ISIL İŞLEMLERDE ŞEKİL DEĞİŞTİRMENİN KONTROL ALTINDA TUTULMASI
(Derleyen: Olcay MISIRLIOĞLU)
Isıl İşlemde Şekil Değiştirmenin (çarpılmanın) Kontrol Altında Tutulması
Metalden yapılmış bir ürünü oldukça yüksek sıcaklıklara çıkarıp aniden soğuttuktan sonra, herhangi bir şekil değiştirme ve çarpılma olmamasını beklemenin, makul bir istek olmadığı muhakkaktır. Bu durum, çeliklerde demir dışı metallere oranla daha barizdir. Çünkü:
Çeliklerin ısıl işlem sıcaklıkları, demir dışı metallere oranla, genelde, daha yüksektir ve
Çelikler genelde, hacim değişikliğini de beraberinde getiren faz değişikliklerine uğrarlar.
Bu koşullar altında, çelik bir parçanın bazı kısımları ısıl genleşme karakteristiği itibarı ile genleşirken, bazı kısımları, faz değişimi nedeniyle büzülmekte olabilmektedir. İşte bütün bu nedenlerle, mutlak anlamda çarpılma olmadan bir ısıl işlem yapmak mümkün olmamakla birlikte, bunu asgariye indirmek için yollar bulunmaktadır.
Isıl işlemde çarpılmayı önleyici önlemlerin bir veya birkaçının alınması sırasında göz önünde tutulması gereken temel unsur maliyettir. Çünkü, hemen hemen tüm önlemler, beraberinde hatırı sayılır maliyetler getirirler. Kural olarak; en düşük çarpılmayı sağlayan yöntem en pahalı yöntemdir, ki genelde maliyet seviyesi pratik kabul sınırlarının çok ötesindedir. Bu nedenle, alınacak önlemlerle maliyet arasında son derece dikkatli bir denge sağlanmalıdır. Hemen hemen tüm uygulamalarda an az üç alternatif vardır:
Başka bir ısıl işlem türü uygulamak,
Çarpılmayı ısıl işlem sonrası talaş kaldırarak ortadan kaldırmak üzere, parça üzerinde gerekli miktarda işleme payı bırakmak,
Doğrultma işlemi yapmak.
Şekil Değiştirmenin (çarpılmanın) Kaynakları
Çarpılmayı önleyici veya düzeltici bir işlemin etkinliğini öngörebilmek için, çarpılma olayının neden veya nedenlerini anlamak gereklidir. Temel etkenler birer birer aşağıda sayılmıştır. Ancak işin gerçeği, çarpılma, bu unsurların birkaçının bir araya gelmesi sonucu oluşmaktadır.
Isıl işlem öncesi işlemeler sonucu (tornalama, taşlama gibi) parça üzerinde dengesiz şekilde oluşmuş gerilmeler,
Tasarımdan kaynaklanan boyutsal farklılıklar; uzunluğun kesite oranı, kesitte önemli kalınlık farkları, farklı soğuma veya ısınmaya neden olacak diğer nitelikler,
Parçaları ısıl işlem için yükleme ve dizme şekli,
Isıtma hızı,
Soğutma (quenching) işlemi sırasında parçanın duruş şekli,
Şekil Değiştirmenin (çarpılmanın) Kontrol Altına Alınması Yolları
Bazı durumlarda, özellikle karmaşık tasarımlı parçalarda, çelik çeşidini değiştirip, çok daha uygun koşullarda ısıl işlem yaparak çarpılmanın önüne geçmek mümkündür. Bu nedenle, çarpılmayı azaltıcı yolları denemek için, hammadde çeşidi konusunun araştırılarak çözümlenmiş ve hep aynı kalitede gelmesinin sağlanmış olması ön koşuldur. Hammadde konusunda alınacak en genel tedbir, sertleşebilirliği daha yüksek çelikler seçmektir.
Ne yazık ki, birçok durumda, çeşitli nedenlerle çelik çeşidinde değişiklik yapmak mümkün olamamaktadır. Çarpılmayı önleyici veya ortadan kaldırıcı üç alternatif aşağıda incelenmektedir.
Başka bir ısıl işlem türü uygulamak. Burada bazen iki veya üç olasılık bulunmaktadır; komple sertleştirme yerine yüzey sertleştirme veya hızlı soğutmaya ihtiyaç duymayan nitrürleme işlemini seçme gibi... Bu alanda en sık kullanılan önlem bölgesel sertleştirme yoluna gitmektir; indüksiyonla sertleştirme. Örnek olarak, üzerinde belirli yerlerde sertlik isteyen bir şaft düşünelim. Bu şaftın indüksiyonla sertleştirilmesiyle çarpılmanın önüne geçmek çok anlamlı olacağı gibi, başka bir çok nedenden dolayı da maliyeti de düşürülebilecektir. Volan dişlileri indüksiyonla sertleştirme alternatifi kullanılarak, çarpılmanın kabul edilebilir sınırlara çekilmesine bir diğer iyi örnektir.
İşleme payı bırakılması. Genelde, parçanın üzerinde işleme payı bırakmak en ekonomik yol görünmektedir. Bu durumda, parçanın ısıl işlemde çarpılma aralığını saptayarak, ona uygun bir işleme payı bırakılması gerekmektedir. Doğaldır ki, öncelikle ısıl işlem sırasında bazı önlemler alınmalı, işleme payına ondan sonra karar verilmelidir.
Mekanik düzeltme, gerek ısıl işlem öncesi ve gerekse ısıl işlem sonrası, çarpılma sorunlarına uygulanabilecek bir diğer yöntem olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu teknik bazen yegane çözüm olarak uygulansa da, genelde talaş kaldırma ile birlikte uygulanmaktadır.
Şekil Değiştirmeyi Azaltmaya Yönelik Isıl İşlem Uygulamaları
Fırına dizme şekli, özellikle uzunluk - kesit oranının büyük olduğu durumlarda, çarpılmayı hatırı sayılır derecede azaltan bir etkendir. Örneğin uzun bir parçayı (içi dolu veya boş), fırın tabanına yatay olarak ve özensiz bir şekilde yerleştirmek en kötü dizme tekniğidir. Bu tür bir dizmede çarpılma derhal başlayacak ve parça ısınıp yumuşadıkça artarak devam edecektir. Kitlenin en altındakiler, ısınma sırasında en fazla yükü görenler olduğundan, doğallıkla en fazla çarpılanlar olacaktır.
Bu gibi durumlarda en iyi teknik, parçaları dik olarak ve tercihen aralarında boşluk bırakarak asmaktır. Bu tür parçaların, bir tür yüzdürme yetenekleri olduğu için, tuz banyolarında ısıl işlemi ile daha iyi sonuçlar alındığı bilinmektedir. Ancak, tuz banyosunun çarpılma açısından bir dezavantajı ısıtma süratidir. Zira parçada, gaz atmosferinde ısınmaya göre dört, beş kat hızla ısınma gerçekleşir. Bu hızlı ısınma, özellikle üzerinde kesit farklılığı olan parçalarda çarpılmayı arttıran bir etkendir.
Soğutma evresinde (quenching) parçanın duruş şekli, toplam çarpılmada önemli bir etkendir. Fırına dik olarak asılmış olan parçaların, soğutma ortamına da aynı şekilde girmesi, çarpılmayı azaltmak açısından, tercih edilmelidir. Genelde soğutma tankında karıştırma uygulanmazsa, çarpılmanın az olması sağlanmaktadır. Ancak, tam sertleştirmeyi sağlamak için genelde karıştırma gerekmektedir. Karıştırma yapılması ile birlikte çarpılmanın azalmasını sağlamak için, karıştırmanın, soğutma tankının altından gelen bir kuvvetle gerçekleştirilmesi gereklidir. Bu prensip, su ile soğutma sistemlerinde olduğu kadar, diğer soğutma ortamları için de uygulanabilir. Yanlardan gelen bir karıştırma sistemi, çarpılmanın minimum olmasının beklendiği bir sistemde asla kullanılmamalıdır.
Soğutma Ortamları. Tipik soğutma ortamları, azalan soğutma hızlarına göre aşağıda sıralanmıştır;
Su
Sodalı su
Kostikli çözeltiler
Polimer çözeltileri
Yağ
Tuz banyosu
Metal banyosu
Gaz (durgun ya da hareketli)
Sis
Hava
En yüksek oranda sıcaklık emişi (soğutma gücü) karıştırılan sodalı su ile mümkün olmaktadır. Minimum çarpılma ise, dikine asılarak ısıtıldıktan sonra, durgun havada, yine dik asılı olarak soğutma (quenching) ile mümkün olmaktadır. Doğaldır ki, bu yöntem, parçaların havada sertleşebilir malzemeden yapılmasını zorunlu kıldığı için pratik değildir. Soğutma ortamının seçimini etkileyen temel unsur, bazı başka unsurlar olmakla beraber, çeliğin sertleşebilme özelliğidir. Diğer taraftan soğutma hızının, çarpılma üzerinde belirgin bir etkisi vardır. Dolayısıyla, çarpılmanın kritik olduğu durumlarda, soğutma hızı, olması gereken soğutma hızının üzerine asla çıkarılmamalıdır.
Özel soğutma (quenching) teknikleri. Dikine asarak ısıtma ve her seferinde tek parçayı soğutmak, özel bir teknik olarak düşünülebilirse de, genelde kabul görmüş özel soğutma (quenching) teknikleri arasında; (1) martemperleme (2) presle soğutma (3) soğuk kalıpla soğutma sayılabilir. Bu yöntemlerin hepsi çarpılmayı azaltmak üzere etkin olarak kullanılabilirse de, hatırda tutulması gereken nokta, maliyetlerinin oldukça yüksek olacağıdır.
Martemperleme, çarpılmayı azaltmak üzere seri üretilen parçalar için de kullanılan etkili bir yöntemdir. Ancak parçanın şekli ve boyutları önemlidir. Zira uzun şaftlar veya havaleli parçaların martemperlemesi için, her parçanın tek tek elden geçmesi gerekmekte, bu da maliyeti, hele mekanik doğrultma da gerekiyorsa, bir kaç kat arttırmaktadır.
Presle soğutma, muhtemelen en eski özel soğutma tekniğidir ve günümüzde de uygulanmaktadır. Bu teknik en yaygın olarak, boyutsal hassasiyeti nedeniyle sepetlerde topluca soğutulamayan dişlilerde kullanılmaktadır.
Bu yöntem kullanılmadan önce, hiç bir şüpheye yer bırakmayacak şekilde, çok pahalı olduğu kabullenilmelidir. Bir kere presin kendisi pahalıdır. İkincisi kullanılacak kalıp pahalıdır ve her farklı parça için farklı kalıp kullanma zorunluluğu vardır. Presle soğutma yavaş, biteviye, dolayısıyla pahalıdır. Presle soğutmada en düşük çarpılma elde edilebilir, ancak maliyetine katlanılmalıdır.
Kuru kalıpla soğutma yöntemi de biteviye ve pahalı bir işlemdir. Parçaların tek tek, genelde içinden geçen kanallar vasıtasıyla suyla soğutulan kalıp parçaları arasına sıkıştırılarak soğutulması şeklinde uygulanan bu yöntem, yalnız çok özel durumlarda kullanılmalıdır. Bu yöntem yerine, talaş payı bırakarak daha sonra işleme yapmak daha akılcı görünmektedir.