www.teknolojikarastirmalar.com ISSN:1304-4141 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2008 (1) 69-77 TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR Teknik Not Tig Töntemiyle Birleştirilen Östenitik Paslanmaz Çelik ve Düşük Karbonlu Malzeme Çiftlerinin Đç Yapı Ve Mekanik Özelliklerinin Đncelenmesi Mehmet ÇAKMAKKAYA Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Afyonkarahisar Özet Teknolojide birçok çelik grubu çok değişik amaçlarla kullanılmaktadır. Çelik, bir demir (Fe), karbon (C) alaşımıdır. C dan başka farklı oranlarda alaşım elementleri ve empürite elementler bulunur. Çeliğe farklı özellikler kazandıran içerdiği elementlerin kimyasal bileşimi ve çeliğin içyapısıdır. Çeliğe değişik oranlarda alaşım elementleri katılabileceği gibi, çeşitli işlemler (ıslah, normalizasyon vs.) ile içyapı da kontrol edilerek kullanım amacına göre değişik özelliklerde çelik elde edilebilir. Bu çalışmada teknolojinin birçok alanında kullanılan östenitik paslanmaz çelik ile alaşımsız düşük karbonlu metal çiftleri TIG yöntemiyle birleştirilmiştir. Günümüz teknolojisinde paslanmaz çelik türleri çok değişik amaçlarda ve farklı kullanım alanlarında özellikle gıda sektöründe yaygın alarak kullanılmaktadır. Korozyon etkisi altında olmayan metalsel malzeme tasarımında paslanmaz çelik kullanımını daha aza indirmek ve üretilen materyalin üretim giderlerini düşürmek amaçlı yapılan bir çalışmadır. Anahtar Kelimeler: TIG Kaynağı, Paslanmaz Çelik, Düşük Karbonlu Çelik Türleri. 1. Giriş Gelişmekte olan ülkemiz endüstrisinin paslanmaz çeliklere olan gereksinimi her geçen gün artmaktadır. Özellikle petro-kimya, kimya, gıda endüstrisinde kullanılan depolama tankları, basınçlı kaplar ısı değiştiricileri ve paslanmaz boruların üretiminde çok çeşitli türlerde paslanmaz çelik kullanılmaktadır [1]. Paslanmaz çelikler bazı korozyon faktörlerine karşı temiz kalmak, parlaklıklarını korumak ve yüzeylerinde pitler oluşturmaması gibi üstün özellikler gösterirler. Fakat diğer bazı faktörlere karşı da gösterdikleri mukavemet bakımından da adi çeliklerden farksız olup, hatta daha az dayanıklıdır. Korozyona karşı en az mukavemeti %12 Cr içeren paslanmaz çelik gösterir. Krom elemanı metal yüzeyinde gayet ince, gümüşi ve sıkıca yapışan bir krom oksit filmi oluşturmak suretiyle çeliğin paslanmazlığını sağlar. Yani, bu ince krom oksit tabakası oksidasyon ve korozyonun daha içerilere işlemsini önleyen bir engel teşkil eder [2]. Şekil 1.1. Paslanmaz çelik yüzeyinde oluşan krom oksit tabakası [3]
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2008 (1) 69-77 Tig Töntemiyle Birleştirilen Östenitik Paslanmaz Çelik ve Düşük Karbonlu Malzeme Paslanmaz çelikte, korozyona ve oksidasyona karşı mukavemeti arttıran alaşım elemanı kromdur. Kromun çeliğe diğer bir etkisi de, çeliklerin ısı altındaki dayanıklılıklarını büyük çapta arttırmasıdır. Krom çeliğin yüksek sıcaklıktaki oksidasyona karşı dayanıklılığını arttırır. Alaşım elemanlarından nikel de, çeliğin korozyona mukavemetini arttırırken ısı geçirgenliğini azaltır. Bunun yanı sıra, darbe dayanıklılığını arttırır, haddelenebilirliği sağlar ve kaynak yapılmasını kolaylaştırır. Molibden yüksek sıcaklıklarda yük altındaki deformasyonlara mukavemeti arttırır ve kaynak yapılmasını kolaylaştırır. Kolombiyum ve titanyum ise alaşımlardaki karbonla birleşerek krom karpit formasyonuna engel olur ve karbon miktarının altında tutarlar. [3] Genel olarak paslanmaz çelikler Fe-Cr-Ni alaşımlarıdır. Đhtiva ettikleri alaşım elementleri artırılarak veya azaltılarak farklı tür paslanmaz çelikler elde edilebilir. Alaşım elementlerinden krom ve nikel, mikro yapının ferritik veya östenitik olmasını belirler. Şekil 1.2. Đçerdikleri Cr, Ni miktarına bağlı olarak paslanmaz çeliklerin sınıflandırılması [4] Bu yöntemde kaynak için gerekli olan ısı enerjisi tungsten elektrot ve iş parçası tarafından sağlanmakta olup, kaynak bölgesini havanın olumsuz etkilerinden korumak için koruyucu gaz kullanılmaktadır [5]. TIG kaynak yönteminin kaynakçı tarafından kullanılması kolay olup prensip olarak eritme kaynağına oldukça benzemektedir ve çok geniş uygulama alanına sahiptir. Bu yöntemde erimeyen elektrot kullanıldığından bazı durumlarda ilave kaynak metaline gerek olmadan birleştirme yapılabilmektedir. Gerektiğinde gaz kaynağında olduğu gibi ilave metal kullanılmaktadır [5]. Endüstride bu kaynak yöntemi daha çok kök pasoların çekilmesinde ve tamir işlerinde kaynakçıya büyük kolaylık sağladığından kullanım alanı her geçen gün yaygınlaşmaktadır. TIG kaynak yöntemi prensip olarak her kalınlık ve her pozisyondaki parçalara uygulanabilmekte olup, daha kalın parçalar için uzun süreli işlemler gerektiğinden ekonomik değildir ve tercih edilmez. Bundan dolayı 7 mm den daha kalın parçaların birleştirilmesinde önerilmemekle beraber bu kaynak yöntemi ile çok kaliteli ve daha emniyetli birleştirmeler sağlanabilmektedir. Bu nedenle uçak ve uzay endüstrisinde çok geniş kullanım alanı bulmaktadır. Akım şiddeti azaltılarak diğer kaynak yöntemleri ile birleştirilmesi imkânsız olan çok ince saclar bu yöntemle kaliteli bir şekilde birleştirilebilmektedir. Hatta 0.1 mm kalınlığına sahip parçalar bile kaynak edilebilmektedir. Şekil 1.3 da TIG kaynak donanımının şeması verilmektedir. Şekilden de görüldüğü gibi bu donanım; akım üreteci, koruyucu gaz tüpü, gaz basınç debi ayar donanımı, torç ve kontrol panelinden oluşmaktadır. Yüksek akım şiddetleri durumlarında torcu soğutmak için soğutma suyu devresi kullanılmaktadır. TIG kaynak yönteminde el ile kaynak yapıldığı gibi yarı otomatik ve otomatik olarak kaynak yapılabilir. 70
Çakmakkaya, M. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2008 (1) 69-77 Şekil 1.3. TIG kaynak donanım şeması [5,6] Düşük kalınlıklardaki ferritik paslanmaz çeliklerin kaynağında TIG yöntemi uygulanmaktadır. Ferritik paslanmaz çeliklerin TIG kaynağı için doğru akım ve elektrotun negatif kutuplama olması tercih edilir. Koruyucu gaz olarak helyum, argon veya her ikisinin karışımı gazlar kullanılmaktadır. TIG kaynak yönteminin el ile uygulandığı durumlarda koruyucu gaz olarak argon tercih edilir. Helyum atmosferinde oluşan kaynak arkının daha yüksek enerjisi olması kaynak hızının artması avantajını getireceğinden otomatik TIG kaynağında helyum veya helyum-argon karışımı gazlar kullanılır [7]. TIG kaynağı östenitik paslanmaz çelik saclara tüm kaynak pozisyonlarında uygulanabilir ancak erime gücü dolayısı ile dolgu oranı düşük olmaktadır. Bu kaynak yönteminde koruyucu gaz debisinin yetersiz olması halinde kaynak metaline azot difüzyonu olmakta ve oluşan ferrit miktarı üzerinde etkili olmaktadır [4]. 2. Deneysel Çalışmalar AISI 304 östenitik paslanmaz çelik ve düşük karbonlu çelik levhalar TIG kaynak yöntemi ile birleştirilmiştir. Bu çalışma A.K.Ü. Teknik Eğitim Fakültesi Metal Eğitimi Atölyesi nde gerçekleştirilmiştir. Şekil 2.1. TIG kaynağı ile östenitik paslanmaz çelik ve düşük karbonlu çelik levhaların birleştirilmesi Birleştirme işlemi, parçaların tezgah üzerine yapışmasını önlemek amacıyla şekil 2.1 de görüldüğü gibi bakır levha üzerinde yapılmıştır. Deneysel çalışmalarda AISI 304 östenitik paslanmaz çelik kullanılmıştır. Kullanılan malzemelerin kimyasal analiz değerleri tablo 2.1 de gösterilmiştir. 71
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2008 (1) 69-77 Tig Töntemiyle Birleştirilen Östenitik Paslanmaz Çelik ve Düşük Karbonlu Malzeme Tablo 2.1. Deneyde kullanılan malzemelerin kimyasal analiz değerleri Malzeme %C %Si %Mn %Cr %Ni %P %S Östenitik paslanmaz çelik (304) Düşük karbonlu çelik 0.08 1.00 2.00 18.0-20.0 8.0-10.5 0.045 0.03 0.15 0.10 - - - - - Kaynak işlemi, 17.5 V voltaj ve 115 A akımda, ergimeyen tungsten elektrot ve ER 316L dolgu teli kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kullanılan dolgu telinin kimyasal analiz değerleri tablo 2.2 de gösterilmiştir. Tablo 2.2. Deneyde kullanılan dolgu telinin kimyasal analiz değerleri Dolgu Teli ER 316L %C %Si %Mn %Cr %Ni %Mo %Cu %P %S %N 0.015 0.55 1.80 18.50 12.00 2.60 0.15 0.018 0.010 0.03 Kaynakla birleştirilen levhalar, hidrolik testere ile kesilerek mikro yapı incelemeleri ve eğme testi için hazırlanmıştır. Şekil 2.2. TIG kaynak yöntemi ile birleştirilen parçaların hidrolik testerede kesilerek numune çıkarılması Bu çalışma A.K.Ü. Teknik Eğitim Fakültesi Metalografi Laboratuarı nda gerçekleştirilmiştir. Atölyede kesilen numuneler, reçine ile kalıplanmıştır. Kalıplamanın en büyük amacı; numunenin elle tutulabilmesinde kolaylık sağlamaktır. Numuneleri kalıplamanın diğer önemli bir sebebi de zımparalama ve parlatma esnasında temizliğin kolayca sağlanabilmesidir. Reçine ile kaplanan numuneler, zımparalama ve parlatma işlemlerine tabi tutulmuştur. Zımparalama, malzeme yüzeyinde çentikler oluşturan sabitlenmiş aşındırıcı parçacıkları kullanarak numune yüzeyinden malzeme alınması işlemidir. Keskin bir aşındırıcı tanesi ile çentik oluşturma işlemi, yüzeyden alınan malzeme miktarının en yüksek oranda olmasını sağlarken aynı zamanda yüzeyde oluşacak deformasyon miktarını da en düşük seviyede 72
Çakmakkaya, M. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2008 (1) 69-77 tutmaktadır. Numuneler metalografik numuneleri zımparalama ve parlatma makinesinde önce 120 no lu zımpara kâğıdı ile zımparalanmıştır. Zımparalama işleminden sonra numuneler 90º çevrilerek 180 no lu zımpara kâğıdına geçilmiştir. Aynı işlemler tekrarlanarak numuneler 240, 320, 400, 600, 800, 1100 ve 1200 no lu zımpara kâğıtları ile 360 devirde zımparalanmıştır. Zımpara kâğıtları kullanılmadan önce su ile yıkanmıştır. Zımparalama işlemi genellikle yaş yapılmaktadır çünkü sıvı ortam zımpara ile numune arasında daha iyi temas sağlamaktadır. Numuneler 1200 no lu zımparalama kâğıdı ile zımparalandıktan sonra önce su sonra alkol ile yıkanarak kurutulmuştur. Daha sonra alümina (Al 2 O 3 ) sıvısı tatbik edilmiş kadife bez ile parlatma işlemine tabi tutulmuştur. Parlatma işlemi ile, ince zımparalama kademesinden kalan tüm çizik ve deformasyonları ortadan kaldırmak mümkündür. Numuneler parlatma işleminden sonra tekrar su ve alkolle yıkanarak kurutulmuştur. Parlatılmış numunelerin yüzeyi ışığı eşit bir şekilde dağıttığından yapıdaki ayrıntılar ayırt edilemez. Bu sebeple yapıda kontrast oluşturulması gerekir. Yapıda kontrast oluşturmak için numuneler özel kimyasal bileşimlerle dağlama işlemine tabi tutulmuştur. Paslanmaz çelik, 1 birim HNO 3 ( nitrik asit ), 1 birim HCl ve 1 birim saf su içeren dağlayıcı ile düşük karbonlu çelik ise %2 lik nital dağlayıcı ile dağlanmıştır. Hazırlanan numuneler optik mikroskop ile incelenmiş ve mikro yapı fotoğrafları çekilmiştir Eğme deneyindeki amaç kaynaklı ve kaynaksız numunelerin soğuk durumda çatlamadan katlanabildiğini veya katlanamadığını tespit etmektir. Atölyede numuneler hidrolik testerede kesilmiş, eğeleme işlemine tabi tutularak hazırlanmıştır. Deney parçasından 3 adet deney numunesi hazırlanarak eğme deneyi gerçekleştirilmiştir. Şekil 2.3. Eğme testi için hazırlanmış numune Hazırlanan numunelerin eğme işlemi A.K.Ü Malzeme Mühendisliği Laboratuarında Shimadzu 100 kn luk basma ve çekme cihazında gerçekleştirilmiştir. Şekil 3.10. Üç noktalı eğme test düzeneğine yerleştirilerek eğme işlemi için hazırlanmış numune 73
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2008 (1) 69-77 Tig Töntemiyle Birleştirilen Östenitik Paslanmaz Çelik ve Düşük Karbonlu Malzeme 3. Deneysel Sunuçlar AISI 304 östenitik paslanmaz çelik ve düşük karbonlu çelik malzemelerin ER 316 L ilave metali kullanılarak TIG kaynak yöntemi ile birleştirilmesinden elde edilen mikro yapı görüntüleri şekil 3.1-3.5 te verilmektedir. Şekil 3.1. Düşük karbonlu çeliğin mikro yapı fotoğrafı Şekil 3.2. Itab bölgesi mikro yapı fotoğrafı 74
Çakmakkaya, M. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2008 (1) 69-77 Şekil 3.3. Kaynak bölgesi mikro yapı fotoğrafı Şekil 3.4. Itab bölgesi mikro yapı fotoğrafı 75
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2008 (1) 69-77 Tig Töntemiyle Birleştirilen Östenitik Paslanmaz Çelik ve Düşük Karbonlu Malzeme Şekil 3.5. Östenitik paslanmaz çeliğin mikro yapı fotoğrafı TIG kaynak yöntemi ile ER 316 L ilave metali kullanılarak birleştirilen östenitik paslanmaz çelik ve düşük karbonlu çeliğe uygulanan eğme deneyi ile elde edilen değerler aşağıda sunulmuştur. Grafik 3.1. Eğme testi ile elde edilmiş gerilim/gerinim grafiği Tablo 4.1. Eğme testinde elde edilen değerler Numune No Max Disp mm Max sress N/mm 2 EnergyToMax J 1 11,129 559,344 5,134 2 15,838 698,292 9,571 3 20,388 686,750 12,776 Ortalama 15,785 648.128 9,160 76
Çakmakkaya, M. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2008 (1) 69-77 4. Sonuçlar ve Öneriler Kaynaklı birleştirme sonucunda metal çiftlerinin farklı ısı itlim katsayısından dolayı ITAB bölgesinde de farklı içyapı oluşmuştur. TIG kaynak yöntemiyle birleştirilen östenitik paslanmaz çelik ve düşük karbonlu çeliğe uygulanan eğme deneyi sonucunda kaynaklı bölgede yapılan göz ile muayenede, herhangi bir çatlak, yırtılma vb. hataya rastlanmamıştır. Bu malzeme çiftleri uygun kaynak parametreleri seçilerek TĐG kaynak yöntemi kullanılarak birleştirilebilir. Bu çalışmada kullanılan malzemelere farklı ilave metal, farklı koruyucu gaz veya farklı kaynak parametreleri uygulanabilir. Birleştirilen parçalara çeşitli mekanik testler uygulanarak ilave metalin, koruyucu gazın ve uygulanan kaynak parametrelerinin mekanik özelliklere ve mikro yapıya olan etkileri incelenebilir. Kaynaklar 1. TÜLBENTÇĐ, K., MĐG- MAG Gazaltı Kaynak Yöntemi, Arctech Yayını, Đstanbul, 1998 2. Anık, S., TÜLBENTÇĐ, çelikler için Kaynak Metalurjisi, Đskender Matbaası, Đstanbul, 1966 3. ABINGTON, PUBLISHIMG, Welding Metalugy of Stainless Steels, abington Welding Training Module, Cambridge, pp. 1-45, 1994 4. ODABAŞ, C., Paslanmaz Çelikler, Temel Özellikler, Kullanım Alanları, Kaynak Yöntemleri, Askaynak, Đstanbul, 2. Baskı, Tavaslı Matbaası, Mart 2004 5. ARAN, A., TEMEL, M:A:, Paslanmaz Çelik Acar Matbaacılık A.Ş., Đstanbul, 2004 6. Gürcan, M., TIG Kaynağı, Sagem, Ankara, 1987 7. TÜLBENTÇĐ, K.,Paslanmaz Çeliklerin Kaynağı, MIG- MAG Eriyen Elektrot ile Gazaltı Kaynağı, s. 137 142, gedik Holding, Đstanbul, 1990 8. URAL, M., KULAÇ, E., Paslanmaz Çeliklerin TIG Yöntemi ile Kaynağı, Metal Makine 12-20, Mart 1996 77