Çekme dayanımına göre ifade edilen yapı çelikleri, öncelikli olarak çekme gerilmeleri ve akma sınırı değerleri dikkate alınan, çelik konstrüksiyon, köprü yapımı, basınçlı kap ve donanımları, taşıt imalatı ve makine konstrüksiyonlarında kullanılmak üzere tercih edilir.
Bu çelikler genellikle alaşımsız çelik olarak tanımlanır, mekanik özellikler daha çok karbon miktarına bağımlıdır fakat başta azot ve fosfor olmak üzere, üretim hammaddelerinden ve üretim şekillerinden kaynaklanan mangan, silisyum, bakır ve kükürt elementleri de oldukça etkilidir.
Genel yapı çelikleri kalite gruplarına göre sınıflandırılırlar. Standartlarda yapılan yeni düzenlemeler sonucunda;
• 1. kalite grubuna yalnızca St 33 çeliği verilmektedir. St 33 çeliğinde kimyasal analiz değerleri verilmez, üretim yöntemi ve döküm tarzı serbest bırakılmıştır. Denilebilir ki; 1. kalite grubundaki çelikler itinalı şekilde ergitilmezler.
• 2. kalite grubundaki çelikler, en fazla %0,050 P ve %0,050 S içerirler ve daha çok kaynak konstrüksiyonlarında tercih edilirler. Silisyum ve mangan miktarı da belirlenmiştir. Fe 37 çeliği kaynar*, sakin dökülmüş** veya yarı sakin dökülmüş*** olarak dökülebilir. Fe 44, Fe 50, Fe 60 ve Fe 70 çelikleri mutlaka sakin ya da yarı sakin dökülürler.
• 3. kalite grubundaki çelikler yaşlanmaya**** dayanıklı ve ince taneli çelik olarak, özellikle sakinleştirilerek dökülürler. Fosfor ve kükürt miktarları %0,04O ile sınırlandırılmıştır. Genellikle 0,020 Al ile deokside edilirler.
Genel yapı çeliklerinin talaşlı şekillendirilmesinde, ağırlıklı olarak daha çok normal tavlı veya soğuk şekillendirilmiş malzeme tercih edilmelidir. Normal tavlama ve yaklaşık 600-650 °C sıcaklığında uygulanan gerilim giderme tavlamasının dışında, genel yapı çeliklerine ısıl işlem uygulanmaz. Bunun nedeni, yapı içerisinde istenmeyen elementlerin fazla oluşu; bunun neticesinde oluşan kuvvetli çökelmeler ve sertleştirme çatlaklarıdır.
Genel yapı çelikleri, nokta ve makara dikiş kaynağı ile birlikte, direnç kaynağına da uygundur. Fe 60 ve Fe 70 çelikleri, kaynaktan sonra yavaş soğutulmalı veya derhal tavlanmalıdır. Eğer çeliklerdeki karbon miktarı %0,2′den az ise diğer pres kaynağı yöntemleri de kullanılabilir.
* Kaynar dökülmüş çelik, erimiş çelikte bulunan demir oksidin çeliğin kalıpta katılaşması sırasında içindeki karbonun bir kısmı ile birleşip, karbon monoksit teşkil ederek dokusunda gaz habbecikleri etkisi österen ve enellikle üze inde ince bir ferrit tabakası bulunan çeliktir.
** Sakin dökülmüş çelik, kepçede veya kalıpta oksijen bağlayıcı (deoksidan) madde kullanılarak erimiş çelikteki demir oksidin oksijeni tamamen alınmış olan çeliktir. (yapı diğerlerine
oranla homojendir)
*** Yarı sakin dökülmüş çelik kepçede ve kalıpta, deoksidan madde kullanılarak erimiş çelikte bulunan demir oksidin oksijeni kısmen alınmış olan çeliktir.
**** Yaşlanmayan çelik, uzun süre bekledikten sonra vurma dayanımı, imal edildiği durumdakine göre çok az değişiklik gösteren çeliktir.
Sementasyon Çelikleri
Sementasyon işlemi, yüzey sertliği aşınma dayanımı ve sürekli dayanımı iyileştirici özelliğe sahip olmakla birlikte, parça çekirdek bölge dayanımı ve sünekliğini de iyileştirir. Bu sayede büyük yüklerin taşınması, darbe tarzındaki yüklerin karşılanması sağlanır.
Sementasyon malzemeleri karbon oranı genelde %0,10-0,20 arasındadır, bazı çeşitlerde %0,25′e kadar çıkabilir. Alaşımlı veya alaşımsız olarak üretilebilirler.
Sementasyon çelikleri, sementasyon işleminden sonra değişik şekillerde ısıl işleme tabi tutulabilirler. Sementasyon işleminden sonra çekirdek bölgedeki karbon miktarı %0,10- 0,20 değerlerinde kalırken, yüzey bölgede karbon miktarı %0,80′e kadar yükselir. Bu durumda yapılacak ısıl işlem sıcaklığının seçimi, parça yapısının her yerinde değişen karbon miktarı nedeniyle zorlaşır. Çekirdek bölge baz alınarak seçilecek sıcaklık parça cidar bölgesinde tane irileşmesine, parça cidar bölgesi baz alınarak seçilecek sıcaklık, çekirdek bölgenin yeterince sertleşememesine yol açar. Bu sebeple uygulanabilecek en kolay yöntem sementasyon sıcaklığından direkt sertleştirmedir. Bu yöntem sadece tuz banyosu ve gaz sementasyonundan sonra uygulanabilir. Yöntem ince taneli çelikler için daha uygundur.
Sementasyon çeliklerinde karbon miktarının yükselmesiyle ve ilave edilmiş alaşım elementleriyle, çekirdek bölge dayanımı artırılabilir. Ancak en verimli sonuca, sementasyon sonrası çekirdek sertleştirmesi ile ulaşılabilir. Bu yönteme çift sertleştirme adı verilir. Çekirdek bölge uygun sertleştirme sıcaklığından ani soğutulan parça, ara tavlama işlemine tabi tutulur ve ardından cidar bölge için uygun sertleştirme sıcaklığından ani soğutularak cidar bölgenin sertliği sağlanır. Sementasyon çeliklerinin kaynak kabiliyetleri iyidir.
Alaşımlı çeliklerde kaynaktan sonra tavlama gerekir. Talaşlı işlenebilirlik en iyi, normal tavlanmış veya kaba taneli yapıya sahip malzeme ile sağlanır. Yumuşatma yapılmış malzeme kötü yüzey kalitesi verdiği için tercih edilmez.
Islah Çelikleri
Islah çeliklerinde sertleşebilirlik özelliklerinin yanında, yüksek dayanım ve süneklik de istenir. Yeterli seviyede sertlik elde edilebilmesi için, ıslah çelikleri diğerlerine nispeten yüksek karbon içerirler. Kalın kesitli parçalar için sertlik derinliğinin en önemli kriter olması sebebiyle, bu parçalar alaşımlı ıslah çeliklerinden imal edilirler.
Islah çeliklerinin seçiminde, parça boyutları ve dayanım değerleri ön plandadır. Alaşımsız ıslah çelikleri ancak küçük kesitli parçalarda verimli olabilir. Kalın kesitli parçalar için, sertlik dağılımının homojen olması, çeliğin alaşımlı olmasına bağlıdır. Sertlik dağılımının, malzeme alaşımlarına göre değişimleri Jominy testi sonuçları ile gözlenebilir. Jominy testi basit bir ifade ile; sertleştirme sıcaklığına kadar ısıtılan çubuk şeklinde bir malzemenin sadece bir ucundan soğutulmasıyla soğutulan uca olan mesafelerdeki sertleşme değerlerini ifade eden Islah çelikleri alevle ve indüksiyonla sertleştirilebileceği gibi, ıslah edildikten sonra da alev ve indüksiyonla sertleştirilebilirler. Bu şekilde ısıl işlem görecek malzemenin seçiminde, kimyasal bileşimin yanı sıra, yüzeyde elde edilecek sertlik değeri ve sertleşme derinliği göz önünde bulundurulur. Alaşımsız çeliklerde sertlik derinliği 3-4 mm olabilirken, alaşımlı çeliklerde bu derinlik 10-12 mm’yi bulur.
Ayrıca indüksiyonla sertleştirme esnasında yüksek mangan çatlama tehlikesi yaratacağından, yüksek karbonlu-düşük manganlı Cf kalite çeliklerin kullanılması daha uygundur. Ayrıca çatlama tehlikesinin azalması, malzeme tane yapısının küçük olmasıyla yakından ilişkilidir.
Islah çelikleri kimyasal bileşimlerine göre 4 ana grupta toplanır.
1. Alaşımsız ıslah çelikleri
2. Mangan alaşımlı ıslah çelikleri
3. Krom alaşımlı ıslah çelikleri
4. Krom-molibden alaşımlı ıslah çelikleri
Alaşımsız çeliklerde, ıslah dayanımı karbon miktarıyla artmaktadır. 16 mm çapa kadar en düşük akma sınırı 370 N/mmz (%C:0,25) ila 570 N/mm* (%C:0,50) arasındadır. 16-40 mm çap arasındaki boyutlarda 50-80 N/mm2 daha düşük olur.
Mangan alaşımlı ıslah çeliklerinde mangan setreleşebilirliği arttırdığından 30 Mn 4 ve 40 Mn 4 çeliklerinde akma sınırı C60 çeliğindeki özelliklerini gösterir. Krom alaşımlı ıslah çeliklerinde krom elementi sertleşebilirliği oldukça fazla arttırır ve plastisiteye de olumlu etki yapar. Örneğin 40 Cr 4 çeliğinde 16-40 mm çap aralığında minimum akma 700 N/mm2′dir.Molibden kroma nazaran daha kuvvetli sertleşebilme kabiliyetini artırır. Ayrıca meneviş dayanımını arttırır ve meneviş kırılganlığı ihtimalini azaltır.
Otomat Çelikleri
Çelik malzemelerden istenen özellikler arasında talaşlı işlenebilirlik kabiliyeti önem arz eder. İmalat aşamasında, yüksek kesme hızları ve buna bağlı olarak işlem zamanı, takım ömrü, iyi yüzey kalitesi, daha düşük kesme kuvvetleri kullanarak sağlanacak enerji tasarrufu gibi kriterler, diğer faktörlerle birlikte malzeme kalitesiyle de direkt alakalıdır. Bu kaliteyi sağlamak amacıyla otomat çelikleri geliştirilmiştir. Otomat çelikleri karbon oranı %0,07-0,60 arasında değişen ve kükürt oranı %0,15 ile %0,40, fosfor oranı %0,07-0,10 arasında olan çeliklerdir. Kükürt ve fosforun diğer tüm kalitelerde azaltılmaya çalışmasına karşın, talaşlı işlem kabiliyetini artırmasından dolayı otomat çelikleri içine özellikle ilave edilir. İlave edilen bu elementler malzemede metalik kırılğanlık sağlayarak, kısa kırılgan talaş oluşumunu sağlar. Bunun yanı sıra kükürt ve fosfor ilavesi yağlama etkisi yaparak, parça dayanımının artmasına, temiz yüzey elde edilmesine imkan tanır. Otomat çelikleri kurşun ile alaşımlandırılmış şekilde de bulunabilir. İlave edilen kurşun çeliğin mekanik özelliklerini değiştirmemekle birlikte yağlama özelliğini artırır. Otomat çeliklerinin ıslah edilebilme ve semente edilebilme özellikleri de vardır.
Paslanmaz Çelikler
Az alaşımlı ve alaşımsız çelikler ortama bağlı olarak hızla paslanır yahut kimyasal aşınmalara uğrarlar. Tahribattan ve paslanmadan korunmak amaçlı boyar maddeler kullanılması veya ilave önlemler istenen korumayı sağlamayabilir. Bu gibi durumlar için paslanmaz çeliklerin seçimi önem taşır. İçerdiği Cr, Si ve Al gibi elementler, oksijenle birleşerek, çok ince, yoğun ve yapışkan bir oksit filmi tabakası oluştururlar. Bu tabaka paslanma oluşumunu engeller. Bir malzemenin paslanmaya karşı dayanımlı olarak tanımlanabilmesi için her m2 için malzeme kaybının 2,4 gr’dan az olması gerekir. Paslanma olayı sadece çeliğin alaşım durumuyla ilgili değildir. Parçaların talaşlı işlem özellikleri de paslanma konusunda önemlidir. Örneğin; yüzeyi hassas taşlanmış bir parçanın paslanma oranı, kötü yüzey kalitesine sahip bir parçanın paslanma oranından daha düşüktür.
Paslanmaz Çeliklerin Sınıflandırılması:
– Krom çelikler,
– Krom-nikelçelikler
– Krom-mangan çelíkler
– Çok fazlı çelíkler
Krom çeliklerinin korozyon dayanımı, birinci planda krom miktarına bağlıdır. Genellikle %13-17 arasında krom içerirler.
Krom-nikel çelíkler %13-21 krom, %5-20 nikel ve %0,02- 0,16 arasında karbon içerirler. Nikel ilavesiyle korozyon dayanımları daha fazlalaşır.
Krom-mangan çelíkler; krom- nikel çeliklerinin kullanımına paralel olarak özel durumlarda kullanılabilirler. X 12 MnCr18 12 çeliği -180 °C’ye kadar olan sıcaklıklarda kullanılabilir.
İndüksiyon Çelikleri
İndüksiyon ile sertleştirme işlemi, sementasyon ile elde edilemeyen, uygun çekirdek özellikleri, yüksek sertlik derinliği gibi özelliklerin elde edilebilmesi amacıyla kullanılır. Yüksek torkla çalışması sebebiyle fazla sertlik verilemeyen millerin aşınma dayanımı gerektiren kısımlarının indüksiyonla sertleştirilmesi örnek olarak verilebilir.
Islah çeliklerinin tamamı indüksiyonla sertleştirilebilir olmasına rağmen, %0,30-0,70 arası karbon içeren indüksiyonla sertleştirilebilen çeliklerin yapı özellikleri daha iyidir. indüksiyonla sertleştirilebilen çelikler 50-60 HRC arası sertlik alabilirler ve yüzey-çekirdek bölge arası sertlik geçişi, ıslah çeliklerine göre daha iyidir. Islah çeliklerinin mangan miktarının nispeten yüksek oluşu indüksiyonla sertleştirme esnasında çatlak oluşma riskini artırır. Bu sebeple indüksiyonla sertleştirilebilen çeliklerde mangan miktarı düşürülmüştür. SAE 1050 malzemenin mangan oranı %0,60-0,90 arası iken Cf 53 malzemede bu oran %0,40-0,70 oranlarındadır. Ayrıca kükürt ve fosfor miktarı bu çeliklerde daha düşüktür.