Zorunlu yaz stajım boyunca yazılarıma ara vermek zorunda kaldım. Bu yazımda yarım kalan Üretim Metalürjisi konulu yazı dizimin en önemli yazısı olan “Pik demirden çelik üretimi”ni ele almayı düşünüyordum. Fakat çelik ve çelik üretiminin çok geniş bir konu olduğunu göz önünde bulundurarak bu yazımda öncelikle çeliğin ne olduğunu ve özelliklerini anlatacağım.
Önceki yazılarımda sinterleme, peletleme, pik demir üretimi gibi can alıcı konulara değinmiştik. Pik demirden çelik üretiminin karmaşık oluşundan dolayı bu konuyu sonraya bırakmıştım. Çelik üretimine geçmeden önce çeliğin ne olduğunu iyi kavramamız gereklidir. Malzemelerin Mekanik Özellikleri konulu yazı dizimde öve öve bitiremediğim bu malzemeyi yakından incelmenin vakti geldi.
Çelik kabaca demirin karbon arayer katı çözeltisidir. Fakat Metalürji Mühendisleri ve akademisyenler tarafından tanımlanması esnasında, %0.022 den %2 ye kadar karbon ihtiva etmesi gerektiği kabul edilmiştir. Yumuşak olan demirin karbon ile alaşımlanması sonucunda mükemmel mekanik özellikler kazandırılabilir hale getirilmesi kolay bir işlem değildir.
Çeliğin tanımını yaptığımıza göre değişen sıcaklık ve karbon oranına nasıl tepki verdiğini bilmemiz gerekli. Çeliğin farklı sıcaklıklarda ve karbon oranlarında hatta varsa farklı alaşım elementlerinin ilave oranıyla değişen faz özelliklerini ve içerisinde oluşturduğu çökeltileri bize Fe-C faz diyagramı anlatır.
Bizi en çok ilgilendiren kısım, östenit – ferrit ve perlit dönüşümüdür. Çeliğin mukavemetlendirilmesi için kimyasal bileşimin yanında ısıl işlemde hayati rol oynar. İlave edilecek alaşım elementleri ve yapılacak ısıl işlemler bu faz diyagramına istinaden ilave edilir ve yapılır. Demirin karbon çözeltisi olan çeliğin, 721 derecede (bazı kaynaklarda 723 ve 727 de görebilirsiniz) ve %0.83 karbon oranında (yine bazı kaynaklarda %0.77 de görebilirsiniz) östenitten ferrit ve perlite dönüştüğü görülür. Bu dönüşüm esnasında YMK (yüzey merkez kübik) yapıya sahip bir katı olan östenit, iki farklı katıya dönüşür. Sıcaklığın düşmesi ile dönüşüm kendiliğinden gerçekleşir. Yüksek sıcaklıkta östenit içerisinde çözünebilen karbon, sıcaklığın düşmesi ile çökmeye başlar. Eğer karbon oranı biraz fazla ise fazlaca sementit oluşturarak perlite dönüşür. Karbon oranı ortalama değerlerde ise ferrit baskındır. Ferrit HMK yapılı, yumuşak ve optik mikroskopta beyaz göründüğü için kolay teşhis edilebilen matris fazıdır. Hiperötektoid bileşimdeki çeliklerde sementit ferrit üzerine çökerek oluşturduğu perlit ile birlikte kendi başınada bulunmaya başlar. Bu esnada beyaz görünen matris ferrit gibi sementitte beyaz görünür. Bu yüzden incelenen numunenin karbon oranının bilinmesi görünen beyaz yapının ferrit mi yoksa sementit mi olduğunun ayırt edilmesi açısından önemlidir.
Soldaki görüntüde beyaz matris ferrit, siyah kısımlar ise çökmüş perlittir. Sağdaki resimde ise, siyah matris perlit, tane sınırlarındaki beyaz çökeltiler ise sementtir. Yukarıdaki paragrafta dile getirmek istediğim işte tamda buydu 🙂
Karbon ile indirgenerek metalik hale getirilen demirin içerisinde %3~%4,5 oranları arasında değişen miktarlarda çözünmüş-çökmüş karbon vardır. Karbonun demir matrisi içerisinde arayer atomu olarak davranması ile çözünmesi mümkündür. Çözünürlük sınırı –solvüs- demir-karbon faz diyagramından ilgili sıcaklıklara ve karbon oranına göre bulunabilir. Bu sınır geçildiğinde karbon ilgili çözünürlüğünün üzerine çıktığından çökelme başlar. Bu esnada birden çok ihtimal ortaya çıkar. Çözünürlük sınırının az miktarlarda geçilmesi ile çeliğin mukavemetini oldukça arttıran, yararlı olarak tanımlayabileceğimiz oldukça sert ikinci faz partikülleri ortaya çıkarlar. Bu ikinci faz partiküllerinin adı Sementtir ve formülüne sahiplerdir.
Karbon ilavesi ile oluşturulan ikinci faz partikülleri nispeten daha kolay hareket demir atomlarının kayma düzlemlerini kilitleyerek kaymalarına engel olur. Böylece malzemenin plastik deformasyona olan direnci yani mukavemeti artar. Karbon oranının %1.5 tan fazla arttırılması mukavemeti arttırmak yerine sadece sertliği yani gevrekliği arttırır. Endüstriyel anlamda en çok tercih edilen çelik türleri orta ve yüksek karbonlu olarak tanımlanan çelik türleridir.
%0.022 – %0.2 Düşük Karbonlu Çelikler
%0.2 – %0.6 Orta Karbonlu Çelikler
%0.6 – %1.2 ~ 1.3 Yüksek Karbonlu Çelikler
Saf demirin mukavemeti şaşırtıcı derece düşüktür. 250 MPa çekme mukavemeti ve %40 lara varan kopma uzamasına sahip saf demirden yapabileceğiniz mühendislik malzemeleri çok kısıtlıdır. Fakat karbon ve diğer alaşım elementlerinin ilavesi ile çekme mukavemeti 700–1000 MPa’a kadar çıkarılabilir ve kopma uzaması da %2’lere kadar düşürülebilir. Bu şekilde mühendislik uygulamalarına daha uygun hale gelir.
Pik demir aşırı doymuş karbon çözeltisi olarak tanımlanabilir. %3 – %4.5 karbon oranı çelik için çok yüksektir ve zaten çelik kabul edilmez. Aşırı olarak çözünmeye zorlanmış ve soğutulunca çökelmiş bu karbonun ve kalıntı sülfürün pik demirden giderilmesi ile çelik elde edilir. Vanadyum, Krom, Mangan, Silisyum, Titanyum gibi alaşım elementlerinin ilavesi ile çeliğin mukavemeti, oksidasyon dayanımı, tokluğu gibi mekanik özellikleri daha da fazla arttırılabilir.
Bilindiği üzere karbon oksidasyona çok müsait bir elementtir. Pik demir ergitilip içerisinden oksijence zengin hava üflendiği takdirde karbon yanacak ve ortamdan karbondioksit gazı olarak ayrılacaktır. Sıcaklığında yüksek oluşundan dolayı bu atık gaz çelik içerisinde gaz boşluğu bırakamadan uçacaktır. Yüksek kalitede üretilen çeliklerin vakum ortamında dökülmesi, içerisindeki hidrojen, sülfür ve karbondioksit gibi gazların neredeyse tamamının giderilmesi içindir.
Doğası gereği cevherden itibaren pik demirimizde ve hatta çeliğimizde çok iyi oranda çözünen hatta bir orandan aşağıya da indiremediğimiz kükürt, fosfor, silisyum ve manganımız mevcuttur. En çok %0.9 Mn ve %0.35 Silisyuma izin verilir. Fosfor ve kükürt ise mümkün olduğunca azaltılmalıdır. İlgili oranlarda iken bu iki element çeliğin oksidini ve sülfürü çekip, oksijenin ve sülfürün zararlı etkilerini giderirler. Mangan sülfürü üzerine çekerek MnS oluşturur ve kırılganlık yaratacak FeS oluşumuna engel olarak çeliğin tokluğunun düşmesine engel olur. Silisyum ise oksijen ilgisinden dolayı karbon azaltma işlemi esnasında oluşan tufalleri (FeO) dağıtarak çeliğin içerisinde demir (II) oksit kalıntısını giderir. Bu yüzden mangan ve silisyuma belirli oranlarda çelik içerisinde kalmasına müsaade edilir. Sadece karbon, mangan ve silisyum içeren çeliklere saf çelik olarak isim verilir. Element oranlarının standartlarca belirlenmesi sonucu çelikler isimler almıştır. Alaşımsız yani saf çeliklerin bazılarını aşağıdaki tabloda veriyorum.
Her zaman bu kimyasal muhteviyata sahip çelikler işinizi görmeyebilir. Yüksek darbe (vurma) dayanımı, yüksek korozyon dayanımı, çok yüksek sertlik gerektiren noktalar çelik içerisine başka elementler ilave edilir. Alaşım elementi ilavesinde de ferrit içerisinde çözünenler ve karbür yapıcılar olarak iki farklı grup söz konusudur.
Kobalt (Co), Nikel (Ni) ve Molibden (Mo) ferrit içerisinde iyi çözünür. Geriye kalan diğer alaşım elementleri özellikle Krom (Cr), Vanadyum (V) ve Wolfram (W) çok iyi karbür yaparlar. Krom ve nikelin oranlarının çelik içerisinde arttırılmasıyla çeliğin oksidasyon dayanımı çok arttırılabilir. Krom ve nikel çeliğin tane sınırlarına çöker. Ayrıca kromun pasivasyon özelliğide çeliği koruyan bir krom oksit tabakası oluşturur. Paslanmaz çeliklerin ömrü 40 yıla kadar uzatılabilir.
Çeşitli ısıl işlemler ile çeliğin mukavemeti kimyasal muhteviyatı ile oynanmadan arttırılabilir. En bilinen yöntem çeliğe su verilmesidir. Orta ve yüksek karbonlu çelikler öncelikle östenitleştirilmek için ötektoid dönüşüm sıcaklığı üzerinde bir süre bekletilir. Sonrasında ani soğutma için su veya yağ banyosuna daldırılır. Düşen sıcaklıkla birlikte ötektoid dönüşüm tersine döner fakat difüzyon için yeterli zaman olmadığından demir kafesleri çarpılır ve içerisinde fazladan çözünmüş karbon kalır. Aşırı doymuş bu demir-karbon çözeltisine martenzit denir ve çok sert, kırılgan bir fazdır. Mukavemeti ve aşınma direnci çok yüksektir. Yüksek hızlı çelikler, talaş kaldırma aparatları, sürtünmeye maruz kalan parçalar bu yöntem ile üretilirler.
Sizleri çok sıkmamak adına yazımı sonlandırıyorum. Çeliğin çok geniş bir kullanım alanı olduğunu, üretimi esnasında birçok farklı çelik türünün üretilebileceğini de düşünürsek, bu yazımın yüzeysel olduğunu anlarsınız. Pik demirden çelik üretimini bir sonraki yazımda ele alacağım..
Okan Gençoğlu
Ondokuz Mayıs Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü
Kaynaklar:
- http://www.atesdemircelik.com/
- http://en.wikipedia.org/wiki/Steel
- Yard. Doç. Dr. İbrahim İnanç, Metalik Malzemeler dersi ders notları.
- Yard. Doç. Dr. Sevim Alışır, Ekstraktif Metalurji dersi ders notları.
