Çelikte Alaşım Elementleri

Alaşımlarda, belirli özellikleri elde etmek (kuvvetlendirmek) veya gidermek (zayıflatmak) amacıyla, önceden saptanmış miktarlarda bulunması zorunlu olan bileşenlere alaşım elementleri, geri kalan ve istenmeyenlere de katışkılar denir. Burada "alaşım" ile “alaşımlı çelik" arasındaki anlam farkının vurgulanması yerinde olacaktır. Bir alaşımlı çelikte, katışkılarla birlikte demir ve karbon ana (alaşım) elementleri de hesaba katılmaksızın, bileşenlerden en az birinin yüzde ağırlık olarak aşağıdaki tabloda verilen sınıra ulaşması veya bunu aşması gerekir. Bu koşulu sağlayan bileşenler çeliğin alaşım elementleri diye nitelenirler.
 

Başka hiçbir malzemenin özellikleri alaşım elementlerinin etkisiyle çelikteki kadar geniş çapta değiştirilemez. Öte yandan sık sık karşılaşıldığı gibi, çok sayıda alasım elementinin birlikte bulunması halinde bunların etkileri toplanabilir olmadığından, beklenen özellik değişimleri ancak genel çerçeve-de ele alınabilir ve bu konuda kesin bir öngörü yapılamaz. 

Alaşımlı çelikler, düşük veya az alaşımlı (alaşım elementlerinin toplamı <%5) ile yüksek alaşımlı (>%5) olarak iki gruba ayrılır. Temelde alaşımsız çeliklere benzer davranışa sahip olan az alaşımlı çelilrin teknik açıdan en önemli özelliği, sertleşme kabiliyetlerinin çok daha iyi olmasıdır. Ayrıca bu ölçüde bir alaşımlamayla aşağıdaki malzeme özellikleri de oldukça iyileştirilebilir: 

Çeliğe örneğin molibden katılamasıyla yüksek sıcaklıkta dayanım değerleri daha üst düzeye ulaşır.

Alaşım elementleri karbürlerinin ısıl ve kimyasal kararlılığı nedeniyle temper kararlılığı artar; yani su vermeden sonra temperleme etkisiyle sertlik düşüşü yukarı sıcaklıklara ötelenir. 

Alaşımsız ve az alaşımlı çeliklerde istenilen özelliklerin bulunmaması veya yetersiz olması halinde yüksek alaşımlı çelikler kullanılır. Bu tür alaşımlama normal sıcaklıklardaki mekanik dayanımın artırılması yerine, öncelikle tufallanma veya korozyona dayanıklılık, kızıl sıcaklıkta kesicilik, anti manyetiklik gibi bazı seçilmiş özelliklerin elde edilmesini amaçlar.
 

Elementlerin çeliğin içyapısında tek elementli faz, katı çözelti veya ara bileşik durumunda bulunması malzeme özelliklerini çok farklı şekilde etkiler. Teknikteki demir esaslı alaşımlarda tek elementli fazlar sadece kurşun ve bakırdan kaynaklanabilir. Bu fazların yaratabileceği olumlu etkiler sınırlı olduğundan, her iki metal de alaşım elementleri arasında önemli bir yer işgal etmezler. Buna karşın aşağıda belirtilen elementler, katı çözelti veya ara bileşik meydana getirerek geniş ölçüde özellik değişimlerine yol açabildikleri için, çeliklerin alaşımlandırılmasında büyük ağırlık taşırlar. Alaşım elementlerinin demirle katı çözelti oluşturması, atom çaplarının oranı ile kristal yapılarına bağlıdır. Bunlardan 

Cr-A1-Ti-Ta-Si-Mo-V-W 

öncelikle a-demirinde çözündüklerinden ferrit yapıcılar, 

Ni-C-Co-Mn-N 

ise benzer nedenle ostenit yapıcılar olarak adlandırılır. Ara bileşikler en az iki alaşım elementinin atomları arasında çok büyük çekme kuvvetlerinin bulunması sonucu ortaya çıkarlar. Bileşenlerinden farklı ve karmaşık bir kristal yapıya sahip olup, genellikle çok sert ve gevrektirler. Çeliklerde teknik açıdan en önemli ara bileşikler karbür ve nitrürler ile hem karbon hem de azot içeren karbo nitrürlerdir. 

Belli başlı karbür yapıcıların bu eğilimleri aşağıdaki sıraya göre artar: 

Mn-Cr-Mo-W-Ta-V-Nb-Ti 

Genelde zayıf karbür yapıcılar (mangan, krom) Fe₃C'de çözünerek karışık karbürler, örneğin (Fe,Cr) ₃C , (Fe,Mn) ₃C ; kuvvetli karbür yapıcılar (titan, vanadyum) ise kristal yapıları Fe₃C'den farklı olan Mo₂C , TiC , VC gibi özel karbürler oluştururlar. 

En önemli nitrür yapıcılar da Al-Cr-Zr-Nb-Ti-V elementleridir.
 

Alaşım elementlerinin mekanik özelliklere etkisi üç ayrı açıdan ele alınabilir: 

a- Katı Çözelti Durumu: Alaşımsız ferritin sertliği, belli başlı alaşım elementlerinin normal miktarlarda katılması ile önemli bir yükselme göstermez.  Öte yandan krom-nikel çeliklerinde korozyona, ostenitik mangan çeliğinde darbeli aşınmaya dayanıklılık gibi bazı özelliklere ulaşılabilmesi katı çözelti oluşumuyla ilişkilidir. 

b- Ara Bileşik Durumu: Teknikte özel karbürlerden en başta takım çeliklerinde yararlanılır. Uygun ısıl işlemler yardımıyla ana kütle (matris) içinde ince dağılmış şekilde elde edilen karbürler, çeliğin işletme koşulları altında davranışını iyileştirir. Karbon derişikliği ve ısıl işlem, karbür oluşumunu etkileyerek, geriye kalan ana kütlenin alaşım elementi miktarını belirlerler. Düşük karbon derişikliğinde karbür miktarı azaldığından, matris alaşım elementleri bakımından zengindir. Isıl işlem sonrasında soğutma yavaş yapılırsa, çok miktarda karbür ayrışacağı için ana kütledeki alaşım elementlerinin oranı küçülür. Karışık karbürler ile özel karbürlerin Fe₃C'den pek fazla sert olmaması ve ferrit sertliğinin alaşımlamayla büyük ölçüde değişmemesi nedenleriyle, normalleştirilmiş durumda karbür dağılımı ve miktarı benzer olduğu sürece, alaşımlı ve alaşım-sız çeliklerin oda sıcaklığındaki dayanımlarının yaklaşık aynı düzeyde bulunması gerekir. 

Buna karşın öncelikle özel karbürlerin kimyasal ve ısıl kararlılıklarından ötürü, yüksek sıcaklıklardaki sertlik ile akma, sürünme ve aşınma dayanımları alaşımlı çeliklerde belirgin olarak üstündür. Ostenitte güç çözünen karbürler bir yandan aşırı ısınmaya duyarlığı azaltırken, öte yandan su verme sıcaklığının yükselmesine yol açarlar. 

Sert nitrürlerden (1200 HV'ye kadar) teknikte örneğin nitrürleme ile yüzey sertleştirmesinde yararlanılır. 

Yüksek dayanımlı ince taneli yapı çeliklerinde karbonitrür çökeltileri, çok ince taneli bir dönüşüm içyapısı oluşturarak yüksek tokluk yanında önemli akma sınırı artışı sağlarlar. 

c- Sertleşme Derinliği: Alaşım elementleri karbonun a- ve y- demiri içindeki yayınma hızını düşürürler. Böylece beynit meydana gelmesi veya kritik soğuma hızının azalmasıyla sertleşme derinliğinin artması su verilmiş parçaların mekanik davranışını iyileştirir. Bu nedenle mekanik özellikleri ağır bastığı sürece, alaşımlı çeliklerin alaşımsızlardan farklı olarak hemen her zaman sertleştirme ısıl işlemi görmeleri gerekir.
 

Alaşım elementi miktarı sabit tutularak elde edilen "alaşım parametreli" demir-Karbon diyagramında faz alanlara sınırlarında kayma görülür. 

Kobalt dışında bütün elemetlerin S ve E noktalarını daima sola, yani daha küçük karbon derişikliklerine ötelemesi sonucu: 

Islah çelikleri için ostenitleme sıcaklığı alçalır; sertleştirilmiş içyapıda yumuşak ferrit tanelerinin bulunma tehlikesi azalmış olur. 

Çelik bölgesinde (C<%2) oluşabilen ve içerdiği alaşım elementi karbürlerinin etkisiyle erime noktası yükselen ledeburit, beyaz dökme demirdekinden farklı olarak dövülebilirlik özelliğini ortadan kaldırmaz. Dolayısıyla ledeburitik çelikler diye adlandırılan bu tür malzemeler, üstün aşınma dayanımlarından (karbürler) ötürü öncelikle takım üretiminde kullanılırlar. 

Ostenit yapıcılar A₃- noktasını düşürür, A₄- noktasını yükseltirler. Böylece ostenitin kararlı olduğu alan, genişleyerek belirli bir alaşım oranından sonra oda sıcaklığına ulaşır. Bu durumu yansıtan ostenitik çeliklerin, örneğin korozyona dayanıklılık açısından teknik önemleri çok fazladır. Anılan malzemelerde dönüşüm söz konusu olmadığından normalleştirme tavı ve sertleştirme yapılamaz. 

Öte yandan ferrit yancılar A₃- noktasını yükseltir, A₄- noktasını düşürürler. Ostenit alanı daralır; dolayısıyla belirli bir alaşım oranından sonra erime sıcaklığına kadar ferrit kararlı kalır. Sonuçta dönüşüm göstermeyen, korozyona dayanıklı ferritik çelikler ortaya çıkar. Bu çeliklerde de normalleştirme ve sertleştirme yapılamaz. 

Karbonun y- ve a- katı çözeltilerindeki yayınma hızı, alaşım elementlerinin artması ile önemli oranda küçülür. Bu nedenle faz dönüşümleri alaşımsız çeliklere göre daha yavaş gelişir. 

Alaşım elementlerinin ostenit dönüşümüne etkisi ZSD-diyagramlarından kolayca görülebilir. Alaşım elementleri, perlit ve beynit kademelerini genellikle daha uzun sürelere öteler, yani kararsız ostenitin dönüşüm eğilimini azaltırlar. Bu durum alaşımlı çeliklerde kritik soğuma hızını düşürerek, martenzitin daha kolay meydana gelmesi sonucunu yaratır.

Alaşımsız çeliklerde "burun" bölgesindeki perlit ve beynit alanları, yaklaşık aynı soğuma eğrisi üzerinde birbirini izler biçimde bulunurlar. Böylece beynitin sürekli soğuma ile elde edilmesi güçleşir. Karışık ve özel karbürlerin ayrışması için karbonun yanında yayınması gereken alaşım elementleri, öncelikle perlit oluşumunu daha yüksek sıcaklıklara ve uzun sürelere kaydırırlar. Beynit burnu ayrılarak öne çıkar. Dolayısıyla beynit sürekli soğutmayla önemli oranlarda elde edilebilir. Karbür yapıcı elementlerin büyük miktarlarda bulunması halinde ise, perlit ve beynit kademeleri arasında dönüşüm eğiliminin çok zayıfladığı bir bölge belirir.
 

Alaşım elementlerinden ötürü ZSD- diyagramında perlit ve beynit alanlarının sağa kayması kritik soğuma hızını düşürür. Yağ ve hava gibi soğutma gücü zayıf olan su verme ortamları bile böylece sertleştirme (martenzit oluşturma) için yeterli hale gelir. Dolayısıyla yağ veya hava çelikleri diye nitelenen alaşımlı çelikler, alaşımsızlara yani su çeliklerine oranla yavaş soğutulmalarına rağmen, daha büyük sertleşme derinliği de sağlarlar. Söz konusu özellikler pratik açıdan aşağıdaki sonuçları doğurur: 

Kalın etli parçaların tüm kesiti sertleştirilebilir. Ayrıca su verme hızı düşük olduğundan iç gerilmeler ile birlikte çar-pılma ve çatlama tehlikesi de azalır. 

İnce etli karmaşık biçimli parçaların da sertleştirme işleminden dolayı çarpılmaları minimum düzeye iner (Alaşımsız çelik kullanılması halinde suda hızlı soğutma çarpılmayı artırır; yağda soğutma ise sertleştirme için yetersizdir). 

Öte yandan artan alaşım elementi ile M_s ve M_f sıcaklıklarının düşmesi, alaşımlı çeliklerin tam sertleştirilmesinde sorun yaratır. Yüksek alaşımlı çeliklerde M_f noktası oda sıcaklığının oldukça altına inebileceğinden, içyapının tümüyle martenzite dönüştürülmesi ek masraflara yol açan özel önlemlerle mümkün olur (düşük sıcaklık banyolarında su verme gibi). Bu nedenle sertleştirilmiş alaşımlı çeliklerin içyapılarında büyük miktarda artık ostenit bulunabilir.

Ms sıcaklığının kabaca 300 ^oC'ın altında olması halinde normal su verme sırasında önemli oranda artık ostenit ortaya çıkar. M_f'nin çoğunlukla gösterilmemesine karşın, Ms sıcaklığı çeliğin ZSD-diyagramından alınabilir veya aşağıdaki formülle yaklaşık olarak hesaplanabilir: 

Ms (^oC) = 550-350C-40Mn-20Cr-10Mo-17Ni-8W-10Cu+15Co+30A1 (Elementlerin ağırlık yüzdeleri konur).

Büyük miktarda karbür yapıcı element içeren çeliklerin (örneğin, takım çelikleri) ostenitleme sıcaklıkları, karbon oranı aynı düzeyde olan alaşımsız çeliklere göre daha yüksek seçilmelidir. Aksi halde karbürler çok kararlı olduklarından ostenit içinde yeterli karbon çözünemez. Dolayısıyla su verme sonucu martenzit tam sertliğine ulaşmayabilir. Ancak takımların aşınma dayanımı öncelikle temperlemeden sonra çökelen sert karbürlere bağlı olduğundan, uygulamada çoğu kez tam martenzit sertliğinin elde edilmesi zaten gerekli değildir.