Aynı demirden yola çıkan iki çelik birbirinden çok farklı olabilir. Biri yumuşak bir inşaat profilidir, diğeri saatlerce kızgın halde metal kesen bir torna kalemi. Biri birkaç ayda paslanır, diğeri mutfakta yıllarca parlak kalır. Bu farkı yaratan, çeliğin içindeki alaşım ve katkı elementleridir.
Bu yazıda alaşım elementleri çeliğin özelliklerini nasıl değiştirir, krom, nikel, molibden, mangan ve vanadyum ne işe yarar ve fosfor, kükürt, azot, hidrojen gibi elementler çeliği nasıl etkiler sorularını ele alıyoruz.
Alaşım Elementi ve Katkı Elementi Nedir?
Çeliklerin ve dökme demir malzemelerin özellikleri büyük ölçüde içlerindeki elementlere bağlıdır. Bu elementler iki gruba ayrılır:
- Alaşım elementleri: Belirli bir özelliği kazandırmak için çeliğe bilerek katılan elementlerdir. Krom, nikel, molibden, vanadyum, volfram ve kobalt bu gruptadır.
- Katkı (eşlik eden) elementler: Hammaddelerden ya da üretim sürecinden gelen ve çeliğin içinde istenerek ya da istenmeden bulunan elementlerdir. Fosfor, kükürt, azot ve hidrojen bu gruptadır. Bu elementler özellikle alaşımsız çelikleri etkiler.
Alaşım elementlerinin bir kısmı (örneğin krom ve volfram) karbonla birleşerek sert karbürler oluşturur. Bu karbürler sayesinde çeliğin aşınma dayanımı gibi özellikleri iyileşir. Krom ise ayrıca çeliğe korozyon dayanımı kazandırır.
Metal Alaşım Elementlerinin Çeliğe Etkisi
Krom (Cr)
Krom, en çok kullanılan alaşım elementidir.
Artırdığı özellikler: Çekme dayanımı ve sertlik, Isıya dayanıklılık, Aşınma dayanımı, Korozyon dayanımı
Düşürdüğü özellik: Uzama (az ölçüde)
Çeliğe yaklaşık %12’nin üzerinde krom katıldığında yüzeyde ince ve kendini yenileyen bir krom oksit tabakası oluşur. Bu tabaka çeliği paslanmaz yapar. Bütün paslanmaz çeliklerin temel alaşım elementi kromdur.
Örnek: X5CrNi18-10. %18 krom ve %10 nikel içeren klasik paslanmaz çeliktir (304 kalite olarak da bilinir).
Nikel (Ni)
Artırdığı özellikler: Dayanım, Tokluk (özellikle düşük sıcaklıklarda), Tam kesit sertleşebilirlik Korozyon dayanımı
Düşürdüğü özellik: Isıl genleşme
Nikel, krom ile birlikte kullanıldığında paslanmaz çeliğin östenitik (manyetik olmayan, çok iyi şekillendirilebilen) yapıda kalmasını sağlar. Isıl genleşmeyi düşürme özelliği sayesinde yüksek nikelli alaşımlar ölçü kararlılığı gereken yerlerde kullanılır.
Örnek: Küresel grafitli östenitik dökme demirler (nikel ve krom alaşımlı) korozyon ve ısıya dayanıklı döküm parçalarda kullanılır.
Mangan (Mn)
Artırdığı özellikler: Çekme dayanımı, Tam kesit sertleşebilirlik, Tokluk (mangan oranı düşükken)
Düşürdüğü özellikler: Talaşlı işlenebilirlik, Soğuk şekillendirilebilirlik, Dökme demirde grafit ayrışması
Mangan neredeyse her çelikte bulunur. Çelik üretiminde kükürdü bağlayarak zararlı etkisini azaltır. Yüksek manganlı çelikler darbe altında yüzeyde sertleşir ve aşınmaya çok dayanıklı hale gelir.
Örnek: 28Mn6. Dövme parçalarda kullanılan bir ıslah çeliğidir.
Molibden (Mo)
Artırdığı özellikler: Çekme dayanımı, Sıcakta dayanım, Kesme (keskinlik) dayanımı, Tam kesit sertleşebilirlik
Düşürdüğü özellikler: Meneviş gevrekliği. Dövülebilirlik (molibden oranı yüksekse)
Molibden, krom-nikel çeliklerinde menevişleme sırasında görülen gevrekleşmeyi önler. Paslanmaz çeliklere katıldığında çukur (pitting) korozyonuna karşı dayanımı artırır.
Örnek: 56NiCrMoV7. Ekstrüzyon (akışlı presleme) malafaları gibi sıcak iş takımlarında kullanılan sıcak iş çeliğidir.
Vanadyum (V)
Artırdığı özellikler: Sürekli (yorulma) dayanım, Sertlik, Sıcakta dayanım
Düşürdüğü özellik: Aşırı ısınmaya karşı duyarlılık
Vanadyum çok ince ve sert karbürler oluşturur ve tane büyümesini engeller. Bu sayede çelik, sertleştirme sırasında biraz fazla ısıtılsa bile iri taneli ve gevrek hale gelmez.
Örnek: 115CrV3. Kılavuz gibi takımlarda kullanılan bir takım çeliğidir.
Volfram (W)
Artırdığı özellikler: Çekme dayanımı ve sertlik, Sıcakta dayanım, Kesme dayanımı (keskinliğini koruma)
Düşürdüğü özellikler: Uzama, Talaşlı işlenebilirlik
Volfram çok sert ve ısıya dayanıklı karbürler oluşturur. Bu yüzden yüksek hız çeliklerinin temel elementlerinden biridir. Volframlı takımlar kesme sırasında kızarsa bile keskinliğini korur.
Örnek: HS6-5-2. %6 volfram, %5 molibden ve %2 vanadyum içeren yüksek hız çeliğidir (HSS). Broş takımları ve matkaplar gibi kesici takımlarda kullanılır.
Kobalt (Co)
Artırdığı özellikler: Sertlik, Kesme dayanımı, Sıcakta dayanım
Düşürdüğü özellik: Yüksek sıcaklıklarda tane büyümesi
Kobalt, kesici takımın yüksek sıcaklıklarda sertliğini korumasını sağlar.
Örnek: HS10-4-3-10. %10 volfram, %4 molibden, %3 vanadyum ve %10 kobalt içeren yüksek hız çeliğidir. Ağır şartlarda çalışan torna kalemlerinde kullanılır.
Alüminyum (Al)
Artırdığı özellikler: Yüksek sıcaklıkta tufallanma (pullanma) dayanımı, Nitrürleme ile elde edilen yüzey sertliği
Alüminyum, azotla birleşerek çok sert nitrürler oluşturur. Bu yüzden nitrürleme çeliklerinin önemli bir elementidir. Ayrıca çelik üretiminde sıvı çelikteki oksijeni bağlayan bir deoksidasyon maddesi olarak kullanılır.
Örnek: 34CrAlMo5. Bir nitrürleme çeliğidir.
Metal Olmayan Elementlerin Çeliğe Etkisi
Karbon (C)
Karbon, çeliğin en önemli elementidir. Çeliği demirden ayıran ve sertleştirilebilir yapan karbondur.
Artırdığı özellikler: Dayanım ve sertlik (en yüksek sertlik yaklaşık %0,9 C civarında elde edilir), Sertleşebilirlik
Düşürdüğü özellikler: Ergime sıcaklığı, Uzama (süneklik), Kaynak kabiliyeti, Dövülebilirlik
Örnek: C60. Yaklaşık 800 N/mm² çekme dayanımına sahip alaşımsız bir ıslah çeliğidir.
Silisyum (Si)
Artırdığı özellikler: Çekme dayanımı, Akma sınırı (elastikiyet), Tufallanma ve korozyon dayanımı
Düşürdüğü özellikler: Kopma uzaması ve çentik darbe tokluğu, Derin çekme kabiliyeti, Kaynak kabiliyeti, Talaşlı işlenebilirlik
Silisyum akma sınırını belirgin şekilde yükselttiği için yay çeliklerinin temel elementidir.
Örnek: 60SiCr7. Yaklaşık 1600 N/mm² çekme dayanımına ulaşabilen bir yay çeliğidir.
Kükürt (S)
Artırdığı özellik: Talaşlı işlenebilirlik
Düşürdüğü özellikler: Çentik darbe tokluğu, Kaynak kabiliyeti
Kükürt genellikle istenmeyen bir elementtir, çünkü çeliği gevrekleştirir. Ancak otomat çeliklerinde bilerek katılır. Kükürt, mangan ile birleşerek talaşın kısa kırılmasını sağlayan sülfürler oluşturur. Kurşun da aynı amaçla otomat çeliklerine katılır.
Örnek: 10SPb20 (güncel gösterimle 10SPb20 ya da 11SMnPb30 benzeri). Kükürtlü ve kurşunlu otomat çeliğidir.
Fosfor (P)
Artırdığı özellikler: Çekme dayanımı, Sıcakta dayanım, Korozyon dayanımı
Düşürdüğü özellikler: Çentik darbe tokluğu, Kaynak kabiliyeti
Fosfor, çelik ve dökme demir eriyiklerini daha akıcı yapar. Bu dökümde bir avantajdır. Ancak çeliği özellikle düşük sıcaklıklarda gevrek yaptığı için çoğu çelikte fosfor oranı mümkün olduğunca düşük tutulur.
Azot (N)
Etkisi: Gevrekleşme
Düşürdüğü özellikler: Yaşlanma dayanımı, Derin çekme kabiliyeti
Azot, alaşımsız çeliklerde zamanla yaşlanma denen bir gevrekleşmeye yol açar. Derin çekme sacları için bu yüzden azot oranı düşük tutulur. Buna karşılık nitrürlemede azot yalnızca yüzeye verilerek çok sert bir yüzey tabakası elde edilir.
Hidrojen (H)
Etkisi: Gevrekleşme (hidrojen gevrekliği)
Düşürdüğü özellik: Tokluk
Hidrojen, çeliğin içinde çok küçük çatlaklara ve ani kırılmalara neden olabilir. Bu yüzden çelik üretimi sırasında, örneğin vakum işlemiyle, çelikten uzaklaştırılır.
Alaşım Elementlerinin Çeliğe Etkisi Tablosu
| Element | Artırdığı özellikler | Düşürdüğü özellikler | Örnek çelik |
|---|---|---|---|
| Krom (Cr) | Dayanım, sertlik, ısı ve aşınma dayanımı, korozyon dayanımı | Uzama (az) | X5CrNi18-10 (paslanmaz) |
| Nikel (Ni) | Dayanım, tokluk, sertleşebilirlik, korozyon dayanımı | Isıl genleşme | Östenitik paslanmaz ve dökme demirler |
| Mangan (Mn) | Dayanım, sertleşebilirlik, tokluk | İşlenebilirlik, soğuk şekillendirme | 28Mn6 (ıslah çeliği) |
| Molibden (Mo) | Dayanım, sıcakta dayanım, kesme dayanımı, sertleşebilirlik | Meneviş gevrekliği, dövülebilirlik (yüksek Mo’da) | 56NiCrMoV7 (sıcak iş çeliği) |
| Vanadyum (V) | Yorulma dayanımı, sertlik, sıcakta dayanım | Aşırı ısınma duyarlılığı | 115CrV3 (takım çeliği) |
| Volfram (W) | Dayanım, sertlik, sıcakta dayanım, kesme dayanımı | Uzama, işlenebilirlik | HS6-5-2 (HSS) |
| Kobalt (Co) | Sertlik, kesme dayanımı, sıcakta dayanım | Yüksek sıcaklıkta tane büyümesi | HS10-4-3-10 (HSS-Co) |
| Alüminyum (Al) | Tufal dayanımı, nitrürleme sertliği | 34CrAlMo5 (nitrürleme çeliği) | |
| Karbon (C) | Dayanım, sertlik, sertleşebilirlik | Uzama, kaynak ve dövülebilirlik | C60 (ıslah çeliği) |
| Silisyum (Si) | Dayanım, akma sınırı, korozyon dayanımı | Tokluk, derin çekme, kaynak, işlenebilirlik | 60SiCr7 (yay çeliği) |
| Kükürt (S) | Talaşlı işlenebilirlik | Tokluk, kaynak kabiliyeti | 10SPb20 (otomat çeliği) |
| Fosfor (P) | Dayanım, korozyon dayanımı, döküm akıcılığı | Tokluk, kaynak kabiliyeti | |
| Azot (N) | Yaşlanma dayanımı, derin çekme | ||
| Hidrojen (H) | Tokluk (gevrekleştirir) |
Alaşım Oranına Göre Çelik Türleri
| Grup | Alaşım elementlerinin toplamı | Özellikleri |
|---|---|---|
| Alaşımsız çelikler | Belirli sınır değerlerin altında | Özellikleri büyük ölçüde karbon oranına bağlıdır |
| Düşük alaşımlı çelikler | Toplam %5’in altında | Alaşımsız çeliklere göre daha iyi sertleşebilirlik, sıcak ve meneviş dayanımı |
| Yüksek alaşımlı çelikler | En az bir element %5’in üzerinde | Paslanmazlık, yüksek sıcaklıkta tufal dayanımı, kesme dayanımı, özel elektrik ve manyetik özellikler |
Çelik Adında, Alaşım Elementleri Nasıl Okunur?
Düşük alaşımlı çeliklerin adında önce karbon oranının 100 katı, ardından alaşım elementlerinin sembolleri ve çarpanla büyütülmüş oranları yazılır:
| Çarpan | Elementler |
|---|---|
| 4 | Cr, Co, Mn, Ni, Si, W |
| 10 | Al, Cu, Mo, Ta, Ti, V |
| 100 | C, P, S, N |
Örnek: 42CrMo4 → %0,42 karbon, 4 / 4 = %1 krom, az miktarda molibden.
Yüksek alaşımlı çeliklerde başa X harfi konur ve alaşım oranları doğrudan yüzde olarak yazılır. Örnek: X5CrNi18-10 → %0,05 karbon, %18 krom, %10 nikel.
Yüksek hız çeliklerinde ise HS harflerinden sonra sırasıyla volfram, molibden, vanadyum ve kobalt yüzdeleri yazılır. Örnek: HS6-5-2.
Sonuç
Alaşım elementleri, çeliği kullanım amacına göre şekillendiren temel araçlardır. Krom paslanmazlık ve aşınma dayanımı, nikel tokluk, molibden ve volfram sıcakta dayanım ve kesme dayanımı, vanadyum ince taneli yapı, kobalt yüksek sıcaklıkta sertlik, silisyum yay özelliği, kükürt ise kolay talaşlı işlenebilirlik kazandırır.
Her elementin bir bedeli de vardır. Dayanımı artıran elementler genellikle uzamayı, kaynak kabiliyetini ve işlenebilirliği düşürür. Fosfor, azot ve hidrojen ise çoğu çelikte istenmeyen ve çeliği gevrekleştiren elementlerdir. Doğru çelik seçimi, bu artı ve eksilerin parçanın görevine göre dengelenmesidir.
Sıkça Sorulan Sorular
Çeliğe belirli bir özelliği kazandırmak için bilerek katılan elementlerdir. Krom, nikel, molibden, vanadyum, volfram ve kobalt en bilinen alaşım elementleridir.
Dayanımı, sertliği, aşınma ve ısı dayanımını artırır. Yaklaşık %12’nin üzerinde katıldığında çeliği paslanmaz yapar.
Dayanımı ve özellikle tokluğu artırır, sertleşebilirliği ve korozyon dayanımını iyileştirir. Krom ile birlikte östenitik paslanmaz çeliklerin temelini oluşturur.
Dayanımı, sıcakta dayanımı ve kesme dayanımını artırır. Meneviş gevrekliğini önler ve paslanmaz çeliklerde çukur korozyonuna karşı dayanımı yükseltir.
Çekme dayanımını, sertleşebilirliği ve tokluğu artırır. Kükürdü bağlar. Buna karşılık talaşlı işlenebilirliği ve soğuk şekillendirilebilirliği düşürür.
Çok ince sert karbürler oluşturarak sertliği, yorulma dayanımını ve sıcakta dayanımı artırır. Tane büyümesini önler ve çeliği aşırı ısınmaya karşı daha az duyarlı yapar.
Volfram, molibden, vanadyum, krom ve bazı türlerde kobalt bulunur. Bu elementler takımın kızgın haldeyken bile sertliğini ve keskinliğini korumasını sağlar.
Çekme dayanımını ve özellikle akma sınırını yükseltir. Bu yüzden yay çeliklerinin temel elementidir.
Çoğu çelikte tokluğu ve kaynak kabiliyetini düşürdüğü için istenmez. Ancak otomat çeliklerinde talaşın kısa kırılmasını sağlamak için bilerek katılır.
Dayanımı ve korozyon dayanımını biraz artırır, ancak çeliği gevrekleştirir ve kaynak kabiliyetini düşürür. Bu yüzden oranı düşük tutulur.
Çeliğin içine giren hidrojenin malzemeyi gevrekleştirmesi ve ani kırılmalara yol açmasıdır. Bu yüzden hidrojen çelik üretiminde vakum işlemiyle uzaklaştırılır.
Düşük alaşımlı çeliklerde alaşım elementlerinin toplamı %5’in altındadır. Yüksek alaşımlı çeliklerde ise en az bir alaşım elementinin oranı %5’in üzerindedir.
İlgili Yazılar
Çeliklerin DIN normuna göre sınıflandırılması 
Dökme Demirlerde Alaşım Elementlerinin Etkisi 
Yüksek hız çelikleri. HSS nedir. HSS çelik özellikleri 
Sade Karbonlu (Alaşımsız) Çelikler 
Alüminyum Alaşımları ve özellikleri 
Temper Dökme Demirler 
Çeliklerde Sertleştirme, Menevişleme ve Islah: Martenzit Nasıl Oluşur? 
Bakır ve Bakır Alaşımları: Pirinç, Bronz ve Diğerleri