NS Çelik
Ürünler > Paslanmaz Çelikler
Normal alaşımsız ve az alaşımlı çelikler korozif etkilere karşı dayanıklı olmadıklarından, bu tür uygulamalar için genellikle paslanmaz çeliklerin kullanılması gerekir. Paslanmaz çeliklerin mükemmel korozyon dayanımları yanında, değişik mekanik özelliklere sahip türlerinin bulunması, düşük ve yüksek sıcaklıklarda kullanılabilmeleri, şekil verme kolaylığı, estetik görünümleri gibi özelliklere sahiptirler.
Paslanmaz çelikler bileşimlerinde en az %11 krom içeren bir çelik ailesidir. Bu çeliklerin yüksek korozyon dayanımını sağlayan unsur; içerdiği Cr, Si ve Al gibi elementler, oksijenle birleşerek yüzeye kuvvetle tutunmuş, yoğun, sünek, çok ince ve saydam bir oksit tabakasının bulunmasıdır. Çok ince olan bu amorf tabaka sayesinde paslanmaz çelikler kimyasal reaksiyonlara karşı pasif davranarak indirgeyici olmayan ortamlarda korozyona karşı dayanım kazanırlar. Söz konusu oksit tabakası, oksijen bulunana ortamlarda oluşur ve dış etkilere (aşınma, kesme veya talaşlı imalat vb.) bozulsa dahi kendini onararak eski özelliğine tekrar kavuşur.
Paslanmaz çeliklerde karbon %0,02 -1 arasında olabilir, düşük karbon miktarları daha tipiktir, yüksek oranlar martenzitik çeliklerde söz konusudur. Çünkü bu paslanmaz çeliklerde karbonun varlığında krom karbür oluşur ve genellikle tane sınırlarında krom karbür olarak çökelir, bu nedenle kafes içinde çözünmüş krom miktarı %12’lik sınırın altına düşebilir ve malzemenin korozyona dayanıklılık özelliği kaybolur. Dolayısıyla çelik bileşimindeki karbon yüzdesi yükseldikçe;
-
Krom miktarı artırılmalı veya
-
Karbür yapma eğilimi kromdan fazla olan elementler katılarak krom karbürün meydana gelmesi ve kafeste çözünmüş kromun azalması engellenmelidir. ( Stabilize etme)
Paslanmaz çeliklerde içyapıyı belirleyen en önemli alaşım elementleri önem sırasına göre krom, nikel, molibden ve mangandır. Bunlardan öncelikle krom ve nikel içyapının ferritik ve ostenitik olmasını belirler. Schaeffler Diyagramı çeşitli paslanmaz kalitelerinin bileşim açısından yerini gösterir.(Şekil 1)
Ferrit stabilizatörleri; ferrit faz alanını genişleten silikon, krom, molibden, vanadyum, niyobyum ve titanyum gibi karbür oluşturan metallerdir. Ostenit stabilizatörleri ise; ostenit faz alanını genişleten nikel, mangan karbon ve nitrojen gibi elementlerdir.
1. Paslanmaz Çeliklerin Üstünlükleri
Korozyon Dayanımı:
Bütün paslanmaz çeliklerin korozyon dayanımı yüksektir. Düşük alaşımlı türleri atmosferik korozyona, yüksek alaşımlı türleri ise asit, alkali çözeltileri ile klorür içeren ortamlara daha dayanıklıdır. Bu çelikler ayrıca yüksek sıcaklık ve basınçlarda da kullanılabilirler.
Yüksek ve Düşük Sıcaklıklar
Bazı paslanmaz çelik türlerinde, yüksek sıcaklıklarda dahi tufallanma ve malzemenin mekanik dayanımında önemli bir düşme görülmez. Bazı türleri ise çok düşük sıcaklıklarda dahi gevrekleşmezler ve tokluklarını korurlar.
İmalat Kolaylığı
Paslanmaz çeliklerin hemen hepsi kesme, kaynak, sıcak ve soğuk şekillendirme ve talaşlı imalat işlemleri ile kolaylıkla biçimlendirilebilirler.
Mekanik Dayanım
Paslanmaz çeliklerin büyük çoğunluğu soğuk şekillendirme ile pekleşir ve dayanımın artması sayesinde tasarımlarda malzeme kalınlıkları azaltılarak parça ağırlığı ve fiyatta önemli düşüşler sağlanabilir. Bazı türlerde ise ısıl işlemler ile malzemeye çok yüksek bir dayanım kazandırmak mümkündür.
Görünüm
Paslanmaz çeliklerin kolay temizlenebilir olması, bu malzemelerin hastane, mutfak, gıda ve ilaç sanayinde yaygın olarak kullanılmasını sağlar.
Uzun Ömür
Paslanmaz çelikler dayanıklı ve bakımı kolay malzemeler olduklarından, üretilen parçanın tüm kullanım ömrü dikkate alındığında ekonomik malzemelerdir.
1.2 Paslanmaz Çeliklerin Türleri
Paslanmaz çeliklerde kimyasal bileşim değiştirilerek farklı özelliklerde alaşımlar elde edilir. Krom miktarı yükseltilerek veya nikel ve molibden gibi alaşım elementleri katılarak korozyon dayanımı artırılabilir. Bunun dışında bakır, titanyum, alüminyum, silisyum, niyobyum, azot, kükürt ve selenyum gibi bazı elementlerle alaşımlama ile ilave olumlu etkiler sağlanabilir. Bu şekle makine tasarımcıları ve imalatçıları değişik kullanımlar için en uygun paslanmaz çeliği seçme şansına sahip olurlar. Paslanmaz çeliklerde içyapıyı belirleyen en önemli alaşım elementleri, önem sırasına göre krom, nikel, molibden ve mangandır. Bunlardan öncelikle krom ve nikel içyapının ferritik veya ostenitik olmasını belirler.
Paslanmaz çelikler 3 ana gruptan toplanırlar:
-
Ferritik
-
Martenzitik
-
Ostenitik
-
Bu gruplandırma malzemelerim içyapısına göre yapılmıştır. Bu gruplar içinde en yaygın olarak kullanılanlar ostenitik ve ferritik çelikler olup, bunların kullanımları tüm paslanmaz çelikler içinde %95’e ulaşır.
1.2.1 Ferritik Paslanmaz Çelikler
Ferritik çelikler hem oda sıcaklığına hem de daha yüksek sıcaklarda demir elementinin sahip olduğu hacim merkezi kübik kristal yapısına sahiptirler ve ostenit ferrit dönüşümü göstermezler. Dolayısıyla iç yapılarını ve mekanik özelliklerini ısıl işlemlerle etkilemek mümkün değildir. Tavlanmış halde akma gerilmeleri 275 ile 350 Mpa arasındadır. Düşük toklukları ve gevrekleşme hassasiyetleri nedeniyle, makine parçası olarak kullanımları özellikle kaynaklı montajlar ve kalın kesitler için sınırlıdır.
Atmosferik korozyona ve oksidasyona karşı olan dayanımları ise önemli avantajlarıdır. Ferritik çelikler manyetiktirler ve ısıl işlemlerle mekanik özellikleri değiştirilemediğinden iyi bir dayanıma sahip olmaları için ince taneli bir içyapı şarttır. Ferritik çelikler %10,5-30 arasında krom ve az miktarda karbon, azot ve nikel gibi ostenit yapıcı elementler ihtiva ederler. Kuvvetli ostenit yapıcı olan karbon belirli bir miktara ulaşınca kromun ferrit yapıcı etkisi ortadan kalkar, dolayısıyla perlitik veya martenzitik paslanmaz çelikler ortaya çıkar. Öte yandan karbon yüzdesi artırıldığı durumlarda ferritik içyapı isteniyorsa, krom yüzdesinin de artırılması gerekir. Ferritik çeliklerin kullanım yerleri tamamen krom miktarına bağlıdır. Bu bakımdan, başlıca üç ana gruba ayrılabilir:
-
Krom miktarı %11-13 arasında olanlar (405 ve 409 kaliteleri)
-
Krom miktarı yaklaşık %17 olanlar (430 ve 434 kaliteleri)
-
Yüksek kromlular %19-30 arasındalar ( süperferritikler 442 ve 446 kaliteleri)
Krom oranı düşük olan birinci grup orta derecede korozyon ve oksidasyon dayanımı yanında düşük fiyat ve iyi imalat özelliklerine sahiptir. Otomotiv ve egzoz parçalarında tercih edilen bu grup içinde en çok kullanılanı 409 kalitedir.
Orta derecede krom içeren ve otomotiv sac parçaları ve mutfak gereçleri yapımında kullanılan ikinci grup, düşük tokluk ve düşük kaynak kabiliyeti ile göze çarpar.
Yüksek kromlu üçüncü grup ise süperferritikler diye adlandırılırlar ve yüksek korozyon ve oksidasyon dayanımı gereken yerlerde tercih edilirler. Genellikle düşük karbon ve azot içeren bu alaşımlarda, gevrekleşme hassasiyetini azaltmak ve kaynaklı konstrüksiyon dayanımını artırmak amacıyla titanyum ve niyobyum gibi stabilizatör elementi katılır. Ayrıca alüminyum ve molibden de içerirler. Süperferritikler yerel korozyon söz konusu olduğundan ( örneğin suda çözünmüş klorüre karşı) ostenitik çeliklere kıyasla çok daha iyi bir dayanım gösterirler. Bundan dolayı buhar kazanları, ısı değiştiricileri, klorür taşıyan boru hatları ve deniz suyu uygulamalarında tercih edilirler.
Ferritik çelikler hacim merkezli kübik bir kafes yapısına sahip olduklarından, düşük sıcaklıklarda gevrek davranış gösterirler. Ayrıca yüksek sıcaklıklarda tutma süresine de bağlı olarak aşağıda açıklanan üç gevrekleşme olayı görülebilir:
-
400-500 °C arasında uzun süre kalmış veya yüksek sıcaklıktan yavaş soğutulmuş %15’ten fazla krom içeren paslanmaz çeliklerde çökelmelerin yol açtığı 475 °C gevrekleşmesi görülür. Bunu gidermek için gevrekleşmiş çelik 650-750 °C arasındaki bir sıcaklığa ısıtılıp hızla soğutulursa bu etki giderilmiş olur.
-
Çelikler 600-800 °C arasında uzun süre tutulursa yüksek kromlu ferritik ve bazı östenitik çeliklerde sigma ara fazı oluşabilir. Soğuk şekil verme bu dönüşümü kolaylaştırır. Sigma fazı 950 °C üzerinde yapılacak bir tavlama ve bunu izleyen su verme ile yok edilebilir.
-
950’nin üzerinde tane irileşmesi görülür ve tane sınırlarında krom karbür çökeltileri ortaya çıkar. Titanyum veya tantal/niyobyum gibi stabilizatörlerin katılmasıyla tane irileşmesi ile karbür oluşumu engellenebilir. Öte yandan stabilize edilmemiş çeliklerin özellikle kaynak bağlantılarında 700-800 °C arasında yapılacak bir tavlama, krom karbürleri küreleştirdiği gibi olası martenzit fazını da temperleyerek tokluğun daha fazla düşmesi önler. Ayrıca tane sınırları yakınındaki krom dağılımı yayınma ile bir miktar düzgünleştirilip, pasifik sınırına (%11) yeniden ulaşılmış olur.
Bu nendenle ferritik çeliklerde kaynak bağlantıları, ostenitik çeliklerden daha sorunlu olup, şu tedbirler alınması gerekir.
-
Başlangıç tokluğunu artırmak üzere 150-200 °C arasında ön ısıtma ve kaynak sonrası 700-800 °C sıcaklık aralığında uygulanacak bir tavlama yapılmalıdır.
-
Tane irileşmesini ve karbür çökelmesini önlemek için kaynak işleminde ısı girdisi düşük tutulmalıdır.
1.2.2 Ostenitik Paslanmaz Çelikler
Gerek kullanım, gerekse alaşım kalitelerinin çokluğu açısından en zengin grup ostenitik çeliklerdir. Manyetik olmayan bu çelikler hem oda sıcaklığında hem de yüksek sıcaklıklarda yüzey merkezle kübik kafese sahip ostenitik içyapılarını koruduklarından, normalleştirme ve sertleştirme ısıl işlemi yapılamaz. Tavlanmış halde süneklikleri, toklukları ve şekillendirilebilme kabiliyetleri düşük sıcaklıklarda bile mükemmeldir. Mukavemetleri ancak soğuk şekillendirme ile artırılabilirler. Ostenitik paslanmaz çelikler genellikle %16 ile %26 krom, %35’ e kadar nikel ve %20’ye kadar mangan içerirler. Nikel ve mangan temel ostenit oluşturuculardır.
2XX serisinde, en çok %7 nikel, %5 ile %20 arasında mangan bulunur ve azotun ostenit içinde çözünürlüğü sayesinde dayanım artırılabilir. Katı çözeltide bulunan kristal kusurların içine yerleşen azot, ostenit iç yapının mukavemetini artırır. 3XX serisi ise daha fazla nikel ve en çok %2 mangan içerir. 301 ve 304 kaliteleri en az alaşımlı olan türleridir ve 3XX serisinin temel alaşımları olarak kabul edilirler.
Mükemmel şekillendirilebilirliği, sünekliği ve yeterli korozyon dayanımı ile 304 kalite ostenitik çelik en yaygın olarak kullanılan paslanmaz çeliktir. Tavlamış 3XX serisi çeliklerin akma dayanımı 200-275 MPa arasında iken yüksek azotlu 2XX serisinde akma dayanımı 500 MPa değerine kadar yükselir.
Bu çeliklerde korozyonu önlemek için gerekli olan kromun ferrit yapıcı etkisi, ostenit yapıcı alaşım elementleri katılarak giderilir. 304 kalite çeliklere molibden katılarak 316 ve 317 kaliteleri üretilir ve klorürlü ortamda noktasal korozyona dayanım sağlar. 309 ve 310 kaliteleri gibi yüksek kromlu alaşımlar yüksek sıcaklıklarda ve oksitleyici ortamlarda kullanılır. Yüksek oranda nikelli alaşımlar ise indirgeyici asidik ortamlarda tercih edilir. Ancak bu amaçla, kuvvetli bir ostenit yapıcı olmasına karşın karbon miktarı artırılamaz, çünkü bu element karbür oluşturarak korozyon dayanımını zayıflatır. Bunu yerine aynı zamanda oksitleyici ve indirgeyici asitlere de dayanıklı olan nikelden yararlanılır. Yüksek oranda nikel, yakalış %6 azot ve %20 azot içeren alaşımlara Süperostenitikler de denir. 321 ve 347 kalitelerde karbonu stabilize etmek için ve dolayısıyla yüksek sıcaklıkta tanelerarası korozyonu önlemek amacıyla titanyum ve niyobyum eklenir. ‘L’ ve ‘S’ uzantılı alaşımlarda ( 304L, 309S) tanelerarası korozyonu önlemek için karbon oranını düşük tutma yoluna gidilmiştir.
Ostenitik paslanmaz çeliklerde mukavemeti artırmak için genellikle soğuk şekillendirmeden yararlanılır. Bu çeliklerde pekleşme, ferritiklerden daha fazladır. Bu arada şekil değiştirme martenziti de oluşabilir ve malzeme manyetiklik kazanır. Mukavemeti artırmak için bir diğer yol da alaşımlama yapmaktır. Bu açıdan karbon ve azot en etkili elementlerdir.
Ostenit fazı içeren çeliklerde en büyük sorun, krom karbür çökelmesidir. Kritik sıcaklıklar olarak nitelenen 400 ile 850°C arasında yüksek enerjili tane sınırları boyunca ayrışarak yan yana dizilen kromca zengin karbürler, malzemenin korozif ortamlarda bulunması halinde tanelerarası korozyona ve tane ayrılmasına yol açar. Bunun nedeni karbür bünyesine geçen krom nedeniyle, katı çözeltideki krom miktarının korozyona dayanıklık sınırının <%12 altına düşmesidir.
Bunu engellemek için;
-
Çeliğe stabilizatörler katılarak, iç yapı kararlı hale getirilir. Bunlar, karbon ilgileri kromunkinden fazla olan titanyum, tantal ve niyobyum gibi elementlerdir. Bu sayede karbon, yüksek sıcaklıklarda dahi krom-karbür oluşturmayacak şekilde bağlanır.
-
ELC (extra low carbon-çok düşük karbonlu) çelikler kullanılabilir. Ostenitik çeliklerde 650°C sıcaklıkta çözünebilen karbon miktarı yaklaşık %0.05’tir. karbon miktarı bu değerden daha az olursa çözünen karbon, karbür oluşturamaz.
Çözme tavı uygulanabilir. 1050-1150°C arasında tavlayarak çökelmiş karbürler çözündürülür. Hızlı soğutularak yeniden çökelme önlenir.
1.2.3 Martenzit Paslanmaz Çelik
Martenzitik çelikler, yüksek sıcaklıklarda sahip oldukları yüzey merkezli kübik kafese sahip ostenitin hızlı soğutması sonucu hacim merkezli tetragonal kafese sahip martenzit yapıya dönüşümü ile elde edilir. Bu çeliklerin iç yapısında tavlanmış halde yumuşak ferritik faz da bulunur. Bu gruptaki çeliklerin %16 ile %18 krom içeren 440A, 440B ve 440C kaliteleri dışında, en çok %14 krom içerirler. Bunun yanında, %0.60 ile %1.20 oranında yüksek karbon içeren 440 serisi dışında karbon miktarları düşük veya orta derecededir. Krom ve karbon miktarları martenzit oluşumunu sağlayacak şekilde dengelenir. Temperleme özelliklerini ayarlamak üzere niyobyum, silikon, volfram ve vanadyum ilave edilebilir. Tokluğu ve bazı ortamlarda korozyon dayanımını iyileştirmek için ise az miktarda nikel eklenir.
İstenen iç yapı ve özellikleri elde etmek için martenzitik çaliklerin alaşım çeliklerine benzer biçimde ısıl işleme (yani ostenitleme, su verme ve temperleme) tabi tutulmaları gerekir. Ostenitleme sıcaklığı çeliğin türüne göre 950-1050°C arasındadır. Bu sıcaklıktan çeliğe su verilirse martenzitik bir içyapı elde edilir. Su verme ve temperleme sonrası mekanik özellikler temelde karbon miktarına bağlıdır.
Elde edilen sertlik ve mukavemet, karbon yüzdesi ile birlikte artar. Bilişimdeki krom miktarı %16 ve karbon miktarı %0.6-%1.1 olan çelikler 60 HRC sertlik ve 1900MPa akma dayanımı gösterebilirler. Bu çeliklerin sertliğinin yüksek oluşu, aşınma dayanımını da iyileştirebilir. %1.1 karbon içeren 440C kalitesi mükemmel aşınma dayanımı gösterirken, %0.1 karbon içeren 410 kalitenin aşınma dayanımı düşüktür.
Korozyon dayanımını ve tokluğunu artırmak için alaşıma molibden ve nikel eklenir. Nikel içeren martenzitik çeliklerde karbonun görevini nikel üstlenir. Bu şekilde karbonun bazı olumsuz etkileri (karbür çökeltileri, aşırı sertlik gibi) ortadan kaldırılabilir. Nikel aynı zamanda yüksek miktarda kromun etkisini dengeleyerek içyapıyı serbest ferritlerden korur. Ayrıca sertleştirme kabiliyeti ve su verme derinliği arttığından, iri parçalara da ıslah işlemleri uygulanabilir. Molibden ve nikel ilavesi, su verme sonrasında martenzite dönüşmemiş artık ostenitlerin oluşmasını önlemek için sınırlı tutulmak zorundadır. Bu nedenle korozyon dayanımı ancak orta düzeyde kalır.
Martenzitik çelikler yüksek çekme, sürünme ve yorulma dayanımı gerektiren, orta derecede korozif ve en çok 650°C’a kadar sıcaklıktaki uygulamalarda tercih edilirler. Örnek olarak düşük ve orta miktardaki karbon içeren 410 kalite çelik ve türevleri, buhar ve gaz türbinlerinde ve jet motorlarında kullanılır. 420 ve benzeri alaşımlar bıçak ve diğer kesici aletlerde, vana parçalarında, dişli, rulman ve millerde tercih edilirler. Martenzitik çelikler petrol ve petrokimya makine teçhizatında da kullanılır. 420 kaliteye ek olarak, 440 ve benzeri alaşımlar cerrahi ve dişçilik aletlerinin, makas, yay, kam ve rulman bilyalarının en çok tercih edilen malzemeleridir.
Ürün tipine bağlı olarak martenzitik çelikler tavlanmış veya ıslah edilmiş durumda pazara sunulur. Tavlanmış olarak alınan ürünler şekil verdikten sonra ıslah işlemine (su verme+temperleme) tabi tutulur. Temperleme sıcaklığı değiştirilerek değişik özellik kombinasyonları elde edilir. En iyi korozyon dayanımını elde etmek için tavsiye edilen ısıl işlem sıcaklıklarına tam olarak uyulması çok önemlidir.
Az alaşımlı ve alaşımsız çelikler ortama bağlı olarak hızla paslanır veya kimyasal aşınmaya uğrarlar. Tahribattan ve paslanmadan korunmak amaçlı boyar maddeler kullanılması veya ilave önlemler istenen korumayı sağlayamayabilir. 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 film 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 çelikleri
-
Krom-nikel çelikler
-
Krom-mangan çelikleri
-
Çok fazlı çelikler
Krom çeliklerin korozyon dayanımı, birinci planda krom miktarına bağlıdır. Genellikle %13-17 arasında krom içerirler.
Krom-nikel çelikler %13-21 krom, %5-20 nikl ve %0,02-0,16 arasında karbon içerirler. Nikel ilavesiyle korozyon dayanımları daha fazlaşır.
Krom-mangan çelikler; krom-nikel çeliklerinin kullanımına paralel olarak özel durumlarda kullanılabilirler. X 12 MnCr18 12 çeliği -180 °C’ye kadar olan sıcaklıklarda kullanılabilir.