Çelik Nedir, Özellikleri Nelerdir, Nerelerde Kullanılır?

Çelik; dikiş iğnesinden uzak araçlarına kadar kullanılan ve insan hayatının vazgeçilmez bir parçası olan demir alaşımı metaldir.

Kullandığımız aletlerden taktığımız saate, araç motorlarından oyun parklarına, bilgisayarlardan cep telefonlarına, tencerelerden spor aletlerine kadar sayamayacağımız üründe kullanılan bir metal olan çelik, belki de insanlık tarihinde en çok ihtiyaç duyduğumuz metal. Özellikleri sebebiyle her alanda kullanılabiliyor veya istenen özellikler kazandırılabiliyor. Paslanmazlığı ve yüksek dayanıklılığı sebebiyle demirden ayrılan çeliğin dünyasına göz atalım.

Tarihçesi

Çeliğin gelişimi yaklaşık 4000 yıl önceye yani Demir Çağı’na dayanıyor. 200 yıl öncesine kadar yalnız silah ve eşyalarda kullanılıyordu. Hititler’de demircilerin tavlama yöntemi ile kömür ateşinde demiri döverek çelik elde ettiğine dair bazı bilgiler mevcut. Rönesans’tan önce çelik üretiminde çeşitli etkisiz metotlar kullanıldı. 17. yüzyılda bu metotlar geliştirilerek çelik üretiminde daha etkili yöntemler kullanılmaya başlandı. Bu dönemde Almanya ve İngiltere’de pik demir içeriğindeki karbon miktarının sementasyon adı verilen yüzey sertleştirme işlemi uygulanarak artırılması yöntemi ile üretilmeye başlandı.

Çeliğin tarihi gelişimi ile ilgili bazı anekdotlar aktaralım:

1740’lı yıllarda İngiliz saat yapımcısı Benjamin Huntsman, saat yayları için yüksek kalitede çelik geliştirmeye çalıştı. Ancak üretim maliyetleri sebebiyle sadece özel ürünlerde kullanılabilen dökme çelikler üretiliyordu.

18. yüzyılda demir kullanılarak inşa edilen ilk yapılar köprülerdir. 1778 yılında İngiltere’de inşa edilen Severn Nehri üzerindeki Coalbrookdale Köprüsü’nde “font” adı verilen ve ham demir ile hurda demirler ve bazı maddelerin karışımı ile elde edilen çelik kullanılmıştır.

İngiliz Henry Cort, 1784 yılında iyi kalitede dövme çelik üretmeyi başardı. Bu buluş sanayide adeta çığır açtı ve İngiltere çelik piyasasına hâkim oldu. Dövme çelikle iri kirişli köprüler inşa edildi. Daha sonraki yıllarda 1880’lere kadar uygulanan çeşitli yöntemlerle dökme çelik üretimi sağlandı.

• 1850-1855 yılları arasında İngiliz Henrt Bessemer ve Amerikalı William Kely, sıvı pik demire hava üfleyerek çelik üretmeye çalıştı. 1855 yılında alttan hava üflemeli armut şeklinde bir konvertör kurarak çelik üretim patentini aldı.
  
• 1856-1864 yılları arasında Pierre Martin ve William Siemens, daha gelişmiş bir yöntem olan tabanda hazırlama yöntemiyle çelik elde etti.
  
• 1876 yılında İngiliz mucit Sidney Gilchrist Thomas, Bessemer’in konvertörünü geliştirerek ham sıvı demiri büyük ölçüde yaktı ve daha kaliteli çelik üretimini sağladı.
  
• 20. yüzyılın başında da çelik yapıların sayısı giderek artmaya başladı. Özellikle birinci ve ikinci dünya savaşlarında kullanılan savaş malzemelerinde ve yapılarda çelik tercih edildi.
  
• 1912 yılında Avrupalı çelik üreticilerinin ortak çalışmaları sonucu paslanmaz çelik üretildi ve patenti alındı.
  

Özellikleri Nelerdir?

Çelik, demir elementi ile karbon bileşiminden oluşan bir alaşımdır. Ham demirin işlenmesi sonucu çeşitli yöntemler ve katkılar da kullanılarak çelik veya dökme demir elde edilir. Çelikteki karbon oranları yüzde 0,2-2,1 arasında değişir ve bu oranlar çeliğin sınıflandırılmasında rol oynar.

Alaşımlarda krom, magnezyum, kobalt, vanadyum ve volfram gibi elementler de kullanılır. Demirle alaşım oluşturan karbon ve diğer elementler sertleştirme görevi görür. Alaşıma katılan elementler ve oranları; çeliğin sertliği, esnekliği, gerilme noktası gibi özelliklerini belirler.

Karbon miktarı arttıkça çelik sertleşir ve güçlenir; ancak esnekliği azalır. Yüksek karbon içeren demirlerde erime noktası düşüktür ve dökme kabiliyetleri vardır. Bu tür çeliklere “dökme demir” denir. Az miktarda karbon ve demir cürufları içeren çelikler “dövme demir” olarak tanımlanır. Bu faktörler çeliğin paslanmazlığı ve kaynaklanma kabiliyetini belirler.

Çeliğin özellikleri ile ilgili bazı bilgileri de paylaşalım;

• Çeliğin kimyasal bileşimi kaynak işlemleri için uygundur
  
• Demirden daha sert ve hafiftir
  
• Isıl işlemlerle elektriksel, mekanik ve fiziksel özellikler kazandırılabilir
  
• Çeşitli işlemlerle yüksek sıcaklıklara dayanımı ve sertliği artırılabilir
  
• Belli bir ısıda dövme, presleme ve haddeleme yöntemleri ile istenen şekle sokulabilir
  
• Bazı özellikteki çelikler soğuk olarak da şekillendirilebilir
  
• Plastikler ve metallerle kaplama yapılabilir
  
• Kızgın çeliğe aniden su verildiğinde kristal özelliği değişerek sertleşir. Bu işleme “çeliğe su verme” adı verilir
  
• Paslanmaz çelikler korozyona ve ısıya karşı dayanıklıdır, yüzde yüz geri dönüşüm yapılabilir, üretimi ve temizliği kolaydır
  
• Yüksek karbon içeren alaşımlı çelikler “dökme demir” olarak da adlandırılır. Az karbonlu ve demir cüruflu çeliklere ise “dövme demir” denir
  
• Karbon miktarı arttıkça çeliğin akma ve çekme mukavemeti artırırken, kaynak ve şekillenebilme kabiliyetlerini azaltır.
  

Çelik Üretim Metotları

Çelik üretiminde farklı yöntemler kullanılıyor. Bu yöntemler şunlardır; Bessemer-Thomas yöntemi, Siemens-Martin yöntemi, bazik oksijen konvertörleri ve elektrik ark ocakları yöntemleri… Dünya çelik üretiminin yaklaşık yüzde 70’lik bölümü bazik oksijen konvertörlerinde üretilmektedir. Yaklaşık yüzde 30’luk bölümü ise elektrik ark ocakları tesislerinde üretiliyor. Diğer yöntemler de son 10 yıl içinde neredeyse terk edilmiş durumda.

Geçmişte kullanılan yöntemler maliyetli ve meşakkatliydi. Günümüzdeki çelik üretim yöntemleri daha kısa zamanda ucuz maliyetle üretime olanak sağlıyor. Demirden ve hurdadan geri dönüşüm yoluyla üretilen çelikler, alaşımlı ve alaşımsız olarak sınıflandırılır.

Çelik Çeşitleri

Çelikler, kullanıldıkları alanlara ve yapısal özelliklerine göre çeşitlere ayrılır. Bu çelikleri şöyle sıralayabiliriz:

İmalat çelikleri: Yüzde 0,06-0,65 oranları arasında karbon içerir. Bu çelikler kendi aralarında; çekme mukavemeti, kimyasal analizleri ve özel imalat çelikleri olarak üçe ayrılır. İmalat yöntemleri ve karbon oranlarına göre sınıflandırılırlar.

Takım çelikleri: Aşınmaya, darbelere dayanıklı, sert çeliklerdir. Endüstride malzemelerin şekillendirilmesinde kullanılırlar. Alaşımlı ve alaşımsız olarak ikiye ayrılırlar. Alaşımlı çeliklerde son zamanlarda kobalt, krom ve volfram gibi elementler kullanılmaya başlanmıştır. Özellikle kobalt alaşımlı çelikler magnetik malzemelerin yerini almaya başlamıştır.

Otomat çelikleri: İşlenmiş yüzeyleri düzgün, talaş veren çelik türüdür. Talaşlarının kırılganlığı sebebiyle otomatik tezgâhlarda kolay işlenir. Talaş kırılganlığını alaşımındaki kükürt sağlar.

Cıvata ve somun çelikleri: Cıvata ve somunların imalatında kullanılır. Soğuk şekillendirilme ve talaşlı imalata uygundur.

Kazan çelikleri: Yüksek sıcaklıklara dayanıklıdır. Kaynak yapılabilir.

Yay çelikleri: Elastik kabiliyeti ve şekil değiştirmesi yüksek çeliklerdir. Elastikliğini sağlayan alaşımdaki silisyum miktarıdır.

Paslanmaz çelikler: Çeliğin alaşımında krom ve nikel miktarı yüzeyde oksit tabakası oluşturarak korozyona karşı direnç ve paslanmazlık özelliği kazandırır. Oksit tabakasının yüzeyde kalması veya derine inmemesi için krom oranının yüzde 10’un üzerinde olması gerekir. Krom, çeliğin sertliğini ve mukavemetini artırır.

Paslanmaz çelikler de kendi aralarında krom oranları ve alaşımındaki elementlere göre çeşitlere ayrılır. Bunlar; martentizik, ferritik ve ostenitik paslanmaz çeliklerdir.

Nerelerde Kullanılır

Çelik, metalürji endüstrisinin en önemli metallerinden biridir. Kullanım alanı çok yaygın ve geniştir. Demiryolları ve tren, motorlu araçlar, makineler, motorlar, uçaklar, uzay araçları başta olmak üzere askeri ve zırhlı araçlar, çatı ve dış yapı sistemleri, köprüler gibi birçok sektörün ana aktörüdür.

Çeliklerin kullanıldığı ürün ve sektörlerinden bazılarını şöyle sayabiliriz: Mıknatıs, sağlam kasalar, iş makineleri, yaylar, tanklar, gemiler, metal kesiciler, torna tezgahları, lokomotif ve vagonlar, motor pistonları, dingiller, şaftlar, akslar, krank milleri, motor gövdeleri, yüksek hızlı makine parçaları, kesici ve delici aletler, meteoroloji aletleri, testere, iş aletleri, dinamolar, asit tankları…

Çelik Üreten Ülkeler

Dünyada çelik üreten ülkelerin başında Çin geliyor. Yıllık 800 milyon tonun üzerinde çelik üretim kapasitesi olan Çin, dünya çelik üretiminin yaklaşık yüzde 50’sini sağlıyor.

Dünya ham çelik üretimi pazarını 10 ülke elinde bulunduruyor. Bu ülkeler ve üretim oranları şöyle; Japonya 105 milyon ton (% 6,5), Hindistan 90 milyon ton (% 5,5), ABD 80 milyon ton (% 5), Rusya 71 milyon ton (% 4,5), Güney Kore 70 milyon ton (% 4,5), Almanya 43 milyon ton (% 3), Brezilya 34 milyon ton (% 2), Türkiye 32 milyon ton (% 2), Ukrayna 23 milyon ton (% 1,5).

Türkiye çelik üretiminde dünyada 9. sırada yer alıyor. Türkiye’nin yıllık çelik ihracatı ise 16-17 milyon ton civarında. Bu miktar dünya çelik ihracatlarında yüzde 3,5’luk bir orana tekabül ediyor. Türkiye’nin yıllık çelik ithalatı ise 20-21 milyon ton civarında…