMLARI   
Genel olarak ele alındığında, içinde karbon olduğu halde sertleşemeyen çelik türlerinin hepsini piyasa “demir” diye nitelendirir, oysa işin aslı böyle değildir ve “arı demir” isteseniz dahi bulamazsınız yani her demirin içerisinde az ya da çok miktarda karbon bulunur ve tanımlamada eğer demirin içinde karbon bulunuyorsa buna çelik denir.
Arı demir yumuşak ve düşük mukavemetlidir, içine karbon katılarak sertlik ve mukavemeti büyük ölçüde arttırılabilir örneğin arı demirin çekme mukavemeti 30kgf/mm2 civarında iken her hangi bir ısıl işlem uygulanmaksızın içerisine sadece %0.8 kadar karbon katıldığında mukavemeti 100kgf/mm2 olur, buna ek olarak soğuk işleme veya su verme işlemiyle mukavemet 180kgf/mm2 ye kadar çıkartılabilir.
Aslında konuyu çok dallandırıp budaklandırmadan anlatmaya çalışıyorum ama işin içinden de bu şekilde çıkmak çok zor, elimden geldiğince kısa tutmaya ve genel bir toparlama yapmaya çalışacağım, sıkılırsanız şimdiden affola.
Bence ısıl işlemle uğraşan herkesin neyi nasıl yaptığını bilmesi açısından neredeyse bu işin haritası sayılan “ Demir-Karbon Denge Diyagramı”nı öğrenmesi ve yorumlayabilmesi gerekir. Demir-karbon denge diyagramını yorumlayabilmek zaten bir çok kapıyı açacaktır. Ama bu diyagramdan önce öğrenilmesi gereken diyagram “Demir Soğuma Diyagramı” dır, bu nedenle öncelikle bu konuyu ele alalım ardından da sırayla diğerine geçelim.


 
Öncelikle arı demirin soğuma diyagramını ( şekil- 3 )incelemekle başlayalım şekle bakınca da anlaşılabileceği gibi demirin üç ayrı polimorfu vardır ( demir allotropik bir metaldir yani diğer bir deyişle polimorfdur, farklı sıcaklıklarda farklı kristal kafes yapısına sahiptir) sıvı halden katılaşırken Hacim Merkezli Kübik ( HMK)            (Şekil-1)Sigma demiri oluşur (ki demirin sıvılaştığı sıcaklık 1510-1530C dir) , 1400 C de bu yapı Yüzey Merkezli Kübik (YMK) ( Şekil-2)gama demirine, 910 C de Yine HMK yapılı Alfa demirine dönüşür. HMK yapıya sahip demir FERRİT, YMK yapıya sahip demire ise ÖSTENİT denir. ( Biraz karışmaya başladı farkındayım ama başka yolu da yok)



 

Demir-Karbon sisteminde bu fazların yani alfa, sigma ve gama fazlarının yanında ayrıca bir de demir-karbür (Fe3C) fazı bulunur ve buna da SEMENTİT denir. Aslında demir karbür bir bileşik olup ağırlık yönünden %6.7 C içerir, demir içine %6.7 oranında C katılırsa bütün kütle sementitten oluşur. Bir tarafta arı demir olan ferrit fazı çok yumuşak ve düşük mukavemetliyken ,diğer tarafta demir karbür fazı çok sert ve gevrektir, ancak ikisininde ince ve hassas karışımından oluşan çelikler hem yüksek mukavemete hemde yüksek tokluğa sahiptir işte bu iki yapı ardışık olarak ve sık tabakalar halinde dizilmişse bu yapıya da PERLİT diyoruz
Çelikler içerisindeki karbon oranlarına göre sınıflandırılır buna göre,
Az karbonlu çelikler          % 0.1 - %0.2
Orta karbonlu Çelikler       % 0.2 - %0.5
Yüksek karbonlu çelikler   % 0.5 - %2
Dökme demirler                 %2 - %6.7

Buraya kadar çeliğin fazlarının ne anlama geldiğine kısaca değindik ve kabaca kafes yapıdan bahsettik, konu çok kapsamlı ve uzun işin açığı nereden tutacağımı da karıştırıyorum zaman zaman, bir çok konuya daha girmedim ( austenit, ledeburit vs) belki pratikte yararlı olacak temel teorik bilgi en iyisi olacak bu nedenle özellikle tavlama işleminde kullanılabilecek bir Demir-Karbon denge diyagramıyla ( Şekil-4)devam edelim
 
Diyelim ki elimizde içerisinde % 1 karbon bulunan bir çelik ( çeliğe katılan alaşım elemanlarını bir yana bırakıyoruz bunları daha sonra inceleyeceğiz) var ve biz bununla tavlayarak işlem yapmak şekil vermek istiyoruz yukarıdaki tabloya göre çeliğin önce karbon miktarını bulup (alt çizgiden) buradan yukarıya doğru bir dik çıkıyoruz ve austenit +sementit bölgesinin üzerindeki eğriyle kesiştiği noktayı buluyoruz ( 800 C) bu nokta tav sıcaklığının alt sınırıdır ve uygulamalrda tav sıcaklığının 200-300 C üzerinde tavlama çalışma esnekliği vermesi açısından daha uygundur. Ancak burada dikkat edilmesi gereken nokta şu olmalıdır yüksek sıcaklıklarda kristaller kaba taneli olurlar bu nedenle bunların sıcak yada soğuk şekillendirilmesi parçalarda çatlamalara yol açar bu nedenle ocaktaki parçaları aşırı yüksek sıcaklıklarda tavlamak veya yüksek sıcaklıktaki bir ocakta ( ya da fırında ) bekletmek doğru değildir. Sırası gelmişken söylemekte yarar var ocakta özellikle kükürt içeren bir kömür kullanıyorsanız parça tav sıcaklığına gelmişken sakın ola sıcak kısımları yanmamış kömürlerle uzun süreli temas ettirmeyin, çünkü yanmamış kömürün içerisinde bulunan kükürt çok kısa bir sürede çalıştığınız parçanın içerisine nüfuz edecek ve parçanın öz niteliklerine olumsuzluk katacaktır ( çatlama, gevreklik vs.)
Demir karbon denge diyagramı aslında çok geniş bir konu burada bu diyagramın sadece tavlamada yararlanılacak kısmını kullandık. Ben bu diyagramı hızlıca çizmek zorunda kaldım daha sonra standart bir diyagram foruma koyarım.buraya kadar foruma gönderiyorum ama devam edeceğiz. Bundan sonraki bölümlerde çeliklerde kullanılan alaşım elemanları,
Nitrürasyon
Normalizasyon
Temperleme
Sementasyon
Su verme
Su verme banyoları
Şimdilik sağlıcakla kalın. Sevgiler selamlar

Sefa Çabuk

Durukan Türe:
.....Ancak burada dikkat edilmesi gereken nokta şu olmalıdır yüksek sıcaklıklarda kristaller kaba taneli olurlar bu nedenle bunların sıcak yada soğuk şekillendirilmesi parçalarda çatlamalara yol açar bu nedenle ocaktaki parçaları aşırı yüksek sıcaklıklarda tavlamak veya yüksek sıcaklıktaki bir ocakta ( ya da fırında ) bekletmek doğru değildir....

      sanırım burada çekiçle dovmenin tanelerin capını küçülttügünü ekleyebiliriz. bu pratikte şu anlama gelir. iki demirci var diyelim ve aynı malzemeyi yapacaklar (bıçak, keski vs). birincisi 30 kere ocakta ısıtıp yapar iken ikincisi 15 kerede isini bitiriyorsa muhtemelen ikinci demircinin urunu daha ustun nitelikli olacaktır.  bunu iki sebebe dayandırabiliriz.
      1- daha az sure yüksek sıcaklıkta kaldıgı için tane kabalaşması daha az olacaktır.
      2- daha seri ve etkili dövüldügü için çekic darbelerinin etkisi ile tane çapları daha iyi küçülecektir.


     sefa beyin foruma katılması ile ciddi bir bosluk da doldurulsıımuş oluyor. aramızda ısıl ıslemi amatorce yapanlarımız olmasına ragmen meslegi bu olan bir forum arkadasımızın gelmesini en azından kendim acısından mutlulukla karşılıyorum.

      farkına vardıgım diger bir olay ise karbon oranının artması demir işlenebilirligini belirgin oranda azaltmakta. ornegin 1020 karbon celigine nazaran 1040 celik daha zor dövülmekte ve sogumanın daha erken asamalarında sertleşerek "çekic almamakta". konuya ilişkin daha detaylandırmak istedigim noktalar olmasına ragmen sefa beyin asıl iletisinin çizgisinden çıkmamak adına şimdilik burada sonlandırıyorum.     saygılarımla

Sefa Çabuk:

--- Alıntı yapılan: Durukan Türe - 22 Şubat 2009, 09:00:22 ---.....
      sanırım burada çekiçle dovmenin tanelerin capını küçülttügünü ekleyebiliriz. bu pratikte şu anlama gelir. iki demirci var diyelim ve aynı malzemeyi yapacaklar (bıçak, keski vs). birincisi 30 kere ocakta ısıtıp yapar iken ikincisi 15 kerede isini bitiriyorsa muhtemelen ikinci demircinin urunu daha ustun nitelikli olacaktır.  bunu iki sebebe dayandırabiliriz.
      1- daha az sure yüksek sıcaklıkta kaldıgı için tane kabalaşması daha az olacaktır.
      2- daha seri ve etkili dövüldügü için çekic darbelerinin etkisi ile tane çapları daha iyi küçülecektir.


   
      farkına vardıgım diger bir olay ise karbon oranının artması demir işlenebilirligini belirgin oranda azaltmakta. ornegin 1020 karbon celigine nazaran 1040 celik daha zor dövülmekte ve sogumanın daha erken asamalarında sertleşerek "çekic almamakta".
--- Alıntı sonu ---
Kesinlikle doğru, zaten dövme işleminin malzemenin mekaniksel özellikleri iyileştirmesinin temel mantığını da bu söyledikleriniz doğru açıklıyor ( ne yazıkki talaşlı imalat için aynı şeyi söyleyemiyoruz) bu yüzden kılıç, bıçak, kritik yerlerde çalışan makina parçaları vs hala sıcak dövme yöntemiyle üretilmekte.
Tavlama sıklığının da yapıya etkisini çok güzel özetlemişsiniz. özellikle yüksek karbonlu çeliklerde 700 C sıcaklıklarda küresel karbür oluşur ve bu da dövülmeyi güçleştirir. Durukan bey aslında bilgiyi ne şekilde aldığımızın önemi yok ben konuya başladım diye lütfen kendinizi engellemeyin bu şekilde inanın daha yararlı olacaktır, yani siz bir şey söyleyin , ben bir şey söyleyeyim, bir başka arkadaş başka bir şey söylesin ve konuyu böyle inceleyelim böyle hem daha az sıkıcı olur hem de daha heyecanlı. Sevgiler selamlar
( bu arada dağcılıkla ilgiliyseniz sanırım yıllar önce Cimbar da tanışmıştık)

Sefa Çabuk:
ÇELİK ALAŞIMLARINDA KULLANILAN KATIK ELEMANLARI VE YAPIYA ETKİLERİ

(Aşağıdaki yazılanlara benim kişisel katkım yoktur, kişisel deneyim değildir en altta kaynaklar yazılmıştır)

• KARBON
Çelik için temel alaşım elementidir. Karbon miktarının artmasıyla sertlik ve
dayanım önemli ölçüde artar. % 0.8 karbona kadar çekme gerilmesi ve
akma sınırı değeri artar. Bu değerden sonra kırılganlık artar, ısıl işlem sonu
sertlik kalıntı östenit sebebiyle daha fazla artmaz. Çeliğin alabileceği max
sertlik 67 HRC olup bu değer 0.6 karbon miktarı ile elde edilir. Karbon
miktarının artması aynı zamanda sünekliği, dövülebilirliği, derin çekilebilirliği
ve kaynak kabiliyetini düşürür. Yüksek karbonlu çeliklerin ısıl işleminde
çatlama riski de fazladır.


• MANGAN
Yapıya genellikle cevher halinde iken girer. Mekanik özellikleri iyileştirmesi
dolayısıyla ayrıca da ilave edilir, temel alaşım elementi olarak da kendisini
gösterebilir. Genel olarak sünekliği azaltmakla birlikte çeliğin dayanımını
artırır özelliğe sahiptir. % 3 Mn miktarına kadar, her % 1 Mn için çekme
dayanımı yaklaşık 100 MPa kadar artar. % 3 - 8 arası artış azalır. % 8 den
itibaren düşüş görülür. Çeliğin dövülebilirliği ve sertleşebilirliğini iyileştirici
özelliktedir. Kaynak kabiliyetini etkilemez ve kaynaklanabilir malzemeler
içinde % 1.6 oranına kadar yükseltilebilir. Manganın iyi yöndeki etkisi karbon
oranının artmasıyla birlikte artar.

• SİLİSYUM
Çelik üretimi esnasında deoksidan olarak kullanılır. Döküm çeliklerde, döküme
akıcılık sağlamak için ilave edilebilir. Ferrit içerisinde çözünebilme özelliğine sahip
olduğu için malzemenin süneklik ve tokluğunu düşürmeden, dayanımı ve sertliği
artırır. Yüksek silisyum içeren çeliklerin ısı dayanımı da yüksektir. Genel olarak
sertleşebilirliği, aşınma dayanımını, ve elastikiyeti yükseltmesine karşın yüzey
kalitesini olumsuz yönde etkiler.

• KÜKÜRT
Demir ile birlikte Fe-S bileşiği oluşturarak, tane sınırlarında birikir ve malzemenin
gevrekleşmesine yol açar.
800° C - 1000° C arasında şekil değiştirme esnasında "kızıl sıcaklık kırılganlığı"
1200° C üzerindeki sıcaklıklarda "akkor sıcaklık kırılganlığı" meydana getirir.
Bu sebeplerle çelik için zararlı bir element olarak kabul edilerek, giderilmesi yönünde
çalışılır. Ancak otomat çeliklerinde iki katı kadar Mn ilave edilerek kullanılmak
suretiyle, talaşlı işlenebilirlik kabiliyetini artırmak amacıyla kullanılır. Genel olarak
kaynak kabiliyeti ve sertleşebilirliği olumsuz etkiler.

• FOSFOR
Çelik içinde fosfor bulunması ile malzeme tokluğunu düşüren, zararlı etkiye sahip bir
elementtir. Çeliğin dayanımını ve sertliği artırıcı özelliği olmasına karşın süneklik ve
darbe dayanımını düşürür. Bu etki yüksek karbonlu çeliklerde daha net görülür. Çelik
içerisinde mümkün olduğunca düşük olmasına çalışılır ve kükürtle birlikte fosfor azlığı
malzeme kalitesinde birinci kriterdir.

• KROM
Çeliklere en fazla ilave edilen alaşım elementidir. Çeliğe ilave edilen krom
Cr7C3 ve Cr23C6 gibi sert karbürler oluşturarak sertliği direkt olarak artırır.
Dönüşüm hızlarını da yavaşlatarak sertlik derinliğini de aynı oranda artırır.
Krom %25 varan değerlerde ilave edilmesi halinde malzeme yüzeyinde bir
oksit tabakası oluşturarak paslanmaya karşı direnç sağlar ve malzemeye
parlak bir görüntü kazandırır. Çekme dayanımını ve sıcağa dayanımı da
artırır özelliğe sahiptir. Bazı alaşımlarda meneviş kırılganlığına sebep
olabilir veya sünekliği düşürebilir. Bu etkileri azaltmak amacıyla daha çok Ni
ve Mo ile birlikte kullanılır.

• NİKEL
Nikel %5 e varan oranlarda, alaşımlı çeliklerde geniş bir biçimde kullanılır.
Nikel malzemenin mukavemetini ve tokluğunu artırır. Özellikle paslanmaz
çeliklerde daha geniş yer alır. Nikel aynı zamanda tane küçültme etkisine de
sahiptir. Alaşım elemanı olarak nikelin tek başına kullanımı son yıllarda
azalmış Ni-Cr alaşımı başta olmak üzere Ni - Mo yahut Ni - Cr - Mo
alaşımları yaygınlaşmıştır. Sıcağa ve tufalleşmeye karşı iyileştirici özelliğe
sahip olmasının yanı sıra, krom ile birlikte kullanılarak sertleşmeyi, sünekliği
ve yüksek yorulma direncini artırır.

• MOLİBDEN
Molibden düşük nikel ve düşük krom içeren çeliklerde temper gevrekliği eğilimini
gidermek için kullanılır. % 0.3 civarında molibden ilavesi bunu sağlar. Molibden ilavesi
yapılan nikel ve krom çeliklerinin temper sonrası darbe dayanımları da önemli ölçüde
yükselir. Aynı zamanda akma ve çekme dayanımını artırır.

• VANADYUM
Nikel gibi vanadyum da çelikler için önemli bir tane küçültücüdür. % 0.1 gibi bir
oranda kullanılması bile, sertleştirme prosesi esnasında tane irileşmesini önemli
ölçüde engeller. Vanadyum sertlik derinliğini artırmakla beraber sıcaklık dayanımını
da artırır. Özellikle kesmeye çalışan parçalarda, darbe dayanımının artmasını
sağlayarak kesici kenarların formunun uzun süre muhafaza edilmesinde etkilidir.

• WOLFRAM
Çeliğin dayanımını artıran bir alaşım elementidir. Takım çeliklerinde, kesici kenarın
sertliğinin muhafazasını, takım ömrünün uzamasını ve yüksek ısıya dayanımını
sağlar. Bu sebeple özellikle yüksek hız çeliklerinde, takım çeliklerinde ve ıslah
çeliklerinde, alaşım elementi olarak kullanılır. Yüksek çalışma sıcaklıklarında, çeliğin
menevişlenip sertliğini kaybetmemesini sağladığından, sıcağa dayanımlı çeliklerin
yapımında kullanılır.

• NİOBYUM
Tane inceltici ve karbür yapıcı etkiye sahip olduğundan
akma sınırının yükselmesine ve sertliğin artmasına
sebep olur.

• TİTANYUM
Kuvvetli karbür yapıcı özelliği vardır ve sertliği artırır.
Çelik üretimi esnasında deoksidan olarak da kullanılır.
Tane inceltici yapıya sahiptir.

• KOBALT
Yüksek sıcaklıklarda tane büyümesini yavaşlatır bu
nedenle daha çok hız çeliklerine ve sıcağa dayanıklı
çeliklere ilave edilir.

• ALÜMİNYUM
En güçlü deoksidandır. Çeliğin ısıtılması durumunda tane
kabalaşması ve yaşlanmayı azaltır. Tane inceltici özelliğe sahiptir.

• BOR
Düşük ve orta karbonlu çeliklerde sertleşebilme özelliğini arttırır.
Sakinleştirilen diğer bir deyişle durgunlaştırılan çeliklere 0.0005 -
0.003 kadar düşük oranda katılırlar.

• BAKIR
Sıcak şekillendirmede kırılganlık yaratan bakır için % 0.5 oranı pek
aşılmaz. Sünekliği ciddi oranda düşürür. Buna rağmen korozyon
dayanımını ve sertliği arttırır.

• AZOT
Yapı içinde nitrürlü bileşikler oluşturularak çeliğin sertliğini artırır.
Mekanik dayanım ve korozyona karşı direnci artırır.



• Kaynaklar:


• Prof.Dr.Mehmet Yüksel’’Malzeme Bilimleri Serisi’’, Cilt 1
• Prof.Dr.Şefik Güleç-Doç.Dr.Ahmet Aran, ‘’ Malzeme Bilgisi’’, Cilt 1

Durukan Türe:
 elinize saglik. alaşım çeliklerini ve elementlerin etkisini bilmek yolumuza ışık tutacaktır. ozellikle wootz celigi, pulat çeligi gibi damascus çeliginin yapısına katılanların etkileri acısından bu teknik bilgiler faydalı. benim gibi sıcak demircilige gönül vermiş arkadaşlar var forumda e ne yazık ki istedigimiz kaliteli çelikler ile çalışma şansımız olmuyor. bu acıdan elimizdeki malzeme genellikle niteligini tam bilmedigimiz çelik olabiliyor. ornegin bir kamyon makası, kamyonet aksı, veya spriral yay gibi daha çok otomotiv endustrisinden çıkma parçalar ile çalışıyorum mecburen. ve ugraşsam da tam kodu ile çeligin ne oldugunu, teknik ozeeliklerini bulamayabiliyorum.

   ornegin bıcak yapma girişimleri sırasında talaşlı imalatta kullanılan torna kalemlerinden tutunda bi-metal çelik testerelere kadar pek çok urunu de denedim ama yüksek hız çeliklerinin en iyi olarak soguk işlenebildigini buldum. ısıtılınca çekiç altında resmen dagılıyorlar. ayrıca bildigimiz krom-nikel malzemelerde zor. çogu ege almıyor. eğe demişken onlarında tam içerigini bulmak zor. genel olarak malzeme listelerinde W-2 çelik olarak geçiyorlar ama avrupa-çin arasında farklar oldugunu hissediyorum.

   lafı uzatmadan şunu da söylemek isterim;  iki yıldır demircilik ile ugraşıyorum. sonunda kendi atolyemi olusturdum diyebilirim. ama bilginin sonu gelmiyor. çelik bilgisi de başlı başına bir derya. amacım olan evladiyelik bıçak-kılıç yapmak, şam çeligini yeniden hayata getirmek (ki forumdan bir arkadaşımız çoktan bunu başarmış ) , ve kendi çeligimi yapmak gibi hedeflerime yaklaşsamda henüz başarmaya çok yol var. bunu bir ekip ile birlikte yapmak beni mutlu edecektir. Sefa beyin çalışmalrının devamını bekliyorum. Saygılarımla

Navigasyon

[0] Mesajlar

[#] Sonraki Sayfa