O1 Takım Çeliğinin Isıl İşlemine İlişkin Kapsamlı Kılavuz

Tahmini okuma süresi: 11 dakika

O1 takım çeliği Soğuk işleme uygulamalarında birincil bir malzemedir ve çeşitli kalıp ve takımların imalatında yaygın olarak kullanılır. "O" işareti, yağda sertleşen bir çelik olduğunu gösterir. O1 çeliğinin olağanüstü potansiyeli ancak ısıl işlemle tam olarak ortaya çıkarılabilir. Bir takımın nihai performansı ve hizmet ömrü tamamen, kullanılan malzemenin hassasiyetine bağlıdır. ısıl işlem Süreç kontrolü yetersizse, malzemenin özellikleri önemli ölçüde tehlikeye girecektir.

Optimum mekanik özelliklere ulaşmak için, O1'in ısıl işlem süreci dört ardışık kritik adıma kesinlikle uymalıdır:

1. Ön ısıtma:Malzemeyi daha sonraki yüksek sıcaklık ısıtmasına hazırlar ve termal stresi azaltır.
2. Austenitleştirme: Çeliğin iç yapısında bir dönüşüm meydana getirmek için kritik sıcaklığın üzerine ısıtma.
3. Söndürme: Genellikle yüksek sertliğe ulaşmak için yağda hızlı soğutma yapılır.
4. Temperleme: Sertliği ayarlamak, kırılganlığı gidermek ve tokluğu artırmak için daha düşük bir sıcaklığa tekrar ısıtma.

Tüm sürecin amacı, ısıtma süresi, sıcaklık ve soğutma ortamı gibi parametreleri hassas bir şekilde kontrol ederek O1 takım çeliği için ideal bir denge durumuna ulaşmaktır. Bu denge, çeliğin yüksek sertliğe, yüksek aşınma direncine ve zorlu soğuk çalışma ortamlarının taleplerini karşılayacak yeterli tokluğa sahip olmasını sağlar.

O1 Takım Çeliğinin Anlaşılması: Sınıflandırma, Bileşim ve Çekirdek Özellikleri

O1 takım çeliği (UNS numarası T31501), yağda sertleşen soğuk iş takım çeliği ailesinin bir üyesidir. Sektörde "iş gücü" veya "genel amaçlı" çelik olarak bilinir, kolayca bulunabilir ve nispeten ucuzdur.

Kimyasal Bileşim ve Performans Üzerindeki Etkisi

O1'in ideal performansı, yüksek karbon içeriği ve orta düzeyde alaşım elementlerinin hassas bir şekilde bir araya gelmesinden kaynaklanmaktadır.

• Karbon (C) – 0,85% ila 1,00%: Bu, O1 çeliğinin temel elementidir. Bu kadar yüksek karbon içeriği, söndürme işleminden sonra yüksek sertlikte martenzitik bir yapı geliştirme yeteneğinin temelini oluşturur.
• Manganez (Mn) – 1.00% - 1.40%: Manganez kritik bir rol oynar. Ostenit fazını etkili bir şekilde stabilize eder ve kritik dönüşüm sıcaklığını (A1) düşürür. Bu, O1 çeliğinin nispeten düşük sıcaklıklarda söndürme yoluyla sertleşmesine olanak tanır.
• Tungsten (W) ve Krom (Cr) – Her biri 0,40% ila 0,60%: Bu elementler öncelikle dayanıklılığı artırmak için kullanılır. Tungsten (W), çeliğin yüksek aşınma direncine ve keskin kesme kenarlarına katkıda bulunur. Krom (Cr) ayrıca sertleştirilebilirliği ve aşınma direncini önemli ölçüde artırır.
• Vanadyum (V) – tipik olarak 0,30%'ye kadar: Tamamlayıcı alaşım elementi olarak görev yapar.

Tipik Uygulamalar

O1 çeliği, normal sıcaklıklarda mükemmel aşınma direnci gösterir ve bu da onu aşağıdakiler dahil olmak üzere çeşitli soğuk iş kalıpları ve bileşenlerinin imalatı için son derece uygun hale getirir: Kesme kalıpları, Damgalama kalıpları, Çekme kalıpları, Şekillendirme kalıpları, Ölçü aletleri, Makine yolları, Plastik kalıplar, Kesme bıçakları ve Kesme kalıpları.

O1'in geniş uygulama yelpazesine rağmen, kesinlikle uyulması gereken iki önemli sınırlaması vardır:

1. O1 çeliği, yüksek sıcaklıklarda yumuşamaya karşı son derece düşük bir direnç gösterir. Takım, çalışma sırasında sürtünme veya diğer faktörler nedeniyle ısındığında, sertliğini hızla kaybeder. Uygulama alanı kesinlikle düşük sıcaklık (oda sıcaklığı) ortamlarıyla sınırlıdır. "Kırmızı sertlik"ten yoksundur.“
2. O1 çeliği ısıl işlem sırasında dekarbürizasyona ve çatlamaya eğilimlidir, bu da ısıl işlem sürecinin sıkı bir şekilde kontrol edilmesini gerektirir.

O1 Takım Çeliğini Doğru Şekilde Isıl İşlemden Geçirmenin Dört Adımı

Takım ve kalıpların nihai performansı ve kullanım ömrü tamamen ısıl işlem sürecinin hassasiyetine bağlıdır. O1 çeliğinin özellikleri, ön ısıtma, östenitleme, söndürme ve temperleme olmak üzere dört temel adımdan oluşan, sıkı bir şekilde kontrol edilen bir formülle elde edilmelidir.

Aşama 1: O1 Takım Çeliğinin Ön Isıtması

Amacı, sonraki yüksek sıcaklıktaki ostenitleme aşamasına hazırlık olarak iş parçası sıcaklığını güvenli bir şekilde yükseltmektir. Ön ısıtma sıcaklığı 1200°F (650°C) olup, iş parçası bu sıcaklıkta 10 ila 15 dakika veya tüm kesiti eşit şekilde ısınana kadar tutulur.

Ön Isıtmanın Dört Temel İşlevi:

1. Isıl Şoku Azaltır: Soğuk bir iş parçasının doğrudan yüksek sıcaklıktaki bir fırına yerleştirilmesi ciddi bir ısıl şoka neden olur. Ön ısıtma, aşırı bozulma veya çatlama riskini önemli ölçüde azaltır.
2. Gerilim Giderme: Ön ısıtma, işleme veya şekillendirme işlemleri sırasında oluşan iç gerilimlerin serbest bırakılmasına yardımcı olur.
3. Mikro Yapının Ön Hazırlığı: Bu adım çeliğin iç yapısını önceden ayarlayarak, sonraki söndürme adımları sırasında martenzite dönüşmesini kolaylaştırır.
4. Yüzey Etkilerini En Aza İndirir: Nötr olmayan atmosfere sahip fırınlarda ön ısıtma, iş parçası yüzeyinde oluşan dekarbürizasyon veya karbürizasyon derecesini azaltmaya yardımcı olur.

Uzun süreli bekletmelerden kesinlikle kaçının! O1 çeliği, 1200°F (650°C) ön ısıtma sıcaklığında çok uzun süre bekletilmemelidir; çünkü bu, moleküler yapıyı bozar ve nihai özellikleri olumsuz etkiler.

Küçük bir operasyonel ipucu: 650°C'ye kadar ısıtılmış bir fırına bir iş parçası yerleştirirken, soğumasını önlemek için önce iş parçasını fırının üst kısmına kısa bir süre yerleştirmeniz önerilir. Bu, termal şok riskini daha da azaltmak için ek bir önlem görevi görür.

Aşama 2: Austenitleme (Sertleştirme)

Bu, ikinci büyük ısıl işlem işlemidir. Çelik, iç yapısını homojen ostenite dönüştürmek ve karbürleri katı çözeltiye dönüştürmek için belirli bir sıcaklığa kadar ısıtılır.

O1 için önerilen östenitleme sıcaklığı 1500°F (815°C) olup, genel aralığı 760°C (1400°F) ile 870°C (1600°F) arasındadır. Tutma süresi, minimum kesit kalınlığının her bir inç'i için 5 dakika ek süre gerektirir. Örneğin, iş parçasının en ince kesiti 2 inç ise, tutma süresi 10 dakikadır. Yetersiz tutma süresi, alaşım elementlerinin yetersiz çözünmesine ve dolayısıyla homojen olmayan sertleşmeye neden olur. 1 inç'ten (25 mm) daha kalın iş parçaları için tutma süresi orantılı olarak artırılmalıdır.

Sıcaklığın kontrolü son derece önemlidir. Sıcaklık çok yüksekse, alaşım karbürlerinin aşırı çözünmesine neden olur. Bu durum, östenitte aşırı karbon içeriğine yol açarak martensit dönüşüm başlangıç (Ms) sıcaklığını düşürür ve nihayetinde sertleştirme sonrası kalan östenit miktarını artırır. Kalan östenit, çeliğin sertliğini ve boyut kararlılığını azaltır. Sıcaklık çok düşükse, iş parçası tamamen sertleşemeyebilir ve bu da çatlaklara yol açabilir.

Aşama 3: Söndürme - Yağ İhtiyacı

İstenilen sertlik ve sertleştirme derinliğine ulaşmak için, söndürme ortamı olarak yağ kullanılmalıdır. Söndürme yağı sıcaklığı 80°C'nin (176°F) altına düşmemeli ve iş parçasına düzgün bir ısı transferi sağlamak için yağ kuvvetlice çalkalanmalıdır. İş parçası, sıcaklığı 52°C ile 65°C (125-150°F) aralığına ulaşana kadar yağda soğutulmalı ve bu noktada yağdan çıkarılmalıdır. İş parçası 52°C ile 65°C'ye ulaştığında, hemen tavlama fırınına aktarılmalıdır. Söndürülmüş çelik son derece yüksek sertliğe (tipik olarak 64-65 HRC) ulaşır ancak aynı zamanda yüksek gerilime maruz kalır ve gevrektir. Gecikmeli tavlama, çeliği söndürme çatlağına karşı oldukça hassas hale getirir. Hemen tavlama kaçınılmazsa, tavlama beklenirken çeliğin 50°C ile 100°C arasında tutulması önerilir.

Ek bir teknik nokta da şudur ki, Çeliğin sertleşmesi (martensitik dönüşüm) aslında yaklaşık 205°C'nin (400°F) altındaki sıcaklıklarda gerçekleşir. İş parçası 205°C'nin üzerinde kalsa bile, hala nispeten yumuşaktır ve bu aşamada küçük düzeltme işlemleri yapılabilir.

Aşama 4: O1 Takım Çeliğinin Temperlenmesi

Temperleme, O1 takım çeliği için su verme işleminden sonraki son ısıl işlem adımıdır. Su verme, çeliği aşırı sertleştirirken, aynı zamanda tehlikeli bir yüksek gerilim ve kırılganlık durumuna da sokar. Temperlemenin temel amacı, çeliğin tokluğunu ve sünekliğini artırarak nihai boyut kararlılığını sağlarken bu kritik iç gerilimleri ortadan kaldırmaktır. O1 çeliğinin temperleme işlemi sırasında, temperleme sıcaklığı arttıkça sertlik sürekli olarak azalır.

O1 çeliği için en yaygın kullanılan tavlama sıcaklığı aralığı 149°C–232°C'dir (300°–450°F). Bu düşük sıcaklık aralığında tavlama, O1 çeliğinin çok yüksek sertliğini korurken tokluğunu önemli ölçüde artırmasını sağlar ve genellikle 62–63 HRC'ye ulaşır. 175°C (350°F), en yaygın olarak seçilen sıcaklık noktasıdır. Islatma Süresi, tam ısı penetrasyonunu sağlamak için yeterli olmalıdır. Her bir inç (25 mm) kesit kalınlığı için, tavlama sıcaklığında 2 saat bekletme gereklidir. Az tavlamadan kesinlikle kaçınılmalıdır. Tavlama bekletmesinden sonra, soğutma sırasında yeni kalıntı gerilimlerin oluşumunu en aza indirmek için iş parçasının durgun havada yavaşça soğutulması önerilir.

O1 takım çeliği genellikle yalnızca tek bir temperleme gerektirir. Ancak, tane boyutunu küçültme, aşınma direncini artırma veya daha kapsamlı bir gerilim giderme gibi metalurjik özellikleri en üst düzeye çıkarmak için bazen çift temperleme tercih edilir. Bu ikincil temperleme, tam mikroyapısal dönüşümü sağlamak ve mikroyapısal kararlılığı artırmak için biraz daha düşük bir sıcaklıkta veya esasen aynı sıcaklıkta gerçekleştirilebilir.

Temperleme sıcaklığı arttıkça, çeliğin oda sıcaklığındaki sertliği ve mukavemeti genellikle azalırken, sünekliği artar. O1 takım çeliği için, temperleme sonrası tipik sertlik değerleri şöyledir:¹:

Performans Özellikleri ve Arıza Önleme

O1 takım çeliğinde uygunsuz ısıl işlem prosedürleri, malzeme kusurları veya mantıksız takım tasarımı nedeniyle ortaya çıkabilecek potansiyel arıza risklerine karşı dikkatli olmalıyız.

Sertlik ve Mekanik Özellikler

O1 çeliği genellikle 56-62 HRC çalışma sertliği aralığına sahiptir. Yüksek sertliğe sahip olmasının yanı sıra, O1 çeliği özellikle aşağıdakilerle karşılaştırıldığında üstün mekanik özellikler gösterir: D2 takım çeliği:

1. Daha yüksek akma dayanımı: Çekme testinde O1, 829 MPa'lık bir çekme akma dayanımına ulaşarak, D2'nin 411 MPa'lık değerini önemli ölçüde aşmıştır.
2. İyi Süneklik: O1, kırılmadan önce "canlı bir boyunlanma" (kesit alanında 19,7% azalma) sergiler. Bu boyunlanma davranışı, malzemenin iyi süneklik ve tokluğunun açık bir göstergesidir. Buna karşılık, D2 neredeyse hiç boyunlanma göstermez ve sadece 1,3%'lik bir kesit alanı azalmasıyla kırılganlığını kanıtlar.

O serisi çelikler arasında O1 çeliği, 57-64 HRC arasındaki tipik çalışma sertliği aralığında en yüksek darbe tokluğuna sahiptir.

Bozulmanın Kontrolü ve Boyutsal Kararlılık

O1 takım çeliği, ısıl işlem sırasında orta düzeyde deformasyon riski taşır. Buna karşılık, suyla sertleşen çelik yüksek bir deformasyon riski taşırken, havada sertleşen çelik daha düşük bir risk sunar. O1 çeliğinde deformasyon riskini en aza indirmenin anahtarı, suyla söndürme yerine yağla söndürmedir.

Isıl işlem sırasında deformasyon, öncelikle termal stres ve faz dönüşüm stresinden kaynaklanır. Uygun ısıl işlem sıcaklığında yağda soğutulmuş O1 çeliği için beklenen boyut artışı, inç başına yaklaşık 0,0015 inçtir (milimetre başına 0,0015 milimetre). Örneğin, 100 milimetre uzunluğundaki bir O1 çeliği parçası, ısıl işlemden sonra yaklaşık 0,15 milimetre boyutunda artacaktır; bu da beklenen değişim miktarıdır.

O1 çeliğinde ısıl işlem sırasında deformasyon ve çatlama riskini en aza indirmek için aşağıdaki önlemler kritik öneme sahiptir:

1. Resmi yüksek sıcaklık söndürme işleminden önce, işleme sırasında oluşabilecek iç gerilmeleri etkili bir şekilde ortadan kaldırmak için uygun bir ön ısıtma çevrimi kullanılmalıdır.
2. Tasarım aşamasında, tasarımcılar kesinlikle kaçınmak İş parçasına, söndürme çatlakları ve deformasyon olasılığını önemli ölçüde artıran gerilim yoğunlaşma noktaları olarak hareket eden aşağıdaki özelliklerin dahil edilmesi:
   • Keskin kenarlar ve köşeler.
   • Kalın kesitlerin ince kesitlere yakınlığı.
   • Damga izleri.
   • Uygunsuz aralıklarla yerleştirilmiş delikler.
3. Hassas taşlama veya EDM gibi ısıl işlemden sonra kapsamlı bir işleme tabi tutulan iş parçaları için, ardından bir "gerilim giderme tavlama" şiddetle tavsiye edilir. Bunun nedeni, bu sonraki işlemlerin sertleştirilmiş malzemenin yüzeyine yeni gerilimler getirmesidir. Bu gerilim giderme tavlama sıcaklığı, sertliği önemli ölçüde düşürmeden yeni oluşan gerilimleri etkili bir şekilde gidermek için son (ana) tavlama sıcaklığından 14°C ila 28°C (25°F ila 50°F) daha düşük olmalıdır.

Dekarbürizasyon ve Çatlamanın Önlenmesi

Yüksek sıcaklıktaki işleme sırasında mutlak güvenliğin sağlanması için, dekarbürizasyonun önlenmesi ve “tavlanmamış martensit” oluşumunun engellenmesi esastır.

Dekarbürizasyon, yüksek sıcaklıklarda çelikten yüzey karbonunun kaybını ifade eder. Bu durum, iş parçası yüzeyinde "yumuşak bir tabaka" oluşumuna neden olarak, takımların uygulama sırasında hızlı aşınmaya maruz kalmasına neden olur. O1 çeliğinin genellikle yüksek dekarbürizasyon direncine sahip olduğu düşünülse de, ihtiyati bir önlem olarak, tavlama veya söndürme (sertleştirme) ısıtma işlemleri vakumlu fırınlar, koruyucu atmosferli fırınlar veya nötr tuz banyolu fırınlar gibi kontrollü nötr bir atmosfer altında gerçekleştirilmelidir.

Yeni söndürülmüş veya temperlenmemiş martensit oldukça kırılgandır. Bu yapı, soğutma sırasında kalan ostenitin dönüşümünden kaynaklanır. Temperleme, mikro yapıyı stabilize eder ve kırılganlığı önemli ölçüde azaltır.

İlgili bağlantılar

• O1 Takım Çeliği | 1.2510 | SKS3
• O1 takım çeliği ile D2 arasındaki farklar nelerdir?
• O1 Takım Çeliği: Bıçak Yapımında Sağlam Bir Seçim Mi?
• A2 ve O1 Takım Çeliği: Fabrikanızın İhtiyaçlarına Hangisi Uygun?
• O1 Çelik Sertliği

1. Leed, RM (Yayın yılı). Takım ve Kalıp Yapımı SORUN GİDERİCİ (s. 244). Üretim Mühendisleri Derneği. ↩︎