AISI 1060 Çelik Malzemenin Tokluk Ve Sertlik Değerlerine Soğutma Ortamının Etkisi

Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 7, No: 2, 2010 (45-52) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 7, No: 2, 2010 (45-52) TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR www.teknolojikarastirmalar.com e-issn:1304-4141 Makale (Article) AISI 1060 Çelik Malzemenin Tokluk Ve Sertlik Değerlerine Soğutma Ortamının Etkisi N. Sinan KÖKSAL, Göksan AKPINAR, Đbrahim AYDIN Celal Bayar Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Makine Bölümü, 45140 Manisa/TÜRKĐYE sinan.koksal@bayar.edu.tr Ö Özet Isıl işlem sıcaklığı ve soğutma ortamına bağlı olarak malzeme özellikleri önemli oranda değiştirilebilir. Bu çalışmada AISI 1060 çeliğine tavlama sıcaklığı ve soğutma ortamları değiştirilerek malzemenin içyapısı ve mekanik özelliklerinde oluşan değişimler araştırılmıştır. Tavlama sıcaklığı 820 C ve 950 C olup, 25 dakika süresince numuneler bekletilmiş ve havada, suda ve yağda soğutulmuştur. Ayrıca suda soğutulan numunelere 600 C de gerilim giderme tavı da uygulanmıştır. Çentik darbe deneyi ve mikrosertlik ölçümleri ile yapıda oluşan değişimler belirlenmiştir. Ayrıca optik mikroskop ile içyapı görüntüleri alınmıştır. Sonuçlarda bu çeliğin 820 0 C sıcaklıktan su, yağ ve hava ortamında soğutulan numunelerde elde edilen tokluk artışı su, yağ ve hava sırasıyla olmuştur ve daha sonra uygulanan ısıl işlemle önemli oranda tokluk artışı elde edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Isıl işlem, Sertlik, Çentik Deneyi, Đçyapı, The Effect Of Cooling Rate On Toughness And Hardness Of AISI 1060 Plain Carbon Steels Abstract Materials properties can be significantly changed depending on heat treatment temperature and varying cooling rate. In this study, the effects of cooling rate on the microstructure and mechanical properties of AISI 1060 steels were investigated. Samples were heated and treated at 820 C and 950 C for 25 min and subsequently were cooled in three different (water, oil and air) methods. Also, stress relieving treatment at 600 C was applied the specimens cooled in water. Changes in material structure were determined by Charpy impact test and micro hardness measurements. Inner structure images were obtained by optical microscope. Higher toughness at specimens of 820 C was obtained by cooling in water, oil and air respectively. Further increases in toughness were obtained by heat treatments applied afterwards. Key words: Heat Treatment, Hardness, Charpy Test, Microstructure 1. GĐRĐŞ Malzemelerden kullanım yerine uygunluğu, uzun ömürlü olması, yeterli sertlik değerine sahip olması gibi birtakım özelliklerin giderek daha fazla istenmesi nedeniyle öncelikle kimyasal bileşimi değiştirilmektedir. Örneğin malzemenin tümünün kimyasal bileşimini değiştirmek mümkün olduğu gibi, sadece yüzeyinin kimyasal bileşimini değiştirmekte mümkündür. Ancak bu değişikliğin yanında malzemeye birtakım özellikler daha verilmek istenildiğinde ısıl işlem uygulanmaktadır. Özellikle çeliklerin mekanik özellikleri, kimyasal bileşimdeki alaşım elementlerine, içyapılarına, tane Bu makaleye atıf yapmak için Köksal N.S., Akpınar G., Aydın Đ., AISI 1060 Çelik Malzemenin Tokluk Ve Sertlik Değerlerine Soğutma Ortamının Etkisi, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2010 (7) 45-52 How to cite this article Köksal N.S., Akpınar G., Aydın Đ., The Effect Of Coolıng Rate On Toughness And Hardness Of Aısı 1060 Plaın Carbon Steels, Electronic Journal of Machine Technologies 2010 (7), 45-52

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7)45-52 AISI 1060 Çelik Malzemenin Tokluk ve Sertlik Değerlerine büyüklüklerine, uygulanan ısıl işlemlere bağlı olarak önemli oranlarda değişir. Çeliklerin kimyasal bileşimi değiştirilmeden ısıl işlem uygulanarak içyapısı, sünekliği ve sertlik değerleri değiştirilebilir. Isıl işlem sırasında önemli değişkenlerden olan soğutma ortamının veya soğuma oranının mekanik özelliklere ve içyapıya etkisi üzerinde birçok çalışma yapılmıştır [1 6]. Soğutma ortamı olarak en çok su ve yağ, özel durumlarda ise hava kullanılır. Çeliğin sertleşme davranışı (karbon ve alaşım miktarı) (Şekil 1), su verme ortamının soğutma kabiliyeti, soğutma ortamının sıcaklığı ve hareketi, parçanın ısı iletim kabiliyeti (alaşım elementi miktarı ile azalır), parçanın boyut ve biçimi, parçanın su verme ortamında kalma süresi, yüzey durumu (tufal oluşması) gibi etkenler su verme işlemini etkilemektedir. Şekil 1. Su verme sonunda karbon ve martenzit oranına bağlı olarak-sertlik ve mukavemet artışı [7]. Çalışmalarda birçok ısıl işlem değişkenine bağlı olarak değişen malzeme özelliklerinin, işlemlerin çok hassas olarak yapılması ile etkisi bulunabilir. Ancak bu işlemler birçok değişkeni bünyesinde barındırdığı için bu bağıntı kolayca elde edilemez. Ancak bazı malzeme özelliklerinin değişimini inceleme açısından soğuma hızının içyapı ve mikrosertlik üzerindeki etkisi araştırmaları sınırlıdır [2, 6]. Soğutma hızının tanelerin büyüklüğü üzerinde etkisi büyük olmaktadır. Yüksek soğutma hızında tane boyutu küçülmektedir. Çünkü taneler yavaş büyümeye fırsat bulamazlar. Tane boyutunun malzemenin mukavemeti ile doğru orantılı değiştiği; σ = k. D -1/2 Hall-Petch bağıntısı ile açıklanabilir. Bu bağıntıda; k: Malzeme sabiti, D: Tane boyutu ve σ: Malzeme mukavemeti, olarak tanımlanmaktadır. Isıl işlemde, soğuma hızı üst kritik hızdan büyük olmak üzere M f sıcaklığının altına inildiğinde içyapı tamamen martenzite dönüşür. Soğuma hızı üst kritik hız değerinden uzaklaştıkça, martenzitin yerini (artan ölçüde) diğer dönüşüm ürünleri alır. Böylece erişilebilen sertlik, karbon ve martenzit oranına göre değişecektir. Ostenitleme sıcaklığı gereğinden yüksek seçilirse, tane irileşmesi meydana geleceğinden, soğuma sırasında yayınma güçleşir. Böylece, ostenitin perlite dönüşüm eğiliminin azalmasından dolayı çeliğin sertleşme kabiliyeti artar. Ancak martenzitin kaba taneli ve aşırı gevrek olmasına yol açtığı için bu yöntem pek uygulanmaz. Ayrıca ısıl işlem sıcaklığına bağlı olarak oluşabilecek yapıların karakteri önemlidir. Özellikle tane sınırlarında ferrit teşekkülü mümkün olduğunca önlenmelidir. Ferritik yapı perlite nazaran oldukça 46

Köksal N.S., Akpınar G., Aydın İ. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 45-52 yumuşak olduğundan, tane sınırı ferritik özellikleri kötü yönde etkiler. Tane sınırındaki ferrit nedeniyle, mekanik zorlamalarda malzemenin akma sınırı azalır. Difüzyon tavlamasıyla empüriteler tamamen dağıtılsa bile, ostenit kristallerden tane sınırına yerleşmiş ferrit, kırılmaya sebep olabilir. Normal tavlamayla elde edilen ince taneli ve homojen yapı, bu tür sorunların yok olmasını sağlamaktadır. Çelikte ısıl işlem genellikle ostenit dönüşümünü içerir. Bu dönüşüm ürünlerinin özelliği ve görünüşü çeliğin fiziksel ve mekanik özelliklerini belirler. Isıl işlemde ilk adım ostenit oluşturmak için malzemeyi belli bir kritik sıcaklığa ısıtılmasıyla başlar. Sıcaklık yükselirse perlit hızla ostenite dönüşür; ferrit ve ostenitte birleşerek sadece ostenit oluştururlar. Çeliği kritik sıcaklığın üzerine çıkarmakla (bu bölgede mümkün olduğunca düşük bir sıcaklık düzeyinde kalmak şartıyla) minimum tane büyüklüğü elde edilebilir. Demir esaslı malzemelerde, ostenitik sahadan soğutma koşullarında olduğu gibi ısıl işleme, karbon ve alaşım elemanlarının yapı içerisinde dağılmalarına bağlıdır [8 12]. AISI 1060 çelikleri miller, şaftlar, cıvatalar yapımında, makine ve taşıt imalatında, aks, pim v.b. çok fazla zorlanan parçalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Ötektoidaltı çeliklere A 3 sıcaklığının 30 50 C üzerindeki ostenitleme sıcaklıklarında su verilir. Bu çalışmada, orta karbonlu AISI 1060 çeliklerin hava, su ve yağ ortamında soğutulduğunda soğuma hızına bağlı içyapıları, mikrosertlikleri ve tokluklarında oluşan değişimler incelenmiştir. Sonuçlarda da, 820 0 C sıcaklıktan su yağ ve hava ortamında soğutulan numunelerde elde edilen tokluk artışı da bu sıralamadaki gibi olmuştur. Aynı ısıl işlem sıcaklığına bağlı olarak suda soğutulan ve ikinci bir ısıl işlem (gerilim giderme tavlaması) uygulanan numunede de üç kata yakın tokluk artışı elde edilmiştir. 2. MALZEME ve METOT Deney malzemesi olarak ticari ürünlerden AISI 1060 orta karbonlu çelik alınmıştır. AISI 1060 çeliğinin kimyasal içeriği ve mekanik özellikleri aşağıdaki Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. AISI 1060 Çeliğinin kimyasal içeriği ve mekanik özellikleri Akma Çekme Noktası Muk. MPa MPa Element C Si Mn Cr Ni P S Fe Kopma Uzaması % Sertlik HRC % Ağırlık 0,60 0,22 0,67 0,059 0,19 0,014 0,034 Kalanı 852,6 975,4 6,9 22 Çeliğin kimyasal bileşimine bağlı olarak denge diyagramından seçilen ısıl işlem sıcaklıkları (820 0 C ve 950 0 C) ve soğutma ortamı (su, hava ve yağ) ile malzeme özellikleri (sertlik, tokluk ve içyapı) arasındaki ilişki aşağıdaki yöntemlerle araştırılmıştır. 3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Deney numuneleri olarak da 10 x 10 x 55 mm boyutlarında numuneler hazırlanmıştır. Đşlem sıcaklığı ve soğutma ortamlarına göre 6 adet deney grubu belirlenmiştir. Bunlar; Grup 1 : Đşlem Görmemiş Malzeme Grup 2 : 820 C de Isıtılıp Suda Soğutulmuş Malzeme Grup 3 : 820 C de Isıtılıp Yağda Soğutulmuş Malzeme Grup 4 : 820 C de Isıtılıp Havada Soğutulmuş Malzeme Grup 5 : 950 C de Isıtılıp Suda Soğutulmuş + 600 C de Gerilim Gidermesi Yapılmış Malzeme Grup 6 : 820 C de Isıtılıp Suda Soğutulmuş + 600 C de Gerilim Gidermesi Yapılmış Malzeme 47

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7)45-52 AISI 1060 Çelik Malzemenin Tokluk ve Sertlik Değerlerine Malzemelere fırında işlem sırasında bekletme süresinin tespiti için; Bekletme Süresi= 20+D/2 (Dakika), D= Parça Çapı (mm) deneysel formülünden yararlanılmıştır [13]. Her bir deney grubu için numuneler, çentik darbe deneyi, sertlik ölçme ve mikroyapı incelemeleri için belirlenen sıcaklıklarda fırınlarda 25 er dakika bekletilmiştir. Ortam sıcaklığındaki numuneler bu süre bitiminde fırınlardan alınarak belirlenen (hava, su, yağ) soğutma ortamlarında soğutulmuştur. Ayrıca deney gruplarından Grup 5 ve Grup 6 için; 600 C de gerilim giderme işlemi yapılmıştır. 3.1 Deney Sonuçları Çentik darbe deneyinde her deney grubundan üçer adet numuneye darbe testi uygulanmış ve sonuçların ortalamaları alınmıştır. Bu değerler Şekil 2 de verilmiştir. Kırılma Enerjisi (J) 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 164 166 132 109,3 114 42,6 Grup 1 Grup 2 Grup 3 Grup 4 Grup 5 Grup 6 3.2. Mikroyapı Đncelemeleri Şekil 2. Numune gruplarına ait çentik darbe deneyi sonuçları Malzeme mikro yapısının incelenebilmesi için 6 deney grubundan birer adet numune ısıl işlemlerden sonra sırasıyla 240, 400, 800 ve 1000 lik zımparalardan geçirilmiş ve son olarak 1µm luk alümina pastaile parlatılmıştır. Parlatma işlemi yapılan numuneler % 4 nital (Nital:HNO 3 +Etil Alkol) çözeltisi içinde ortalama 6 7 s. tutularak dağlanmıştır. Numunelerin içyapı görüntüleri optik mikroskop ile 40X büyütme ile alınarak Şekil 3 de verilmiştir. a) b) 48

Köksal N.S., Akpınar G., Aydın İ. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 45-52 c) d) e) f) Şekil 3. a) Grup 1, b) Grup 2, c) Grup 3, d) Grup 4, e) Grup 5, f) Grup 6 numunelerine ait içyapı görüntüleri. Sertlik Ölçümleri Numunelerin sertlik ölçümleri için Vickers sertlik ölçme yöntemi kullanılmıştır. Ölçüm öncesinde ısıl işlemleri yapılan numuneler, 240, 400, 800, 1000 nolu zımparalardan ve keçeden geçirilerek parlatılmıştır. Sertlik ölçümleri için, numunelere 10 s süresince 300 g yük uygulanmıştır. Numune beş noktadan ölçüm yapılıp ortalama değeri hesaplanmış ve sonuçları Tablo 2 de verilmiştir. Tablo 2. numunelere ait sertlik ölçüm değerleri Ölçüm 1 Ölçüm 2 Ölçüm 3 Ölçüm 4 Ölçüm 5 ORTALAMA Grup 1 138,4 141,2 134,1 133,4 139,4 137,3 Grup 2 231,0 227,4 229,7 226 218,4 226,62 Grup 3 153,1 148,3 145,2 141,6 143,3 146,28 Grup 4 139,0 139,6 140,6 137,5 143,7 140,08 Grup 5 162,0 159,7 159,9 158,2 156,9 159,62 Grup 6 181,7 202,4 170,2 177,0 176,8 181.6 Kırılma durumu ve yüzey görüntüleri de malzemelerin gevrek-sünek yapıları hakkında bilgi verebilmektedir. Bu nedenle çentik darbe deneyi sonrası numunelerin kırılma yüzey görüntüleri makro düzeyde alınarak Şekil 4 de verilmiştir: 49

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7)45-52 AISI 1060 Çelik Malzemenin Tokluk ve Sertlik Değerlerine a) b) c) d) e) f) Şekil 4. a) Grup 1, b) Grup 2, c) Grup 3, d) Grup 4, e) Grup 5, f) Grup 6 numunelerinin çentik darbe deneyi sonrası kırılma yüzey görüntüleri. 5. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Isıl işlemin malzeme özelliklerindeki değişimini incelemek için AISI 1060 çelik malzeme 820 C ye ısıtılarak su, yağ ve hava ortamlarında soğutma işlemi uygulanmıştır. Bu işlemler sonucunda malzeme içyapısı, kırılma enerjileri ve sertlik değerlerindeki değişimler incelenmiştir. Darbe deneyleri ile elde edilen kırılma enerjileri karşılaştırıldığında, ısıl işlem görmemiş numuneler ile su ortamında soğutulan malzemelerde en fazla fark olmuştur (Şekil 2). Yağ ortamında soğutulan numunelerde de benzer şekilde azalma görülmüştür. Bu azalma yapıda oluşan martenzit miktarına bağlanabilir. Bu martenzit oranı, su ortamında soğutmada %30 iken yağda soğutulan numunelerde %5 e kadar düşmüştür. Havada soğutulan numunelerde ise yapıda bir değişiklik olmamıştır. Hava ortamında yavaş soğuma koşullarında daha tok bir yapı oluşmuştur. Isıl işlem sonrası tavlamanın etkisini belirlemek için; 820 C de ısıtılıp suda soğutulan malzemeye 600 C de gerilim giderme tavı uygulandığında malzemenin tokluğu, ilk duruma göre yaklaşık olarak üç kat 50

Köksal N.S., Akpınar G., Aydın İ. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 45-52 artırmıştır. 600 C de gerilim giderme tavı yapıldığında martenzit yapı içerisindeki düzensiz dağılan atomlar nispeten kararlı bir hale geçerler ve sertlikleri bir miktar düşmesine karşın (226 HV den 181 HV ye) tokluğu yaklaşık üç kat arttığı görülmüştür böylece malzeme kullanılabilir bir hal almış olup ve martenzitten dolayı kırılgan yapı ortadan kalkmıştır. 950 C de ısıtılmış malzeme ostenitleme sıcaklığının çok üzerinde bir değerde ısıtılması sebebiyle tane irileşmesi gerçekleşmiş 820 C de ısıtılmış malzemeye kıyasla daha düşük sertlik elde edilmiştir (Şekil 2). Malzemelerin içyapıları incelemelerinde; hiçbir ısıl işlem görmemiş numune ile 820 C de ısıtılıp havada soğutulmuş numunenin içyapı resimleri yaklaşık olarak birbirinin aynısıdır. 820 C de ısıtılıp suda soğutulmuş numunenin içyapısındaki martenzitten kaynaklanan düzensiz içyapılar belirgindir. 820 C de ısıtılıp havada soğutulmuş numunenin içyapısına bakıldığında; difüzyon uygun bir şekilde gerçekleşmeye zaman olmadığından tane sınırlarında ferrit ayrışması olmamıştır, ostenit tanelerinin formu yapı içerisinde belirgin değildir. 6. KAYNAKLAR 1. Mebarki N., Delagnes D., Lamelse P., Delmas F., Levaillant C., 2004, Relationship Between Microstructure And Mechanical Properties of A 5% Cr Tempered Martensitic Tool Steel, Mat. Sci. Eng. A., 387 389, 171 175. 2. Bochoa F, Williams JJ, Chawla N, 2003, Effects of Cooling Rate on Creep Behavior of a Sn-3.5Ag Alloy, J. Electron. Mater., 32: 1414. 3. Qiao ZX, Liu YC, Yu LM, Gao Z.M., 2009, Effect of Cooling Rate on Microstructural Formation and Hardness of 30CrNi3Mo Steel. App. Phy. A., 95, 917. 4. Craievich AF, Olivieri JR, 1981, Influence of a Continuous Quenching Procedure on The Initial Stages of Spinodal Decomposition, J. Appl. Cryst., 14: 444. 5. Lu Z, Faulkner RG, Riddle N, Martino FD, Yang K., 2009, Effect of heat treatment on microstructure and hardness of Eurofer 97, Eurofer ODS and T92 steels. J. Nuc. Mater. 415: 386 388. 6. Ulu S., 2009, DIN17CrNiMo6 Çeliğinin Mikroyapı Özelliklerine Kritik Sıcaklıklararası Isıl Đşlemlerin Etkisi Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi (6), 79 88. 7. Totten, G.E., Hawes, A.H., 1997, Steel Heat Treatment Handbook, Marcel Dekker, Inc. New York., 45-48. 8. Ozerdem M. S., Kolukisa S., 2008, Artificial Neural Network Approach to Predict Mechanical Properties of Hot Rolled, Nonresulfurized, AISI 10xx series carbon steel bars Journal of Materials Processing Technology, 199 437 439. 9. Bangaru NRV, Sachdev AK., 1982, Influence of Cooling Rate on The Microstructure and Retained Austenite an Intercritical Annealed Vanadium Containing HSLA Steel, Metallurgical and Mater. Trans. A, 13, 11-15. 10. Chao J, Gonzales-Carrasco JL., 1998, Influence of Cooling Rate on Room Temperature Tensile Behaviour of Thermally Oxidised, MA 956. Mater. Sci. Technol. 14, 440. 11. L.C. Casteletti, F.A.P. Fernandes, S.C. Heck, C.K.N. de Oliveira, A. Lombardi-Neto, G.E. Totten, 2009, Pack and Salt Bath Diffusion Treatments on Steels, Heat Treating Progress, 9(5), 49 52. 51

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7)45-52 AISI 1060 Çelik Malzemenin Tokluk ve Sertlik Değerlerine 12. Gorynin I.V, Rybin V.V., Kursevich I.P., Lapin A.N., Nesterova E.V., Klepikov E.Y., 2000, Effect of Heat Treatment and Irradiation Temperature on Mechanical Properties and Structure of Reducedactivation Cr-W-V Steels of Bainitic, Martensitic, and Martensitic-ferritic Classes, Journal of Nuclear Materials, 283-287, Part 1, December, p. 465-469. 13. Topbaş, M. A., 1993, Isıl işlemler, Đstanbul: ĐTÜ. 52