Paslanmaz Çelik Mekanizması ve Sınıflandırılması

Temel mantık, Cr (Krom) elementinin havada bulunan oksijen ile temas sonucunda Cr2O3 yapıda bir pasivasyon katmanı oluşturmasına dayalıdır.

Pasivasyon tabakası, ana bünye metalini diğer temaslı korozif maddelerden korur.

Pasivasyon özelliğine katkı sağlayan diğer elementler ise Ni, Mo, Ti (Nikel, Molibden, Titanyum) olarak sıralanabilir. Toplamda 200'ün üzerinde paslanmaz çelik kalitesi bulunmasına rağmen bunların sadece %10'u yaygın olarak uygulamalarda kullanılmaktadır.

Özellikle estetik açıdan son derece göz alıcı sonuçlar sunabilen paslanmaz çelikler, rulo, plaka/sac, tel, çubuk, altıköşe, lama, köşebent gibi formlarda bulunabilir.

Özellikle mikroyapı, günümüz Metalurjistleri / Metalurji ve Malzeme Mühendisleri için proje dizayn, süreç tasarımı ve malzeme tasarımı için son derece önem arz etmektedir.

Paslanmaz çeliklerin, mükemmel korozyon dayanımlarının yanı sıra, değişlik mekanik özelliklere sahip türleri mevcuttur. İçeriğine, Karbon (C), Nikel (Ni), Molibden (Mo), Sülfür (S), Titanyum (Ti), Bakır (Cu), Vanadyum (V), Niobyum (Nb), Nitrojen (N), Wolfram (W), Mangan (Mn) gibi elementler eklenerek veya çıkarılarak özellikleri değiştirilmektedir.

Krom (Cr) paslanmaz çeliklerde korozyon direncini sağlayan başroldeki elementtir. Ferrit dengeleyici bir metaldir, bu nedenle oda sıcaklıklarında yalın Fe-Cr alaşımları (%20 Cr) değerine dek hep ferritli bir iç yapıya sahiptir. Krom (Cr) %20 Cr değerini aşınca sigma evresi baş gösterir. Krom (Cr) kuvvetli bir karbür oluşturucudur. 

Karbon (C) östenit dengeleyici bir elementtir. Akma dayanımı (yield strength) ve Çekme dayanımını (tensile strength) arttırarak paslanmaz çelik malzemeye sertlik ve dayanıklılık katar. 

Nikel (Ni) östenit dengeleyici bir elementtir. Nikel (Ni) %8'e ulaştığında östenit bölgesi iyice genişler ve iç yapı östenitli kalır. Korozyon ve oksidasyon direncini çok arttırır. Yüksek veya düşük ısılarda mukavemeti ve darbe dayanımını arttırır. 

Silisyum (Si) oksitlenme direncini arttırır, ısıya dayanıklı kalitelerde mutlaka katılır, ferrit dengeleyici bir elementtir.

Alüminyum (Al) da ısıya dayanıklı alaşımlarda kullanılır ve Silisyum'un (Si) etkisini güçlendirir.

Molibden (Mo) asitli ve klorür ortamlarda paslanmaz çeliğin pasivite'sini (edilgenlik) güçlendirir ve korozyon direncini arttırır. 

Wolfram (W) bir ferrit dengeleyici ve karbür oluşturucudur. Malzemenin mekanik özelliklerini arttırmak için alaşıma eklenirler. 

Titanyum (Ti) ve Niobyum (Nb) çok dengeli karbürler oluştururlar, östenitli paslanmaz çeliklere duyarlılaşmayı önlemek için katılırlar.

Mangan (Mn) da Nikel (Ni) gibi östenit dengeleyici bir elementtir. Paslanmaz çeliğin mukavemetini ve dayanıklılığını arttırır. Bazı kalitelerde maliyeti düşürme adına Nikel (Ni) azaltıldığında onun yerine geçer.

Nitrojen (N) temelde östenit dengeleyici bir elementtir ve etkisi Karbon (C) gibidir. Maliyeti düşürme adına bazı östenitli paslanmaz çeliklerde Nikel (Ni) azaltıldığında onun yerine geçer.

Bakır (Cu) zayıf bir östenit dengeleyicidir. Bazı ortamlarda korozyon direncini arttırmak için östenitli paslanmaz çeliklerin bileşimine katılır.

Sülfür (S) paslanmaz çeliklerin işlenebilirliğini arttırmak için eklenir. Fakat korozyon direncini ve kaynaklanma kabiliyetini düşürür.

Paslanmaz Çelikler mikroyapılarına göre sınıflandırılırlar.

1. Östenitik Paslanmaz Çelikler
Dünyadaki paslanmaz çelik üretiminin %60'ını teşkil etmektedir. Maksimum 0,15% C (Karbon), minimum 16% Cr (Krom) ve östenitik faz yapısını kararlı kılabilmek adına yeterli miktarlarda Ni ve Mn (Nikel ve Mangan) içerirler. En bilinen kalite AISI 304'tür.

Faz yapıları itibarıyla manyetik değildirler. Isıl işlem alamazlar.

Yüksek süneklik özelliği gösterirler ve haddeleme işlemleri ile sertleştirilebilirler. Korozyon dayanımları mükemmeldir, işlenebilirler ve kaynaklanabilirler.

FCC (Face Centered Cubic) yapıdadırlar.

Kullanım alanları itibarıyla keskin sınırlar çizebilmek mümkün değildir. Beyaz eşya gibi dayanıklı tüketim sektöründen, petrokimya endüstrisine kadar kullanılmaktadır.

Süper-östenitik paslanmaz çelikler ise yüksek alaşım kompozisyonundan ötürü çok yüksek maliyetlere çıkmaktadır.

Östenitik:AISI 303 (1.4305), AISI 304 (1.4301), AISI 304L (1.4307), AISI 316 (1.4401), AISI 316L (1.4404), AISI 316Ti (1.4571), AISI 321 (1.4541), AISI 310/310S (1.4845), AISI 316LMo (1.4435)

Süper Östenitik: AISI 904L (1.4439)

2. Ferritik Paslanmaz Çelikler
Ferritik paslanmaz çelikler genelde Ni (Nikel) içermeyip yüksek krom içeren (%10,5 ile %30 arasında), molibden, titanyum vanadyum gibi karbür yapıcı ve ferritik yapıyı istikrarlı kılan alaşım elementleri içeren bir paslanmaz çelik grubudur.

Genelde içerdikleri yüksek krom oranı, ferritik paslanmaz çeliklere çok yüksek bir korozyon direnci sağlar. Daha çok yakın akrabaları olan karbon çeliklerin özelliklerine yakın mekanik ve fiziksel özelliklere sahip olan ferritik paslanmaz çelikler, östenitiklerin tersine manyetiktirler, düşük karbon içerikleri nedeniyle ısıl işleme tabii tutulamazlar ve kolayca haddelenebilirler.

Bu tür çeliklere tek uygulanabilen ısıl işlem tavlama işlemidir. Son zamanlarda alaşım elementlerinde, özellikle nikelde, yaşanan aşırı fiyat yükselişi ve değişkenliği, ferritiklerin geliştirilmesine hız kazandırmış olup, düşük maliyetle östenitikler kadar korozyona dayanımlı yeni, geniş bir kullanım alanına sahip ve maliyeti çok daha düşük ferritik kaliteler de geliştirilmiştir.

En yaygın olarak bilinen ferritik kaliteler 430 ve 442 ‘dir.

Ferritiklerin yapıları BCC ‘dir. (Body-Centered Cubic)

Aşağıda a) 409 ve b) 439 kalite ferritik paslanmaz çeliklere ait mikroyapı gösterilmiştir.

3. Martenzitik Paslanmaz Çelikler
Martensitik paslanmaz çelikler, ferritik çeliklere benzeyen yapılarıyla, düşük alaşım – yüksek mukavemetli çeliklere veya karbon çeliklerine benzerler. Fakat içerdiği fazladan karbon ilavesi nedeniyle, karbon çelikleri gibi ısıl işlemle sertleştirilip, mukavemeti artırılabilir. Temel alaşım elementleri: %12 ile %15 arası krom, %0,2 ile %1,0 arası molibden ve %0,1 ile %1,2 arasında karbon ‘dur. Birkaç martensitik kalite haricinde içeriğinde nikel bulunmaz. Yukarda bir mikroyapı örneği görülen martensitik paslanmaz çelikler manyetiktirler. Artan karbon oranına bağlı olarak, sertleştirilebilirlikleri ve mukavemetleri artarken, toklukları ve süneklikleri azalır. Yüksek karbon oranına ve diğer alaşım elementlerine bağlı olarak, 60 HRC ‘ye kadar ısıl işlemle sertleştirilebilirler. Menevişleme veya temperleme olarak adlandırılan ısıl işlem sonrası stres giderme işleminden sonra, en uygun korozyon dayanımına ulaşılır. Ferritik ve östenitik kalitelerle karşılaştırıldığında korozyona dayanım özelliği martensitik kalitelerin biraz düşüktür. İşlenebilirlik ve şekillenebilirlik özellikleri yüksektir. İçerdikleri alaşım elementlerine ve oranlarına bağlı olarak yapılarında az miktarda kalan-östenit yapı olabilir. Martensitik çelikler özellikle mukavemetin ve mekanik aşınmaya karşı direncin, korozyona karşı dirençle birlikte istenildiği alanlarda çok başarıyla uygulanabilir. Takım çeliği olarak da kullanılır. Uygulama alanı çok geniştir.

4. Dubleks Paslanmaz Çelikler
Dubleks paslanmaz çelikler, ferritik ve östenitik paslanmaz çelik tanelerinden oluşan iki fazlı bir mikro yapıya sahip oldukları için “dubleks” olarak adlandırılır. Dubleks paslanmaz çelik eritildiğinde sıvı fazdan tamamen ferritik bir yapıya doğru katılaşma gösterir. Materyal oda sıcaklığına soğudukça, ferritik tanelerin yaklaşık yarısı östenitik tanelere dönüşür. Sonuç olarak, dubleks paslanmaz çelik kabaca %50 östenit ve %50 ferritik bir mikro yapıdır.
 

5. Çökelme ile Sertleştirilmiş Paslanmaz Çelikler

Çökelme sertleşmeli paslanmaz çelikler  bakır, molibden, niobyum, titanyum ve alüminyum gibi alaşım elementleri içeren, bu elementlerin bir veya birkaçının etkisi ile çökelme sertleşmesi gösteren Fe-Cr-Ni’ li paslanmaz çelikler ailesinin bir grubudur.
Çökelme sertleşmesi, prensip olarak alaşımı çözeltiye alma tavından sonra uygulanan hızlı soğumayı takip eden bir yaşlandırma işlemidir. Yukarıda belirtilen ve çeliğin içinde bulunan alaşım elementleri çözeltiye alma tavlaması sırasında çözünürler ve yaşlandırma işlemi sırasında da çok küçük zerrecikler halinde çökelerek matrisin sertlik ve mukavemetini artırırlar. Bu işlem sonucu çelik, martenzitik paslanmaz çeliklerin mekanik özelliklerine ve 304 serisi ostenitik paslanmaz çeliklerin korozyon direncine sahip olabilmektedir. Bu tür çeliklerin üretimde sahip olabildikleri en önemli üstünlük, normalize halde kolaylıkla işlenip biçimlendirildikten sonra 480-600oC’ de bir ısıl işlem uygulanarak mekanik özelliklerinin geliştirilmesidir. Mukavemetleri yaklaşık 1700MPa’ a kadar çıkabilmekte ve böylece, martenzitik paslanmaz çeliklerin mukavemetlerinin üzerinde değerlere ulaşılabilmektedir.

Çökelme sertleşmeli paslanmaz çelikler, çözeltiye alma tavlamasından sonraki işlemler sonucu çeliğin yapısal değişimine ve özelliklerine bağlı olarak üç türde gruplanır. Bunlar; martenzitik çökelme sertleşmeli paslanmaz çelikler, yarı-ostenitik çökelme sertleşmeli paslanmaz çelikler ve ostenitik çökelme sertleşmeli paslanmaz çeliklerdir.

 Günümüzde üretilen çökelme sertleşmeli paslanmaz çelikler, yüksek hızlı uçakların dış yüzeylerinde, füze gövdelerinde, deniz taşıtlarında, yakıt tanklarında, uçakların iniş takımlarında, pompalarda, millerde, somun, cıvata, kesici aletler ve kavramalarda yaygın bir uygulama alanına sahiptir (Tülbentçi ve ark.,1993).