Alaşım Elementlerinin Çeliğe Etkisi

Alaşım elementlerinin çeliğe etkisi, farklı ürün grupları oluşturur. Çelik, demir (Fe) ve karbon (C) maddelerinin bileşimidir. Malzemelerin işlenme kolaylığı, korozyon direnci, tokluk ve mukavemeti alaşımla bağlantılıdır. Sınıflandırmada kimyasal içerik önemli yer tutar. Alaşımsız, düşük alaşımlı ve yüksek alaşımlı çelikler bulunur.

Beyaz eşya, inşaat malzemeleri, fabrika cihazları, askerî ekipmanlar, ev eşyaları ve aksesuarlar çeliğin yaygın kullanım alanlarıdır. Farklı amaçlara uygunluk, çeliğe katılan elementlerle sağlanabilir. Yumuşak – sert, hafif – ağır, ince – kalın, düşük maliyetli – yüksek kaliteli ayrımında içerik belirleyicidir.

Çelikte Alaşım Elementlerinin Etkisi

Alaşım elementlerinin çeliğe etkisi tokluk, sertlik, dayanıklılık, esneklik gibi farklı parametrelerle ölçülebilir. Eklenen maddeler, alaşımın kimyasal özelliklerini değiştirir. Eriyik maddenin alaşımlarla zenginleştirilmesi, titiz hesaplama gerektirir.

Element yüzdeleri, bağlı olunan kalite ölçütüne uymalıdır. İstenen çelik yapısına ulaşabilmek, doğru karışımlarla mümkündür. Alaşım elementlerinin çeliğe etkisi belirlenebilir. Maddeler birbirine değişik reaksiyon verir.

Çelik üretim standartları, kullanım yeri ve yapısal özellik bakımından değişik gruplar sunar. Kaynak kabiliyeti, işlenme kolaylığı, tane sertleşmesi element oranlarına paraleldir. Sık kullanılan maddeler ve nitelikleri şöyledir:

1. Karbon

C simgesiyle gösterilen karbon, demirle bütünleşerek çeliği oluşturur. Farklı malzemelerin ortak içeriğidir. Demire oranı, yapısal özelliklerin oluşmasında etkilidir. Sertlik, karbon miktarındaki değişimlerle kontrol edilebilir. Karbon seviyesine göre yapılan sınıflandırmada üç grup vardır.

Maksimum % 0.20 karbon içeren malzemeler düşük karbonludur. Az karbonla çelik yumuşaklık ve hafiflik kazanır. Kaynaklanma, delinme, eğilme, kesilme kolaydır. Kaynak faaliyetlerine en uygun karbon düzeyi, % 0.20 ve altıdır. Dezavantaj, baskı ve sürtünme direncinin düşüklüğüdür.

Orta karbonlu çelik, kaynaklanması zahmetli olan sert bir çeliktir. Demiri tamamlayan karbon miktarı % 0.20 – 0.60 arasındadır. Yüksek karbonlu çelikler % 0.60 – 1.5 aralığında karbona sahiptir. Özel kullanımlar için üst sınır % 2’ye çıkabilir.

En sert ve dayanıklı malzemeler yüksek karbonludur. Sert yüzeylerin şekil alması ve kaynaklanması zorlayıcıdır. Uzun ömürlü parça üretiminde yüksek karbon seviyeleri idealdir. Kalite için karbon dengeli kullanılmalıdır. Fazlası, su vermeden sonra oluşan östeniti artırır ve bozulma meydana getirebilir. 

2. Mangan

Mangan (Mn), farklı ürünlerin temel maddelerindendir. Oksijen tutma işleviyle çelik kalitesini artırır. Karbon alaşımlı çeliklerdeki oranı en az % 0.8, en çok % 1’dir. Mangan seviyesi % 1’i geçen malzemeler mangan alaşımlıdır.

Çoğunlukla destekleyici madde işlevi görür. Katı çözelti sertleştirmede kullanılır. Manganlı çelikler baskı, darbe, sürtünme direnci sunar. Sıcak şekillendirmenin yol açabileceği bozulmaları önler. Alaşım elementlerinin çeliğe etkisi, farklı maddelerle olan ilişkiye bağlıdır.

Mangan, kükürtün alaşıma tutunmasını sağlar ve direnci yükseltir. Sertlik ve kaynaklanabilme arasındaki orantısızlığı giderir. Mukavemetli ve zahmetsiz kaynaklanabilen çeliklerin üretiminde yaygın maddedir.

3. Krom

Krom (Cr), bol miktarda kullanılan sertleştirici maddedir. Paslanmaz çeliklerin kaplanmasında, korozyon direncinin yükseltilmesinde ve karbür oluşturmada yaygın seçenektir. Temperleme yapılırken sertliğin azalması istenmeyen bir durumdur.

Krom, üretim sapmalarını azaltarak fiziksel özellikleri koruyabilir. Sıcak oksidasyon direncinin artışıyla tufalleşme azalır. Paslanmaz çelik miller, sağlamlıkla cazip görünümü bir araya getirir.

Kaliteli malzemelerin üretiminde, oksidasyon engelleme özelliği rol oynar. Kaplamalar, havadaki oksijene temas edip krom oksit filmi oluşturur. Koruyucu film, pasın iç yüzeye ulaşmasını önler. Mukavemetli çeliklerde seviyesi % 30’a ulaşabilir.

4. Silisyum

Silisyum, Si kısaltmasıyla gösterilir ve her çelikte bulunur. Doğal olarak % 0.4’ten azdır, eklemelerle bu seviyeyi aşabilir. Özgül ağırlık artırma, mukavemet yükseltme, manyetik alan oluşturma etkileri vardır. Çeliğin işlenebilir sertlikte kalması, silisyumla bağlantılıdır.

Fazla kullanım, çeliği gevreklik düzeyinde sertleştirir. Hammaddelerin silisyum miktarını saptamak ve ihtiyaca uygun ekleme yapmak önemlidir. Yüksek mukavemetli çeliklerde silisyum; karbon, krom, mangan elementlerini destekler. Sac ve yay çelik üretiminde sık kullanılır.

5. Fosfor

Fosfor (P), farklı maddelerde doğal olarak bulunur. Alaşıma ilave edilmeyip, seviyesini ideal düzeyde tutmak amaçlanır. Yüksek fosforlu çeliklerin kalitesi düşer. İstenmeyen yoğunluktaki fosfor, ısıl işlemle yakılır.

Talaş kaldırma kabiliyetini yükselttiğinden, belli oranda bulunması gerekir. Sağladığı esneklik, işleme ünitelerinin yıpranmasını engelleyebilir. İdeal oran en fazla % 0.3’tür. Yüksek seviyeye ulaşması istenmeyen bir durumdur.

6. Nikel

Nikel, Ni sembolüyle gösterilen sertleştirici bir maddedir. Karbürlenme oluşturmayarak sertliği ideal düzeye çıkarabilir. Saflığı bozabilecek tufalleşmeyi en aza indirger. Verimlilik için kromla birlikte kullanılır.

Nikelli malzemeler, düşük sıcaklıkta yapılan çentikleme prosesini kolaylaştırır. Darbelenen malzemede iç ve dış çatlak oluşumunu engelleyebilir. Alaşım elementlerinin çeliğe etkisi bakımından nikel, işleme kolaylığı ve direnç sunar.

7. Kükürt

Kükürt (S), sağlam çeliklerde az bulunabilen bir maddedir. Yapısal etkileriyle fosfor ve kurşuna benzer. Fazla olması durumunda çeliğin saflığını bozar. Elementler, değişik seviyede kükürt içerebilir.

Kimyasal analizle seviyenin saptanması ve yoğun kükürtün azaltılması gerekir. Yüzeysel proseslerin hatasız gerçekleşmesini kolaylaştırır. % 0.3 Seviyesini aşmamak koşuluyla çelikte bulunabilir.

8. Molibden

Yüksek karbür oluşturan molibdenin sembolü Mb şeklindedir. Sürtünme, darbelenme, sıcaklık direncini artırır. Makine parçalarının ve inşaat çeliklerinin üretiminde alaşıma eklenir. Büyük boyuta sahip malzemelerin dayanıklılığını artırır. Az alaşımlı, yüksek alaşımlı ve paslanmaz çeliklerde sık kullanılır. Tungstenin kullanıldığı yerlere uygundur. Düşük maliyetiyle avantaj sunar.

9. Volfram

Volfram, tungsten adıyla da bilinir. W sembolüyle gösterilir. Pahalı ve işlevsel bir katkı maddesidir. T serisi hız çeliklerinin üretiminde kullanılır. Malzemenin yüksek sıcaklıkta işlenmesini kolaylaştırır. Sürtünme sıcaklığının istenmeyen etkilerini azaltabilir. Takım çelikleri, diğer malzemelerden farklı olarak tungsten içerir.

10. Vanadyum

En iyi karbür yapıcılar arasındaki vanadyum, endüstriyel çeliklerde kullanılır. Karbürlenme, katı çözelti sertleştirme sınırı geçilirse gözlemlenir. Orantılı kullanım, sürtünme ve sıcaklık dayanımı gereken çelikleri iyileştirir. Parça üretiminde kullanılacak malzemelere mukavemet katar. AISI standartlı malzemelerin vanadyum seviyesi % 4.75 – 5’tir.

11. Bakır

Demir yapısında bulunabilen bakır (Cu), ısıl işlemi zorlaştırır. Seviyesini kontrol altında tutmak önemlidir. Yaygın düzey % 0.5’tir. Sünekliği düşürürken korozyon direncini artırabilir. Bakır, alaşım elementlerinin çeliğe etkisi yönüyle sertleştirici bir maddedir. Paslanmaz ürünlerde sık kullanılır.

12. Bor

Bor (B), çeliklerde doğal haliyle az bulunur. Alaşımsız ve düşük alaşımlı çeliklerde rastlanmayan element, yüksek alaşımlı ürünlere katılır. Sertleştirme etkisi, deformasyon ve korozyonu azaltabilir. Düşük karbonlu çeliklere mukavemet kazandırır.

13. Titanyum

Vanadyumla benzer özellikler taşıyan madde, Ti sembolüyle kodlanır. En iyi tane küçültücülerden biridir. Mikro alaşımlı çeliklerde kullanımı yaygındır. Paslanmaz çeliklerdeki fonksiyonu, karbür oluşturmaktır. Fazla karbürlenmenin istenmeyen etkilerini önler. Titanyum, fosfor, kükürt gibi alaşım elementlerinin çeliğe etkisi az seviyededir.

14. Kurşun

Simgesi Pb olan kurşun, alaşımlarda çözünmez. Destekleyici fonksiyonuyla sağlamlık sunabilir. Talaş kaldırmaya uygun çeliklerdeki seviyesi maksimum % 0.50’dir. Parça büyüklüğünün alaşıma uygunluğu ve homojen dağılmış olması önemlidir. Kolay işlenen malzemelere mukavemet kazandırır.

15. Alüminyum

Alüminyum (Al), oksijen azaltmada kullanılır. Yoğun oksijen, çelikleri oksitleyerek bozabilir. Tokluk ve mukavemetin korunması için ideal seviyede tutulmalıdır. Tane küçültücü alüminyum, çeliğin yapısal özelliklerini korur. En fazla % 0.075 oranında kullanımı uygundur.

Alaşım Elementlerinin Çeliğe Etkisinin Olduğu Alanlar

Alaşım elementlerinin çeliğe etkisi, farklı ölçütlerle gözlemlenebilir. Tane büyümesi, ferritin sertliği, martenzit oluşma sıcaklığı, ötektoid noktası alaşımların etkileyebildiği unsurlardır. Kaynak proseslerine uygunluk ve sertleşme kabiliyeti, alaşımların belirlediği standartlardır. İçerikle yapısal özellikler arasındaki ilişkiyi açıklayabilecek durumlar şöyledir: 

1. Tane Büyümesine Etkisi

Tane büyümesi, yeniden kristalleşme sıcaklığına ulaşmış malzemenin tavlanmasıyla görülen değişimdir. Tavlamanın oluşturduğu yeni taneler hızla büyür. Reaksiyonun seviyesi, alaşım içeriğine paraleldir.

Vanadyum, molibden, titanyum, alüminyum tane küçültücü elementlerdir. Niyobyum, mikro alaşımlarda kullanılan en verimli tane küçültme katkısıdır. Vanadyum ile kullanılmasıyla işlevi artabilir. 

2. Ferritin Sertliğine Etkisi

Krom seviyesi % 16 ila % 20 arasında değişen çelikler ferritiktir. Mukavemet, süneklik, tokluk, direnç krom seviyesine bağlıdır. Elementin sertleştirme özelliği, mukavemetli ürünler sunar. Kaynak zahmetli olabilir; işlem sonrasında yüzey takip edilmelidir.

Ferritik çelik paslanmazdır ve oda sıcaklığında kübik kristal yapıya sahiptir. Alaşım elementlerinin çeliğe etkisi krom özelinde yoğunlaşır. Yüksek krom, ferritik olma özelliği sağlar. Manyetik yapı, iletken parça üretimini kolaylaştırır.

3. Martenzitin Oluştuğu Sıcaklığa Etkisi

Martenzit, yüksek karbonlu eriyik çeliğin sıcaklık değişimine verdiği tepkidir. Karbon atomlarının kristalleşmesiyle yeni bir yapı oluşur. % 2’ye ulaşan karbon, martenzit tepkime sıcaklığını etkileyebilir. Alaşım miktarıyla işlemin sonuçlanma süresi bağlantılıdır. Paslanmaz çelik alaşımlarındaki krom da reaksiyonu etkileyebilir.

4. Ötektoid Noktasına Etkisi

Ötektoid, Yunanca “eriyen” anlamındaki eutectic kelimesinden türemiştir. Alaşım elementlerinin çeliğe etkisi kristalleşme, erime ve şekillendirmede görülebilir. Elementlerin kimyasal özellikleri, ısıl işlem standartlarını belirler. Ötektoid nokta, farklı sıcaklıkta eriyen birçok maddenin yaklaşık erime düzeyidir. Fazla element, tam bir çözünmenin vakit almasına yol açabilir.  

5. Kaynak Kabiliyetine Etkisi

Kaynak, termik şok etkisiyle fiziksel ve kimyasal değişim yaratır. Gazaltı, argon, ark usullerinin verimliliği çelikler arasında değişebilir. Kaynak çelikleri orta veya düşük sertliktedir. Rahat işlenebilen malzemelerin karbon seviyesi azdır. Sertlikle kaynak uygunluğunun ters orantılı olduğu söylenebilir. Karbon, krom, molibden, nikel sertlikte belirleyici unsurlardır.

6. Sertleşme Kabiliyetine Etkisi

Sertleşme kabiliyeti, çelik yapısında gözlemlenebilen en yüksek güçlenme oranıdır. Isıl işlemler, kimyasal ekleme, su verme, yüzey kaplama metotları uygulanabilir. Alaşım elementlerinin çeliğe etkisi, fiziksel standartlar oluşturur. Krom, karbon, nikel, molibden, bakır durumu uygulanabilecek sertleştirme proseslerini belirler.