Ne Tür Çelikler Sertleştirilebilir?

Büyük miktarda karbon içeren herhangi bir çelik türü değişebilir. Bu aynı zamanda temperli olarak da bilinir. Element yeterince karbon içermiyorsa, kristal yapı değiştirilemez ve hiçbir ısıtma miktarı malzemenin bileşimini değiştirmez.

Çelik, gezegendeki en önemli ve sembolik metallerden biridir. Demir ve karbonun birleşiminden sağlam, çok yönlü ve yaygın olarak kullanılan bir alaşım ortaya çıkıyor. Binalar, altyapı, su depoları, arabalar, makineler, ev aletlerinden çatal ve kaşık gibi basit mutfak eşyalarına kadar uygulamalarının sınırı yok gibi görünüyor. Bu, çeliğin sahip olduğu çok sayıda arzu edilen özellikten kaynaklanmaktadır. Bu özelliklerden biri, bir malzemenin girinti, darbe veya aşınmanın neden olduğu deformasyona direnme yeteneği olan sertliktir. Ancak çeliğin doğal sertliği, yük taşıyan yapılar ve motor parçaları gibi belirli mühendislik uygulamaları için her zaman yeterli değildir. Bu nedenle çeliğin diğer özellikleriyle birlikte sertliğini de önemli ölçüde artırmak için yöntemler geliştirilmiştir. Bu yöntemler çelik sertleştirme olarak bilinir.

Çeliğin sertleştirilmesi genellikle hammaddeler üzerinde değil, bitmiş ürünler üzerinde gerçekleştirilir. CNC işlemede çelik sertleştirme, işlenmiş parçalar üzerinde gerçekleştirilen bir işleme sonrası işlemdir. Bu, birkaç nedenden dolayı yapılır. Her şeyden önce, işleme sürecinde büyük bir yüzdesi kaldırılacağından, tüm bir çelik bloğunu sertleştirmek ekonomik değildir. Ek olarak, sertleştirilmiş çeliğin işlenmesi çok daha zordur, çünkü parçanın sertliği aletin nüfuz etmesini zorlaştırır.

Çeliğin iç yapıları ve sertliği

Gördüğümüz tüm çelikler aynı bileşime sahip değildir. Tam olarak, çeşitli amaçlar için farklı çelik bileşimleri vardır. Çelikler arasındaki fark iç yapılarına bağlıdır. Yükleri desteklemek için daha güçlü metallere olan ihtiyaç arttıkça, çeliği sertleştirmek gerekli hale geldi. Çelik en temel haliyle nispeten düşük mukavemete ve sertliğe sahiptir. Bununla birlikte, iç yapılarında yapılacak bir değişiklik, dayanıklılığı ve sertliği açısından etkileyici sonuçlar verir. Çelik sertleştirme, basitçe, diğerinden ziyade belirli bir iç yapının oluşumunu desteklemek için tasarlanmış işlemlerden oluşur. İç çelik yapılar şunları içerir:

martenzit

Çeliğin iç kristal yapısının en sert şeklidir. Östenitik demirin hızlı soğuması martenziti oluşturur. Hızlı soğuma hızı nedeniyle karbon, parçanın sertleşmesine neden olan katı bir çözelti içinde tutulur. Son derece sert ve kırılgandır. Martensit, ana faz tanelerini bölen ve alt bölümlere ayıran, her zaman temas eden ama asla kesişmeyen merceksi plakalar veya trombositler olarak görünen iğne benzeri, iğnemsi bir mikro yapıya sahiptir. Bu yapı, Fe-C, Fe-Ni-C dahil olmak üzere çok sayıda alaşım sisteminde oluşur.

östenit

Ostenit, martensitten sonra en sert iç çelik yapıdır. Demirin gama olduğu demir alaşımlarını ifade eder. Genellikle 1500ºC'nin altında ve 723ºC'nin üzerinde görülür.

perlit

Perlit, martensitten farklıdır, çünkü perlitin yapısı yavaş soğuma ile oluşur. Ferrit ve sementitin laminer bir düzenlemesidir. 723ºC'de gama demiri FCC yapısından alfa demire dönüşür ve demir karbürü (sementit) çözeltiden çıkmaya zorlar.

Çelik sertleştirme yöntemleri

Çeliğin sertleştirilmesini gerçekleştirmek için birkaç yöntem vardır. Bu yöntemler termal, mekanik, kimyasal veya ikisinin veya daha fazlasının bir kombinasyonu olabilir. Termal sertleştirme işlemleri, çeliği sertleştirmenin en yaygın yöntemleridir. Genellikle çeliği ısıtmak, belirli bir sıcaklıkta tutmak ve soğutmak olmak üzere üç ana aşamadan oluşurlar. İlk aşama, genellikle, içindeki yapısal değişiklikleri indüklemek için metali çok yüksek bir sıcaklığa ısıtmayı içerir. Bu aynı zamanda şeklini değiştirmek gibi metal üzerinde çalışmayı da kolaylaştırır. Çeliği sertleştirmenin farklı yöntemleri şunlardır:

soğuk iş

Soğuk işleme genellikle çelik veya metallerin özelliklerini değiştirir. Bu çeliği sertleştirme yöntemi, basitçe, bir metalin erime noktasının altındaki bir sıcaklıkta deforme edilmesini içerir. Akma dayanımı, çekme dayanımı, sertlik gibi özellikler artarken malzemenin plastisitesi ve deforme olabilirliği azalır. Plastik deformasyon sırasında yer değiştirmelerin birikmesi ve birbirine dolanmasından kaynaklanan gerinim sertleşmesi, elemanları güçlendirmenin önemli bir yoludur. Soğuk çalışma sırasında enerjinin yaklaşık yüzde 90'ı ısı olarak dağılsa da, geri kalanı kristal kafeste depolanır, böylece iç enerjisi artar.

Katı Alaşım Sertleştirme

Çözelti sertleştirme, katı bir çözelti oluşturmak için ana metale bir alaşım elementinin eklenmesidir. Katılaşma üzerine, metal, baz metalin kristal kafesindeki alaşım atomlarının varlığından dolayı sertleşir. Çözünen ve çözücü atomları arasındaki boyut farkı, katı çözeltinin etkinliğini etkiler. Çözünen atom, çözücü atomundan daha büyükse, sıkıştırıcı gerinim alanları üretilir. Bunun yerine, çözücü atomu çözünen atomlardan daha büyükse, çekme gerinim alanları üretilir. Kafesi dörtgen bir yapıya bozan çözünen atomlar hızlı sertleşmeye neden olur. Açık bir örnek, sementitin çelik üzerindeki etkisidir.

söndürme ve temperleme

Martensitik dönüşüm olarak da adlandırılan söndürmede, çelik kritik sıcaklığın üzerinde östenit aralığına ısıtılır, bu sıcaklıkta tutulur ve daha sonra hızla söndürülür veya daha sık olarak su, yağ veya su, erimiş tuz içinde söndürülür. Ötektoid altı çelikler için ısıtma sıcaklığı, östenit çözünürlük çizgisi sınırının 30-50ºC üzerindedir. Ötektoid üstü çelikler için sıcaklık ötektoid sıcaklığının üzerindedir. Soğutma, çeliği önemli ölçüde sertleştiren martensitik dönüşüme neden olur. Bununla birlikte, sertleştirilmiş çelik çok kırılgandır. Bu nedenle, iç gerilimleri azaltmak ve kırılganlığı azaltmak için tavlama gereklidir. Maksimum sertlik, su verme hızı, martenzitin tam dönüşümünü sağlayacak kadar hızlı olduğunda elde edilir.

Sertleştirme (kutulu)

Adından da anlaşılacağı gibi, kasa sertleştirme, krank milleri, yataklar ve benzerleri gibi uygulamalarda aşınmaya direnmek için gerekli olan sert bir yüzey oluşturur. Bu çeliği sertleştirme yöntemi genellikle üç yaklaşımdan birini içerir:

İndüksiyon ve alevle sertleştirme

Bu, yüzeyin diferansiyel ısıl işlemidir. Malzemenin merkezinin etkilenmesini önlemek için yüzey hızla ısınır. Malzeme daha sonra çok daha hızlı soğumaya uğrar. Bu sayede yüzeyde yüksek düzeyde martenzit oluşur.

Difüzyon sertleştirme (nitrürleme)

Yüzey alanının bileşiminin bir değişikliğidir. İnce parçacıklar, seçilen gazların çeliğe tepkimesine ve yayılmasına izin vererek dağılır. Bu işlemde çelik, söndürülmüş martensitik bir yapı elde etmek için ısıl işleme tabi tutulur. Daha sonra 12-36 saat boyunca yaklaşık 550°C'de bir amonyak atmosferine maruz bırakılır. Al veya Crenhance gibi küçük alaşım elementleri, yüzey sertliğini ve aşınma direncini önemli ölçüde artıran ince bir nitrür dağılımının oluşumunu destekler. Bu nitrür bileşimi, sertlik açısından martensitten çok daha üstündür.

karbonlama

Çeliğin yüksek sıcaklıkta karbonlu bir atmosfere maruz bırakılmasından oluşur. Karbonlu atmosfer, yüksek kaliteli kömürden veya ayrışmış doğal gazdan üretilebilir. Karbon atomları metalin alt yüzeyine difüze olur ve yüksek karbonlu bir kutu ile sonuçlanır, bu da daha sonra soğutulduğunda sert, aşınmaya dayanıklı martensitik bir yüzey oluşturur.

Çelik sertlik testleri

Sertliğin belirli bir ölçü birimi yoktur. Bunun yerine, dizin numaralarıyla tanımlanır. Birkaç sertlik testi vardır ve bir malzemenin sertliğini tanımlamak için kullanılan indeks, kullanılan teste bağlıdır. Bazı yaygın sertlik testleri şunlardır:

Brinell sertlik testi

Bu testte, malzemenin yüzeyine bir yük olarak çapı bilinen bir çelik bilye uygulanır. Brinell sertlik numarası (BHN) daha sonra aşağıdaki tablodaki formül kullanılarak hesaplanır. Ortaya çıkan izlenimin çapı ölçülür; çelik bilyenin çapı ile birlikte BHN hesaplanır.

Vickers sertlik testi

Vickers sertlik testinde yük, kare tabanlı bir elmas piramittir. Bu yük yaklaşık 30 saniye boyunca malzemenin yüzeyine uygulanır. Piramidal izlenimin alanı hesaplanır ve metalin sertliğini hesaplamak için kullanılır.

Knoop mikrosertlik testi

Bu sertlik testi, ince saclar veya çok kırılgan malzemeler için özeldir. Piramidal elmas uç, malzemede çok küçük bir girinti oluşturur. Yapılan girinti daha sonra mikroskop altında incelenir ve malzemenin sertliğini hesaplamak için kullanılır.

Rockwell sertlik testi

Rockwell sertliği, ısıl işlemden önce ve sonra çeliğin sertlik farkını ölçmek için geliştirilmiştir. Girinti, çelik bir bilye veya küresel bir elmas girinti olabilir. Sertlik, malzemeye nüfuz etme derinliği belirlenerek ölçülür. Normal olarak iki yük uygulanır. İlk izlenim yaratmak için daha düşük bir yük ve ana penetrasyona neden olmak için daha yüksek bir yük.

Sertleştirilebilen çelik türleri

Amerikan Demir ve Çelik Enstitüsü (AISI) çeliği dört ana gruba ayırır:

karbon çelikleri

Alaşımlı çelikler

Paslanmaz çelikler

takım çelikleri

Çeliğin temel elementleri demir ve karbondur. Bununla birlikte, değişen miktarlarda karbon ve diğer alaşım elementleri, her bir kalitenin özelliklerini belirler. Herhangi bir çeliğin karbon içeriği, onun sertleşebilirliğini ve elde edilebilecek maksimum sertliğini belirler. Bu, özellikle söndürme durumunda geçerlidir, çünkü karbon, martensit oluşumunu destekler.

Karbon çeliği (UNS G{{0}}G15900, DIN 1.0xx)

Karbon çelikleri, yüzde 2'ye kadar karbon içeren demir alaşımlarıdır. Genellikle belirli özellikleri artıran eser alaşım elementleri içerirler. Karbon çelikleri içerdikleri gerçek karbon miktarına göre düşük karbonlu çelikler, orta karbonlu çelikler ve yüksek karbonlu çelikler olarak sınıflandırılabilir.

düşük karbonlu çelik

Yumuşak çelik olarak da bilinir ve yüzde {{0}},08 ile 0,35 arasında karbon içerir. Düşük karbon içeriği nedeniyle, düşük karbonlu çelikler soğuyarak sertleşmez. Ancak karbürleme ile sertleştirilebilirler.

orta karbonlu çelikler

Bu çelikler yüzde {{0}}.35 ile yüzde 0.5 arasında karbon içerir. Düşük karbonlu çeliklerden daha güçlüdürler, ancak çalışması daha zordur. Orta karbonlu çelikler su verme ile kolayca sertleştirilir. Eser miktarda manganez ile alaşımlandırıldığında sertleşebilirlikleri artar. Orta karbonlu çelikler ayrıca krank milleri gibi aşınma direncinin kritik olduğu uygulamalar için sertleştirilmiştir.

yüksek karbonlu çelikler

Yüksek karbonlu çelikler yüzde 0,5'ten fazla karbon içerir. Bu tip çelikler, yüksek karbon içeriği nedeniyle çok sertleştirilebilir. Genellikle su verme ile sertleştirilirler. Ancak bu onları oldukça kırılgan yapar, bu nedenle tavlama gereklidir.

Alaşımlı çelikler (UNS G13300-G98500, DIN 1.2xxx)

Karbon içeriğine ek olarak, kimyasal bileşim çeliklerin sertleşebilirliğini etkileyen başka bir faktördür. Alaşımlı çelikler değişen miktarlarda bakır, nikel, manganez, bor ve vanadyum içerir. Bu çelikler su verme ile oldukça sertleştirilebilir. Bunun nedeni, alaşım elementlerinin östenitin ayrışmasını geciktirmesi ve böylece alaşımlı çeliklerde kolayca martenzit oluşturmasıdır. Katı çözelti sertleştirme, alaşımlı çelikleri sertleştirmenin verimli ve yaygın bir yoludur.

Paslanmaz çelikler (UNS S00001-S99999, DIN 1.4xxx)

Paslanmaz çelikler, ana alaşım elementi olarak yüzde 10 ila 20 arasında krom içeren çeliklerdir. Korozyon ve erozyona karşı oldukça dirençlidirler. Yapılarına ve bileşimlerine bağlı olarak paslanmaz çelikler şu şekilde sınıflandırılabilir:

östenitik

Östenitik çelikler tipik olarak demir, yüzde 18 krom, yüzde 8 nikel ve yüzde 0,8'den az karbon içerir. Paslanmaz çeliğin en yaygın kullanılan türüdür. Östenitik çelikler manyetik veya ısıl işlem görmez. Ancak soğuk işlemle kolayca sertleşirler.

Ferritikler

Bu çelikler tipik olarak yüzde 0.1'den daha az karbon, yüzde 12 ila 17 arasında krom ve eser miktarda nikel içerir. Ferritik çelikler manyetiktir ancak ısıl işlemle sertleştirilemezler. Soğuk çalışma, onları sertleştirmenin etkili bir yöntemidir.

martensitik

Martenzitik çelikler iç yapıları nedeniyle oldukça serttir. Bu çelikler yüzde 1,2'ye kadar karbon artı yüzde 12-17 krom içerir. Nispeten yüksek karbon içeriği nedeniyle martensitik çelikler ısıl işlemle kolayca sertleştirilir.

dubleks

Dubleks çelikler hem ferritik hem de östenitik mikro yapılara sahiptir. Bu çelikler ısıl işlem veya segman sertleştirme ile sertleştirilir.

Yağış Sertleşmesi

Yağışla sertleşen çelikler, krom, nikel ve bakır, alüminyum ve titanyum gibi diğer alaşım elementlerini içeren paslanmaz çeliklerdir. Bu alaşım elementleri, paslanmaz çeliğin çözelti ısıl işlemi ve yaşlandırma ile sertleştirilmesine izin verir. Östenitik veya martensitik olabilirler.

Takım çelikleri ( UNS T00001-T99999; DIN 1.23xx, 1.27xx, 1.25xx)

Adından da anlaşılacağı gibi, takım çelikleri, kesme ve delme aletleri gibi aletlerin imalatında yaygın olarak kullanılmaktadır. Genellikle tungsten, kobalt, vanadyum ve molibden içerirler. Bu aletler soğuk işleme ve ayrıca su verme gibi ısıl işlemlerle sertleştirilebilir.

Çelik çeşitleri ve en uygun sertleştirme yöntemi