Makina Tasarımında Malzeme Seçimi, imalat çelikleri, imalat çeliği seçimi | Genç Tasarımcılar
Eskiden mühendislikte kullanılan malzemeler genellikle metal ağırlıklı idi. Bugün ise kompozit malzemelerin gelişmesi ile birlikte daha hafif, daha dayanıklı ve ekonomik tasarımlar yapma imkanı ortaya çıkmış oldu. Mühendislik tasarımlarında çelik her nekadar önde olursa olsun kompozit malzemelerin yanı sıra lastik, tahta, cam vs. de mühendislikte yoğun olarak kullanılan malzemelerdendir. Ancak mühendislikte kullanılan çelik dışı malzemeler çelik malzeme kullanımının sadece 7% si mertebesindedir.
Tasarımınız ne kadar iyi olursa olsun eğer kullanılan malzeme uygun değilse sonuç hüsran olur. Tabii tasarım için sadece uygun çeliğin seçilmesi yetmez eğer gerekiyorsa bu çeliğe birde uygun ısıl işlem uygulanmalıdır. Bu nedenle bir makine mühendisi metalurji mühendisi kadar olmasa bile çelik malzeme konusunda belli bir bilgi ve tecrübeye mutlaka sahip olmalıdır.
Burada aktarmakta yarar gördüğüm bir diğer husus çelik için asla “demir” sözcüğünün kullanılmasıdır. Kalitesi en düşük malzeme bile karbon içerdiğinden çelik olarak tanımlanır. (dilimize inşaat demiri, parmaklık demiri vs olarak yerleşmiş malzemelerin hepsi çeliktir). İstisnai bir durum olarak yüksek fırınlardan çıktıktan sonra çelikhaneye gönderilmeden kalıplara dökülerek endüstriyel alanlarda dökümcülere hammadde olarak satılan metallere tüm dünyada olduğu gibi ülkemizde de “Pik Demir” denilir.
Bir makine mühendisi yaptığı tasarım için malzeme seçerken aşağıdaki özellikleri dikkate almak durumundadır. Bunlar;
Elektrik özellikleri: D irenç, dielektrik dayanımı, kapasitans değeri vs.
Ekonomik özellikler : Fiyat, temin edilebilirlik, vs
Çelik konusundaki önemli standartlar aşağıdaki kurumlar tarafından yayınlanmıştır. Bunlar;
1. AISI …………: Amerikan Demir Çelik Enstitüsü standartları
2. SAE …………: Otomotiv mühendisleri topluluğu standartları
3. ASTM……..…: Amerikan malzeme deneme topluluğu standartları
4. AFNOR …….: Fransız standartları enstitüsü
5. JIS ……….….: Japon standartları enstitüsü
6. BS ……….… : İngiliz standartları
7. ISO …………: Uluslararası standartlar organizasyonu
8. EURONORM : Avrupa standartları
9. DIN …………..: Alman standartları enstitüsü
10. TSE……………: Türk Standartlar Enstitüsü
Yukarıda belirtilen kuruluşların hepsi çeliği kendi normlarına göre sınıflandırmış bulunmaktadır. Bunlardan sadece AISI ve SAE aynı çelik için aynı kodu kullanır. Bir diğer husus farklı firmalarda üç aşağı beş yukarı birbirine benzer çelikleri üretiliyor olmasına rağmen tamamen bire bir aynı çelik üretilmemektedir. Belli bir çeliğin muadilini ararken o çeliğin grubundan yola çıkmak gerekir. Örnek: DIN normunda belirtilen bir yapı çeliğini Amerikan normlarında ASTM spesifikasyonlarında aramak gerekirken, ısıl işlem çeliklerini hem ASTM hem AISI/SAE nomlarında aramanız gerekebilir. Muadil çelik grupları için http://www.steelstrip.co.uk/international_equivalents2.htm sitesinden veya http://www.scribd.com/doc/18522305/Din-SAE-JIS-Material-Specfication-With-en-Equivalant sitesinden yararlanabilirsiniz.
AISI/SAE standartlarında çelik gösterimi AISI/SAE XX XX formatındadır. Buradaki ilk iki rakam çeliğin türünü son iki rakam ise bu çeliğin içindeki karbon oranını belirtmektedir. Örnek: SAE 1050 gösteriminde 10 malzemenin düz karbon çeliği olduğunu, 50 ise %0.48-%0.55 arası da karbon içerdiğini belirtmektedir. İlk iki rakamın detayları için referans: http://www.engineeringtoolbox.com/aisi-sae-steel-numbering-system-d_1449.html
Malzeme tipi, üretici adı, ticari marka, fiziksel özellikler konusunda en geniş bilgi taramasını “Material Property Data” MATWEB sitesinden yapabilirsiniz.
Çelik standartları arasında bana göre mühendislik kullanımı açısından en açıklayıcı bilgiler DIN normunda belirtilmiş olduğundan bu sitede malzemeleri DIN standartlarında belirtilen Gereç sayısı (Werk stoff number) cinsinden vermeye gayret edeceğim. Zira bir malzemenin Gereç sayısını (W.S.Nr) nı tespit edebilirseniz o malzemenin kimyasal analizi, mekanik özellikleri, ısıl işlem bilgilerine daha kolay ulaşabilirsiniz. Hangi standartta olursa olsun malzeme belirlendikten sonra bu malzemenin diğer standartlardaki muadillerini gösteren bir çok tablo bulunmaktadır bunlardan ASTM muadili malzemelere http://doc.diytrade.com/docdvr/229183/23523299/1318158849.pdf den ulaşabilirsiniz
DIN standartında gereç sayısı X.XXXX formatında verilir. Burada ilk rakam çelik için her zaman 1 dir. 0 ise pik demir veya ferro alaşımlar için kullanılır. 2 demir içermeyen ağır metaller, 3 ise hafif metaller içindir. Sondaki dört rakam malzemenin kimyasal kompozisyonunu belirler.
Örnek : W.S.Nr: 1.2710 (45NiCr6) içeriğinde 0.40-0.50 % Karbon, 1.2-1.5 % Krom, 1.5-1.8 % Nikel bulunan soğuk iş takım çeliğidir.
Çelik standartları konusunda “Stahl schlussel” olarak bilinen Almanların çelik anahtarını CD veya katalog olarak temin edilmesi yararlı olacaktır. Bu sitede ekli malzeme tabloları STAHLSCHLUSSEL den alınmıştır.
Stahl schlussel kataloğunda grup 17 de DIN normundaki tüm çelikler 1 den sonraki dört rakama göre sıralanmış bulunmaktadır. Burada çeliğin sırası bulunduktan sonra son kolondaki grup numarasından o çeliğin mekanik özelliklerinin ve ısıl işlem bilgilerinin belirtildiği sayfalara ulaşmak mümkün olur.
Hangi çelik hangi şartlarda, nerelerde kullanılır konusuna geçmeden önce çelikler için genel bir tarif yapacak olursak; Çelik içeriğinde maksimum %1.6 Karbon içeren Demir alaşımlı bir malzemedir. Düz karbonlu çeliklerde C oranı %1 i geçmez. Tüm çeliklerin bileşiminde ayrıca Mn, Si, P ve S bulunur. Çelikte en belirleyici özellik kendisine mukavemet ve sertlik değerlerini kazandıran %C miktarıdır. %C miktarının yaratmış olduğu bazı olumsuzluklarda vardır. %C miktarı arttıkça çeliğin süneklik, tokluk, kaynaklanabilirlik özellikleri azalır.
DIN normunda kısa gösterimde içinde St olanlar yapı çeliklerini, C ile başlayanlar alaşımsız ve ısıl işleme elverişli düz karbonlu çeliklerini belirtir.
C nin alt indisleri ise aşağıdaki anlamlara gelir.
Cf : Alev veya endüksiyon bobini ile yüzey sertleştirmeye uygun çelikleri.
Ck : Kükürt ve fosforu düşük çelikleri
Cm : Belli bir kükürt aralığı olan çelikleri belirtir.
Çelikler aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir. Ancak bir çelik cinsi özellikleri itibari ile birden fazla sınıfa girebilir. Bunlar;
1. Kalitesiz yumuşak çelikler
2. Kolay kaynak çelikleri
3. Yapı çelikleri
4. İmalat çelikleri
5. Islah çelikleri
6. Transmisyon çelikleri
7. Paslanmaz çelikler
8. Takım çelikleri
9. Kullanım yerlerine göre
Olarak kategorilere ayrılabilirler
Kullanım yerleri için örnekler verilerek hangi çeliğin nerelerde kullanıldığı ve farklı standart gösterimlerdeki birbirine muadil çelikleri MUADİL ÇELİKLER tablosundan görebilirsiniz.
Bu noktada şu bilgiyi vermek yararlı olacaktır. Türkiyede sanayide en fazla kullanılan malzeme gösterimi yapı çelikleri için St37, St42 vs,
imalat çelikleri için ise C1010, C1030, C1050 vs şeklindedir. Türkiyede imalat çelikleri için kullanılan bu gösterim Makine Kimya Endüstrisi (MKE) çelikleri içindir. Bu kurum SAE normlarındaki gösterimde bulunan SAE yerine Ç harfini koymuştur. Örnek: SAE1010 muadili Ç1010, SAE1040 muadili Ç1040 vs. Tasarımlarınızda malzeme gösterimlerini uluslar arası kabul görmüş standartlarda belirtmek hem o malzemenin özelliklerine daha kolay ulaşmak hemde yurt dışı paylaşımlarda aynı dili kullanmış olmak açısından oldukça önemlidir.
SAE standartında belirtilmiş bazı düz karbonlu çeliklerin mukavemet değerlerine ve sertlik değerlerine SAE ÇELİK DAYANIMLARI tablosundan ulaşabilirsiniz. Alaşımlı çeliklerin mukavemet değerlerini vermek istemedim çünkü alaşımlı çeliklerin uğramış oldukları ısıl işlem yöntemi çeliğin mukavemet değerlerinin çok farklı gerçekleşmesine neden olmaktadır.
Tasarımda kullanılacak malzemede çekme dayanımı, aşınmaya karşı direnç, sıcaklığa duyarlılık, çekme veya uzamadan kaynaklanacak sorunlar söz konusu değilse kalitesiz yumuşak çelikler kullanılabilir. Çöp tenekesi, bahçe parmaklığı gibi kullanım yerlerinde aranacak özellik sadece korozyona karşı dayanıklılık ise bu gibi yerlerde düşük karbonlu çelik kullanılması aynı zamanda malzemenin kolay kaynak yapılabilmesini, yumuşak olduğundan kolay şekil verilebilmesini ve böylece hem işçilikten hem malzeme maliyetinden tasarruf edilebilmesi sağlanmış olur. DIN normunda bu çeliğe tekabül eden W.S.Nr: 1.0030 (St00) olarak belirtilir.
Çelikte karbon oranı ve kalınlık arttıkça kaynak edilebilirlik zorlaşır ve ancak bir takım önlemler alınması ile gerçekleşebilir. 20 mm den ince malzemelerde C% 0.25 den az ise herhangi bir önleme gerek kalmadan malzemeyi kaynak etmek mümkün olur. Bu tip çeliklere kolay kaynak çelikleri denir. Silolar, basınçsız kaplar, şaseler, genel amaçlı konstrüksiyonlar için kolay kaynak çelikleri seçilir.
Kolay kaynak edilebilir çelikler için W.S.Nr: 1.0301 (C10), W.S.Nr: 1.0401 (C15), W.S.Nr: 1.1121 (Ck10) örnek olarak gösterilebilir.
Yanda bir malzemenin kaynak edilebilirliğini gösteren bir diyagram verilmiştir.
Bir malzemenin kalınlık- C% si değerleri
A bölgesine düşüyorsa malzeme herhangi bir önlem alınmadan kaynak edilebilir demektir.
B bölgesine düşüyorsa malzemede kaynaktan önce ön ısıtma yapılmalıdır.
C bölgesine düşüyorsa malzemede kaynaktan önce ön ısıtma yapılmalı ve kaynaktan sonra ise gerilim giderme tavlaması uygulanmalıdır.
Eğer kaynak edilecek malzeme alaşımlı bir çelik ise bu diyagramı kullanmak için
önce eş değer karbon oranı (EC) bulunmalıdır.
Düz karbonlu çeliklerde EC= (C+Mn/4+Si/4) %
Düşük alaşımlı çeliklerde EC= (C+Mn/6+Cr/S+Mo/4) %
Düşük alaşımlı çeliğin kimyasal bileşenlerine göre hesaplanan EC değeri hangi düz karbonlu çeliğin EC değerine yaklaşık olarak denk geliyorsa ilgili düşük alaşımlı çelik için aynı EC değerindeki karbonlu çelik için uygulanan kaynak yöntemi uygulanır.
Yapı çeliklerinde kısa gösterimde verilen rakam genellikle çeliğin “Kgf /mm2” cinsinden ortalama kopma dayanımını belirtir. Örnek: W.S.Nr: 1.0037 (St 37-2) içeriğinde max 0.17% Karbon olan ve kopma mukavemeti 34-45 Kgf /mm2 arasında bulunan yapı çeliğini gösterir. Bu değerler dizayn değerleri olmayıp dizayn değerleri belirli emniyet katsayılarına bölünerek elde edilir.
4.1 KARBONLANMA YÖNTEMİ İLE KABUK SERTLEŞEBİLİR İMALAT ÇELİKLERİ
Bu çelik türü içeriğinde % 0.29 dan daha az Karbon olmasına rağmen karbonlama yöntemi ile yüzeydeki karbon oranının %1 e kadar arttırılabildiği, daha sonra su verilerek yüzeyin 65 HRC oranlarına kadar sertleştirilebildiği çelik türleridir . Bu çelik türleri yüzeyinde aşınmaya maruz kalacağı için yüzeyin sert, ağır yükler taşıyacağı veya şoklara maruz kalacağı için iç yapı tokluğunun fazla olması istenen parçalar için kullanılır.
Bu çelikler Düz karbon çeliği olabildiği gibi Alaşımlı çelikte olabilir. Bu çeliklere Türkiyede SEMENTASYON çelikleri denilir. Türkiyede en çok kullanılan sementasyon çelikleri şunlardır.
C15 (1.0401) SAE 1020
21 Ni Cr Mo2 (1.6523) veya muadili: SAE 8620
16 Mn CrS 5 (1.7139) veya muadili SAE 5115
15 Cr3 (1.7015) veya muadili SAE 5015
SAE 3315 (DIN 14 NiCr14)
SAE 3415 (DIN 14 NiCr 18)
SAE 4120 (DIN 20 CrMo5)
DIN normuna göre Karbonlama yöntemi ile Kabuk sertleşebilir imalat çeliklerinin kimyasal kompozisyonu Tablo 2 de, mekanik özellikleri ise Tablo 21 de verilmiştir.
4.2 NİTRÜRLEME YÖNTEMİ İLE KABUK SERTLEŞEBİLİR İMALAT ÇELİKLERİ
Yüzey sertliğinin arttırılması için uygulanan bir diğer yöntem Nitrürleme yöntemidir.
Bu yöntemde azotça zengin ortamda malzeme 600ºC de uzun bir zaman bekletilerek malzeme yüzeyinde azot miktarı arttırılarak yüzeyin su verilmeden sertleştirilmesi sağlanır. Aşınma ve yorulma direncinin çok yüksek ve yüzey sertliğinin 72 HRC sertliklerine kadar çıkması gereken makina parçaları için bu tip çelikler kullanılır.
DIN normuna göre Nitrürleme yöntemi ile Kabuk sertleşebilir imalat çeliklerinin kimyasal kompozisyonu Tablo 3 de mekanik özellikleri ise Tablo 22 de verilmiştir
4.3 OTOMAT ÇELİKLERİ ( Free cutting steels)
Karbonlu çeliklerin tezgahlarda kolay işlenebilirliğini sağlamak için içeriğine kurşun, kükürt, fosfor katılarak talaşın uzamadan kırılması sağlanır. Bu tip çeliklere otomat çelikleri denir. Bu çelikler genellikle soğuk haddelenmiş olarak piyasaya sürülür.
DIN normuna göre otomat çeliklerinin kimyasal kompozisyonu Tablo 4 de, mekanik özellikleri ise Tablo 23 de verilmiştir.
Türkiyede yaygın kullanımı olan otomat çelikleri şunlardır.
SAE 1113 (DIN 9 S 20)
SAE 1117 (DIN 15 S 20)
SAE 1137 (DIN 35S 20)
5.ISLAH ÇELİKLERİ ( Heat Treatable steels)
Makine üretiminde kullanılmak üzere su verilerek sertlikleri derinlemesine arttırılabilen çeliklere ıslah çelikleri denir. Bu çelikler yalın karbonlu çelik (örnek 1.0501 C35) olabildiği gibi alaşım çeliği (örnek: 1.6582 34 CrNiMo6) de olabilirler.
Alaşım çelikleri içeriğinde Ni, Cr, Mo, V, W gibi elementlerin yer almış olduğu çeliklerdir.
Bu çeliklerin imalat çelikleri grubunda verdiğimiz çeliklerden en önemli farkı derinlemesine (tam) sertleşebilir çelik olmalarıdır.
Alaşımlı çeliklerin deriniğine (iç bölgelerde) sertleşebilme yeteneği düz karbonlu çeliklere göre daha fazladır çünkü içeriğinde bulunan Cr, Ni, Mo gibi elementler su verme esnasında çeliklerin çatlama, çarpılma risklerinin düz karbonlu çeliklere göre daha az olmasını sağlar.
Gerek düz karbonlu çeliklerde , gerekse düşük alaşımlı çeliklerde su verilerek kabuk sertliği ancak belli bir derinliğe kadar sağlanabilmektedir. Tam sertleşebilir alaşım çeliklerinde ise bu derinlik daha fazla olup ASI/SAE normunda bu derinliği garantili olarak sağlayan malzemeler SAE standart gösterimde sonlarına H harfini alırlar. Örnek: SAE 1040H, SAE 4140H, SAE 5160H.
Alaşım elementleri çeliğe aşağıdaki özellikleri katarlar. Bunlar;
Krom (Cr) : Çeliğin sertleştirilebilme özelliğini, çekme mukavemetini ve korozyona dayanımını arttırır.
Nikel (Ni) : Çeliğin çekme mukavemetini, yorulma (fatigue) direncini, tokluğunu ve korozyona dayanımını arttırır.
Molibden (Mo) ; Çeliğin sertleştirilebilme özelliğini arttırtır.
Fosfor: Çeliğin çekme mukavemetini geliştirir ancak tokluğu azaltır.
Silisyum (Si): İnce taneli çelik yapısına elverir, sertleştirilebilme özelliğini, çekme mukavemetini ve elektriksel özelliklerini geliştirir.
Wolfram (Tungsten) (W) :Sertliğin çok fazla yüksek değerlere ulaşabilmesini sağlar ve aşınmaya direnci arttırır. Ancak bu element çok pahalıdır.
Vanadyum (V): çekme mukavemetini, yorulma (fatigue) direncini ve şok darbelere direnci arttırır.
Mangan (Mn) : Çeliğin çekme mukavemetini ve şok darbelere direncini arttırır.
Kurşun (Pb) : İşlenebilirliği arttırır.
Bakır (Cu) : Korozyona dayanımını arttırır.
Alimünyum (Al): İnce taneli çelik yapısına elverir. Çelik içerisindeki çözünmüş oksijeni giderir.
Alaşım elementlerinin çelik özelliklerini hangi yönde etkilediğini TABLO 41 den görmeniz mümkündür.
DIN normuna göre kısa gösterimde çelik simgesinin başına X gelirse bu çeliğin yüksek alaşımlı çelik olduğunu belirtir. Örnek: X 120 Mn 12.
Alaşım çelikleri genellikle durgun çelik olarak dökülürler.
Türkiyede sık kullanılan ıslah çelikleri;
34CrNi Mo6 (1.6582) muadili SAE 4340
50CrV4 (1.8159) muadili SAE6150
50CrMo4 (1.7228) muadili SAE4130
DIN normuna göre ıslah çeliklerinin kimyasal kompozisyonu Tablo 5 de,
mekanik özellikleri ise Tablo 24 de verilmiştir.
6. SOĞUK ÇEKME ÇELİKLER (TRANSMİSYON ÇELİKLERİ)
İmalat ve ıslah çelikleri normal oda sıcaklığında bir veya birkaç kalıptan geçirilerek belli bir şekil almaları sağlanıyorsa bu çeliklere Soğuk çekme çelik veya Transmisyon çeliği denir. Soğuk çekmeden maksat ısıl işleme gerek kalmadan malzemenin akma (Sy) ve kopma (Su) mukavemetlerini arttırmaktır.
Sıcak haddelenmiş sacın sadece inceltilerek mekanik özelliklerinin geliştirilmesi gerekiyorsa çekme yerine oda sıcaklığında haddeleme yeterlidir. Bunlara ise soğuk haddelenmiş çelik denilir.
Soğuk çekilmiş veya haddelenmiş bir malzeme haddeden veya kalıptan yaklaşık h11 toleransında çıkar. Bu nedenle hassas bir yüzey gerekmiyorsa malzeme yüzeyinin işlenmeden de kullanılması mümkün olur. Soğuk çekmenin bir diğer avantajı da tezgahlarda işlenebilirliği (çıkan talaşın daha kolay kırılabilmesini) arttırmasıdır.
Soğuk haddeleme veya çekmede ezme oranı genellikle 8% mertebesindedir. Çünkü mukavemet değerlerinde en hızlı artma bu orana kadardır. Eğer gerekmiyorsa bu oran 15 % yi geçmemelidir. Yüksek oranda bir ezme yapılmışsa mutlaka yumuşatma tavlaması da yapılmalıdır.
DIN normuna göre soğuk çekme çeliklerinin kimyasal kompozisyonu Tablo 6 da, mekanik özellikleri ise Tablo 25 de verilmiştir.
7. PASLANMAZ ÇELİKLER
İçeriğinde 12% ile 26% oranında Cr bulunan malzemelere paslanmaz çelik denir. Bunlar adı üzerinde paslanmayan (Korrozyona dayanıklı) çeliklerdir. Bu çeliklerin bir diğer özelliği yüksek sıcaklıklara dayanıklı olmalarıdır.
Paslanmaz çelikler ikiye ayrılır. Bunlar;
1. Şekil verilebilir Paslanmaz levha ve çubuklar
2. Paslanmaz çelik dökümler
7.1. ŞEKİL VERİLEBİLİR PASLANMAZ LEVHA VE ÇUBUKLAR
Paslanmaz levha yüzey kaliteleri 1. kalite ile 8. kalite arasında değişir.
1.Kalite paslanmaz levhalarda yüzey düzgünlüğü aranmaz. Kalite numarası arttıkça yüzey kalitesi de artar. 8.kalite paslanmaz levhalar en parlak yüzeye sahip olup bazı yerlerde ayna olarak kullanılırlar.
Paslanmaz çubuklar ise yüzey kaliteleri A dan F ye kadar artar. A kalite paslanmaz çubuk yüzeyleri kaba olup, F kalite ise en parlak yüzeye sahip paslanmaz çubuklardır
Şekil verilebilir paslanmaz çelikler iç yapılarına göre 3 e ayrılır. Bunlar
2. Martensitik Paslanmaz çelikler.
3. Feritik Paslanmaz çelikler
7.1.1 ÖSTENİTİK PASLANMAZ ÇELİKLER
Bunları diğer paslanmaz çeliklerden ayıran en önemli özelikler
• Korrozyona karşı yüksek dayanımları olması,
• Tokluklarının yüksek olması
Bu malzemeler Petrokimya ve gıda sanayisinde kullanılırlar. Genellikle 8% Ni, 18% Cr içerirler.
Piyasada AISI 301, 302, 303, 304, 305, 308, 309, 310, 314, 316, 317, 321, 329, 347, 348 kalite olarak bilinen paslanmaz çelikler Östenitik paslanmaz çeliklerdir.
7.1.2 MARTENSİTİK PASLANMAZ ÇELİKLER
Bu paslanmaz çeliklerin en önemli özelliği ısıl işlem yolu ile sertliklerinin arttırılabilmeleridir. İçeriğinde 0.40% karbon olan AISI 4140 de sertlik ısıl işlem yolu ile çok yüksek değerlere çıkarılabilir. Bunların İçeriğinde Ni pek bulunmaz.
Bu paslanmazlar korrozyona karşı en az direnç gösteren malzemelerdir.
Piyasada AISI 403, 410, 414, 416, 418, 420, 422, 431, 440, 501, 502 kalite olarak bilinen paslanmaz çelikler martensitik paslanmaz çeliklerdir.
7.1.3 FERRİTİK PASLANMAZ ÇELİKLER
Bu paslanmazlar ısıl işleme uygun değildir (sertlik verilemez) ve mıknatıslanırlar. Eğer sertleştirilmeleri gerekirse soğuk haddeleme ile sertlik kazanabilirler. Bu paslanmazlarda korrozyon dayanımı ve tokluk düşüktür. İçeriklerindeki C oranı 0.2% civarındadır. Otomotivde eksoz borularında ve kimyasallar için depo, tank vs imalatında kullanılırlar. Ayrıca ısı iletim katsayıları yüksek olduğundan kazan imalatı için uygundurlar.
Piyasada AISI 405, 430, 446 kalite olarak bilinen paslanmaz çelikler ferritik paslanmaz çeliklerdir.
Şekil verilebilir paslanmaz çeliklerin kimyasal kompozisyonlarını Tablo 7 de, mekanik özelliklerini ise Tablo 26 da bulabilirsiniz.
7.2 PASLANMAZ ÇELİK DÖKÜMLER
Paslanmaz çelik dökümler 2 çeşittir.
1. Korrozyona karşı dirençli paslanmaz çelik dökümler
2. Yüksek sıcaklığa dirençli paslanmaz çelik dökümlerdir.
Korrozyona karşı dirençli paslanmaz çelik dökümler vana ve pompa gibi korrozyona maruz yerlerde kullanılırlar.
DIN normuna göre paslanmaz çelik dökümlerin kimyasal kompozisyonları Tablo 8 de, mekanik özellikleri ise Tablo 27 de verilmiş bulunmaktadır.
Yüksek sıcaklığa dirençli paslanmaz çelik dökümler 650 ºC ile 1250 ºC arası sıcaklığa dayanabilirler ve daha çok türbin, fırın gibi yüksek sıcaklığa maruz yerlerde kullanılırlar.
Yüksek sıcaklığa dirençli paslanmaz çelik dökümlerin DIN normuna göre kimyasal kompozisyonları Tablo 9 da, mekanik özelliklerini ise Tablo 28 de verilmiştir.
8. TAKIM ÇELİKLERİ
Yüksek alaşımlı ve yüksek oranda karbon içeren çeliklere takım çelikleri denir. DIN normunda kısa gösterimdeki simgelerin başında X bulunursa bu çeliğin yüksek alaşımlı olduğunu belirtir. Örnek: X36 Cr Mo17 (1.2316).
Bu malzemelerin ıslah çeliklerinden en önemli farkı iç yapılarındaki temizlik nedeni ile belirtilen mukavemet ve sertlik değerlerinde sapmanın minimum olmasıdır. Bu nedenle takım çelikleri ıslah çeliklerinden çok daha fazla pahalıdır. Takım çeliği pahalı olduğu için kullanıcıların takım çeliği satın alırken menşeine dikkat etmeleri ve mutlaka sertifika talep etmeleri gerekir.
Bu malzemeler ısıl işlem görmemiş olarak satın alınır ve kullanıcı tarafından işlendikten sonra ısıl işlem uygulanır. Bu çelik ancak ısıl işlemden sonra kendinden beklenen özellikleri sağlayabilir.
Takım çeliklerinin genel özellikleri aşağıdaki gibi sıralanabilir. Bunlar;
• Yüksek sertlik
• Yüksek tokluk
• Yüksek süneklik
• Yüksek sıcaklıklarda çalışabilme
• Yüksek ısı iletim kabiliyeti
• Yüksek işlenebilirlik
• Yüksek Parlatılabilirlik
• Yüksek şekilendirilebilirlik
• Düşük termal genleşme
Yukarıda sıralanan olumlu özelliklerin bazıları bazı takım çeliği gruplarında yoktur. Takım çelikleri beş gruba ayrılır. Bunlar;
1. Karbonlu takım çelikleri
2. Yüksek hız takım çelikleri
3. Soğuk iş takım çelikleri
4. Sıcak iş takım çelikleri.
5. Darbeye mukavim takım çelikleri
8.1 KARBONLU TAKIM ÇELİKLERİ
Bu takım çeliklerine Türkiyede Su çelikleri de denilir. Bu malzemede Karbon 0.16% ile 1.4% arasında değişen ana unsurdur. Bu malzemede Cr ve V (vanadyum) çok azdır.
Karbonlu takım çeliği çok sert bir kabuk altında yüksek mukavemette bir öz gerektiren yerlerde kullanılır. Yüksek sıcaklıklara dayanıklı değildir.
Kullanıldığı yerler; şekillendirme ve şişirme kalıpları, kesme kalıpları, ahşap işleme kesici takımları (rende iskarpile vs.), eğe, kılavuz, rayba vs. olarak sıralanabilir.
DIN normuna göre karbonlu takım çelikleri kimyasal kompozisyonu Tablo 10 da, mekanik özellikleri ise Tablo 29 da verilmiştir.
8.2 YÜKSEK HIZ TAKIM ÇELİKLERİ
Yüksek hız takım çelikleri derin sertleşebilir çeliklerdir. Bunlar yüksek mukavemetli ve aşınmalara karşı dirençli malzemelerdir.
Bu çeliklerin hepsinde 4% Cr bulunur. Bazı Yüksek hız çelikleri Molbden (Mo) esaslı bazıları ise Wolfram (W) esaslıdır. Not: Wolfram bazı kaynaklarda Tungsten olarak geçer
Kullanıldığı yerler: Freze çakıları, torna kalemleri, rayba, kılavuz, azdırmalar, zımba ve kalıplar.
DIN normuna göre yüksek hız takım çelikleri kimyasal kompozisyonu Tablo 11 de, mekanik özellikleri ise Tablo 30 da verilmiştir.
8.3 SOĞUK İŞ TAKIM ÇELİKLERİ
Bunlar normal sıcaklıklarda yüksek mukavemet ve aşınma direnci gösteren malzemelerdir. Bunlarda başlıca element mangan (Mn), Krom (Cr) ve Wolfram (W) dır. Su verme sırasında çarpılma riskleri çok düşüktür.
Kullanıldığı yerler: Soğuk zımbalar, mastarlar, makaslar. Örnek: 1.2379 (X155 CrV Mo12 1) Rulo sacların boya kesilmesi veya dilinmesi için kullanılan soğuk makas bıçaklarının imalatında kullanılan çeliktir.
DIN normuna göre soğuk iş takım çelikleri kimyasal kompozisyonu Tablo 12 de,
mekanik özellikleri ise Tablo 31 de verilmiştir.
Türkiyede en çok kullanılan soğuk iş takım çelikleri;
SAE 1390 (DIN 90 Mn V 8)
SAE 5190 (DIN 105 MnCr4)
SAE 7245 (DIN 45 W Cr 7)
SAE 512200 (DIN X 210 Cr 12)
8.4 SICAK İŞ TAKIM ÇELİKLERİ
Bunlar adı üstünde sıcaklığı yüksek ortamlarda mukavemetlerini, aşınmaya karşı direnç özelliklerini ve tokluklarını kaybetmeden çalışabilirler. Bunların karbon oranları düşük olup 0.3% ile 0.5% arasındadır. Başlıca elementleri Krom (Cr) ve Wolfram (W) ve Molibden (Mo) dır.
Sıcak iş takım çeliklerinin özellikleri aşağıdaki gibidir.
• Darbelere karşı dayanıklıdırlar ancak yüksek sıcaklıklarda darbe mukavemetleri düşer.
• Yüksek sıcaklıklarda 40-55 HrC arası sertlik değerlerini korurlar.
• İşlenmeleri kolaydır,
• Sıcaklıktan ötürü genleşmeleri düşüktür
• Su verme sırasında çarpılma minimum seviyededir.
• 550ºC de 1750-2500 (N/mm2) arasında akma mukavemetini sürekli olarak korurlar.
Kullanım yerleri: Beyaz eşya sektöründe extrusyon kalıpları, sıcak rulo sarma mandrelleri, sıcak makaslar, sıcak döğme kalıpları, vb.
DIN normuna göre Sıcak iş takım çelikleri kimyasal kompozisyonu Tablo 13 de,
mekanik özellikleri ise Tablo 32 de verilmiştir.
Türkiyede en sık kullanılan Sıcak iş takım çelikleri
SAE 5330 (DIN X 32CrMoV33)
SAE 7430 (DIN X 30WCrV53)
SAE 7930 (DIN X 30WCrV93)
8.5 DARBE TAKIM ÇELİKLERİ
Darbe takım çelikleri darbeli çalışacak takımlarım imalatında kullanılırlar. Bunlarda başlıca element silis(Si), Krom (Cr) ve Wolfram (W) dır. Bu çeliklerde karbon 0.5% yi geçmez. Aşınmaya karşı dirençleri orta seviyededir.
Kullanıldığı yerler: Keskiler, zımbalar, çekiçler. Bunlarda yüksek sıcaklıklarda çalışma özellikleri yoktur.
9. KULLANIM YERLERİNE GÖRE BAZI ÇELİKLER
9.1 RULMAN ÇELİKLERİ
Rulmanlarda kullanılan bilya ve makaraların imalatında kullanılan çeliklerdir. Bu çelikler Islah çelikleri grubundan olup bu çeliklerin DIN normunda kimyasal kompozisyonu Tablo 14 de, mekanik özellikleri ise Tablo 33 de verilmiştir.
9.2 YAY ÇELİKLERİ
Yay imalatında kullanılan çeliklerdir. Bu çeliklerin DIN normunda kimyasal kompozisyonu Tablo 15 de, mekanik özellikleri ise Tablo 34 de verilmiştir.
Türkiyede en çok kullanılan yay çelikleri;
SAE 9245 (DIN 46 Si 7)
SAE 9255 (DIN 55 Si 7)
SAE 9265 (DIN 65 Si 7)
9.3 SIFIR DERECE ALTI ÇELİKLERİ
Sıfır derecenin altında toklukların kaybetmeden çalışması gereken yerlerde kullanılacak çeliklerin DIN normunda kimyasal kompozisyonu Tablo 16 da, mekanik özellikleri ise Tablo 35 de verilmiştir.
9.4 AÇIK HAVA KOŞULLARINA DAYANIKLI YAPI ÇELİKLERİ
Açıkta boyanmadan iklim koşullarına direnç gösterebilen yapı çeliklerine “weathering steels” denir. Çelik konstrüksiyon binalarda korozyona karşı boyanmadan direnç gösteren bu çelikler ASTM spesifikasyonlarında A 242, A588 olarak sınıflandırılırlar. Bu malzemeler piyasada Corten-A, Corten-B olarak bilinirler.
DIN normunda bu çeliklerin kimyasal ve fiziksel özellikleri Tablo 17 de verilmiştir.
9.5 YÜKSEK SICAKLIK YAPI ÇELİKLERİ
Yüksek sıcaklıklarda mukavemet özelliklerini kaybetmeden bulunması gereken
(fırın, ocak, kazan vs) yapı çeliklerinin DIN normunda kimyasal kompozisyonu Tablo 18 de,
mekanik özellikleri ise Tablo 36 de verilmiştir.
Türkiyede yüksek sıcaklığa dayanıklı yapı çelikleri ERDEMİR de 6335, 6341, 6347, 6352 kalite olarak üretilmektedir.
9.6 BASINÇLI KAP ÇELİKLERİ
Yüksek basınç altında çalışacak kazan ve kaplarda kullanılması gereken malzemelerin DIN normunda kimyasal kompozisyonu Tablo 19 da,
mekanik özellikleri ise Tablo 37 de verilmiştir.
9.7 VALF (sübap) ÇELİKLERİ
Burada bahsedilen valf, vana değildir. Türkiyedeki deyimi ile sübaplardır.
Bunlar motor ve kompresörlerlerde kullanılırlar. Sübablarda kullanılan çeliklerin temel özelliği korozyona karşı dirençli olmaları, darbelere dayanıklı olmaları, valf (sübab) ile valf yatağının sızdırmazlığını sağlayabilmek için çok yüksek yüzey hassasiyetinde işlenebilir olmaları ve uzun ömürlü olmalarıdır.
Bu çeliklerin DIN normunda kimyasal kompozisyonu Tablo 20 de,
mekanik özellikleri ise Tablo xx de verilmiştir.
9.8 MANYETİK ALANDAN ETKİLENMEYEN ÇELİKLER
Elektronik sanayisinde, yer küre bilimsel araştırmalarında, jeolojik incelemelerde, bilimsel araştırmalar yapan gemilerin döner ekipmanlarında (şaft vs.) , navigasyon hizmetlerinde kullanılan uydularda manyetik alanlardan etkilenmeyen çelik kullanılması gerekmektedir. Böylesi kullanım yerlerinde kullanılan çeliklerin DIN normunda
kimyasal kompozisyonu Tablo 39 da,
mekanik özellikleri ise Tablo 40 da verilmiştir.
9.9 OTOMOTİV SANAYİSİNDE KULLANILAN ÇELİKLER
Otomobil üretiminde temel faktör aracın güvenilir ve ekonomik olmasıdır. Otomobili ağırlıklı olarak şase ve kaportadan oluşur. Bu nedenle kullanılacak malzemenin hem gerilim mukavemetinin yüksek, hem de hafif olması gerekir. Bu özelliklerin yanında kaporta sacının kolay şekil verilebilir yani kalıplarda derinlemesine çekilebilir olması (deep drawing), korozyona karşı dayanıklı olması, yüzeyinin boya tutmasına elverecek kadar pürüzlü olması ve ömrünün uzun olması gibi birçok özellik aranır.
Otomobil üretiminde 6 mm den kalın yassı malzemelere plaka, 6 mm den ince yassı malzemelere ise sac denilir (sheet). Plakaların kolay kaynak edilebilir, sacların ise kalıplarda kolay şekillendirilebilir ve korzyona dayanıklı olması hedeflenmiştir. Bu hedefe yönelik olarak otomotiv endüstrisinde kullanılan sacların C% si genellikle 0.25% nin altında tutulur ve çekme muvemetini arttırmak için düşük alaşım kullanılır
Yukarıdaki nedenlerle Amerikadaki otomobil üreticileri çelik üreticileri ile iş birliği içinde otomotiv sanayisine yönelik sac üretimi için standartlar geliştirmişler ve bu standartları ASTM spesifikasyonlarında yayınlamışlardır.
Otomotive yönelik geliştirilen malzemeler genel olarak HSLA (High strength low alloy) olarak adlandırılır. Bunlardan 6 mm den ince saclar ASTM A1008 ve A1008M spesifikasyonları ile 6 mm den kalın plakalar ise ASTM A656 ve A656M spesifikasyonları ile tanımlanmış ve SAE standartlarında SAE 942X ile SAE 980X arasında derecelendirilerek yayınlanmışlardır.
Türkiyede otomotiv endüstrisine yönelik sac üretimi sadece ERDEMİR de gerçekleştirilmektedir. Bunlar; Erdemir Kalite numaraları ERD 7114, 7115, 7116 kalite yaşlanmaya dayanıklı ekstra derin çekilebilir özellikli malzemeler ile ERD311 312,323, 324 kalite düşük karbonlu galvanize edilmiş saclardır.
Malzeme konusunu kapatmadan önce dökümcülerin ana hammaddesi olan pik demirden bahsedelim.
Yüksek fırınlarda demir cevheri ile kok kömürünün kireç taşı gibi curuf yapıcı katkı malzemeleri ile birlikte ısıtılmasıyla sıcak maden üretilir. Normalde sıcak maden pota veya torpidolar vasıtası ile çelikhaneye gönderilerek çelik üretilir. Ancak zaman zaman çelikhanede, diğer ünitelerde ortaya çıkan arıza durumunda, veya ortaya çıkan arz talep dengeleri doğrultusunda Erdemir, Kardemir gibi entegre demir çelik kuruluşları pik demir dökümü de yapmaktadırlar.
Pik demir içeriğinde çok yüksek (3.5%-4.5%) karbon bulunmaktadır. Yüksek karbon oranı pik demirini çok kırılgan yaptığı için haddelenebilir, veya dövülerek şekil verilebilir olması mümkün olmaz. Bu nedenle pik demir sadece dökümhanelerde kalıplara dökülerek biçimlendirilebilirler.
Bu malzemelerin en önemli vasfı ucuz olmasının yanı sıra döküm neticesinde ortaya çıkan makina parçasının iç yapıları gözenekli olduğu için vibrasyon sönümleme kaabiliyetlerinin yüksek olmasıdır. Bu nedenle tezgahların ana gövdeleri çoğunlukla dökümdür.