T.C.

SAKARYA ÜNİVERSİTESİ

METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ

Çeliklerin Isıl İşlemi

ÖSTEMPERLEME

SAKARYA ‘09

ÖSTEMPERLEME

Östemperleme, demir esaslı malzemelere uygulanan izotermal bir ısıl işlem olarak

tanımlanır. İşlemin başlangıcı, geleneksel ısıl işlem metotlarıyla aynıdır.

Parçalar, atmosfer kontrollü fırınlarda yüksek sıcaklıklara ısıtılır daha sonra su verme-

ye geçilir. Farklılık, burada ortaya çıkar. Su verme, 232-399 oC arasındaki sıcaklıklarda,

ergimiş tuz banyosunda yapılır. Bu yöntemle elde edilen, östemperlenmiş çeliğin yapısı bey-

nitik olur. Bu yapı, geleneksel yöntemlerle yapılan ısıl işlem sonrası elde edilen martenzi-tik

yapıdan çok daha dayanıklı olmakla birlikte, martenzitik yapı kadar da serttir. Kazandığı

mekanik özelliklerin yanında çok yüksek bir aşınma dayancına sahip olarak, yüksek gerilme-

lere, ağır yük altında sürtünme aşınmasına ve darbeli çalışmaya elverişli hale gelir.

 

Östemperleme işleminin avantajları;

- Minimum değerde distorsiyon

- Daha sünek bir yapı

- Sürekli ve homojen sertlik

- Yüksek aşınma dayanımı

- Yüksek çarpılma ve yorulma dayanımı

- Hidrojen gevrekliğine karşı dayanımdır. (1)

Östemperleme Isıl İşlemi

Östemperleme ısıl işlemi Şekil 3.1

‘de görüldüğü gibi 3 aşamada

yapılmaktadır. Bu aşamalar;

1) Malzeme 850 - 950 °C aralığında

1- 2 saat süre ile östenitlenir.

2) Perlit oluşumunu engelleyecek

hızda soğutma

Şekil 1: Östemperleme ısıl işleminin şematik

gösterimi

3) Östemperleme için 250 - 450°C sıcaklık aralığında 1 - 4 saat izotermal bekleme

Östenitleme

Östenitleme genellikle 850 – 950 °C sıcaklık aralığında 1 - 2 saat süre ile

yapılmaktadır. Çeliklerin tersine, dökme demirlerde östenitleme sıcaklık ve süresi oldukça

önemlidir. Östenitleme sıcaklığını matris C içeriği belirler. Aynı zamanda homojen bir östenit

yapı için östenitleme süresinin de önemli olduğu bilinmektedir.

Östemperleme işlemi (İzotermal bekletme )

Östemperleme genellikle 250 - 450°C aralığında 1 - 4 saat süre ile yapılmaktadır.

Östemperleme sıcaklığı ösferrit morfolojisini etkilemektedir. 330 °C’nin altındaki

sıcaklıklarda alt ösferrit baskın morfolojidir. Bu yapının oluşumu östemperleme zamanı ve

dökme demir kimyasal kompozisyonundan bağımsızdır. Bununla birlikte, düşük

östemperleme sıcaklıklarında C difüzyon’ u ferritin C ile aşırı doymasına neden olur ve ferrite

e-karbür çökelir. Üst ösferrit ile 330 °C’nin üzerindeki östemperleme sıcaklıklarında baskın

morfolojidir. Yüksek östemperleme sıcaklıklarında serbest enerji değişimi küçük olmasına

rağmen C difüzyonu hızlıdır. Bu ferrit çıtalarının büyümesi sırasında C’ nun östenitle

paylaşılmasına izin verir.

Östemperleme Dönüşüm Aşamaları

Östemperleme esnasında östenitin dönüşümü bazı araştırmacılara göre iki aşamada

gerçekleşmektedir. Bu aşamalar ;

ÖSTEMPERLENMİŞ KÜRESEL GRAFİTLİ DÖKME DEMİRLER

Östemperleme esas olarak çelikler için boyutsal karalılığı ve sertliği arttırmak amacıyla

uygulanan bir ısıl işlemdir. Bugün östemperleme işlemi ile elde edilen mikroyapı ilk kez 1930

‘ lu yıllarda alaşım elementi ilavesi ile gri dökme demirde elde edilmiştir. Metalurjistler

KGDD’lerin geliştirilmesinden sonra 1950’li yıllarda bir taraftan aşılama ile, diğer taraftan da

ısıl işlem ile bu demirlerde beynitik yapı elde etmişlerdir.

Yaklaşık 20 yıl yüksek mukavemet ve yüksek tokluk gösteren ÖKGDD üzerine önemli bir

gelişme kaydedilmemiştir. 1970’ in ortasında Finlandiya’da Kymi Kymmene ve Amerika ‘da

General Motors tarafından ticari olarak ilk kez dişli yapımında kullanılan ÖKGDD’ in dövme

çeliklerin yerini alacak potansiyele sahip olduğu gözlenmiştir

Mükemmel mekanik özelliklerin yanında çok iyi işlenebilirlik, düşük üretim maliyeti, düşük

ağırlık, az gürültü ve nihai parçaya yakın dökümlerin yapılabilmesi gibi birçok özellikleri bir

arada bulundurması 1978’ den sonra bu malzemelere olan ilgiyi sürekli arttırmıştır . Bütün bu

özellikleri bir arada bulundurması ÖKGDD’ in eşsiz mikroyapısından kaynaklanmaktadır.

Östemperleme işleminin amacı da bu eşsiz mikroyapıyı elde etmektir. KGDD’lerin bilinen

mikroyapıları ferrit (yumuşak) ve perlittir (sert). Östemperleme ile elde edilen mikroyapı ise

ferrit ve yüksek karbonlu östenittir.

Östemperleme şartlarına göre iki farklı ösferrit yapısı oluşmaktadır. Düşük östemperleme

sıcaklıklarında ortaya çıkan alt ösferrit yüksek mukavemet ve sertlik gösterirken, yüksek

sıcaklıklarda oluşan üst ösferrit yüksek süneklik, yüksek aşınma ve yorulma direnci

sergilemektedir. Mekanik özelliklerdeki bu değişmeleri ısıl işlem şartları ve bileşime bağlı

olan ; ösferrit morfolojisi, kalıntı östenit miktarı, muhtelif karbürlerin ve martensit fazının

varlığı veya yokluğu etkilemektedir.

Östemperlenmiş çeliklerde KGDD’ler aynı beynitik yapıda değildir ve çelikler ÖKGDD’lerin

gösterdiği mükemmel özellikleri gösteremezler. Östemperleme sonunda ÖKGDD’ de ferrit ve

yüksek karbonlu östenit karışımı ösferrit yapı iken çeliklerde beynitik ferrit ve karbür karışımı

beynitik yapıdan oluşmaktadır.

Şekil 2: İki kademeli ısıl

işlem prosesinin şematik gösterimi

Dökme demir ile çelik arasında ki esas fark karbon içeriğidir. Çeliğin karbon içeriği genellikle

% 0,80’ in altında iken dökme demirler % 2 - 4 C içerirler. Çeliğin karbon içeriği ana fazlar

içinde çözünmüş halde bulunmaktadır. Karbon ister grafit küresi, isterse demir matrisinde

bulunsun soğuma esnasında karbür oluşturması engellenmelidir. Dökme demirlerde bulunan

yüksek silisyum içeriği karbür oluşumunu bastırarak yüksek karbonlu östenitin - 120 °C ‘ye

kadar kararlı kalmasına sebep olur. (2)

Küresel grafitli dökme demirlerin östemperlemesine ilişkin bir örnek olarak Gazi

Üniversitesi’nden Ferhat Gül ve Melik Çetin’in çalışmaları gösterilebilir. Çetin ve Gül,

çalışmalarında ‘Östemperlenmiş Küresel Grafitli Dökme Demirin Abrasiv Aşınma

Davranışına Östemperleme İşleminde Soğutmanın Etkisi’ni incelemişlerdir. Kısaca

açıklanacak olursa çalışmanın temel konusu şu şekildedir.

Geleneksel tek kademeli östemperleme işleminde, küresel grafitli dökme demir (KGDD)

numuneler 900oC’de 1 saat östenitlenmiş, müteakiben tuz banyosunda 400oC’de 2 saat

östemperlenmiştir. İkikademeli östemperleme prosesinde ise KGDD numuneler 900oC de 1

saat östenitlendikten sonra derhal 400oC’lik tuz banyosuna aktarılmış, 10 dakika bu sıcaklıkta

bekletildikten sonra banyonun sıcaklığı 1.88oC/dak hızla 250oC’a soğutulmuştur. Geleneksel

tek kademeli östemperleme prosesi ile üretilen üst ösferritik ve ikikademeli prosesle üretilen

üst ve alt ösferritik Östemperlenmiş Küresel Grafitli Dökme Demir (ÖKGDD) numunelerin

abrasiv aşınma deneyleri, disk üzerinde pim cihazında 10, 20 ve 30 N normal yük altında, 180

mesh (80 μm) boyuta sahip Al2O3 zımpara üzerinde gerçekleştirilmiştir.

İki kademeli östemperleme prosesiyle üretilen küresel grafitli dökme demirin sertliği, tek

kademeli prosesle üretilen dökme demirinkinden daha yüksek olmasına rağmen, her iki

dökme demirin benzer abrasiv aşınma davranışı sergilediği görülmüştür. Ayrıca iki kademeli

östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirde abrasiv aşınma direnci uygulanan yükün

artmasıyla artmıştır.

Şekil’den de görüldüğü gibi genel olarak

östemperleme ısıl işlemi sonucu oluşan

mikroyapı küresel karbonlu matris

içerisinde iğnemsi ferrit plakaları ve

kalıntı östenit içermektedir. Yüksek

östemperleme sıcaklığında (400 C) östenit

daha az alt soğumaya uğrar bunun sonucu,

ferrit iğnelerinin çekirdeklenme-si düşer,

ferrit hacim oranı azalır ve matris

içerisinde kalıntı östenit hacim oranı artar.

Şekil3: Çalışmada uygulanan

ısıtma rejimi

Yüksek sıcaklıklarda östemperleme prosesi sonucu kalıntı östenit hacim oranı

maksimum ~% 40’a kadar çıkabilmektedir . Üst östemperleme sıcaklığında karbonun

difüzyon hızı çok yüksektir ve buna bağlı olarak da ferrit iğnelerinin büyüme hızı oldukça

yüksektir. 400-250 C aralığına 1.88 C/dak hızda soğutulan döküm durumu ferritik ve perlitik

numunelerin mikroyapısı iğnemsi ferrit morfolojisine sahipken, 400 C’de östemperlenen

numunelerde iğnemsi ferrit kabala makta ve kenar kalınlığı artmaktadır. Ayrıca hücrelerarası

bölgede reaksiyona girmeyen bölgeler görülür ve ötektik hücrelerde blok halinde östenit

kolonileri hâlihazırda mikroyapıda mevcuttur.

Şekil4 : 400 C’de östemperlenmiş (a) ferritik (b) perlitik KGDD, iki kademeli(250-400)C (3)

Östemperleme ve Mekanik Özelliklere Etkisi

Lamel grafitli dökme demirlerde titreşimleri sönüm kabiliyeti mukavemet değerlerinin

artması ile yükselir,bu çok özel bir malzeme olduğunun göstergesi olmaktadır. Döküm

durumunda veya ısıl işlem sonu beynitik dokuya sahip olma alternatifleri ekonomik bir

seçenek olarak görülebilir.Ostemperleme ısıl işlemi fiyatı doğal olarak ısıl işlem tesisi

otomasyon durumuna,işçilik ücretlerine ve söz konusu parçaların adet ve ağırlıklarına bağlı

olacaktır.ABD şartlarında ostemperleme fiyatı çok sayıda parça adedi söz konusu olduğunda

0.24-0.37 USD/kg olarak verilmektedir(4). Ana dokunun aşınmaya karşı dayanıklılığı

gömleklerin tüm olarak sertleştirilmeleri veya sadece honlama yüzeylerinin induktiv

sertleştirilmesi ile sağlanabilir.Bu uygulamalara genellikle ABD lerinde başvurulmaktadır.Söz

konusu gömlekler genellikle kuma döküm yöntemi ile üretilenlerdir. Isıl işlemin getirdiği

maliyet,işlenebilme zorluğu ve gömleklerin ısıl işlem esnasında deformasyonu özellikle tüm

sertleştirme işleminin elverişsizliğini teşkil etmektedir.(5)

Şekil5: Silindir gömleklerine uygulanan 4 farklı östemperleme ısıl işlemi ve mekanik

özelliklerdeki değişim (5)

Kaynakça:

1. www.istasas.com.tr/subIndex.php?apid=25&saID=HİZMETLER&pid=Hizmetler

2. Cumalı Faydalı, Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Döküm Öğretmenliği

2005; http://cumalifaydali.blogspot.com

3. Melik ÇETİN, Ferhat GÜL ; Östemperlenmiş Küresel Grafitli Dökme Demirin

Abrasiv Aşınma Davranışına Östemperleme İşleminde Soğutmanın Etkisi

4. Janowak,J.F.,R.B.Grundlach,G.B.Eldis ve K.Röhrig, Foundry Congress

Varna/Bulgaristan Climax Molybdenum M-572

5. Dr.Savaş İzgiz, Metalurji Mühendisi, Silindir Gömleği Malzemeleri

(web: http://www.metalurji.org.tr/dergi/dergi144/d144_4152.pdf)