1030 Çeliğinin SertleĢebilirliğine Tane Boyutunun Etkisi

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 2011, Elazığ, Turkey 1030 Çeliğinin SertleĢebilirliğine Tane Boyutunun Etkisi M. Gök 1, S. Ulu 1, G. Said 2 1 Afyon Kocatepe Üniversitesi Tek. Eğt. Fak. Met. Eğt. Böl., Afyonkarahisar 2 Bartın Üniversitesi Müh. Fak. Mak. Mühendisliği Böl., Bartın Abstract Considering that stell is the metarial mostly used in the machine production and construction industry, the choice of steel is extremely important. The knowledge of hardening depth and hardening ability enables the steel selection. Being cheap, easy and practical of the method that is used to determine the cepability of hardening will maintain it to be used extensively. In this study, the capability of hardening of steel in SAE/AISI 1030, grain size s effects were investigated. Jominy steel specimens were made and inorder to change the grain size of samples and test temperatures were selected as 900 C, 1000 C, 1100 C, at 1200 C. After Jominy tests, the micro structures of the samples were attempted to characterize. As a result, in this study, the grain size increases with increasing temperature and also with increasing depth of quenching medium. Keywords Jominy, quenching on one side, hardenability, grain size. bölgesi sıcaklığından, değiģik bekleme süreleri ile Jominy deneyleri gerçekleģtirilmiģtir. Söz konusu sıcaklıklarda elde edilen tane boyutlarının çeliğin sertleģebilirlik kabiliyetine olan etkileri irdelenmeye çalıģılmıģtır. II. MATERYAL METOD A. Çalışmada Kullanılan Çelik Deneysel çalıģmalarda kullanılan SAE/AISI 1030 çeliğinin kimyasal analizi Tablo 1 de verilmektedir. Tablo 1. SAE/AISI 1030 imalat (yapı) çeliğinin kimyasal element analizi. I. GIRIġ Önemi yüksek makine parçalarının yapımında Makine imalat ve yapı sanayinde en çok kullanılan malzeme çelik olduğuna göre çelik seçimi son derece önemlidir. SertleĢebilirlik, çeliğin kritik sıcaklık üzerinden su ortamında hızla soğutma iģlemiyle östenitin martenzite dönüģümü sonucu sertleģme kabiliyetidir. SertleĢebilirlik su verme ile elde edilen sertliğin derinliğini saptar. Bu derinlik yüzeyden itibaren % 50 martenzit ve % 50 beynitin mevcut olduğu mesafe olarak belirlenir. SertleĢme derinliği, takım ve yapı çelikleri için çok önemlidir. SertleĢebilirlik genellikle sertlik değiģimi cinsinden tarif edildiğinden, çelik cinsine, C (karbon) baģta olmak üzere alaģım elementi oranlarına bağlıdır. Aynı zamanda mikro yapı değiģimi olarak da görülebilir. Genel olarak, alaģım elementleri perlit ve beynit dönüģümlerini geciktirerek sertleģebilirliliği arttırır [1]. Çeliğin sertleģme sonrası kazanacağı sertlik, tercih faktörlerinden en baģta gelenidir. Bu sebepten çeliğin sertleģebilirliğini belirlemek için östenitleģtirilmiģ çeliğe bir uçtan su verilerek sertleģebilirlik deneyi, diğer yaygın adıyla Jominy Deneyi uygulanır. Bu deney, uluslararası düzeyde standartlaģtırılmıģtır. Detayları Türk Standartları 1381 de verilmiģtir [2]. Ayrıca jominy deneyi orta dereceli sertleģebilme kabiliyetine sahip çelikler için en yararlı ve kullanıģlı deneydir [3]. Bu çalıģmada SAE/AISI 1030 çeliğinin dört farklı östenit SAE 1030 Çeliği, imalat (yapı) çeliği olarak bilinmektedir. Isıl iģlemlerle mekanik özellikleri iyileģtirilebilen düģük karbonlu, az alaģımlı bir çeliktir [4]. SAE 1030 çeliğinin ısıl iģlem öncesi sertliği 37 HRA (~8 HRC) olarak ölçülmüģtür. Çeliğin ısıl iģlem öncesi mikroyapısı ġekil 1 de gösterilmiģtir. ġekil 1. SAE/AISI 1030 Çeliğinin ısıl iģlem öncesi mikroyapısı (200x). B. Jominy Deneyi Jominy (Alın su verme) deneyinde kullanılan numunelerin standart ölçüleri Sekil 2.a da, deney düzeneğinin Ģematik gösterimi ise Sekil 2.b de verilmiģtir. Jominy deneyinin 329

2 M. Gök, S. Ulu, G. Said ardından sertlik ölçümleri sonrası elde edilen jominy eğrilerinin bir örneği ise Sekil 2.a da verilmiģtir. Deneyler Afyon Kocatepe Üniversitesinde tasarlanmıģ ve yapılmıģ olan cihazda gerçekleģtirilmiģtir. tane sınırları ortaya çıkarılmıģ bir çelik gösterilmektedir. ġekil C ye ısıtılmıģ ve havada soğutulmuģ örnek bir çeliğinin mikro yapısından ortalama tane boyutunun belirlenmesi (200X). ġekil 3 de herbir çizginin kestiği toplam tane sayısı bulunur ve elde edilen sayısal bulgular aģağıdaki formülde yerleģtirilerek ortalama tane boyutu hesaplanmaktadır. ( a ) Burada ; Q fotoğrafların büyütme oranı l 1,2,3,4 doğruların uzunlukları (mm) N 1,2,3,4 doğru üzerine düģen tane sınırı sayısı Bu yöntemi uygulayabilmek için N > 10 olmak zorundadır. ( b ) ġekil 2. a) Jominy (Uç su verme) sertleģebilirlik deneyinin b) Deney cihazının Ģematik gösterimi [5]. C. Metalografi Mikroyapı görüntüleri için numuneler zımparalanıp alümina süspansiyon ile parlatıldıktan sonra % 2 lik nital ile sn bekletme süreleriyle dağlanmıģtır. Tane boyutu analizinde ise tane sınırlarının ortaya çıkarılması için % 15 HCl, % 85 etil alkol ile dağlanan numuneler optik mikroskop ile değiģik büyütmelerde çekimler yapılmıģtır. D. Tane Boyutu Analizi Deney sonrası martenzit olan bir yapıda tane boyutunun saptanması güç olduğundan ortalama tane boyutunu hesaplamak için çalıģmamıza en uygun olan, tane boyutunu tayin etme yöntemlerinden oksitleme yöntemi kullanılmıģtır. Oksitleme yöntemi için gerekli olan ısıtma A.K.Ü T.E.F Metalografi labaratuarın da bulunan tüp fırında gerçekleģtirilmiģtir. Ortalama tane boyutunu tayin etmek için ġekil 3 de gösterildiği gibi 200X büyütmede çekilmiģ olan fotoğraf üzerine dört adet çizgi çizilmiģtir. Bu çizgilerin kesmiģ olduğu tane sınırları sayılarak hesaplanmıģtır. ġekil 3 de 1000 C ye ısıtılmıģ ve havada soğutulmuģ, ardından oksitleme tekniği ile III. DENEYSEL ÇALIġMALAR ÇalıĢmada, SAE/AISI 1030 çeliğinden dört adet Jominy deney numunesi ve tane boyutunun analizi için metalografik numuneler hazırlanmıģtır. Bu numuneler 900, 1000, 1100 ve 1200 C sıcaklığa kadar ısıtılmıģ ve bu sıcaklıkta sırası ile 30, 28, 26 ve 25 dk. sürelerle bekletilmiģtir. ĠĢlemi takiben Jominy deney numuneleri alından su verme iģlemine tabi tutulurken tane boyutu analizi yapılacak metalografik inceleme numuneleri de fırından alınarak havada soğutulmuģtur. Bu iģlem östenit bölgesinde elde edilen tane boyutlarının sonraki soğutma hızları nasıl olursa olsun değiģmeyeceği bilgisine dayanılarak yapılmıģtır [5]. Su verme iģleminden sonra her bir numunenin sertliği ölçülmüģ ve metalografik inceleme sonrası içyapı analizleri yapılmıģtır. Ortalama tane boyutunun hesaplanması için metalografik numunelere oksitleme yöntemi uygulanmıģ ve tane boyutu hesaplanmıģtır. Ayrıca sonuçlar çizilen grafiklerle de irdelenmeye çalıģılmıģtır. Elde edilen deney verileri ile ısıl iģlem rejimleri yorumlanmaya çalıģılmıģtır. A. SAE/AISI 1030 Çeliği İçin Deney Sonuçları Deney sonrası numune taģlama cihazına bağlanarak silindirik yüzeyi sertlik testi için 4mm geniģliğinde boydan boya taģlanmıģtır. ġekil 4, numune yüzeyinden sertlik alınan 330

3 SERTLİK (HRC) Çeliğinin Sertleşebilirliğine Tane Boyutunun Etkisi noktaları ve bu noktaların yerleģim yerlerini Ģematik olarak göstermektedir. ġekil 4. Sertlik testi noktalarının numune yüzetindeki dağılımı. ġekil 5 deki grafik martenzit yapının çeģitli hacim oranları için çelik sertliğini göstermektedir. Bu diyagramda çeliklerin kimyasal analizlerinden elde edilen karbon değeri yerine konularak martenzit hacimlerini kesen noktalar yatay olarak sertlik eksenine aktarılır. soğuma hızları boyunca meydana gelen fazları gösterdiğinden, jominy deneyinden elde edilen bilgilerle bu tip diyagramlar arasında paralel bir bağlantı kurmak mümkün olabilmektedir. Ancak Jominy deney numunesi üzerindeki her noktanın soğuma hızı karakteristiklerinin bilinmesi gerekmektedir. Sonuç olarak Jominy deney çubuğu boyunca belli noktalarda beklenen fazları tanımlayabiliriz. Üstüne basılarak söylenmelidir ki, Jominy deney çubuğu üzerindeki belli noktaların soğuma hızları çeliğin bileģimi değiģtikçe daha geniģ alanlarda çeģitlenecektir. Çünkü değiģimler ısıl iletkenlikle olur. Fakat düģük alaģımlı çelikler için durum bu kadar önemli olmamaktadır [5]. SAE/AISI 1030 çeliğine uygulanan jominy deney parametreleri ve elde edilen sertlik değerleri Tablo 2 de verilmiģtir. Tablo 2. SAE/AISI 1030 çeliği için jominy deney parametrelerinin sertlik değerleriyle iliģkisi. Tablo 2 de görüldüğü gibi artan jominy deney sıcaklığıyla sertlik değerlerinde de bir artıģ gözlenmiģtir. Literatürle uyumlu olarak su verilen uçtan iç kısımlara gidildikçe soğuma hızının düģmesi nedeniyle sertlik değerleri de azalmıģtır [7]. ġekil 6, deney parametrelerinin jominy eğrilerini ifade etmektedir. Ç 1030 ġekil 5. Çeliğin karbon içeriğine göre martenzit hacim oranıylasertliğin muhtemel iliģkisi [5,6]. Bu diyagramdan elde edilen sertlik değerleri sertlik (HRC) su verilen alından uzaklık x (mm) diyagramında yerine konularak x (mm) yatay eksenine dik indirilir ve x (mm) mesafesini kestiği uzunluk birimi su verme derinliği olarak tayin edilir. Su verilerek sertleģtirilen çeliklerin sertlik düzeyi karbon oranına bağlıdır. BileĢimindeki % C miktarı arttıkça çeliğin sertlik oranı da artar. Ancak çeliğe sertliği kazandıran, çeliğin mikroyapısında hızlı soğuma sonucunda oluģan martenzittir. Martenzit, çeliğin mikroyapısında karbür ve nitrürlerden sonra en sert dokudur. Martenzit dokusu aģırı doymuģ bir katı çözelti olduğundan sertliği, içinde bulundurduğu karbon oranına bağlıdır. Karbon içeriği arttıkça martenzitin sertliği de artar [6]. Bir sürekli soğuma diyagramı belirli bir çelikte farklı SERTLEŞTİRİLMİŞ UÇTAN MESAFE (mm) dk, 12,9 Mm dk, 14,1 Mm dk, 18,5 Mm dk, 19 Mm ġekil 6. SAE/AISI 1030 çeliği için elde edilen jominy eğrileri. Tablo 3 de, SAE/AISI 1030 çeliğinin Ģekil 5 deki grafiğe göre deneyler sonrası yüzeyden iç kısımlara doğru tahmini martenzit hacim oranları görülmektedir. 331

4 M. Gök, S. Ulu, G. Said Tablo Çeliği için su verilmiģ alından içe doğru olan mesafe ile martenzit hacim oranı arasındaki iliģki. ġekil 8 deki mikro yapılardan tane boyutları hesaplanamayacağından oksitleme yöntemi uygulanmıģ numunelerin mikroyapı görüntüleri ġekil 9 daki gibi elde edilmiģtir. B. İç Yapı Analizleri ġekil 7, SAE/AISI 1030 çeliğinin tedarik edildiği durumdaki mikroyapısını göstermektedir. a) b) c) d) ġekil 9. SAE/AISI 1030 çeliğinin (a) 900 C 30 dk bekleme (b) 1000 C 28 dk bekleme (c) 1100 C 26 dk bekleme (d) 1200 C 25 dk bekleme ve oksitleme yöntemi kullanılarak ortaya çıkarılmıģ tane boyutları (X200). ġekil 7. SAE/AISI 1030 çeliğinin satın alındığı durumdaki mikroyapısı (X200). ġekil 8, jominy deney numuneleriyle beraber tane boyutu hesaplamak için kullanılan numunelerin deney parametreleri sonucu oluģan mikroyapı görüntülerini göstermektedir. ġekil 9 daki mikroyapılardan hesaplanan ortalama tane boyutları Tablo 4 de verilmektedir. Tablo 4. Deney parametrelerine gore tane boyutlarının değiģimi. a) b) c) d) ġekil 8. SAE/AISI 1030 çeliğinin (a) 900 C 30 dk bekleme (b) 1000 C 28 dk bekleme (c) 1100 C 26 dk bekleme (d) 1200 C 25 dk bekleme sürelerinde meydana gelen iç yapılar (X200) ġekil 7 de SAE/AISI 1030 çeliği, satın alındığı durumda ferrit ve perlit fazlarını sergilemektedir. ġekil 8 deki mikroyapı görüntülerinden soğutma iģlemi havada olduğu için a ve b de perlit yapısı daha yoğundur. ġekil 8.c ve d de ise kısmen martenzit ve perlit fazları farkedilmektedir. Bu mikroyapıların oksitleme yöntemi sonrası tane sınırlarının ortaya çıktığını Ģekil 9 daki görüntülerden görmek mümkündür. ÇalıĢmada Tablo 4 de görüldüğü gibi deney sıcaklığı arttıkça ortalama tane boyutuda artıģ göstermiģtir. 900 C deki ısıl iģlem ile 1200 C deki ısıl iģlem sonrası oluģan mikroyapıların ortalama tane boyutunda % 50 lik bir artıģ vardır. Birbirine yakın sıcaklıklardaki tane boyutlarının değiģiminin az olması, deney sıcaklıklarındaki bekleme sürelerinin kısa tutulmasına bağlanmaktadır. SAE/AISI 1030 çeliğinde, deney sıcaklıkları arttıkça numune yüzeyinden alınan sertlik değerlerinde de değiģimler meydana gelmiģtir. SAE/AISI 1030 çeliğinde Tablo 3 den görüldüğü gibi deney sıcaklığı arttıkça sertleģebilirlik 332

5 1030 Çeliğinin Sertleşebilirliğine Tane Boyutunun Etkisi derinliğinin de diğer rejimlere göre azda olsa arttığı söylenebilmektedir. Tane boyutunun büyümesinin bu duruma etki ettiği farz edilse de deney sıcaklığının da etkisinin olduğu söylenebilir. Ayrıca tane büyüklükleri farkı mekanik özellikleri büyük ölçüde etkiler [8]. IV. SONUÇLAR VE DEĞERLENDĠRME SAE/AISI 1030 çeliğinin iģlemsiz mikroyapısı ferrit ve perlitten ibarettir. 900 C den yapılan jominy deneyi sonrası % 50 martensit hacim oranı yaklaģık 4,5 mm de elde edilirken 1200 C den yapılan deney sonrası aynı oran 6 mm de elde edilmiģtir. Jominy deney sıcaklığı arttıkça, daha yüksek sertlik değerlerine ulaģılmıģtır. Deney sıcaklığının artmasıyla ortalama tane boyutlarında da artıģ gözlenmiģtir C den yapılan Jominy deneyinin, çelik üzerindeki sertleģebilirliğe etkisi daha fazladır. Sonraki çalıģmalarda deney sıcaklıklarındaki bekleme zamanı arttırılarak sertleģebilirliğe olan etkileri araģtırılabilir. KAYNAKLAR [1] Tekin, A., Çelik ve Isıl İşlemi Bofors El Kitabı, Hakan Ofset, Ġstanbul, [2] TS 1381, Çeliğin Ucuna Su Vererek Sertleşebilme Deneyi (Jominy Deneyi), [3] Crafts, W., Lamont, J.,L., Çelik Seçimi ve Sertleşebilme, TMMOB Yayını, Ankara, [4] (online) [5] Weissbach W., Çev. Anık S, Anık E, Vural M, Malzeme Bilgisi ve Muayenesi,Birsen Yayınevi, Ġstanbul, [6]Flinn, R.,A., Trojan, P.,K., Engineering Materials and TheirApplications, Houghton Mifflin Company, Boston, [7] Said, G. Isıl iģlemler ve Lab. Ders notları, Afyon [8] (online)