SÜRTÜNME KAYNAĞI İLE BİRLEŞTİRİLMİŞ AISI 430/Ç 1010 ÇELİK ÇİFTİNİN ARAYÜZEY MİKROYAPI DEĞERLENDİRMESİ

Transkript

1 TEKNOLOJİ, Cilt 8, (2005), Sayı 1, TEKNOLOJİ SÜRTÜNME KAYNAĞI İLE BİRLEŞTİRİLMİŞ AISI 430/Ç 1010 ÇELİK ÇİFTİNİN ARAYÜZEY MİKROYAPI DEĞERLENDİRMESİ ÖZET Mustafa TAŞKIN Vedat Veli ÇAY Niyazi ÖZDEMİR Fırat Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Eğitimi Bölümü, Elazığ, Türkiye Bu çalışmada, AISI 430 ve AISI 1010 çelik çifti, 40 MPa yığma basıncı, 6 sn lik sürtünme, 8sn lik yığma sürelerinde, 2000 ve 2200 dev/dak lık devirlerde, 25 ve 35 Mpa lık farklı sürtünme basıncı, kullanılarak sürekli tahrikli sürtünme kaynak makinesinde birleştirildi. Kaynaklı birleştirmelerin, birleşme arayüzeyinde, artan devir sayısı ve sürtünme basıncına bağlı olarak meydana gelen metalurjik değişiklikleri belirlemek için SEM ve Optik mikroskop kullanıldı. Ayrıca birleşme arayüzeyine dik doğrultuda yapılan mikrosertlik ölçümleri, kaynak sonrası birleşme arayüzeyinde meydana gelen mikroyapı ile ilişkilendirilerek değerlendirildi. Mikroyapı ve mikrosertlik analizi sonuçlarından, bütün kaynaklı numunelerin birleşme bölgesinde meydana gelen mikroyapısal değişiklikte önemli farklılıklar gözlenmemekle beraber, artan devir sayısına bağlı olarak ITAB nin genişlediği ve aşırı deformasyona uğramış bölgede sertliğin azaldığı görülmüştür. Ancak, artan devir sayısına paralel olarak birleşme arayüzeyinde ulaşılan sıcaklığın artması ile birlikte, viskoz haldeki malzemenin dışarı taşma miktarında artış kaydedilmiş olup, aşırı deformasyona uğramış bölgenin daraldığı görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Sürtünme kaynağı, Mikroyapı, AISI 430 paslanmaz çelik, Ç 1010 çelik EVALUATION OF INTERFACE MICROSTRUCTURE OF AISI 430/Ç 1010 STEEL COUPLE BONDED BY FRICTION WELDING ABSTRACT In this study, AISI 430/Ç 1010 steel couple was bonded by friction welding under 40 MPa of forging pressure, 25 and 35 MPa of friction pressure, at rotational speeds of 2000 and 2200 rpm in 6 and 8 second forging times using a continuous drive friction welding machine. SEM and optic microscopy were implemented to determine the metallurgical changes in the vicinity of interface regarding the rotational speed and friction pressure. In addition, microhardness distribition across the interface was evaluated considering the metallurgical changes. From microstructure examinations and microhardness results, it was seen that there was not a significant microstructure change at the interface but hardness was decrased in the excessively deformed region. But, with the increase in tempareture as a result of higher rotational speeds, the material removed at the interface increased and the width of the deformed region decrased. Key Words: Friction welding, Microstructure, AISI 430 stainless steel, Ç 1010 steel 1. GİRİŞ Ferritik kromlu paslanmaz çelikler, bileşiminde alaşım elementi ilavesine bağlı olarak bünyelerinde % Cr içeren paslanmaz çelik ailesinin önemli bir gurubunu teşkil etmektedir [1]. Bu çelik sınıfı, kolaylıkla şekillendirilebilmeleri ve atmosferik korozyona karşı iyi direnç göstermelerinden dolayı, mimaride, iç ve dış

2 66 Sürtünme Kaynağı İle Birleştirilmiş AISI 400/Ç1010 Çelik Çiftinin Ara Yüzey Mikroyapısı dekorasyonda, mutfak teçhizatında, çamaşır ve kurutma kazanlarının yapımında, gıda endüstrisinde, otomotiv endüstrisinde, petro-kimya ve kimya endüstrilerinde geniş bir uygulama alanına sahiptirler[2]. Ferritik kromlu paslanmaz çeliklerin geleneksel ergitme kaynak yöntemleri ile birleştirilmesinde, bir dizi olumsuz metalurjik etken rol oynamaktadır. Bunlar; tane sınırlarında taneler arası korozyona neden olacak krom karbür çökelmesi, taneler arası korozyonun oluşmasıdır [3]. Ayrıca, bu çeliklerin ergitme kaynağı ile birleştirilmesinde ortaya çıkan önemli bir sorun da, bu çeliklerin 1150 o C nin üzerindeki sıcaklıklarda tane irileşmesine karşı aşırı eğilimidir[1,2]. Normal halde ferritik kromlu paslanmaz çelikler, çok ince taneli sünek bir yapıya sahiptirler [4-6]. Ancak ergitme kaynak yöntemleri ile birleştirilmeleri durumunda ITAB ın bir kısmı 1150 o C nin üzerindeki bir sıcaklığa kadar ısınır ve dolayısıyla bu bölgede aşırı bir tane irileşmesi meydana gelir. Birleşme bölgesinde meydana gelen bu tane irileşmesi kaynaklı bağlantını mekanik özelliklerini olumsuz etkilemektedir[6-9]. Ferritik kromlu paslanmaz çeliklerin eğritme kaynak yöntemleri ile birleştirilmesinde ortaya çıkan bu olumsuzlukları minimize etmek için, birleştirilecek parçaların boyutları ve şekilleri uygun ise, ergitme olayının olmaması ya da sınırlı oluşu, çok daha az kaynak hatası içermesi ve kaynak sonrası minimum iç gerilmeler oluşturması nedeniyle katı hal kaynak yöntemlerinden biri olan sürtünme kaynak yöntemi büyük bir avantaj sağlamaktadır. Konu ile ilgili yapılmış olunan bilimsel çalışmalarda, farklı metallerin özellikle de paslanmaz çeliklerin sürtünme kaynak yöntemi ile birleştirilmesi ve bu bağlantılar üzerine yapılan hasar analizlerinde önemli üstünlükler kaydedildiği belirtilmiştir. Bu çalışmada, standart AISI 430 ile Ç 1010 çelik çifti, tarafımızdan dizayn ve imalatı yapılmış olan bir sürekli tahrikli sürtünme kaynak makinesinde birleştirilerek, kaynaklı bağlantıların birleşme arayüzeyinde, artan devir sayısı ve sürtünme basıncına bağlı olarak meydana gelen metalurjik değişiklikleri belirlemek amaçlanmıştır. 2. MALZEME VE METOD Deney çalışmalarında, standart AISI 430 ferritik kromlu paslanmaz çelik ve Ç1010 çelik çifti kullanılmıştır. Malzemeler piyasadan temin edilmiş olup malzemelere ait spektral analiz sonuçları Tablo 1 de verilmiştir. Sürtünme kaynağı deneyleri, Şekil.1 de şematik resmi verilen düzende numune çifti, Fırat Üniversitesi Metal Eğitimi Bölümünde, deneysel amaçlı tasarlanıp imal edilen sürekli tahrikli sürtünme kaynak makinesinde, Tablo 2 de verilmiş olan parametreler kullanılarak gerçekleştirildi. Kaynak sonrası numuneler, birleşme yüzeyine dik doğrultuda ortadan kesilerek, yüzeyleri zımpara ile zımparalandıktan sonra 3 µm lik elmas pasta ile parlatılmış, AISI 1010 çelik tarafı %2 lik nital, 430 paslanmaz çelik tarafı ise 40 ml Metanol + 40 ml Laktik Asit + 10 ml HCI bileşimine sahip çözelti ile [10] elektrolitik dağlanarak Scanning Electron Mikroskope (SEM) ile yüzey fotoğrafları çekilmiştir. Ayrıca, birleşme bölgesinde meydana gelen element difüzyonunu belirlemek için EDS analizleri yapılmıştır. Numune arakesitinin her iki tarafında mikro sertlik ölçüm dağılımları, 200g yük altında Vickers sertlik skalasında gerçekleştirilmiştir. Şekil 1. Malzeme Çiftinin Birleşme Düzenini Gösteren Şematik Resim. Tablo 1. Deney Çalışmalarında Kullanılan Malzemelerin Spektral Kimyasal Analizleri Malzeme Alaşım Elementi (% Ağırlık) C Si Mn P S Cr Ni Mo AISI Ç

3 TEKNOLOJİ, Cilt 8, (2005), Sayı 1 67 Numune No Tablo 2. Sürtünme Kaynağı Deneylerinde Kullanılan İşlem Parametreleri Devir sayısı (Dev/dak) Sürtünme basıncı (MPa) Yığma basıncı (MPa) Kaynak parametreleri Sürtünme süresi (s) Yığma süresi(s) Kaynak sonrası toplam boyca kısalma (mm) S ,6 S ,4 S ,2 S ,2 3. DENEY SONUÇLARI VE İRDELEME Kaynaklı numunelerin birleşme arakesitinden, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile çekilen iç yapı fotoğrafları Şekil 2 (a), (b), (c) ve (d) de verilmiştir. SEM ile yapılan analizler, sürtünme kaynağı esnasında birleşme arakesitinde literatürdeki bilgilere uygun olarak aşırı deformasyona uğramış (ADUB), kısmen deformasyona az uğramış (KDUB), deformasyona uğramamış (DUB) bölge üç farklı bölgenin oluştuğunu göstermektedir (Şekil 3) [3,9,11]. Şekil 3. Birleşme Bölgesinde Meydana Gelen Yapısal Bozunumu Gösteren Şematik Resim dev/dak. lık çevresel hızda birleştirilen S1 numunesinin kaynak sonrası birleşme arakesitinden alınan mikroyapı SEM fotoğrafı Şekil 3 (a) da verilmiştir. Fotoğrafdan da açıkça görüldüğü gibi birleşme arayüzeyinde çatlak, por, bağlantısız bölgeler ve bölgede keskin bir bağlantı arayüzeyi görünmemekle birlikte, her iki malzemenin karışımından oluşan yaklaşık 500 µm genişliğindeki aşırı deformasyon uğramış bölge ve bu bölgenin bitişiğinde (2. bölgede) yine basıncın etkisiyle dövülmüş, taneler arasında plastik deformasyonun etkisi ve akış yönüne doğru yönelme açıkça görülmektedir (Şekil 3 (a)). 2. bölgede tane boyutu kısmen küçülmüş plaka halinde yaygın temperlenmiş martenzit bulunmaktadır. 3. bölgede ise yapı orijinal ince taneli yapıdan oluşmaktadır. Paslanmaz çelik tarafındaki aşırı deformasyon; bu malzemenin ısı kapasitesinin Ç 1010 çeliğinden yaklaşık %60 daha fazla olması ve plastik şekil değiştirme yeteneğinin yüksek olmasındandır [4,5,9,11]. Paslanmaz çelik tarafında malzeme eksenine dik yünde meydana gelen bu yönelme bağlantının mekanik davranışları üzerinde olumsuz etkiye sahiptir. Sürtünme basıncı 5 MPa artırılarak birleştirilen S2 numunesine ait SEM fotoğrafı Şekil 3 (b) de görülmektedir. Şekil den de açıkça görüldüğü gibi, artan sürtünme basıncına bağlı olarak paslanmaz çelik tarafında aşırı deformasyona uğramış bölgenin daraldığı görülmektedir. Bu durum, artan sürtünme basıncı ile birlikte birleşme arayüzeyinde viskoz hale gelen malzemenin daha fazla dışarı taşmasına sebep olacağı, kaynak sonrası yapılan boyca kısalma ölçümleri doğrulamaktadır. Devir sayısı 200 dev/dak artırılarak birleştirilen S3 nolu numuneye ait SEM fotoğrafı Şekil 3 (c) de verilmiştir. Devir sayısının artması ile AISI 430 tarafında, muhtemelen artan dislokasyon yoğunluğu ve soğuk dövmenin etkisiyle aşırı deformasyuna uğramış bölgenin daraldığı görülmektedir. Ç 1010 tarafında herhangi bir yapısal değişikliğin görünmemesi, bu malzemenin, paslanmaz çeliğe göre plastik şekil değiştirme yeteneği ve ısı kapasitesinin düşük

4 68 Sürtünme Kaynağı İle Birleştirilmiş AISI 400/Ç1010 Çelik Çiftinin Ara Yüzey Mikroyapısı olmasındandır. Yani, Ç 1010 tarafında plastik şekil değişimi için yeterli sıcaklık oluşmadığı düşünülmektedir. Sürtünme basıncı 10 MPa ve devir sayısı 200 de/dak. artırılarak birleştirilen S4 numunesine ait SEM fotoğrafı Şekil 3 (d) de verilmiştir. Diğer üç kaynaklı birleştirmeler ile kıyaslandığında, önemli farklılık görülmemektedir. Artan devir sayısı ve sürtünme basıncına bağlı olarak ADUB nin daraldığı ve daha temiz bir bağlantı arayüzeyi görülmektedir. III II I I II Paslanmaz çelik AISI 1010 çeliği DUB KDUB ADUB (a) (b) (c) (d) Şekil 3. Kaynaklı Numunelerin Birleşme Arakesitlerinden Alınan SEM Mikroyapı Fotoğrafları. ( (a): S1, (b): S2, (c): S3, (d): S4. ) Kaynaklı bağlantıların birleşme bölgesi üzerinde alınan mikrosertlik ölçüm sonuçlarından elde edilen eğriler Şekil 4 de verilmiştir. Bütün kaynaklı numuneler üzerinde alınan sertlik dağılım eğrilerinin aynı karakteristiği gösterdiği görülmektedir. Her 4 numunede de sertliğin arakesitte maksimum olduğu, yaklaşık 2 mm lik bir gradiyent izleyerek orijinal malzemelerin sertliğine düştüğü görülmektedir. Elde edilen sertlik profilleri, kendi aralarında kıyaslandığında önemli bir farklılık görülmemektedir. Ancak, artan devir sayısı ve sürtünme basıncına bağlı olarak deformasyona uğramış bölgenin genişliğinin artırdığı gözlenmiştir. Genelde sürtünme süresi, sürtünme basıncı ve yığma basıncının artması, teorik olarak sertlik eğrisinin eğimini de artmaya teşvik edeceği düşünülmektedir. Sürtünme süresinin artması difüzyonu kolaylaştırması nedeni ile, artan sürtünme süresi değerlerinde yapılan kaynaklı birleştirmelerde daha düşük sertlik eğimleri beklenir. Ancak bunun böyle olmadığı, artan sürtünme basıncı ile yapılan kaynaklarda birleşme bölgesinde aşırı deformasyona uğramış kısmın dışarı çıkmasına imkan sağladığından kaynaklanmaktadır. Devir sayısını artması ile birlikte, birleşme arayüzeyinde plastik deformasyon için gerekli olan sıcaklığa çıkma süresi de azalmaktadır. Düşük sürtünme sürelerinde yapılan birleştirmelerde, birleşme çizgisinin bitişiğinde meydana gelen deformasyona uğramış bölgede karbür çökeltileri ve intermetalik fazların dışarı çıkmasına imkan sağlamadığı için bu bölgede sertlik değerleri yüksek çıkmaktadır.

5 TEKNOLOJİ, Cilt 8, (2005), Sayı Sertlik (HV) S1 S2 S3 S AISI 430 Çeliği Ç 1010 Çeliği Bağlantı Merkezinden Uzaklık(mm) Şekil 4. Birleşme Bölgesine Dik Doğrultuda Yapılmış Olan Mikrosertlik Ölçüm Sonuçları. Alaşım elementleri (%Miktar) EDS numarası Mn Cr Si Fe ,205 Şekil 5. S3 Numunesi Arakesitinin Faklı Bölgelerinden Alınmış EDS Analizleri. Kaynaklı numunelerin birleşme arakesitinin farklı noktalarından alınan EDAX analizlerinde (Şekil 5) C, Mn ve Cr da hissedilir bir difüzyon gözlenmemiştir. Kısa kaynak sürelerinde yapılmış olunan bu kaynaklı bağlantılarda, difüzyon için yeteli sürenin olmayışı, meydana gelecek difüzyonun çok dar bir bölgede oluşması ve yığma basıncının uygulandığı süreçte viskoz haldeki bu bölgenin bağlantı arayüzeyinden basınç etkisi ile uzaklaştırıldığı düşünülmektedir. 4.GENEL SONUÇLAR Sürtünme kaynağı ile birleştirilen AISI 430/Ç 1010 çelik çifti birleşme arayüzeyinde, değişken parametrelere bağlı olarak meydana gelen mikroyapısal bozunum üzerine yapılan çalışma sonucunda aşağıdaki sonuçlar çıkarılmıştır:

6 70 Sürtünme Kaynağı İle Birleştirilmiş AISI 400/Ç1010 Çelik Çiftinin Ara Yüzey Mikroyapısı 1. Sürtünme kaynağı ile yapılan birleştirmelerde, birleşme arayüzeyinde çatlak, por, bağlantısız bölgeler ve bu bölgede keskin bir bağlantı arayüzeyi görünmemekle birlikte her iki malzemenin karışımından oluşan yaklaşık µm genişliğindeki aşırı deformasyon uğramış bölge ve bu bölgenin bitişiğinde yine basıncın etkisiyle dövülmüş, taneler arasında plastik deformasyonun etkisi ve akış yönüne doğru yönelme açıkça görülmektedi1r. 2. Birleşme arayüzeyinde, en şiddetli plastik deformasyon AISI 430 tarafında gözlenmiştir. Paslanmaz çelik tarafındaki aşırı deformasyon; bu malzemenin ısı kapasitesinin Ç 1010 çeliğinden yaklaşık %60 daha fazla olması ve plastik şekil değiştirme yeteneğinin yüksek olmasındandır. 3. Kaynaklı birleştirmelerin birleşme bölgesinde meydana gelen mikroyapısal bozunum ve plastik deformasyon miktarındaki değişim üzerinde, devir sayısı ve sürtünme basıncının önemli derecede etkili oldukları gözlenmiştir. KAYNAKLAR 1. Savaşkan, T., (2000), Malzeme Bilgisi ve Muayenesi, Karadeniz Teknik Üniversitesi. Mak. Müh. Böl. Malz. Bil. Anabilim Dalı, Trabzon. 2. Erdoğan, M., (1999), Malzeme Bilimi ve Mühendislik Malzemeleri, Cilt I, Yayın no 62, Nobel Yayın Dağıtım. 3. Özdemir, N., (2002), Tane Küçültülmüş Düşük Alaşımlı Yüksek Karbonlu Çeliklerin Sürtünme Kaynağı İle Birleştirilebilirliğinin Araştırılması Doktora Tezi, F. Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü. 4. Yılmaz, M., Çöl, M., Acet, M., (2003), Interface Properties of Aluminium/Steel Friction-Welded Components, Material Charaterizasyon, Article In Press. 5. Tylecote, R.Y., (1968), The Solid Phase Welding of Metals, Edward Arnold Ltd., London, pp Jenning, P., (1971), Some Properties of Dissimilarmetal Joint Made By Friction Welding, The Welding Institue, Abinhton Hall, Cambridge, pp Spindler, D. E., (1994), What Industry Needs to Know About Friction Welding, Welding J., pp Lucas, W., (1971), Process Parameters and Friction Welds, Met. Cons.and British,Welding J., pp Geçginli, E., (1989), Metalografi, İTÜ Yayını, İstanbul. 10. Yılmaz, M., Çöl, M., (2000), Sürtünme Kaynaklı Alüminyum-Çelik Bağlantıları, Mühendislik ve Makine Dergisi, Eylül, Sayı 489.