Karbon yapı çeliğini temperlemenin amacı nedir?
Karbon yapısal çeliğin temperlenmesi, söndürülmüş çeliğin Ac1'in altındaki bir sıcaklığa (tipik olarak 150-650 derece, söndürülmüş martensitin kritik ayrışma bölgesinden kaçınılarak) yeniden ısıtılmasını, belirli bir süre tutulmasını ve ardından yavaşça soğutulmasını içerir. Temel işlevi, su verme sonrası performans kusurlarını düzeltmek ve çeliğin mekanik özelliklerini gereksinimlere göre "özelleştirmek" ve sonuçta güç, sertlik, tokluk ve süneklik arasında bir denge sağlamaktır. Bu, aşağıdaki beş temel işleve ayrılabilir:
1. Parçalarda çatlamayı veya deformasyonu önlemek için iç gerilimlerin söndürülmesi
Söndürme sırasındaki hızlı soğutma işlemi, çelikte ciddi iç gerilimlere neden olabilir. Bu öncelikle iki kaynaktan kaynaklanmaktadır:
Tektonik stres: Östenit hızla martensite dönüştüğünde hacmi genişler (martensit hacim olarak östenitten daha büyüktür). Bununla birlikte, parçanın farklı parçalarının (kalın- duvarlı parçaların yüzeyi ve göbeği veya karmaşık- şekilli parçaların kenarları ve oyukları gibi) eşit olmayan soğuma hızları, eş zamanlı olmayan mikro yapısal dönüşümlere neden olur ve iç gerilimler oluşturur.
Termal stres: Hızlı soğutma sırasında, parçanın yüzeyi ile çekirdeği arasındaki sıcaklık farkı önemli olup, yüzeyin çekirdekten daha hızlı büzülmesine neden olarak çekme ve basma gerilmelerine neden olur.
Bu iç gerilimler ortadan kaldırılmazsa, en iyi ihtimalle, depolama veya işleme sırasında parçanın deformasyonuna neden olabilir (millerin bükülmesi veya plakaların bükülmesi gibi) veya en kötü ihtimalle doğrudan çatlamaya neden olabilir (özellikle yüksek-karbonlu yapısal çeliklerde veya büyük-enine-kesitli parçalarda). Temperleme sırasında atomlar ısıtma sırasında enerji kazanır, bu da difüzyon ve dislokasyon hareketi yoluyla kafes distorsiyonunu hafifletebilir ve kademeli olarak iç gerilimi serbest bırakabilir.
Örneğin, su verme işleminden sonra 45 çeliğin iç gerilimi yüzlerce MPa'ya ulaşabilir. 200 derecede düşük-sıcaklıkta temperleme sonrasında bu gerilim %50-%60 oranında hafifletilebilir. 500 derecede yüksek sıcaklıkta temperlemeden sonra gerilim giderme oranı %80'in üzerine çıkabilir ve temel olarak bileşen arızasını önler.
2. Kırılganlığı Azaltın ve Çeliğin Dayanıklılığını ve Plastisitesini Artırın
Söndürülmüş karbon yapısal çeliği son derece yüksek sertliğe ve dayanıklılığa sahip olmasına rağmen, martensit yapısı "aşırı doymuş katı bir çözeltidir" ve bu da ciddi kafes distorsiyonuna ve son derece yüksek dislokasyon yoğunluğuna neden olur. Bu, son derece zayıf tokluk ve düşük plastisite ile sonuçlanır. (Örneğin, su verilmiş 45 çeliğin emdiği darbe enerjisi yalnızca 5-10J'dir, bu da onu büküldüğünde gevrek kırılmaya yatkın hale getirir ve darbe yüklerine dayanamaz hale getirir.) Bu, onu bitmiş parçalar olarak doğrudan kullanıma neredeyse uygunsuz hale getirir. Temperlemenin temel işlevlerinden biri kırılganlığı azaltmaktır. Isıtma sırasında, martensitten aşırı doymuş karbon çökelir (sementit gibi karbürler oluşturarak), martensit kafes distorsiyonunu kademeli olarak hafifletir ve dislokasyon hareketine karşı direnci azaltarak tokluğu ve sünekliği önemli ölçüde artırır.
Örneğin, 45 çeliği su verme sonrasında (temperlenmemiş) yaklaşık 8J'lik bir darbe enerjisi emilimine sahiptir. Bu enerji, 200 derecede düşük-sıcaklıkta temperleme sonrasında 15-20J'ye yükselir (hala biraz kırılgandır, ancak düşük-darbeli uygulamalar için yeterlidir). 550 derecede yüksek sıcaklıkta temperlemeden sonra darbe enerjisi emilimi 50J'nin üzerine çıkar (tokluğu önemli ölçüde artırır ve orta dereceli darbelere dayanmasını sağlar).
Yüksek-karbonlu yapısal çelikler için (65 çelik gibi), temperleme sonrasındaki plastiklik artışı daha da belirgindir; su verme sonrasında uzama %1-%2'den %10-%15'e çıkar ve bu da parçaların dış kuvvetlere maruz kaldığında kolayca kırılmasını önler.
3. Farklı Uygulama Gereksinimlerini Karşılamak İçin Sertlik ve Dayanımın Ayarlanması
Su verme işleminden sonra çelik, en yüksek sertliğe ve mukavemete ulaşır (örneğin, 45 çeliği, su verme sonrasında HRC55-60 sertliğine ve 1000 MPa'nın üzerinde bir çekme mukavemetine ulaşır). Ancak tüm uygulamalar aşırı sertlik gerektirmez. Farklı parçalara yönelik performans gereksinimleri büyük ölçüde değişiklik gösterir (örneğin, aletler yüksek sertlik gerektirir, şaftlar güç ve dayanıklılık arasında bir denge gerektirir ve konektörler plastiklik gerektirir). Temperleme, ısıtma sıcaklığını kontrol ederek sertlik ve mukavemetin hassas şekilde ayarlanmasına olanak tanır:
Düşük-sıcaklıkta temperleme (150-250 derece): Yalnızca az miktarda ince karbür çökelerek martensit yapısını korur ve sertlik ve mukavemet kaybını en aza indirir (45 çeliği, temperlemeden sonra HRC50-55 sertliğine ve 900 MPa'nın üzerinde çekme mukavemetine ulaşır). Bu öncelikle hem yüksek sertlik hem de belirli bir derecede tokluk gerektiren uygulamalarda (örn. kesici takımlar ve aşınmaya dayanıklı burçlar) kullanılır.
Orta-sıcaklıkta temperleme (350-500 derece): Martensit önemli ölçüde temperlenmiş troostite (ince taneli sementit + ferrit) ayrışarak sertliği %100'e düşürür. HRC 35-45'te mukavemet 700-800 MPa'da kalırken elastikiyet önemli ölçüde artar (elastik sınır 300-400 MPa'ya ulaşır). Yaylar ve elastik bileşenler (otomotiv amortisör yayları ve takım tezgahı aynaları gibi) için uygundur.
Yüksek-sıcaklıkta temperleme (500-650 derece): Martensit tamamen "temperlenmiş troostite" (kaba-tanecikli sementit + ferrit) ayrışarak sertliği HRC 25-35'e düşürür. Mukavemet 600-800 MPa'da korunur ve tokluk ve süneklik önemli ölçüde iyileştirilir. Güç ve sağlamlık arasında denge gerektiren temel parçalar (şaftlar, bağlantı çubukları ve dişliler gibi) için uygundur. 4. Uzun vadeli parça hassasiyeti ve güvenilirliği sağlamak için mikro yapıyı ve boyutları stabilize edin.
Söndürülmüş martensit,-dengesiz bir yapıdır ve hâlâ oda sıcaklığında kendiliğinden ayrışma eğilimine sahiptir (karbon yavaşça çöker ve yapıyı yavaş yavaş dengeye doğru kaydırır). Bu "yaşlanma etkisi", uzun-süreli kullanım veya depolama sırasında aşağıdaki durumlara yol açabilir:
Mikroyapısal istikrarsızlık: Martensit yavaş yavaş perlit veya sementite ayrışır, bu da özelliklerin (sertlik ve elastikiyet gibi) kademeli olarak azalmasına neden olur;
Boyutsal kararsızlık: Mikroyapısal dönüşüme hacim değişiklikleri eşlik eder, bu da parça boyutlarında küçük ama kalıcı sapmalara yol açar (örneğin, hassas rulmanlarda ve ölçüm araçlarında boyutsal doğruluk kaybı).
Temperleme, "aktif ısıtma" yoluyla martensit ayrışmasını ve karbür çökelmesini hızlandırır ve yapının nispeten kararlı bir duruma daha erken ulaşmasını sağlar (örneğin, yüksek sıcaklıkta temperlemeden sonra oluşan temperlenmiş beynit, oda sıcaklığında neredeyse hiçbir mikroyapısal dönüşüme uğramaz). Bunun sonuçları:
Mikro yapının kilitlenmesi: sonraki kullanım sırasında performans dalgalanmalarının önlenmesi;
Boyutların sabitlenmesi: "eskime deformasyonu" riskinin ortadan kaldırılması, hassas parçaların (makine aleti milleri ve hassas cıvatalar gibi) uzun-vadeli boyutsal doğruluğunun sağlanması. 5. Sonraki İşlemeyi Kolaylaştırır (İşlenebilirliği Artırır)
Su verilmiş çeliğin sertliği son derece yüksektir (örneğin, 45 çeliği su verme sonrasında HRC 55-60'a ulaşır). Doğrudan kesme işlemleri (tornalama ve frezeleme gibi) iki ana sorunla karşı karşıyadır:
Hızlı Takım Aşınması: Yüksek-sertlikteki çelik, yüksek-hız çeliğini veya karbür kesme takımlarını hızla aşındırır, bu da yüksek işleme maliyetlerine yol açar;
Düşük İşleme Hassasiyeti: Aşırı sertlik, parça kesme sırasında kolayca ufalanmaya ve çatlama izlerine neden olabilir, bu da yüzey pürüzlülüğünün korunmasını zorlaştırır (örneğin, 3,2μm'nin altında bir Ra değerine ulaşmak).
Su verilmiş çeliğin orta-yüksek sıcaklıkta temperlenmesi, sertliği HRC 25-40'a ("kolay-kesilmesi" aralığında) düşürebilir.
Bu noktada çeliğin mikro yapısı temperlenmiş troostit veya temperlenmiş troostit olup orta sertlikte sonuçlanır. Takım kuvvetleri kesme sırasında eşit olarak dağıtılır ve bu da aşınmanın yavaşlamasına neden olur.
Artan plastisite, talaş kırılmasını kolaylaştırır (takımın sarılmasını önler), yüzey bitirme kalitesini önemli ölçüde artırır (Ra değerleri 1,6μm'nin altına düşürülebilir), daha sonraki hassas işlemenin (örn. son işleme dişlileri ve şaftlar) önünü açar.