Zamanın gelişimi içinde ısıl işlemin ne zaman icat olduğu, kesin olarak bilinememektedir. Ancak eski çağlarda, demirin sertleştirilmesi için kızıl hale gelene kadar ısıtılıp su veya hayvansal yağa daldırılması sureti ile yapıldığı bilinmektedir. Günümüzde ise ısıl işlem, yüksek teknoloji ürünü ekipman ve kontrol teknikleri ile yapılmaktadır.
Çelik, demir ve karbonun alaşımı olarak tanımlanır. Karbon oranındaki az miktarda değişim (Örneğin %0.2'den %0.8'e kadar), çeliğin ısıtıldığı sıcaklıktan soğutulması ile elde edilen özelliklerin büyük miktarda değişimine yol açar. Hızlı soğutma veya sulama, çeliği kırılgan yapar. Yavaş soğutma ve tavlama çeliği yumuşak ve sünek yapar. Bu iki durum arasındaki özellikler, sertleştirilmiş çeliğin menevişlenmesi ile elde edilir. Bu özellikler çeliğin içindeki elementlerin dağılımı, boyutu, şekli ve cinsi ile ilgilidir. Özel uygulamalar için çeliklere mangan, krom, nikel ve molibden gibi, çeliğin ısıl işlemdeki davranışını değiştiren ve özelliklerini iyileştiren alaşım elemanları katılır. Bütün çeliklerin ısıl işleminde esas olan, çelikleri belli bir sıcaklığa ısıtıp bu sıcaklıkta belli bir süre tutup önceden belirlenmiş soğutma hızı ile soğutmaktır. Isıl İşlem normal olarak iki amaçla yapılır; · Ürünü şekillendirmek · Parçaların uygun kullanım özelliklerini sağlamak
ÜRÜNÜ ŞEKİLLENDİRMEYE YÖNELİK ISIL İŞLEMLER
Bu tarz ısıl işlemler, bir önceki prosesten kalan (örneğin soğuk şekillendirme) ve/veya metalurjik iyileştirmelerden kalan stresleri kaldıran ve malzemeyi yumuşatan, normalize (havada soğutma) ve tavlama (yavaş soğutma) işlemlerini kapsar. Dövülmüş parçaların, dökümlerin işleme kolaylığı ve bir sonraki ısıl işlemden alınacak sonucu iyileştirme için normalizasyon işlemi, bir sonraki işleme yardım etmek için, örneğin, boru ve tel gibi yarı mamul parçalara uygulanan yumuşatma işleminde olduğu gibi, normal olarak ara ısıl işlemlerdir. Ancak, örneğin elektrik sanayiinde kullanılan bazı parçaların, elektriksel ve manyetik özelliklerini iyileştirmek gibi bazı durumlarda son ısıl işlem de olabilir.
PARÇALARA UYGUN KULLANIM ÖZELLİKLERİ SAĞLAMAYA YÖNELİK ISIL İŞLEMLER
Bu tarz ısıl işlemler, bitmiş veya bitmeye yakın çelik parçalara, çalışma şartlarındaki istenilen özelliği kazandırmak amacıyla yapılır.
SERTLEŞTİRME (Su Verme)
İçinde alaşım elemanı olsun yada olmasın, orta ve yüksek karbonlu çeliklerden mamul sinterlenmiş, preslenmiş, dövülmüş parçalara sertleştirme işlemi uygulanır. Bu işlem aşağıdakilerden biri veya birkaçını kapsayabilir. · Mekanik özellikleri yükseltmek · Sertliği yükseltmek · Aşınma dayanımını artırmak Bu işlem, çeliğin içindeki karbon ve alaşım miktarına bağlı olarak, 780-900°C sıcaklıkları arasında, istenen metalurjik değişikliği yapana kadar tutularak, sert bir yapı elde edebilecek şekilde, uygun bir sıcaklıkta soğutmaktır. Soğutma için çeşitli sıvılar kullanılır. Su,su esaslı solüsyonlar, yağ ve tuz bunlardan bazılarıdır. %0.3'den az karbon ihtiva eden alaşımsız çelikler, sertleştirme ortamı olarak su kullanıldığı zaman bile, etkili olarak sertleştirilemez. Elde edilebilecek maksimum sertlik, çelikteki karbon ve alaşım oranına bağlıdır. Alaşım elemanları kritik soğutma hızını düşürürler. Hatta zaman zaman, havada bile soğutmak gerekebilir. Soğutma ortamlarının büyük bir kısmında çeliğin, düşük olan termal kondüktivitesi nedeniyle, dışarıdan içeriye doğru soğuması yavaş olur. Dolayısıyla da, dışarıdan içeriye doğru bir sertlik azalması olur. Yüksek mukavemetli çeliklerde alaşım elemanlarının en önemli fonksiyonlarından biri de, büyük kesitlerin tam olarak sertleşebilmesini sağlamaktır. Sertleştirme sırasında çeliğin kazandığı sertlik derinliğine "sertleşebilme yeteneği"denir.
TEMPERLEME-MENEVİŞLEME
Su verme sertleştirmesinden sonra, çelik parçalarda yüksek gerilmeler oluşur. Bu da, parçayı kırılgan kılar. O zaman, parçayı 150-700°C arasında seçilecek uygun bir sıcaklıkta temperlemek gerekir. Bu işlem, parçadaki gerilmeyi alırken, tokluğu da artırır. Düşük sıcaklıklar parçayı yumuşatmadan gerilmeleri alır. Sıcaklık yükseldikçe parçanın sertliği ve mukavemeti düşerken daha tok ve sünek olur. Tüm bu özellik değişmeleri, zamanla bağlantılı oluşur.
MARTEMPERLEME
Sertleştirme işleminin şiddetinden oluşan iç gerilmeler nedeni ile, parçalarda çarpılma riski vardır. Martemperleme, sertleştirme dönüşümü olabilen sıcaklıkta parçaya su vererek, dışarıdan merkeze doğru oluşan iç gerilmeleri minimuma indirmek suretiyle yapılan sertleştirme metodudur. Parça 150-400°C arasına soğutulup, parçanın sıcaklığı uniform oluncaya kadar bu sıcaklıkta tutulur. Çıkarılan parçalar, havada oda sıcaklığına soğutulurlar. Martemperlenen parçalara, normal sertleştirme işleminden sonraki gibi temperleme yapılır.
ÖSTEMPERLEME
Distorsiyonu minimize etmek için, martemperlemeye benzer şekilde yapılan bir işlemdir. Parçaları, önceden belirlenen bir zaman içinde, 250-400°C arasında soğutup, daha sonra oda sıcaklığına alarak yapılır. Kontinü bir östemperleme işleminden, daha tok bir yapı elde edilir. Bu işlem yüksek karbonlu ve göreceli olarak ince kesitli parçalara uygulanır. Örneğin yaylar ve benzeri parçalar. Daha sonra bu parçalara temperleme işlemi uygulanmaz.
YÜZEY SERTLEŞTİRME
Bir çok parçada, aşınmaya dayanıklı sert bir yüzeyle beraber, darbelere karşı da bir tokluk istenir. Bu tür parçalara çok çeşitli işlem uygulanabilir. Bu uygulamaları temel olarak 2 gruba ayırabiliriz.
Termokimyasal proses
Lokal termal yüzey sertleştirme prosesi
TERMOKİMYASAL PROSES
Düşük karbon içeren çeliklere uygulanır. 500-1000°C arasındaki bir sıcaklıkta yüzey azot ve/veya karbonun difüzyonu ile zenginleştirilir. Bu grupta 4 işlem tanımlayabiliriz.
KARBÜRLEME VE KARBONİTRÜRLEME
Karbon difüzyonu 900°C ve üzerinde yapıldığında, bu işlem karbürlemedir. Soğutma ortamı olarak, çeliğin içerdiği karbon ve alaşım miktarı ile bağlantılı, su ve yağ kullanılabilir. Alaşım miktarı, yüzeydeki karbon miktarını da belirler. Normal olarak bu yüzeydeki karbon oranı, %0.65-%1.00 arasındadır. Çeliğin yüzeyini sertleştirmede, karbon ve azot birlikte kullanıldığında, bu işleme karbonitrürleme denilir. Karbürlemeye nazaran, biraz daha düşük sıcaklıklar kullanılır (800-880°C). Soğutma ortamı olarak yağ kullanmak yeterli olur. Bu işlemlerde yüzeydeki difüzyon bölgesine "toplam karbürlenmiş derinlik" denir. Bu derinlik, sıcaklık ve zamanla kontrol edilir. NİTRÜRLEME İşlemde sadece azot kullanılırsa "nitrürleme" yapılmış olur. Bu proses genellikle, sertleştirilip menevişlenmiş ve alüminyum, krom ve molibden içeren özel çeliklere uygulanır. Nitrürleme 500°C civarında ve 72 saate kadar sürebilen bir işlemdir. Sertlik derinliği az, fakat çok sert bir yüzey elde edilir. Nitrürleme, karbürleme ve karbonitrürlemeden tamamen farklıdır. Parçalar ısıl işlemden sonra soğutma ortamına daldırılmazlar.
NİTROKARBÜRLEME
560-760°C sıcaklıkları arasında, karbon difüzyonu ile birlikte azotun kullanıldığı, bir termokimyasal işlemdir. Bu işlemde çok az (10-20 m) bir demir nitrür tabakası elde edilir. Bu, sert, gözenekli ve aşınmaya ve korozyona dayanıklı bir yüzeydir. Bu işlem sırasında oksidasyon işlemi de uygulanarak, korozyon dayanımı artırılabilir. Çeşitli çeliklere, özellikle alaşımsız düşük karbonlu çeliklere uygulanabilir.
LOKAL TERMAL YÜZEY SERTLEŞTİRME
Bu işlemde yüzeye karbon zenginleştirmesi uygulanmaz. Çelik ısıtılıp sulandığında yeterli sertliği alabilecek karbon ve/veya alaşım miktarına sahiptir. Çabuk soğutma nedeni ile sert bir yüzey tabakası elde edilir.