Genel Bilgiler

ÇELİĞİN YAPISINA VE SERTLEŞEBİLİRLİĞİNE ALAŞIM ELEMENTLERİNİN ETKİLERİ

Genel bir kural olarak önemli bir tabaka ya da parçada, sade karbonlu çelikten elde edilenden daha çok mukavemet, süneklik ve tokluk gerektiğinde, üretim sırasında bir veya daha çok alaşım elementi ilave edilen çelik, alaşımlı çelik olarak tanımlanır. Alaşım elementleri, yıldan yıla artan bir kullanıma sahiptir. Bunlar genellikle ferro alaşımlar, bazı durumlarda nikel gibi saf element olarak ya da nikel ve molibden gibi elementlerin oksitli bileşikleri olarak elde edilir. Bu şekillerde, modern yapısal alaşımlı çelik üretimi için belirlenen miktarlarda ergimiş çeliğe katılırlar.

Alaşım elementleri, aşağıda belirtilen ve en az ikisinin önem teşkil ettiği amaçlar için çeliğe katılırlar:

  1. Sertleşebilirliği etkileyecek faktörlerin kontrolü boyunca mekanik özellikleri geliştirmek ve yüksek mukavemet ve iyi süneklik durumu devam ederken bile yüksek temperleme sıcaklığına izin vermek,
  2. Yüksek ve düşük sıcaklıklarda mekanik özellikleri geliştirmek,
  3. Kimyasal etkilere ve yüksek sıcaklık oksidasyonuna direnci artırmak,
  4. Manyetik geçirgenlik ve nötron absorbsiyonu gibi diğer farklı özellikleri etkilemek

Karbon
Çelikteki en önemli alaşım elementidir. Sementit (ve diğer karbürler), perlit, sferoit, beynit ve demir – karbon martenzitinin oluşumu için gereklidir. Demir – karbon martenzitinin sertliği, çeliğin karbon içeriğinin artması ile artar ve yaklaşık %0,6 C ‘da maksimuma ulaşır. Perlitik çeliklerin tokluk, süneklik ve kaynak kabiliyeti, karbon içeriğinin artması ile azalır.

Mangan
Mangan, bütün ticari çeliklerde normal olarak bulunur. Çelik üretiminde bu çok önemlidir, çünkü ergiyiği deokside eder ve sıcak yırtılmaya olan hassasiyetin azalması ile çeliğin sıcak işlemini kolaylaştırır. Ayrıca çeliğin işlenebilirliğini artıracak mangan – sülfür bağlayıcılarını oluşturmak için kükürtle birleşir. Mangan ferritin mukavemetini de bir miktar artırır ve ayrıca çeliğin sertleşebilirliğini büyük oranda artırır. Manganın, çeliğin mukavemetlendirilmesi ve iyi perlit oluşturulması için gerekli bir ısıl işlem olan normalizasyonun etkisini artırmak için katılması, bu iki etkinin bir sonucudur. Mangan, su verme boyunca martenzit oluşum sıcaklıklarını düşürür, böylece su verilmiş çeliklerde ostenitin muhafazası ihtimalini artırır.

Silisyum
Çelik imalatında kullanılan belli başlı deoksidanlardan biridir. Bir çelikte, spesifikasyonda dikkate alınmayan bu elementin miktarı, üretim için belirlenen deoksidasyon uygulamasına bağlıdır. Tam söndürülmüş çelikler, deoksidasyon için genellikle %0,15 - %0,30 silisyum içerirler. Diğer deoksidanlar kullanılırsa, çelikteki silisyum miktarı azalabilir. Silisyum, süneklikte önemli bir düşüşe neden olmaksızın ferritin mukavemetini biraz artırır. Çok fazla miktarlarında, çeliğin, havada pul pul dökülmeye karşı direncini artırır. Fakat bu gibi yüksek silisyumlu çeliklerle proses genellikle zordur.

Krom
Düşük alaşımlı çeliklerde, yüksek karbon bileşimlerinde, korozyon ve oksidasyon direncini, yüksek sıcaklık mukavemetini, sertleşebilirliği ve aşınma direncini artırmak için kullanılır. Krom-karbürler, çözünme için yüksek ostenitleme sıcaklıklarına ihtiyaç duyar. Sade kromlu çelikler, oldukça gevrek olabilirler, ayrıca temper gevrekliğine hassastırlar.

Nikel
Düşük alaşımlı çeliklerde, düşük sıcaklık tokluğunu iyileştirmek ve sertleşebilirliği artırmak için kullanılırlar. Nikelin, ısıl işlemdeki değişimlere ve su verme boyunca distorsiyon ve kırılmaya karşı çeliğin hassasiyetini düşürdüğü görülmektedir. Ferriti, dolayısıyla da çeliği mukavemetlendirir. Nikel, yüksek mukavemet, tokluk ve sertleşebilirliğe sahip alaşımlı bir çeliğin şekillendirilmesinde, krom ve molibdenle birleşerek kullanıldığında etkilidir.

Molibden
Çeliğin sertleşebilirliğini artırır ve belirli limitler arasında sertleşebilirliğin devamında özellikle yarar sağlar. Bu element, özellikle %0,15-%0,30 miktarlarında, temper gevrekliğine karşı çeliğin hassasiyetini minimize eder. Molibden içeren sertleştirilmiş çelikler yüksek bir sıcaklıkta temperlenmelidir. Molibden, çeliğin yüksek sıcaklık çekme ve sürünme mukavemetlerini artıran miktarında tek başına bulunan elementtir. Ostenitin perlite dönüşmesini geciktirerek beynite dönüştürür, böylece molibden içeren çeliklerin sürekli soğutulmasıyla beynit elde edilebilir.

Bakır
Temelde çeliğe, atmosferik korozyona direnci iyileştirmek için katılır. Bu amaç için çeliğe katılan miktar %0,2 ‘den %0,5 ‘e kadar değişir. Bakır, yüzey kalitesine ve sıcak işlem davranışına zararlıdır. Çünkü sıcak işlem boyunca çeliğin tane sınırlarına yerleşir.

Vanadyum
Çeliğe, genellikle ısıl işlem sırasındaki tane büyümesini engellemek için katılır. Tane büyüklüğü kontrolünde, sertleştirilmiş ve temperlenmiş çeliklerin hem mukavemetini hem de tokluğunu iyileştirir. %0,05’e kadar vanadyum ilavesi çeliğin sertleşebilirliğini artırır. Daha büyük miktarlarındaki ilavesinde sertleşebilirliği azalttığı görülür. Çünkü muhtemelen ostenitte zorlukla çözünebilen karbürler oluşturur.

Niyobyum
Geçiş sıcaklığını düşürür ve düşük karbonlu alaşımlı çeliklerin mukavemetini yükseltir. İyi bir tane boyutu verir, temperlemeyi geciktirir ve çeliğin yüksek sıcaklık mukavemetini artırır. Çünkü çok kararlı karbürler oluşturur, ısıl işlem boyunca ostenitte çözünen karbon miktarının azalmasıyla çeliğin sertleşebilirliğini azaltır.

Titanyum
Bor çeliklerine katılabilir, çünkü çelikteki oksijen ve azotla çabucak birleşir. Bu sayede çelikteki sertleşebilirliğin artışında borun etkisi artar. Aksi halde titanyumun sertleşebilirliğe katkısı genellikle ihmal edilebilir, çünkü fazlaca karbon varlığında küçük miktarlarda çözünebilir.

Titanyum, öncelikle çelikte deokside edici ve etkili tane büyüklüğü inhibitörleyici olarak kullanılır, fakat alaşım elementi olarak çok büyük karbür oluşturma eğilimine sahiptir. %1,5 – 2,0 titanyum ilave edildiğinde, pratik olarak su vermeyle sertleştirme eğilimi olmayan %0,5 karbonlu çeliklerde karbür oluşturma eğilimi oldukça zordur.

Zirkonyum ve Seryum
Çoğunlukla yüksek mukavemetli, düşük alaşımlı (HSLA) çeliklerde kullanılan zirkonyum ve seryum birincil sülfürlerin şeklini kontrol etmek için kullanabilirler. Böylece çeliğin tokluğu artar.

Bor
Genellikle %0,0005–0,003 miktarlarında katılırlar. Önemli olarak da çeliğin sertleşebilirliğini artırır. Özellikle daha düşük karbon seviyelerinde etkilidir. Çünkü bor, ferritin mukavemetine etkimez, tavlanmış durumdaki çeliğin şekillendirilebilirliğini, işlenebilirliğini ve süneklik kaybolmaksızın sertleşebilirliğini artırmak için kullanılır.

Kurşun
Kurşun, çeliğe, işlenebilirliği iyileştirmek için katılır. Çelikte çözünmez fakat mikroskobik küreciklerin şeklini korur. Kurşunun ergime sıcaklığına yakın sıcaklıklarda sıvı metal gevrekliğine neden olur.

Alüminyum
Sıcak işlem ve ısıl işlem boyunca çeliğin tane boyutunu kontrol etmek için kullanılır. Ayrıca çeliği deokside eder. Alüminyumlu söndürülmüş çelikler mükemmel tokluğa sahiptirler, çünkü genellikle çok iyi bir tane boyutuna sahiptirler. Özel bir kullanımı ise nitrasyon için düzenlenen çeliklerdedir.

Kalsiyum

Bazen çelikleri deokside etmek için kullanılır. HSLA çeliklerinde metalik olmayan birincil sülfürlerin şeklini kontrol etmeye yardımcı olur. Böylece tokluk iyileşir. Kalsiyumla deokside edilen çelikler genellikle silisyum ve alüminyumla deokside edilen çeliklerden daha iyi işlenebilirliğe sahiptir.

Kobalt
Kobalt, gama demirin her oranında çözünür ve alfa demirinde yaklaşık %75 çözünebilirliğe sahiptir. Kobalt, ferritte çözündüğünde ferriti sertleştirir ya da mukavemetlendirir ve böylece yüksek sıcaklık durumlarında yumuşamayı engeller. Karbür oluşum eğilimi, demirin karbür oluşum eğilimine yakın veya biraz fazladır. Sertleşebilirliğe gelince, kobalt, %0,40 karbonlu çelikler için negatif etkiye sahiptir ve dönüşümü geciktirmeden ve diğer alaşım elementlerinin yaptığı gibi sertleşebilirliği teşvik etmekten çok yumuşak ürünlere dönüşümü hızlandırır. Bununla birlikte çok düşük karbonlu krom çeliklerinde kobaltın, sertleşebilirliği artırdığı görülür.

Fosfor
Çeliğin mukavemetini ve sertleşebilirliğini artırır fakat şiddetli olarak sünekliği ve tokluğu azaltır. Orta karbonlu alaşımlı çeliklerin özellikle sade kromlu çeliklerin temper gevrekliği hassasiyetini artırır. Çeliğe, işlenebilirliğini ve korozyon direncini iyileştirmek için isteyerek ilave edilebilir.

Kükürt
Çeliğin, enine mukavemetine ve darbe direncine oldukça zararlıdır. Fakat sadece bir miktar boyuna özellikleri etkiler. Ayrıca yüzey kalitesini ve kaynak kabiliyetini olumsuz yönde etkiler. Kükürt, normalde mangan – sülfür bağlayıcısı olarak görülür. Manganın fonksiyonlarından biri kükürtle bileşik oluşturmak ve düşük ergimeli demir – demirsülfür ötektiğinin oluşumunu engellemektir. Bu sülfür bağlayıcıları çeliğin işlenebilirliğini artırır. Kükürt, sadece sonuçtaki işlenebilirlikteki iyileşme için bazı çeliklere isteyerek ilave edilir.

Azot
Çeliğin mukavemetini ve sertleşebilirliğini artırır fakat süneklik ve tokluğunu azaltır. Alüminyumlu söndürülmüş çeliklerde azot, çeliğin tane büyüklüğünü kontrol eden nitrür partiküllerini oluşturur. Böylece hem tokluk hem de mukavemet artar. Azot, çeliğin sertleşebilirliğinde borun etkisini azaltır.

Oksijen
Muhtemelen en çok Rimmed çeliklerinde bulunan oksijen, çeliğin mukavemetini artırır fakat tokluğu önemli ölçüde düşürür.

Hidrojen
Üretim sırasında çelikte çözünen hidrojen, çeliği önemli ölçüde gevrekleştirebilir. Bu etki, elektro kaplama veya pikling sonucundaki gevreklikle aynı değildir. Üretim sırasında çözünen hidrojenden meydana gelen gevreklik, haddeleme sıcaklıklarından soğutma boyunca pul pul dökülmeye neden olur. Çözünmüş hidrojen, bitmiş fabrika ürünlerine nadiren etkilidir.

Kalay
Kalay, temper gevrekliğine ve sıcak yırtılmaya karşı çeliği hassaslaştırabilir.