TAKIM ÇELİĞİ GENEL BİLGİ
Takımın, işlediği malzemeden çoğu zaman daha sert, daha yüksek dayanımlı ve aşınmaya dirençli olması gerekir. Bundan dolayı, takım imali için kullanılan malzemelerin birkaç ayrıcalık dışında, kullanım yerlerinin koşullarına uygun olarak, mümkün olduğunca yüksek sertlikte ve dayanımda, fakat yeterli süneklilikte olması gerekir. Özellikle ayırma işi yapan, form veren ve form değiştiren, darbe ya da çarpma tarzında zorlanan takımlarda, oldukça yüksek sertlik, iyi aşınma dayanımı ve bunlarla birlikte yüksek süneklilik ile erişilebilen en yüksek sertlikte kırılmaya karşı güvenlik istenir.
Bir takımın kullanım özelliklerinin karakterize edilmesinde en önemli büyüklük, daha çok Rockwell ya da Vickers yöntemleriyle saptanan sertliktir. Yüzeyde baskı elemanı izi istenmediğinde, geri sıçrama yöntemiyle de sertlik ölçülebilir. Çok sert ve kırılgan malzemelerde, Knoop sertlik ölçme yöntemi de kullanılabilir. Her ne kadar, çekme deneyi ile tespit edilen elastiklik sınırı, akma sınırı ya da 0,2 sınırı, çekme dayanımı, kopma uzaması ve büzülme değerleri, takımlar için olan malzemelerde de dayanım ve şekil değişebilirliği değerlendirmede kriter olarak alınabilirse de, takım malzemelerinde kırılmaya kadar pek az plastik form değişmesi meydana geldiğinden, bunlar malzemenin tanımlanması için yeterli değildir. Mekanik özelliklerin daha iyi değerlendirilmesi, statik eğme deneyi ile saptanan 0,1 eğme sınırı, eğme dayanımı ile elastik ve plastik form değiştirme işinin tespitiyle yapılabilir. Torsiyon (burulma) ve darbeli torsiyon deneyi de, takım malzemelerinin pratikteki koşullara uygun olarak denenmesinde kullanılabilir. Her ne kadar takımın ömrünün, kırılma tehlikesinden ayrılarak tespit edilmesi yapılırsa da, süneklilik ve kırılma direnci için kantitatif değer saptanması problem yaratır.
Bugüne kadar çoğu zaman, akma sınırı ve eğmede kırılma dayanımıyla bağlantılı olarak, kırmaya kadar sarfedilen iş esası üzerine sünekliliğin saptanması yapılır. Buna göre, kalitatif olarak süneklilik kademeleri şöyle sınıflandırılabilir:
- Kırılgan : Düşük dayanımda, az plastik şekil değiştirme işi
- Sünek yumuşak : Düşük dayanımda, yüksek plastik şekil değiştirme işi
- Sünek sert : Yüksek dayanımda, yüksek plastik şekil değiştirme işi
Yüksek sertlikteki malzemenin süneklik durumunun tespiti, bugüne kadar daha çok, çentiksiz ve çentikli numunelerde, darbeli eğme ve statik eğme deneyi ile yapılmıştır. Ancak kırılma mekaniğinin geliştirilmesiyle, kırılma tokluğu (KIC) bazı üzerine sünekliğin karakterize edilmesi için yeni olanaklar, nispeten kırılgan takım malzemeleri için de verilmektedir. Böylece, stabil olmayan çatlak genişlemesi karşısında direnç olarak bu malzeme karakteristiğinin tanımlanması, aşınma koşullarıyla da bağlantı sağlayabilmektedir.
Ayırma takımlarının gücü ve ömrü, birinci planda takım ve malzeme arasındaki temas yerinde aşınma olayıyla belirlenir. Talaşlı işleme esnasında 1000 °C 'nin üzerine kadar sıcaklıklar doğabileceğinden, mekanik zorlamaların yanında termik zorlamalar da aşınma mekanizmasında etkili olur. Böylece, termik dayanımın azalması ve kesilme maddeciklerinin kopmasıyla birlikte gelişen yapışma sonucu mikroskobik adhezyon aşınması ve çatlak teşekkülü olayları ortaya çıkar.
Kesme kenarlarının yuvarlanması tarzında görülen kesici kenar aşınması, daha çok alaşımsız ve düşük alaşımlı çeliklerde görülür. Genişliği, aşınma işareti "B" olarak tanımlanan aşınma yüzeyinin oluşumu, serbest yüzey aşınması olarak karakterize edilir. Nadiren, talaş yüzeyi üzerinde talaş yüzeyi aşınması adı verilen aşınma görülür. Bu aşınma formu, özellikle hız çeliklerinden ve sert metallerden yapılmış takımlarda, oyuk aşınması (kraterleşme - oyukçuklaşma) tarzında görülür. Kesmenin yanında, kesme süresinin devamıyla derinleşen ve kesme kenarı doğrultusunda kayan, küçük düz kraterler oluşur ve bu durum hızla tahribata ve körlenmeye neden olur.
Aşınma tanımlama büyüklüğü olarak, serbest yüzey üzerindeki oyuk derinliği ve oyuk ekseninin kesme kenarına olan mesafesi önemlidir. Bunun tespiti için, talaşlı şekillendirilebilirlik testi gereklidir. Bu amaçla, kesme süresi veya kesme yoluna bağlı olarak aşınma işaret genişliği B'nin tespit edildiği, aşınma karakteristiği deneyi yapılır. Kabul edilebilir aşınma işaret genişliği, malzemeye, takımın çeşidine ve ekonomik bakış açısına bağımlıdır. Henüz başlangıçta, işletme prosesi esnasında direkt aşınma ölçülmesiyle, talaşlı şekillendirme yönteminin optimizasyonu yapılabilir.
ERGİTME ve ŞEKİL VERME
Takım çelikleri, prensip olarak asal çelik olarak ve daha çok da bazik ark fırınlarında üretilirler. İyi bir kalite için en önemli yaklaşım, az miktarda Cr, Ni ve Cu içeren temiz hurda kullanılmasıdır. Ergitmenin, vakum altında, elektron bombardımanlı çok kamaralı fırında (EMO) ve cüruf altında ergitme (ESU) tarzında yapıldığı, yüksek kaliteli takım çeliği üretimi de yaygınlaşmaktadır. EMO yönteminde kalitenin iyileştirilmesi, düşük basınçta ve su ile soğutulan kristalizörde katılaşma ile sağlanırken, ESU yönteminde içinden çeliğin damladığı reaksiyon kabiliyetli cürufun rafinasyonu ile ulaşılır. Bu tarzda üretilen ultra arı (UA) çeliklerin yapısı, boşluksuz, kabarcıksız, gözeneksiz ve çekirdek çekmesiz durumdadır ve pek az çökelme eğilimi nedeniyle, daha iyi kimyasal homojenlik gösterirler. Bu şekilde elde edilen iyi çekirdek özellikleri, özellikle büyük boyutlu takımlar için yarar sağlar. Ultra arı çeliklerin bir diğer üstünlüğü, önemli ölçüde azaltılmış gaz miktarıdır. Böylece, EMO yönteminde oksijen miktarı yaklaşık %70 ve azot miktarı %30 ilâ %50 değerlerine düşürülür. Kükürt miktarının da düşürülmesiyle birlikte, metalik olmayan bağlantı miktarı çok azaltılır ve mikroskobik arılık derecesinde önemli ölçüde iyileşme sağlanır. Ayrıca, vakum altında tekrar ergitme yapıldığında, sıcakta şekillenebilirliği ve sıcakta sünekliliği azaltan Pb, Bi, Sb ve As gibi, kolay uçabilecek elementler de çelikten tam olarak uzaklaştırılabilir. Ultra arıtılmış çeliklerden takım imalatı işleminde parlatılabilirlik (yüksek polimer malzemelerin üretimi ve soğuk haddeleme takımları), iyileştirilmiş aşınma dayanımı (yükseltilmiş sıcakta aşınma dayanımı) ve yükseltilmiş sıcakta süneklilik (azaltılmış yanma ve çatlama tehlikesi), büyük önem taşır. Ultra arı çeliklerden imal edilen takımların ömrü, takım cinsi ve işletme koşullarına bağlı olarak, alışılmış tarzda üretilen çeliklere nazaran %20 ilâ %100 kadar daha fazladır.
Isı sisteminin ilave bir gelişimi ile kristal ayrışmalarının görülmesi de engellenmiş ve çeliklere izotropik özellik kazandırılmıştır. Tek faz strüktürü sağlanması sonucu, haddeleme doğrultusuna dik yönde yükselen süneklilik, kopma dayanımını iyileştirir ve çok eksenli gerilim durumlarında çentik hassasiyetini azaltır. Bu yönteme göre üretilen soğuk iş ve sıcak iş takım çelikleri, iki ilâ üç kat kadar daha yüksek ömre sahiptir.
Kütükler döküldükten sonra, haddeleme ya da dövme ile tekrar işlenirler. Yüksek karbonlu çeliklerde sementit ağı oluşabileceği ve düşük sıcaklıklara siyah kırılma meydana gelebileceğinden dolayı, sıcak şekillendirme sıcaklığının tam doğru olarak korunmasına dikkat edilmelidir.
Çelik döküm veya hassas dökümle üretilen malzemeler, çok sayıda üretilen takımlar için ekonomik olabileceğinden, ancak sınırlı olarak tercih edilirler. Çelik dökümün kullanılması halinde, takımın sıcakta dayanımı ve aşınma direnci yükselir ve mekanik özelliklerde daha iyi izotropi sağlanır.
ALAŞIM ELEMENTLERİNİN ETKİSİ
Alaşım elementi ilavesiyle, takım çeliklerinin özellikleri çok katlı olacak şekilde değiştirilebilir. Ya demir kafesinde çözülen ya da özel karbür teşekkülü için katılan alaşım elemanları, sertleşebilirliği, meneviş dayanımını, sertliği, dayanımı, sünekliliği ve aşınma direncini farklı ölçüde iyileştirirler. Önemli alaşım elemanlarının her birinin takım çeliklerindeki özel etkisi, özet olarak şöyledir:
- Karbon : Ani soğutma sertleşmesiyle, alaşımsız çeliklerde 1 ilâ 4 mm sertleşme derinliğine ulaşılması mümkündür. %1 karbonun üzerinde, ulaşılabilecek en yüksek sertlik sabittir, fakat artan karbür miktarıyla aşınma direnci giderek yükselir.
- Mangan : Dönüşüm hızını düşürmesinden dolayı, sertleşebilirliği arttırır ve böylece daha büyük kesitlerde sertleşebilirlik sağlar. Ancak, tane kabalaşması da yapar ve meneviş kırılganlığına sebep olur. Darbe ve basma zorlamalarında aşınma direncini arttıracak şekilde, soğuk sertleşme eğilimi vardır.
- Silisyum : Oksidasyona karşı dayanımı arttırır, fakat aynı zamanda karbon azalması (dekarbürize) eğilimi de artar. Elastiklik sınırını yükseltmesinden dolayı, silisyum alaşımlı çelikler iyi yaylanma özellikli takımlar için kullanılır. Sıcak iş takım çeliklerinde, %1 Si miktarıyla, yapışma eğilimi azaltılır.
- Krom : Kritik soğuma hızını düşürür ve böylece sertleşebilirliği arttırır. Özel karbürler teşekkül ettirdiğinden, aşınma direncini ve soğuğa dayanıklılığı arttırır. Takım çeliklerinde en önemli alaşım elementlerinden biridir.
- Volfram : Tane inceltici olarak etki eder, aşırı ısınmaya karşı hassasiyeti azaltır ve aşınma direncini, sıcakta dayanımı ve meneviş dayanımını iyileştiren özel sert karbürler meydana getirir. Kötü yönü, ısı iletme kabiliyetini azaltması ve bununla bağlantılı olarak ısıl işlemde çatlak teşekkülü eğilimini arttırmasıdır.
- Molibden : Meneviş kırılganlığına mani olur ve kuvvetli karbür yapıcı olarak sertliği, aşınma direncini ve meneviş dayanımını arttırır.
- Vanadyum : Zor çözülebilen karbürler teşekkül ettirmesi sonucu, yüksek ostenitleştirme sıcaklıklarında tane büyümesini engeller ve aşınma direncini arttırır. Bundan dolayı, yüksek vanadyum miktarlarında takımın parlatılabilirliği kötüleşir.
- Kobalt : Karbür teşkil edici elementlerin ostenitte çözülme kabiliyetlerini arttırır ve ayrıca sıcakta dayanımı, sıcakta sertliği, meneviş dayanıklılığını ve ısı iletme kabiliyetini yükseltir.
- Nikel : Sertleşme derinliğini iyileştirir ve taneyi inceltir. Nikel ilavesi, darbe ve çarpma zorlamalarıyla çalışan takımlarda sünekliliği arttırması bakımından özel önem taşır.
Malzemede form verme veya form değiştirme yapan takımlardan, abrasif aşınmaya karşı iyi bir direnç istenmesinin yanında, yeterli süneklilikte yüksek bir dayanım da beklenir. Yüksek sıcaklıkta şekillendirme için sıcak iş takım çelikleri kullanıldığında, bunlar hem mekanik zorlamaya karşı ve hem de termik zorlamaya karşı koymak zorundadırlar. İyi bir sıcakta sertlik ve sıcakta dayanım dışında, oksidasyon sonucu meydana gelen tufalleşmeye dayanım ile yanma ve sıcakta çatlamaya karşı hassasiyetle ifade edilen, yeterli düzeyde termik dayanıma sahip olmalıdırlar. Eğer takım, pres döküm kalıbı ve dövme kalıbı gibi, periyodik iş akışında çok fazla sıcaklık değişmelerine maruz kalıyorsa, yanma çatlakları teşekkül edebilir. Isıtılmış malzeme ile direkt temas eden takım yüzeyi, saniyenin çok altında bir süre içerisinde aniden ısınır ve genleşir. Takım malzemesinin içlerindeki daha soğuk tabakaların daha az genleşmesinden dolayı, basma gerilmeleri teşekkül eder, müteakip soğumada da çekme gerilmesi teşekkül ederek ters durum olur.