ISIL İŞLEM NEDİR ?

Geri

Kısaca, bir metal veya alaşıma istenilen bazı özellikleri kazandırmak amacıyla metalin ısıtıldıktan sonra soğutulması işlemidir.

Isıl işlem sırasında malzeme ısıtma, belirli bir sıcaklıkta tutulma ve ardından soğutulma işlemlerinden geçirilir. işlemin yürütüldüğü ortam da önemlidir, bazı kimyasal değişmelere sebep olabilir.

Isıl işlem gören malzemenin yapısı yüksek sıcaklıkta ve düşük sıcaklıkta farklı özellikler gösteriyorsa bu taktirde soğutma hızı da önem kazanır.

Işıl işlem, demirin alaşımlarına ve demir dışı metal veya alaşımlara uygulanabilir. Demir alaşımlarının allotropik yapısı, ışıl işlemlerine bir avantaj getirmektedir. Bir malzemenin değişik kristal biçimlerinde bulunabilmesine allotropi, her bir kristal yapıya da allotrop denir.

Sertlik, süreklilik, dayanıklık ve parlaklık gibi özellikleri kazandırmak ve çelikteki gerilimleri azaltmak metali daha önceden tespit edilmiş bir sıcaklığa getirdikten sonra hızlı, orta hızda veya yavaşça soğutmakla mümkün olur.

Isıl işlemler başlıca üç ayrı tepkime yoluyla gerçekleşir. Bunlar yaşlanma (çökelme) tepkimesi, allotropik tepkime ve ayrışma tepkimesidir.

Çökelme, ana metalin içindeki bir elemanın yüksek sıcaklıktaki çözünürlüğünün düşük sıcaklıktakine nispetle daha yüksek olması durumunda ortaya çıkar. Bu işlemde malzeme, bir elemanın daha fazla çözünebileceği yüksek bir sıcaklığa getirilir. Fazla çözünmüş elamanın çökelerek yapıyı bozmasını engellemek amacıyla suya daldırma suretiyle hızlı soğutma işlemi uygulanır. Bu şekilde soğutulan malzeme uygun bir sıcaklığa yeniden ısıtıldığında çökelme oluşur. Çökelme şartları kontrol edilerek çökelen parçacıkların boyutları ve özellikleri istenilen biçimde değiştirilebilir.

Allotropik tepkimeye en bariz misal demir alaşımlarının ısıl işlemleridir. Genel olarak bazı metallerin ısınması ve soğuması sırasında bir kristal biçimden başka bir kristal biçimine geçilir. Çeliklerde ortaya çıkan bu özellik çeliklerin ısıl işleminin temelini meydana getirir. Mesela yüksek sıcaklıkta östenit çeliği, demir olarak bilinen kristal yapısındadır. Çelik soğutulduğunda ferrit olarak bilinen demir ile sementit olarak bilinen demir karbür karışımına dönüşür. Soğutmanın hızı östenitin dönüşmesini etkiler ve çeliğin niteliklerini belirler.

Ayrışma tepkimesinde ise alaşımın bazı elemanları daha iyi niteliklere sahip bir veya daha fazla elemana ayrışırlar. Bu işlem, beyaz dökme demir olarak bilinen sert ve kırılgan olan dökme demirden dövülebilir ve dökme demir elde edilmesinde büyük önem taşır.

Türk Standartları Enstitüsüne göre ise tanımı (TS 1112), katı haldeki metal veya alaşımlara belirli özellikler kazandırmak amacıyla bir veya daha çok sayıda, yerine göre birbiri peşine zamanlanarak uygulanan ısıtma ve soğutma işlemleri olarak verilmektedir.

Çeliklere uygulanan bütün temel ısıl işlemler, iç yapının dönüşümü ile ilgilidir. Dönüşüm ürünlerinin türü, bileşimi ve metalografik yapısı çeliğin fiziksel ve mekanik özelliklerini büyük ölçüde etkiler. Başka bir deyişle; bir çeliğin fiziksel ve mekanik özellikleri içerdiği dönüşüm ürünlerinin cinsine, miktarına ve metalografik yapısına bağlıdır.

Isıl işlem uygulamaları fırınlarda yapılır. Farklı özelliklerde olan fırın çeşitleri mevcuttur.

ISIL İŞLEMİN GENEL UYGULAMALARI

Isıtma

Isıtılan Sıcaklıkta Bekletme

Soğutma

ISIL İŞLEM UYGULAMALARI

1-GERİLİM GİDERME TAVI (STRESS RELIEF ANNEAL)

Gerilim giderme tavı şekil verme, döküm veya kaynak işlemlerinden doğan iç gerilmeleri azaltmak amacı ile çelik parçaları, genellikle 550-650ºC arasında ısıtma ve sonra yavaş yavaş soğutma işlemidir.

2-NORMALİZE TAVI (NORMALIZE ANNEALING)

Normalize tavı çelik malzemenin kristal yapısını daha homojen, daha ince bir hale getirmek ve bir sonraki ısıl işleminde karbürün uygun şekilde dağılmasını sağlamak amacıyla çeliğin kritik sıcaklığının (yeniden kristalleşme sıcaklığı) 40-60ºC üstünde tavlanıp havada soğutulmasıdır.

3-SU VERME İŞLEMİ (QUENCHING PROCESS)

Belli bir sıcaklığa kadar (genellikle 850-1100ºC) ısıtılmış çeliğin cinsine göre su, yağ veya tuz banyolarında soğutularak martensit bir yapı sağlamasına su verme işlemi denir. Soğutma hızı, parçanın büyüklüğüne, çeliğin sertleşebilme yeteneğine ve su verme ortamına bağlı olarak değişir. En fazla arzu edilen su verme hızı, en uygun sertlik sağlamaya yarayan en ağır soğutma hızıdır. Soğutma hızı çok yüksek olursa parçada çatlaklar oluşur, çok düşük olması halinde de uygun sertlik elde edilemez.

4-MENEVİŞLEME (AGE HARDENING)

Menevişleme, ısıl işlem sonucu sertleştirilmiş bir çelikteki su verme sonunda soğutmadan ileri gelen gerginlikleri giderme işlemidir. Çeliğin sahip olduğu martensitik özlülüğünü ve direncini arttırmak için çelik genellikle 150-450ºC arasında ısıtılır ve uygun bir hızla soğutularak gevrekliği giderilir. Çatlamaları en aza indirebilmek için meneviş işleminin su verme işleminden hemen sonra yapılması gerekir.

5-SEMENTASYON (YÜZEY SERTLEŞTİRME)

Sementasyon işlemi, düşük karbonlu çelik parçasının yüzeyine karbon emdirilmesi işlemidir. Karbon emdirilmesi işlemi, çelik parçasının karbon monoksit (CO) içeren bir ortamda östenit faz sıcaklığına (850-950ºC) kadar ısıtılmasıyla gaz-metal tepkimesi sonucu oluşur.

Çelik parça, sementasyon sıcaklığında yüzeyden çekirdeğe doğru karbon difüzyonunun istenen derinliğe kadar ilerlemesi için yeterli süre tutulur. Bu süreye sementasyon zamanı adı verilir. Bu süre içinde çelik parçanın yüzeyinden içeriye doğru difüz eden karbonun ilerleme derinliğine sementasyon derinliği adı verilir.

TAVLAMA NE DEMEKTİR ( GERİLİM GİDERME )

İstenilen yapısal, fiziksel ve mekanik özellikleri elde etmek ve talaş kaldırmayı veya soğuk şekillendirmeyi kolaylaştırmak amacıyla metal malzemelerin uygun sıcaklıklara kadar ısıtılıp gerekli değişikler sağlanıncaya kadar bu sıcaklıkta tutulması ve sonradan yavaş soğutulması işlemine tavlama denir.

YUMUŞATMA TAVI

Yumuşatma tavı, çelik iç yapısındaki tane boyutunu küçülterek sertliği azaltmak, talaş kaldırmayı kolaylaştırmak veya döküm ve dövme parçalarındaki iç gerilmeleri gidermektir. Ötektoid altı çelikleri Ac3, ötektoid üstü çelikleri ise Ac1 çizgilerinin üzerindeki belirli sıcaklıklara kadar ısıtılır, iç yapılarını ostenite dönüştürdükten sonra fırın içerisinde tutarak çok yavaş soğutulur.

NORMALİZASYON TAVI ( NORMALLEŞTİRME )

Normalizasyon tavı genelde tane küçültmek, homojen bir iç yapı elde etmek ve çoğunlukla mekanik özellikleri iyileştirmek amacıyla ötektoid altı çelikleri Ac3 ve ötektoid üstü çelikleri Acm dönüşüm sıcaklıklarının yaklaşık olarak 40-50ºC üstündeki sıcaklıklara kadar ısıtıp ,tavlandıktan sonra fırın dışında sakin havada soğutma işlemidir.

Normalizasyon tavının belli başlı amaçları;

a)   tane küçültmek,

b)   homojen bir iç yapı elde etmek,

c)   ötektoid üstü çeliklerde tane sınırlarında bulunan karbür ağını dağıtmak,

d)   çeliklerin işlenme özelliklerini iyileştirmek,

e)   mekanik özellikleri iyileştirmek

f)   yumuşatma tavına tabi tutulmuş çeliklerin sertlik ve mukavemetlerini artırmak

şeklinde sıralanabilir. Bu nedenlerle normalizasyon tavı, çeliklere uygulanan son ısıl işlem olabilir.

Yumuşatma tavına tabi tutulan ötektoid üstü çeliklerin yapısında oluşan sementit ağının, bu çeliklerin mukavemetini düşürdüğü bilinmektedir. Normalizasyon tavı, ötektoid üstü çeliklerdeki sementit ağının parçalanmasını ve bazı durumlarda da büyük ölçüde giderilmesini sağlar. Bu nedenle, normalize edilen çeliklerin mukavemetinde artış görülür.

Normalizasyon tavında, parçanın havada soğutulması nedeniyle nispeten yüksek soğuma hızı elde edilir. Genelde, soğuma hızı arttıkça ostenitin dönüşüm sıcaklığı düşer ve daha ince perlit elde edilir.

Ferrit çok yumuşak, sementit ise çok sert bir fazdır. Normalize edilen çeliğin yapısında bulunan sementit katmanlarının birbirine yakın veya sık olarak dizilmeleri nedeniyle çeliğin sertliği artar. Bu nedenle, normalize edilen çeliklerin sertlik ve mukavemeti, yumuşatma tavına tabi tutulan çeliklerin söz konusu değerlerinden önemli ölçüde yüksek olur.

KÜRESELLEŞTİRME TAVI

Küreselleştirme tavı, çelikleri Ac1 sıcaklık çizgisi civarında uzun süre tuttuktan ve bu bölgede salınımlı olarak tavladıktan sonra, yavaş soğutma ile karbürlerin küresel şekle dönüştürülmesi işlemidir. Bu işlem, ostenitleştirmeden sonra kontrollü soğutma ile de yapılabilir. Yumuşatma tavı işleminde belirtildiği gibi, tavlanmış durumdaki ötektoid üstü çelikler iç yapılarında sert ve gevrek sementit tanelerinin bulunması nedeniyle işlenmeye elverişli değildir. Bu tür çeliklerin işlenmesini kolaylaştırmak ve sünekliğini artırmak amacıyla da küreselleştirme tavı kullanılır.

Küreselleştirme tavı aşağıdaki yöntemlerden biri ile gerçekleştirilir.

a)   Çelik malzeme Ac1 çizgisinin hemen altındaki bir sıcaklıkta (örneğin 700ºC) uzun süre (15-25 saat) tavlanır.

b)   Çelik malzeme, düşük kritik sıcaklık çizgisinin (Ac1) hemen altında ve üstündeki sıcaklıklar arasında ısıtılıp soğutulur, yani salınımlı olarak tavlanır.

c)   Malzeme Ac1 kritik sıcaklık çizgisinin üzerindeki bir sıcaklıkta tavlandıktan sonra ya fırında çok yavaş soğutulur, ya da Ac1 çizgisinin hemen altındaki bir sıcaklıkta uzunca bir süre tutulur.

Yüksek sıcaklıtaki tavlama işlemi, çeliğin içersindeki perlitik yapı ile sementit ağının parçalanarak dağılmasına neden olur. Küreselleştirme tavı sonucunda, ferritik bir matris ile bunun içersinde dağılmış durumda bulunan küre biçimindeki karbürlerden oluşan bir iç yapı elde edilir. Küreselleştirme tavı sonunda çeliğin sertliği azalır, buna karşılık sünekliği artar. Bu işlem sonucunda, ötektoid üstü çelikler işlenmeye elverişli hale gelir.

Küreselleştirme tavı, daha çok yüksek karbonlu çeliklere uygulanır. Düşük karbonlu çelikler nadiren küreselleştirme tavına tabi tutulurlar. Çünkü bu tür çelikler küreselleştirme tavı sonunda çok yumuşarlar ve bu aşırı yumuşama talaşlı işlem sırasında bazı zorluklar doğurur. Orta karbonlu çelikler ise yeterli ölçüde süneklik kazanmaları için plastik şekil verme işleminden önce, bazen küreselleştirme tavına tabi tutulurlar. Küreselleştirme tavı sırasında tavlama süresinin iyi ayarlanması gerekir. Eğer çelik, gereğinden daha uzun süre tavlanırsa sementit parçacıkları birleşerek uzama gösterirler ve bu durum çeliğin işlenme kabiliyetini olumsuz etkiler.

Yumuşatma, küreselleştirme ve normalizasyon işlemleri çelikleri işlenmeye elverişli hale getirmek amacıyla uygulanır. Ancak, uygulanacak ısıl işlem çeliğin karbon oranına göre seçilir.

GERİLİM GİDERME TAVI VE ARA TAVI

Gerilim giderme tavı; döküm, kaynak ve soğuk şekil verme işlemlerinden kaynaklanan iç gerilmeleri azaltmak amacıyla, metalik malzemeleri dönüşüm sıcaklıklarının altındaki uygun bir sıcaklığa kadar ısıtma ve sonra yavaş soğutma işlemidir. Bu işlem, bazen dönüşüm sıcaklığı veya kritik sıcaklık altı tavı olarak da adlandırılır. Çelik malzemeler 540ºC ile 630ºC sıcaklıkları arasında gerilme giderme tavına tabi tutulurlar.

Ara tavı ise; gerilme giderme tavına çok benzeyen bir işlem olup, ötektoid altı çeliklerden sac ve tel yapımında soğuk şekillendirmeye devam edebilmek için çelik malzemelerin Ac1 dönüşüm sıcaklığının hemen altındaki bir sıcaklığa (550-680ºC) kadar ısıtılıp, yeniden kristalleşme sağlandıktan sonra yavaş soğutulması işlemidir.

SU VERME SERTLEŞTİRMESİ

Tavlama işleminden sonra, çelikler yavaş ya da orta seviyedeki bir hızla soğutulduklarında, ostenit içerisinde çözünmüş durumda bulunan karbon atomları difüzyon ile ostenit yapıdan ayrılırlar. Soğuma hızı arttırıldığında, karbon atomları difüzyon ile katı çözeltiden ayrılmak için yeterli zaman bulamazlar. Demir atomları bir miktar hareket etseler bile, karbon atomlarının çözelti içersinde hapsedilmeleri nedeniyle farklı bir yapı oluşur. Hızlı soğuma sonucunda oluşan bu yapıya “martenzit” adı verilir.

Martenzitin sertliğinin yüksek olmasının en önemli nedeni, kafes yapısının çarpıtılmış olmasıdır. Martenzitik dönüşüm sırasında çelik malzemelerde bir miktar hacimsel büyüme meydana gelir. Söz konusu hacimsel büyüme, çok yüksek düzeyde yerel gerilmeler oluşturarak çeliklerin yapısının aşırı ölçüde çarpılmasına veya plastik şekil değişimine uğramasına neden olur. Kafes yapısının çarpıtılması, su verilen çeliklerin sertlik ve mukavemetini arttırır.

Su verme işleminden sonra oluşan martenzit, mikroskop altında iğne veya diken biçiminde gözükür ve bazen saman demetini andıran bir görünüm sergiler. Çeliklerin çoğunda martenzitik yapı belirsiz ve soluktur, bu nedenle kolayca ayırt edilemez. Yüksek karbonlu çeliklerde ise kalıntı ostenit arka fonu oluşturduğundan, martenzitin iğne veya diken biçimindeki yapısı daha belirgin bir görünüm kazanır.

Martenzitik dönüşüm yalnız soğuma sırasında meydana gelir. Bu nedenle, söz konusu dönüşüm zamandan bağımsız olup, yalnız sıcaklığın azalmasına yani soğumaya bağlıdır. Martenzitin en önemli özelliği, çok sert bir faz olmasıdır. Çeliklerde, sementitten sonra gelen en sert faz martenzittir. Yüksek sertlik değerleri, ancak yeterli oranda karbon içeren çeliklerde elde edilir.