ÇELİKLERE UYGULANAN ISIL İŞLEMLER

1. ÇELİKLERE UYGULANAN ISIL İŞLEMLER Zeki TAYAN M.Cemal BAŞKAYA 25 Ekim 2001

3. Isıl İşlemin Tarifi Genel anlamda ısıl işlem, metal veya alaşımlara istenilen özellikleri kazandırmak amacıyla katı halde uygulanan kontrollü ısıtma ve soğutma işlemleri olarak tanımlanır. Isıl işlemin Türk Standartlarındaki (TS 1112) tanımı ise; 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.

4. Isıl İşlemin Genel Uygulaması • Isıtma • Isıtılan Sıcaklıkta bekletme • Soğutma • Isıl işlem uygulanacak çelikleri içerdiği karbon oranına göre iki farklı grupta toplayabiliriz; • 1-Ötektoid altı çelikler (%C <0,8), • 2-Ötektoid üstü çelikler (%C > 0,8)

5. Şekil 1- Demir – Karbon denge diyagramı Geri

6. Çeliğin ısıl işlemine ostenitleştirme (ostenizasyon) ile başlanır. Ostenitleştirme; çeliğin uygun bir sıcaklığa kadar yavaşça ısıtılıp, yapısının tamamen ostenite dönüşmesine kadar (yani iç yapının her bölgede benzer yapı göstermesine kadar) tavlanması anlamına gelir. Ostenitleştirme için çelik malzeme, alt kritik sıcaklık çizgisinin (Ac1) üzerindeki bir sıcaklığa kadar ısıtılır. Şekil 1

7. Ötektoid altı çelikler, üst kritik sıcaklık çizgisinin (Ac3) 40-60ºC üzerindeki sıcaklıklarda ostenitleştirme işlemine tabi tutulurlar. Ac3 çizgisinin altındaki sıcaklıklarda ise çelik içerisinde yumuşak bölgelerin oluşmasına neden olur ve böylece malzemenin sertleşmesi engellenir. Ötektoid üstü çelikler ise, Ac1 ile bu çeliklere ait üst kritik sıcaklık çizgisi (Acm) arasındaki sıcaklıklarda ostenitleştirilir. Acm çizgisi ani olarak yükseldiğinden, bütün yapıyı ostenitleştirmek için çok yüksek sıcaklıklara çıkmak gerekir. Isıtılan çelik, uygulanan ısıl işlem türüne göre bu sıcaklıkta belirli bir süre bekletilir ve belirli bir soğuma hızında soğutulur. Şekil 1

8. Isıl İşlem Uygulamasında Dikkat Edilecek Hususlar; • Çeliğin belirlenen sıcaklığa kadar ısıtılmasında seçilen ısıtma hızı, ısıl işlem çevrimindeki diğer faktörlere göre daha az önem taşır. Ancak, çarpılmanın önlenebilmesi için soğuk şekil değişimine tabi tutulmuş, yani aşırı ölçüde iç gerilme içeren malzemelerin, gerilmesiz malzemelere göre daha yavaş ısıtılması gerekir. • Ayrıca, kesit değişikliği gösteren parçaların ısıtılması sırasında ince ve kalın kesitlerdeki ısınma veya sıcaklık artış hızları arasındaki farklar da dikkate alınmalıdır. Sıcaklık etkisiyle parçada meydana gelebilecek çarpılmayı en aza indirmek için, ince kısımları kalın kısımlara göre daha yavaş ısıtılması gerekir. Isıl işlem sırasındaki hasar riskini azaltmak amacıyla çelikler genelde yavaş ısıtılırlar.

9. Çeliğin iç yapısının tamamen değiştiği bu sıcaklıklara çıkartılmasında, çelikte çarpılma, çatlama, oksidasyon, dekarbürizasyon (karbon atomlarının iç yapıdan kopması) ve tane büyümesi gibi istenmeyen durumlar meydana gelebilir. Bu nedenle çelikler olabildiğince düşük sıcaklıklarda ostenitleştirilirler.

10. Temel Isıl İşlemler Geri Şekil 2- Alaşımsız çeliklere uygulanan yumuşatma, normalizasyon, küreselleştirme ve sertleştirme işlemleri için tavlama sıcaklık aralıkları

11. Temel Isıl İşlemler • 1-GERİLİM GİDERME TAVI (STRESS RELIEVING) • 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 (NORMALIZING) • 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 (Şekil 2). Şekil 2

12. Temel Isıl İşlemler • 3-SU VERME İŞLEMİ (QUENCHING) • 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 (Şekil 2). Şekil 2

13. Temel Isıl İşlemler • 4-MENEVİŞLEME (TEMPERING) • Menevişleme, ısıl işlem sonucu sertleştirilmiş bir çeliğin su verme sonunda soğutmadan ileri gelen gerginlikleri gidermek ve çeliğin sahip olduğu martensitik özlülüğünü ve direncini arttırmak için genellikle 150-450ºC arasında ısıtılarak ve uygun bir hızla soğutularak gevrekliğini giderme işlemidir. Çatlamaları en aza indirebilmek için meneviş işleminin su verme işleminden hemen sonra yapılması gerekir.

14. Temel Isıl İşlemler • 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.

15. TAVLAMA 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 (Şekil 3). Şekil 3- Tavlama işleminin şematik gösterimi

16. Yumuşatma Tavı • 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. • % 0,2 C içeren iri taneli ötektoid altı bir çelik parçanın tanelerinin tavlama işlemi sırasında iç yapısında meydana gelen değişimler şu şekildedir; • a)İlk veya orijinal yapı iri ferrit ve perlit tanelerinden oluşmaktadır (Şekil 4).

17. Şekil 4- Düşük karbonlu çeliğin iç yapısı Geri Şekil 5- %0,2 C içeren çeliğin iç yapısında tavlama işlemi sırasında meydana gelen değişimlerin şematik gösterimi Şekil 6- Ötektoid üstü çeliklerin iç yapısı

18. b) Ac1 çizgisinin hemen üzerindeki bir sıcaklıkta perlit ince taneli ostenite dönüşürken, ferrit yapıda aynen kalır. Eğer bu sıcaklıktan soğutmaya geçersek ferrit iri taneleri değişmediğinden tane boyutunda herhangi bir değişme olmaz (Şekil 5). • c) Ac3 çizgisinin üzerindeki bir sıcaklıkta yapı tamamen ince taneli ostenite dönüşür (Şekil 5). • d) Parça oda sıcaklığına soğutulduğunda, ince ferrit taneleri ile küçük perlit bölgelerini içeren bir iç yapı oluşur (Şekil 5). Şekil 5

19. Buradan; ötektoid altı çeliklerin yumuşatma tavına tabi tutulabilmeleri için Ac3 çizgisinin üzerindeki uygun sıcaklıklarda tavlanmalarının gerekli olduğu sonucu ortaya çıkmaktadır. Ötektoid altı çeliklerin sağlıklı biçimde ısıl işleme tabi tutulabilmeleri için, önce homojen bir ostenitik yapıya sahip olmaları gerekir. Bunun için, ostenitleştirme sıcaklığına kadar ısıtılan çelik malzemelerin her 25 mm et kalınlığı için 1 saatlik bir süre o sıcaklıkta tavlanmaları tavsiye edilir.

20. Ötektoid üstü çelikler Ac3,1 çizgisinin yaklaşık 50ºC üzerindeki sıcaklıklarda ostenitleştirme işlemine tabi tutulurlar. Bu sıcaklıklarda tutulan çelikler, ostenit ve sementit fazlarını içerir. Bu sıcaklıklardan çeliklere su verildiğinde sementit parçacıkları yapıda aynen kalır. Yapıdaki sementit fazı sertliği azaltmadığı gibi, çeliklerin aşınma dirençlerini de artırır. Bu nedenle ötektoid üstü çeliklerin tamamen ostenitleşmesine gerek yoktur. Bu çelikler Ac3,1 çizgisinin en az 10ºC üzerindeki bir sıcaklıkta tavlanırlar. Yumuşatma tavına tabi tutulan ötektoid üstü çeliklerin iç yapıları kaba lamelli perlit alanları ile bunları çevreleyen ötektoid dışı sementit fazından oluşur (Şekil 6). Bu yapıdaki perliti çevreleyen sementit ağı sert ve gevrektir. İç yapıda kalın ve sert tane sınırlarının bulunması, çeliklerin talaşlı yöntemle işlenmelerini zorlaştırır. Bu nedenle yumuşatma tavı, ötektoid üstü çeliklere son işlem olarak uygulanmaz. Şekil 6

21. Normalizasyon (Normalleştirme) Tavı: 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 (Şekil 2). Şekil 2

22. 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 ve • f)yumuşatma tavına tabi tutulmuş çeliklerin sertlik ve mukavemetlerini artırmak • şeklinde sıralanabilir. Bu nedenlerle normalizasyon tavı, çeliklere uygulanan son ısıl işlem olabilir.

23. 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.

24. 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. Tablo 1’de bazı çeliklerin yumuşatma tavına tabi tutulmuş ve normalize edilmiş durumlardaki mekanik özellikleri verilmektedir.

25. Tablo 1- Çeliklerin yumuşatma tavına tabi tutulmuş ve normalize edilmiş durumlardaki mekanik özellikleri

26. Küreselleştirme Tavı: 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 (Şekil 2). 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. Şekil 2

27. Küreselleştirme tavı aşağıdaki yöntemlerden biri ile gerçekleştirilir. • a) Çelik malzeme Ac1 çizgisinin hemen altındaki bir sıcaklığa (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.

28. 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 sünekliliği artar. Bu işlem sonucunda, ötektoid üstü çelikler işlenmeye elverişli hale gelir.

29. 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 süneklilik 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.

30. Gerilim Giderme Tavı ve Ara Tavı 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.

31. Su Verme Sertleştirmesi 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 çapılması, su verilen çeliklerin sertlik ve mukavemetini arttırır.

32. 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.

33. Çeliklerde su verme işleminden sonra elde edilen en yüksek sertliğin karbon oranına göre değişimi Şekil 7’de gösterilmiştir. Bu diyagramdan görüldüğü gibi; su verilen (martenzitik durumdaki) alaşımsız bir çelikten elde edilebilecek en yüksek sertliğin, yanlız çeliğin karbon oranına bağlı olduğu söylenebilir. Martenzitin sertliğinin yüksek olması, martenzit katı çözeltisinin çözebileceği orandan çok daha yüksek oranda karbon içermesi nedeniyle aşırı doymuşluktan kaynaklanan kafes yapısının çarpılmasındandır. Sertleştirme işleminin temel amacı, tamamen martenzitik bir yapı elde etmektir. Bunun için de malzemenin tavlama işleminden sonra, kritik soğuma adı verilen bir değerden daha yüksek hızlarda soğutulması gerekir (Şekil 8).

34. Şekil 7- Su verilen karbon çeliklerinde elde edilen en yüksek sertliğin karbon oranına göre değişimi Şekil 8- Çeliklerde kritik soğuma hızının karbon oranına göre değişimi Geri

35. Su Verme İşlemi Sırasında Isı Giderme Mekanizması Su verilen çeliğin iç yapıları, sertlik ve mukavemetleri su verme işlemi sırasında elde edilen gerçek soğuma hızına bağlıdır. Gerçek soğuma hızının kritik soğuma hızından yüksek olması durumunda, yalnız martenzitik bir yapı elde edilir. Gerçek soğuma hızının, kritik soğuma hızından düşük olması durumunda ise tamamen martenzitten olusan bir yapı elde edilemez ve bu nedenle parça tam olarak sertleştirilemez. Çünkü, oluşan martenzit dışı dönüşüm ürünleri malzemenin sertleşmesini engeller. Bu nedenle su verme sırasındaki ısı giderme mekanizmasının iyi anlaşılması gerekir.

36. Şekil 9’da, ılık suda su verilen küçük bir parçanın soğuma eğrisi görülmektedir. Su verilen parçanın soğuma eğrisi, değişik soğuma hızlarına sahip üç farklı devre gösterir. A devresi: Buhar örtüsü veya buhar filmi devresi olarak adlandırılır. Başlangıçta malzemenin sıcaklığı çok yüksek olduğundan, su verme ortamı buharlaşarak malzemenin üzerinde ince bir buhar filmi oluşturur ve bu film bütün malzemeyi kaplar. Bu buhar filminin ısıl geçirgenliği veya ısı iletimi iyi olmadığından bu devrede nispeten düşük soğuma hızı elde edilir (Şekil 9). Şekil 9

37. Şekil 9- Ilık suda su verilen silindirik bir parça için tipik bir soğuma eğrisi Geri

38. B devresi: Buhar taşınımı devresi olarak adlandırılır. Malzeme buhar filminin kararlı olmadığı bir sıcaklığa kadar soğuduğunda B devresi başlar. Su verme ortamı ile metal yüzeyi ıslanır ve ani kaynama meydana gelir. En hızlı soğuma bu devrede gerçekleşir (Şekil 9). C devresi: Sıvı soğuma aşamasını gösterir. Malzeme yüzeyinin sıcaklığı su verme sıvısının kaynama noktasına kadar düşünce bu devre başlar. Bu devrede buhar oluşmaz ve soğuma işlemi ısı iletmi ve taşınımı ile gerçekleşir. Ancak, soğuma hızı bu devrede en düşük değerindedir (Şekil 9). Şekil 9

39. Su Verme Ortamları İdeal su verme ortamı, başlangıçtaki soğuma hızının yüksek, malzemedeki çarpılmanın önlenmesi bakımından da düşük sıcaklıklardaki soğuma hızının düşük olmasını sağlamalıdır. Ancak, bu durumu tam olarak sağlayacak nitelikte bir su verme ortamı yoktur. Su ve inorganik tuzların sulu çözeltileri gibi su verme sıvıları, başlangıç aşamasındaki (A ve B devreleri Şekil 9) soğuma hızlarının yüksek olmalarını sağlarlar. Ancak, bu soğuma hızları düşük sıcaklıklarda da devam ettiğinden, malzemede çarpılma veya çatlama meydana gelebilir. Geleneksel su verme yağları ile uzun bir A devresi ve düşük soğuma hızına sahip kısa bir B devresi elde edilir. Şekil 9

40. Sanayide kullanılan su verme ortamları, su verme şiddetlerine göre aşağıdaki gibi sıralanır. • a)Tuzlu su • b)Musluk suyu • c) Erimiş veya sıvı tuzlar • d)Yağ ve su karışımı • e) Yağ • f) Hava • Bazı ortamların soğuma hızları Tablo 2’deki gibidir;

41. Tablo 2- Çapı 12,5 mm ve boyu 63,5 mm olan çubuk biçimindeki paslanmaz çelik örneğine 815ºC sıcaklıktan değişik ortamlarda su verildiğinde örneğin merkezinde elde edilen soğuma hızları

42. Su Verme Ortamının Sıcaklığı İle Su Verme YöntemininSoğumaya Etkisi Genelde, su verme ortamının sıcaklığı arttıkça su verilen parçanın soğuma hızı azalır. Bu durum, sıcaklık artıkça buhar filmi devresinin uzamasından kaynaklanır. Su verme ortamının sıcaklığı buharlaşma sıcaklığına yaklaştıkça, buhar filmini oluşturmak için daha az ısı gerekir. Bu kural, özellikle su verme ve tuzlu su ortamı için geçerlidir. Su verme ortamı olarak yağ alınırsa, yağ banyosunun sıcaklığı arttırıldığında yağın vizkozitesi azalır, yani akıcılığı artar. Akıcılığı artan yağın ısıl iletkenliği de arttırıldığından, yağın sıcaklığı arttıkça su verilen parçanın soğuma hızı da artar. Su verme ortamı olarak kullanılan geleneksel yağlarda optimum soğuma hızları, 49ºC – 66ºC arasındaki sıcaklıklarda elde edilir.

43. Su verme işlemi sırasında banyo sıcaklığının fazla artmaması için yeterli miktarda su verme banyosu kullanmak gerekir. Bazı durumlarda su verme ortamının sıcaklığını kontrol etmek veya sabit tutmak için su verme banyosuna, içerisinden su geçirilen soğutma bobinleri yerleştirilir. Su verme ortamını karıştırmak veya su verilen parçayı karıştırıcı gibi hareket ettirmek suretiyle soğutma hızı artırılabilir. Bu işlem, parça yüzeyinde oluşan buhar filminin oluşur oluşmaz yok olmasına, yani parçanın soğuma hızının artmasına neden olur. Karıştırma işleminin, yağda su verilen bir paslanmaz çelik örneğinin soğuma eğrisine etkisi Şekil 10’de görülmektedir. Bu şekilden görüldüğü gibi; su verilen parça hızlı hareket ettrilerek soğuma hızı büyük ölçüde artırılabilir. Değişik su verme ortamlarının soğutma hızları, soğutma şiddeti 1 (bir) olarak kabul edilen durgun suya göre belirlenir. Bazı su verme ortamlarının sogutma şiddetleri Tablo 3’de verilmiştir. Şekil 10 Tablo 3

44. Şekil 10- Karıştırma işleminin, yağda su verilen paslanmaz çelik örneğinin merkez bölgesine ait soğuma eğrisine etkisi (Yağ sıcaklığı=52ºC) Geri

45. Tablo 3- Bazı su verme ortamlarının değişik su verme yöntemleriyle elde edilen soğutma şiddetleri (durgun su 1 (bir) birim olarak kabul edilirse) Geri

46. Su Verme Sertleştirmesini Etkileyen Faktörler • 1- Parçanın Yüzey Durumu Tavlama işleminde kullanılan fırında bulunan oksijen ve nem nedeniyle çelik parça oksitlenirse, yüzeyinde tufal adı verilen kalın bir demir oksit tabakası oluşur. Bu oksit tabakası yalıtkan gibi davranarak, su verme işlemi sırasında çelik parçadan su verme ortamına doğru olan ısı akımını geciktirir. Böylece, bazı durumlarda gerçek soğuma hızı kritik soğuma hızının altına düşer ve martenzitik dönüşüm engellenir. Ayrıca parça yüzeyinin bazı bölgelerindeki tufal tabakası, fırınla su verme ortamı arasında soyularak su verme sırasında parça yüzeyinin farklı bölgelerinin farlı hızlarda soğumasına da neden olabilir. Bu nedenlerden dolayı, tufal adı verilen oksit tabakası çelik parçaların sertleşmesini zorlaştırdığı gibi yüzey sertliğinin de değişmesine yol açabilir.

47. Endüstride tufal oluşumunu önlemek veya en aza indirgemek için bazı önlemler alınır. Bu önlemlere ait yöntemler ısıl işlem uygulanan parçanın büyüklüğüne, kullanılan fırının türüne ve ekonomik olanaklara bağlıdır. Söz konusu yöntemlerden bazıları aşağıda verilmektedir. • a)Bakır kaplama yöntemi: Tufal oluşumunu önlemek için parça bakır kaplanır ve bir kaç mikrometrelik kaplama kalınlığı bu iş için yeterli olur.

48. b) Koruyucu atmosfer yöntemi: Fırında, belli bir basınç altında çeliğe zarar vermeyen veya etki etmeyen hidrojen, ayırışmış amonyak, yanma artığı gazlar ve hidrokarbonlu yakıt gazları (metan ve propan) gibi asal gazlar verilir. Böylece, oksitlenme ve tufal oluşumu büyük ölçüde önlenir. • c)Sıvı tuz banyosu yöntemi: Isıl işlem uygulanacak parça, çeliğe göre nötr durumda olan sıvı tuz banyosuna iyice daldırılarak oksitlenme ve tufal oluşumu önlenir. • d) Dökme demir talaşı yöntemi: Parça, dökme demir talaşı bir kaba iyice gömülür. Fırına giren oksijen, çeliğe ulaşmadan önce dökme demirle reaksiyona girer ve böylece parçanın oksitlenmesi büyük ölçüde önlenir.

49. Su Verme Sertleştirmesini Etkileyen Faktörler • 2- Büyüklük ve Kütle Su verme sırasında, yanlız parçanın yüzeyi su verme ortamı ile temasta olduğundan parçanın yüzey alanının kütlesine oranı, gerçek soğuma hızını etkileyen önemli bir parametredir. Parçanın geometrik şeline bağlı olan bu oran, küresel parçalar için en küçük değerdedir. İnce levhalar ve küçük çaplı tellerde yüzey alanının kütleye oranı büyük olduğundan, su verme sırasında bu parçaların soğuma hızı yüksek olur.

50. Buraya kadar, yanlız parçaların yüzey sertliği incelendi. Yüzeyler, su verme ortamı ile doğrudan temas halinde olmaları nedeniyle su verme sırasında parçanın en hızlı soğuyan kısmını oluştururlar. İç kısımlardaki ısı ise iletimle (kondüksiyon) uzaklaştırılır. Isı, parça gövdesinden geçerek yüzeye ulaşır ve buradan su verme ortamına iletilir. Bu nedenle iç kısımlardaki soğuma hızı, yüzeyin soğuma hızından daha düşük olur.