DIN 41Cr4 ve DIN 42CrMo4 ÇELİKLERDE ISIL İŞLEMİN MEKANİK ÖZELLİKLERE ETKİSİNİN ARAŞTIRILMASI

Transkript

1 TEKNOLOJİ, Cilt 9, (2006), Sayı 2, TEKNOLOJİ Özet DIN 41Cr4 ve DIN 42CrMo4 ÇELİKLERDE ISIL İŞLEMİN MEKANİK ÖZELLİKLERE ETKİSİNİN ARAŞTIRILMASI Mehmet DEMİREZEN Mustafa BAYRAK Fahrettin ÖZTÜRK Niğde Üniversitesi. Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Niğde, Türkiye DIN 41Cr4 ve DIN 42CrMo4 çelikleri otomotiv rot endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Maliyet açısından DIN 42CrMo4 daha pahalı olmasına rağmen mekanik özellikler açısından tercih sebebidir. Bu çalışmada ısıl işlemle DIN 41Cr4 ve DIN 42CrMo4 malzemeleri farklı sıcaklıklarda menevişlendi. Menevişleme sonucunda elde edilen mekanik özellikler karşılaştırıldı. Sonuç olarak menevişleme sıcaklığının değiştirilmesi ile 41Cr4 malzemesinin 42CrMo4 malzemesinin mekanik özelliklerine sahip olabileceği tespit edildi. 42CrMo4 malzemesinin yerine 41Cr4 malzemesinin kullanılması halinde maliyet açısından tasarruf sağlanacağı ve malzeme kullanımındaki farklılıkların ortadan kalkacağı tespit edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Isıl işlem, 41Cr4, 42CrMo4, menevişleme (temperleme) INVESTIGATIONS OF THE EFFECT HEAT TREATMENT ON MATERIAL PROPERTIES OF DIN 41Cr4 and 42CrMo4 STEELS Abstract DIN 41Cr4 and 42CrMo4 steels are widely used in automotive driving elements industry. DIN 42CrMo4 is more expensive than 41Cr4, but it is preferable in terms of material properties. In this study, these two materials were tempered at various temperatures and material properties were determined. The material properties for both materials were compared each other. As a result, DIN 42CrMo4 s material properties can be achieved tempering DIN 41Cr4 material at lower temperatures. It is determined that using 41Cr4 steel instead of 42CrMo4 steel eliminates to use different materials and also reduce manufacturing cost of automotive driving parts. Key Words: Heat treatment, DIN 41Cr4, DIN 42CrMo4, tempering, 1. Giriş DIN 41Cr4 (AISI 5140) ve DIN 42CrMo4 (AISI 4140) çelikleri düşük alaşımlı çelikler olup otomobil krank mili, aks mili ve kovanı, yivli mil ve benzeri aksamlarda kullanılmaktadır. Düşük alaşımlı çelikler genellikle soğuk dövme işlemi için tercih edilmektedirler [1]. Mukavemet değerleri yanında tokluğunda yüksek olması istenir. Özellikle DIN 41Cr4 otomotiv endüstrisinde yaygın kullanım alanına sahiptir [2]. 42CrMo4 çeliğinin mekanik özellikleri 41Cr4 çeliğinden daha üstündür [3]. Bu özelliklerinden dolayı yüksek mukavemet gerektiren yerlerde tercih edilmektedir. Ayrıca bu malzemenin yorulma dayanımı da yüksektir [4]. Krom, çeliklere korozyon ve oksidasyon direncini, sertleşebilirliği ve yüksek sıcaklık mukavemetini artırmak için katılır [5]. Krom, karbür oluşturucu element olduğundan takım çeliklerinde karbon ile birlikte aşınma direncini artırırken, yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılan çeliklerde, sürtünme direncini artırır [6]. Molibden, mukavemet, sertlik, aşınma direnci ve tokluğu artırırken, temper gevrekliğini azaltır. Az miktarda molibden ilavesi ile, kalın parçalarda üniform sertlik ve mukavemet artışı sağlanır. Molibden alaşımlı çelikler, kalsit ve kuars gibi malzemelerin aşındırıcı etkilerine dayanması istenen öğütücü toplar ve dalma dişleri gibi kazı endüstrisi aletlerinde geniş bir kullanıma sahiptirler [7]. Düşük sıcaklık koşullarında avantaj

2 146 DIN 41 Cr4 ve DIN 42 CrMo4 Çeliklerde Isıl İşlemin Mekanik Özelliklere Etkisinin Araştırılması sağlayan molibden, krom ve krom-nikelli çeliklere ilave edildiğinde çukurcuk korozyonuna karşı direnci arttırır [8]. Temperleme sırasında oluşan, temper gevrekliğini önlemek için çeliğe % molibden ilavesi etkili bir yoldur. Bu iki malzeme ekonomik açıdan karşılaştırıldığında fiyatlar malzeme çaplarına göre değişmekle beraber, 42CrMo4 malzemesi daha pahalıdır. Bu çalışmada bu iki malzeme farklı sıcaklıklarda menevişleme (temperleme) işlemine tabi tutularak, optimum ısıl işlem sıcaklığı belirlenmeye çalışılmıştır. Menevişlenmiş malzemelerden hazırlanan numuneler çekilerek mekanik özellikleri belirlenmiştir. Ayrıca herbir numunenin sertlik değerleri HRC değeri cinsinden ölçülerek iki malzeme detaylı olarak karşılaştırılmıştır. 2. Malzemeler Bu çalışmada 41Cr4 ve 42CrMo4 düşük alaşımlı çelik malzemeler kullanılmıştır. Bu malzemelerin kimyasal kompozisyonları Çizelge 1 de özetlenmiştir. Her bir malzeme için 10 mm çapında 15 adet numune hazırlanmıştır. Çizelge 1. Malzemelerin kimyasal kompozisyonları [3] Malzeme C Si Mn P S Cr Mo Ni 41Cr4 0,38-0,45 0,40 0,60-0,90 0,035 0,035 0,90-1, CrMo4 0,38-0,45 0,40 0,60-0,90 0,035 0,035 0,90-1,20 0,15-0,30 3. Deneysel Çalışmalar 3.1. Isıl işlem Deney için kullanılan ısıl işlem fırını SİSTEM TEKNİK firmasının üretimi olup, saatte 300 kg yükleme kapasitesine sahiptir. Fırının dıştan görünüşü Şekil 1 de gösterilmiştir C ye kadar ısıl işlem yapılabilmektedir. Sistem tam otomasyona sahip olup bilgisayar kontrollü olarak yönetilebilmektedir. Bilgisayar kontrolünde Wonderware Factory Suite yazılımı kullanmaktadır. Şekil-1. Isıl işlem fırını. Her iki çelik grubundan hazırlanan numuneler ilk olarak sürekli ısıl işlem fırınında C de ısıtıldıktan ve 40 dk. süreyle tavlandıktan sonra 90 0 C de yağ ortamında soğutuldu. Aynı malzemeden üç adet numune herbir sıcaklık için 60dk. süreyle sırasıyla 450, 500, 550, 600, ve C sıcaklıklarında temperlenmiştir. Temperlenen malzemelerden mekanik özellikleri karşılaştırmak üzere çekme ve sertlik deney numuneleri hazırlanmıştır.

3 TEKNOLOJİ, Cilt 9, (2006), Sayı Çekme Deneyi Isıl işlemden çıkan numuneler çekme deneyi için, TS 138 EN /1996 standartlarına uygun olarak hazırlanmıştır. Numune boyutları Şekil 2 de gösterilmektedir. Çekme deneyi DARTEC marka M9000 model 600 kn luk üniversal test cihazında TS 138 EN /1996 standardına göre yapılmıştır. Çekme deneyi tertibatı şematik olarak Şekil 3 de gösterilmiştir. Birim deformasyonların ölçülmesinde extensometre kullanılmıştır. Numuneler kopana kadar çekilmiş ve kopma gerilmesi tespit edilmiştir. Şekil-2. TS 138 EN /1996 göre hazırlanan numunenin boyutları 3.3. Sertlik Deneyi Şekil-3. Çekme deneyi tertibatı Isıl işleme tabi tutulmuş numuneler Hollanda Time Technology firması yapımı Rockwell-C sertlik ölçme cihazıyla ölçülmüştür. Elde edilen ölçümler Sonuçlar ve Tartışma bölümünde verilmektedir. 4. Sonuçlar Ve Tartışma Her bir temperleme sıcaklığı için 41Cr4 ve 42CrMo4 malzemelerinden elde edilen sonuçlar Çizelge 2(a-e) ve Çizelge 3(a-e) de özetlenmiştir. Çizelge da verilen sonuçlar üç numunenin ortalaması alınarak hesaplanmıştır.

4 148 DIN 41 Cr4 ve DIN 42 CrMo4 Çeliklerde Isıl İşlemin Mekanik Özelliklere Etkisinin Araştırılması Çizelge-2a C de temperlenen DIN 41Cr4 çeliğinin çekme deneyi sonuçları Çap (do) 10 mm Maksimum kuvvet (F max ) 75.3 kn Başlangıç kesit alanı (Ao) mm 2 Çekme dayanımı (σ max ) 959 MPa Başlangıç ölçü boyu (Lo) 50 mm Alt akma sınırı (σ Aa ) 726 MPa Son ölçü boyu (L) 59 mm Üst akma sınırı (σ Aü ) 761 MPa Kopma uzaması (%δ) %18 Çizelge-2b C de temperlenen DIN 41Cr4 çeliğinin çekme deneyi sonuçları Çap (do) 10 mm Maksimum kuvvet (F max ) 74.5 kn Başlangıç kesit alanı (Ao) mm 2 Çekme dayanımı (σ max ) 949 MPa Başlangıç ölçü boyu (Lo) 50 mm Alt akma sınırı (σ Aa ) 840 MPa Son ölçü boyu (L) 59 mm Üst akma sınırı (σ Aü ) 875 MPa Kopma uzaması (%δ) %18 Çizelge-2c C de temperlenen DIN 41Cr4 çeliğinin çekme deneyi sonuçları Çap (do) 10 mm Maksimum kuvvet (F max ) 83 kn Başlangıç kesit alanı (Ao) mm 2 Çekme dayanımı (σ max ) 1057 MPa Başlangıç ölçü boyu (Lo) 50 mm Alt akma sınırı (σ Aa ) 951 MPa Son ölçü boyu (L) 58 mm Üst akma sınırı (σ Aü ) 973 MPa Kopma uzaması (%δ) %16 Çizelge-2d C de temperlenen DIN 41Cr4 çeliğinin çekme deneyi sonuçları Çap (do) 10 mm Maksimum kuvvet (F max ) 85.6 kn Başlangıç kesit alanı (Ao) mm 2 Çekme dayanımı (σ max ) 1090 MPa Başlangıç ölçü boyu (Lo) 50 mm Alt akma sınırı (σ Aa ) 1162 MPa Son ölçü boyu (L) 59 mm Üst akma sınırı (σ Aü ) 1190 MPa Kopma uzaması (%δ) %18 Çizelge-2e C de temperlenen DIN 41Cr4 çeliğinin çekme deneyi sonuçları Numune ölçüleri Çap (do) 10 mm Maksimum kuvvet (F max ) kn Başlangıç kesit alanı (Ao) mm 2 Çekme dayanımı (σ max ) 1460 MPa Başlangıç ölçü boyu (Lo) 50 mm Alt akma sınırı (σ Aa ) Son ölçü boyu (L) 55 mm Üst akma sınırı (σ Aü ) Kopma uzaması (%δ) 10%

5 TEKNOLOJİ, Cilt 9, (2006), Sayı Çizelge-3a C de temperlenen 42CrMo4 çeliğinin çekme deneyi sonuçları Çap (do) 10 mm Maksimum kuvvet (F max ) 76 kn Başlangıç kesit alanı (Ao) mm 2 Çekme dayanımı (σ max ) 968 MPa Başlangıç ölçü boyu (Lo) 50 mm Alt akma sınırı (σ Aa ) 858 MPa Son ölçü boyu (L) 59 mm Üst akma sınırı (σ Aü ) 871 MPA Kopma uzaması (%δ) %18 Çizelge-3b C de temperlenen 42CrMo4 çeliğinin çekme deneyi sonuçları Numune ölçüleri Çap (do) 10 mm Maksimum kuvvet (F max ) kn Başlangıç kesit alanı (Ao) mm 2 Çekme dayanımı (σ max ) 1437 MPa Başlangıç ölçü boyu (Lo) 50 mm Alt akma sınırı (σ Aa ) 990 MPa Son ölçü boyu (L) 55 mm Üst akma sınırı (σ Aü ) 1020 MPa Kopma uzaması (%δ) %10 Çizelge-3c C de temperlenen 42CrMo4 çeliğinin çekme deneyi sonuçları Çap (do) 10 mm Maksimum kuvvet (F max ) kn Başlangıç kesit alanı (Ao) mm 2 Çekme dayanımı (σ max ) 1474 MPa Başlangıç ölçü boyu (Lo) 50 mm Alt akma sınırı (σ Aa ) 1117 MPa Son ölçü boyu (L) 55 mm Üst akma sınırı (σ Aü ) 1141 MPa Kopma uzaması (%δ) %10 Çizelge-3d C de temperlenen 42CrMo4 çeliğinin çekme deneyi sonuçları Numune ölçüleri Çap (do) 10 mm Maksimum kuvvet (F max ) 114.1kN Başlangıç kesit alanı (Ao) mm 2 Çekme dayanımı (σ max ) 1454 MPa Başlangıç ölçü boyu (Lo) 50 mm Alt akma sınırı (σ Aa ) 1408 MPa Son ölçü boyu (L) 55 mm Üst akma sınırı (σ Aü ) 1430 MPa Kopma uzaması (%δ) %10 Çizelge-3e C de temperlenen 42CrMo4 çeliğinin çekme deneyi sonuçları Çap (do) 10 mm Maksimum kuvvet (F max ) kn Başlangıç kesit alanı (Ao) mm 2 Çekme dayanımı (σ max ) 1461 MPa Başlangıç ölçü boyu (Lo) 50 mm Alt akma sınırı (σ Aa ) Son ölçü boyu (L) 55 mm Üst akma sınırı (σ Aü ) Kopma uzaması (%δ) %10 Mühendislik uygulamalarında makina elemanının plastik deformasyona uğramaması için elemana gelen maksimum gerilmenin akma gerilmesinden küçük olması gerekir. Aksi taktirde malzeme üzerinde kalıcı deformasyon oluşur. Bu da parçanın işlevini yerine getirmesine engel teşkil eder. Parça teorik olarak kırılmaz fakat, mukavemet yönünden sınır aşılmış demektir. Bu iki malzeme otomotiv endüstrisinde yaygın

6 150 DIN 41 Cr4 ve DIN 42 CrMo4 Çeliklerde Isıl İşlemin Mekanik Özelliklere Etkisinin Araştırılması kullanıldığından dolayı malzemeler üzerine mukavemet hesabı yapılırken akma sınırının esas alınması gerekir. Bazı malzemelerde akma sınırı çok belirgin olur. Bazı malzemelerde ise çok belirgin olmaz ve iki akma değeri görülür. Akmanın başladığı gerilme üst akma sınırı devam ettiği gerilmede alt akma sınırı olarak adlandırılır. Bu deneysel çalışmada akmanın iki değeri olduğu görüldü. Bundan dolayı ilk olarak Şekil 4 de iki malzemenin farklı temperleme sıcaklıklarına bağlı olarak alt akma sınırlarının karşılaştırılması yapılmıştır. Şekil 4 den anlaşılacağı üzere 650 o C de 42CrMo4 malzemesinin sahip olduğu akma alt değerinin 41Cr4 malzemesi için yaklaşık olarak 600 o C de temperleyerek elde edilebilmektedir. Aynı şekilde diğer noktalarda 50 o C düşük sıcaklıkta temperleme yaparak yaklaşık mekanik değerlere ulaşılmıştır. Akmanın üst sınırı içinde alt akma sınırında yapılan karşılaştırma Şekil 5 de verilmektedir. Değerlerin alt akmaya göre daha uyumlu oldukları görülmüştür. 41Cr4 malzemesini farklı sıcaklıklarda menevişleyerek 42CrMo4 malzemesinin mekanik değerlerine çok yakın değerlerin elde edildiği görülmektedir. Şekil 6 da her iki çeliğin farklı sıcaklıklardaki kopma uzaması değerleri karşılaştırılmıştır. 41Cr4 çeliği C sıcaklık aralığında yaklaşık %18 oranında kopma uzaması göstermiştir. Bu değer C %10 değerine düşmüştür. 42CrMo4 çeliği ise C haricindeki sıcaklıklarda %10 kopma uzaması göstermiştir. Genel olarak 41Cr4 çeliğinin 42CrMo4 çeliğine göre kopma uzaması değeri daha yüksek olarak ölçülmüştür. Ayrıca her iki malzeme farklı sıcaklıklarda menevişlendikten sonraki sertlik değerleri de ölçülmüştür. Şekil 7 de değerler karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Sertlik ölçümlerinde de akmada olduğu gibi değerlerinin birbirine yakın olduğu durumlar ortaya çıkmaktadır. Örnek olarak 41Cr4 malzemesi C de temperlendiği zaman C de temperlenen 42CrMo4 malzemesiyle aynı sertlik değerine sahip olmaktadır. Bu şekilde malzeme çeşitliliğini artırmak yerine ısıl işlemle aynı mekanik özelliklere sahip malzeme kullanımı ile daha hızlı lojistik temin sağlanması mümkün olabilecektir. Alt akma sınırı (MPa) Cr4 42CrMo Temperleme sıcaklığı ( o C) Şekil-4. 41Cr4 ve 42CrMo4 çeliklerinin temperleme sıcaklığına bağlı olarak alt akma sınırı değerlerinin karşılaştırılması. Üst akma sınırı (MPa) Cr4 42CrMo Temperleme sıcaklığı ( o C) Şekil-5 41Cr4 ve 42CrMo4 çeliklerinin temperleme sıcaklığına bağlı olarak üst akma sınırı değerlerinin karşılaştırılması.

7 TEKNOLOJİ, Cilt 9, (2006), Sayı Kopma uzaması (%) 25 41Cr4 42CrMo Temperleme sıcaklığı ( o C) Şekil-6 41Cr4 ve 42CrMo4 çeliklerinin temperleme sıcaklığına bağlı olarak kopma uzaması değerlerinin karşılaştırılması Sertlik (HRC) , ,5 41,5 41Cr ,5 27,5 27,5 23, Temperleme sıcaklığı ( o C) 42CrMo4 Şekil-7 41Cr4 ve 42CrMo4 çeliklerinin temperleme sıcaklığına bağlı sertlik değerlerinin karşılaştırılması. 5. Sonuç Bu çalışmada, ısıl işlem sıcaklıklarına bağlı olarak iki malzemenin karşılaştırması yapılmıştır. Farklı sıcaklıklarda temperleme yapılarak aynı mekanik özelliklerin elde edilebileceği görülmüştür. 42CrMo4 malzemesinin kullanımı yerinde 41Cr4 malzeme kullanılırsa maliyet açısından tasarruf sağlanacağı ve malzeme kullanımdaki farklılık ortadan kalkacağı tespit edilmiştir. 6. Teşekkür Yüksek Lisans öğrencisi Mehmet DEMİREZEN çalışma esnasında DİTAŞ ta çalıştığı için çalışmada kullanılan malzemelerin temini ve deneylerin yapılması için DİTAŞ tesislerini kullanmıştır. Bütün DİTAŞ yetkililerine desteklerinden dolayı teşekkür ederiz. Kaynaklar 1. Xinbo L., Fubao, Z., Jianhua, F., Zhiliang, Z., Research on the flow stress characteristics of AISI 1006 and AISI 5140 in the temperature range of warm forging by means of thermo-mechanical experiments, Journal of Materials Processing Technology, Journal cilt 122, 2002, s Tekin E., Mühendisler için çelik seçimi, TMMOB Makina Mühendisleri Odası Yayını, Yayın No: 119, Ankara, 1986

8 152 DIN 41 Cr4 ve DIN 42 CrMo4 Çeliklerde Isıl İşlemin Mekanik Özelliklere Etkisinin Araştırılması 3. Thyrofort, Heat-treatable steels katoloğu, EDELSTAHL WITTEN-KREFELD GMBH, 4. Chuang J.H., Tsayt, L.W., Chen, C., Crack growth behaviour of heat-treated 4140 steel in air and gaseous hydrogen, International Journal of Fatigue, Journal cilt 20, No.7, 1998, s Thomas, R., Ganesa-Pillai, M., Aswath, P.B., Lawrence, K.L., and Haji-Sheikh, A., Analytical/Finite- Element Modeling and Experimental Verification of Spray-Cooling Process in Steel, Metallurgical and Materials Transactions A, Journal cilt 29A, 1998, s Çelik, A., Gavgalı, M., Yüzeyi Plazma ile Nitrürlenmiş AISI 4140 Çeliğinin Korozyon Davranışı, UMTİK ODTÜ, Ankara, Türkiye, Epik, Ö., Epik, H., Sever, K., ve Karadeniz, S., İyon İmplantasyonu İle Metal Yüzeyi Islahı, Mühendis ve Makine Dergisi, sayı 350, 2002, s Ceyhun, V., Çiftçi, N., Çeşitli Kesici Takımların, Takım Ömürlerinin Deneysel Yöntemle Saptanması, Ege Üniversitesi Müh. Fak. Mak. Müh. Böl., 2002, s.3-9. Özgeçmiş Mehmet DEMİREZEN, 2002 yılında Niğde Üniversitesi Makine Mühendisliği bölümünden mezun oldu. Yüksek Lisansını 2005 yılında Niğde Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalında tamamladı yıllarında Ditaş-Niğde fabrikasında Ar-Ge mühendisi olarak çalıştı yıllarında TeknoTasarım-Bursa firmasında Ar-Ge Mühendisi olarak çalıştı yılından itibaren TURAS-İstanbul firmasında Ar-Ge yetkilisi olarak çalışmaktadır Mustafa BAYRAK, 1992 yılında Erciyes Üniversitesi Makine Mühendisliği bölümünden mezun oldu. Yüksek Lisansını 1995 yılında Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsünde ve Doktorasını 1999 yılında Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsünde tamamladı yılından beri Niğde Üniversitesinde görev yapmaktadır. Nükleer Enerji, Enerji Analizi, Isı ve Kütle Transferi konusunda çalışmalarını yürütmektedir. Yürütücülüğünü yaptığı ve yardımcı araştırmacı olarak görev aldığı tamamlanmış ve devam etmekte olan araştırma projeleri vardır. Danışmanlığında tamamlanmış ve devam etmekte olan Yüksek Lisans tez çalışmaları bulunmaktadır. Konferanslarda sunulmuş bildirileri mevcuttur Fahrettin ÖZTÜRK, 1992 yılında Selçuk Üniversitesi Makine Mühendisliği bölümünden birincilikle mezun oldu. Yüksek Öğretim Kurulu ndan aldığı bursla Yüksek Lisans ve Doktora çalışmalarını Amerika Birleşik Devletleri nde sırasıyla University of Pittsburgh ve Rensselaer Polytechnic Institute Makine Mühendisliği bölümlerinde tamamladı. Doktorasını, İnce Metallerin Şekillendirilebilme Limit Diyagramları üzerine yaptı. Yurtdışında bulunduğu süre içerisinde 3 yıla yakın bir zaman General Elektric firmasında part time mühendis olarak çalıştı. Malzeme testleri, şekillendirilebilme limit diyagramları, test datalarının toplanması konusunda uzman olup, sonlu elemanlar konusunda tecrübe ve birikime sahiptir. Şu anda 5XXX ve 6XXX seri alüminyum alaşımlarının otomotiv kaporta malzemesi olarak kullanımı yönünde çalışmalar yapmaktadır. Yürütücülüğünü yaptığı devam etmekte olan araştırma projeleri vardır (fahrettin@nigde.edu.tr).