www.teknolojikarastirmalar.org ISSN:1304-4141 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2004 (2) 1-6 TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Davetli Makale Karbon eşdeğerliği yüksek çeliklerin kaynağında ön tav sıcaklığının kaynak metali morfolojisine etkisi Adem KURT*, Erol AVCIOĞLU** *Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Eğitimi Bölümü, Ankara **Gazi Endüstri Meslek Lisesi, Afyon (Geliş Tarihi: 3 Nisan 2004, Kabul Tarihi: 15 Nisan 2004) Özet Bu çalışmada, karbon eşdeğerliği 0.76 ve 1.06 olan iki tür yüksek karbonlu çelik malzeme oda sıcaklığında, 250 o C ve 350 o C ön tav sıcaklığında bazik karakterli örtülü elektrotlarla kaynakla birleştirilmişlerdir. Kaynakla birleştirilmiş numunelerin mikro yapıları incelenerek ön tav sıcaklığının kaynak metali mikroyapı morfolojisindeki değişiklikler incelenmiştir. Ön tav sıcaklığı arttıkça ITAB ın genişlediği ve kaynak metalinin dentiritik olarak katılaştığı ve dentirit kolları arasında sementit ağlarının oluştuğu görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Kaynak, Yüksek karbonlu çelikler, Ön tav ısıl işlemi, Kaynak metali mikroyapısı 1.Giriş Kaynaklı birleştirmeler çelik konstrüksiyonların önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Kaynaklı konstrüksiyonların emniyetini ve kaynak yapılan metalin kaynak kabiliyetini belirleyen en önemli faktör kaynak dikişinin çatlak problemidir [1-4]. Ergitmeli kaynaklarda özellikle elektrik ark kaynağında, soğuma hızı; sertleşme eğilimi fazla olan çeliklerde eğer gerekli tedbirler alınmaz ise ısının tesiri altında kalan bölgede martenzit oluşumunu sağlayacak şiddettedir. Çeliklerin kaynak kabiliyeti üzerine yapılan çalışmalar araştırmacıları karbon eşdeğerlik kavramı üzerine yöneltmiştir. Karbon eşdeğerliği çelik içerisinde bulunan karbona, karbonun dışındaki diğer alaşım elementlerinin belli değerlere oranının ilavesi ile bulunan bir değerdir [5]. Karbon eşdeğerliği için çeşitli şartlar dikkate alınarak 20 nin üzerinde farklı formül geliştirilmiştir. Bunlardan en fazla kullanılan karbon eşdeğerliği formülleri şunlardır [6]. Ceş=C+(Mn/6)+(Si/24)+(Mo/29)+(V/14) (WES) (1) Ceş=C+(Mn/6)+(Mo/4)+(Ni/15) +(Cr/5) ( Dearden,O Neill) (2) Ceş=C+(Mn/6)+(Mo/4)+(Ni/40) +(Cr/5) +(V/14)+(Si/24) ( Kihara) (3) Ceş=C+(Mn/6)+(Mo/50)+(Ni/20) +(V/10) + (Cu/40) ( Vinterton) (4) Ceş=C+(Mn/20)+(Mo/10)+(Ni/15) +(Cr/10) +(V/10 ( Bradstreat) (5) Ceş=C+(Mn/16)+(Mo/40)+(Ni/60) +(Cr/20) +(V/15)+( Cu/16)+(Si/25)( Düren) (6) Ceş=C+1/20(Mn+Mo+Ni +Cr+V+Cu+Si ( Koch,Bersch) (7) Ceş=C+(Mn/16)+ (Ni/50)+(Cr/23)+ (Mo/7)+(Nb/8)+(V/9)+1/12 logh 2 ( Graville) (8)
Teknolojik Araştırmalar 2004 (2) 1-6 Karbon eşdeğerliği yüksek çeliklerin kaynağında ön tav sıcaklığının etkisi Uluslararası Kaynak Enstitüsünün IX numaralı Kaynak Kabiliyeti Komisyonun önerdiği formül ise şöyledir: Ceş=C+(Mn/6)+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 (9) Buna göre karbon eşdeğerliği Ceş<%0,45 ise kaynak öncesi herhangi bir özel önleme gerek duyulmaz. Eğer Ceş>%0,45 ise bu tür çeliklerin kaynağında özel önlemler almak gerekir. Özel önlem olarak da bulunan karbon eşdeğerliğine göre aşağıdaki sıcaklıklarda bir ön tavlama gerekir. Ceş = % 0,45-0,50 için 100 o C Ceş = % 0,5-0,55 için 150 o C Ceş = % 0,55-0,6 için 200 o C Ceş = > 0,6 için 250-300 o C Özellikle alaşımlı çelikler kaynak edildiklerinde kaynak dikişinin çatlamasını önlemek için ön tavlama veya düşük hidrojenli bazik elektrotlar kullanmak gerekir. Kaynak bölgesindeki çatlaklar, kaynak sırasında ve kaynaktan sonra olmak üzere iki şekilde meydana gelir. Bu çatlaklar; mikro çatlaklar, makro çatlaklar ve kırıklardan ibarettir[6]. Ayrıca çatlaklar meydana gelişlerine göre de sıcak çatlaklar ve soğuk çatlaklar olarak sınıflandırılırlar[6-8]. Sıcak çatlaklar malzemelerin yeterli sünekliliğe sahip olmaması sonucu ortaya çıkan çekme gerilmelerinin malzemeyi çatlatabilecek seviyeye ulaşması sonunda olabilmektedir. Suziki [9] soğuk çatlağın oluşmasını, çatlağın başlayıp ilerlediği bölgede, süneklik kaybı, çentik sebebiyle gerilim yoğunlaşması, hidrojen gevrekliği ve bunların toplam etkisine bağlamaktadır[10-12]. Kaynaklı birleştirmelerde soğuk çatlamanın önlenmesi, soğuma hızını kontrol etmekle mümkündür. Kontrollü soğuma ile ısının tesiri altında kalan bölgede sert fazların oluşması önlendiği gibi bölgeler arası distorsiyona sebep olan gerilmeler de en aza indirilmiş olur. Soğumanın kontrolü için ön tavlama, son tavlama, pasolar arası sıcak tutma, gerilim giderme tavlaması, hidrojensiz veya düşük hidrojenli elektrotlarla kaynak yapmak gibi tedbirler ayrı ayrı veya birkaç tanesi beraberce uygulanabilir [4]. 2. Malzeme ve Deneysel Yöntem Bu çalışmada yüksek karbonlu C1070 ve C1080 çelik malzemelerin kaynak edilebilirliği ve kaynak metali katılaşmasına ön tav sıcaklığının etkisi incelenmiştir. Bu amaçla her bir tür çelik malzeme bir birleriyle önce oda sıcaklığında,sonra 250 o C ve 350 o C öntav sıcaklığı uygulanarak kaynakla birleştirilmişlerdir.birleştirilen numuneler çekme, darbe ve sertlik incelemeleri ile kaynaklı bölge ve esas metale makro ve mikro yapı incelemesi uygulanmıştır. 2.1.Deney malzemeleri 2.1.1. Esas metal Deneylerde esas metal olarak 15 mm kalınlığında C1070 ve C 1080 alaşımlı yapı çeliği kullanılmıştır. Esas metale ait kimyasal bileşim Tablo 2.1 de ve ilave metale ait bileşim ise Tablo 2.2 de gösterilmiştir. Tablo 2.1. Esas Metalin Kimyasal Bileşimi Alaşım Elementi C Si Mn P S Cr Mo V N Cu C1070 0,613 0,189 0,633 0,016 0,021 0,146 0,012-0,035 0,194 C1080 0,916 0,244 0,349 0,024 0,013 0,332 0,015 0,001 0,073 0,185 2
Kurt, A., Avcıoğlu, E. Teknolojik Araştırmalar 2004 (2) 1-6 Tablo 2.2. İlave Metalin Kimyasal Bileşimi Alaşım Elementi C Si Mn P S % 0,1 0,3 1,3 0,2 0,02 2.1.2. İlave metal Deneylerde bazik karakterli örtülü elektrot kullanılmıştır. Deneylerde kullanılan esas metalin karbon eşdeğerliği Uluslar arası Kaynak Enstitüsünün (IIW) IX nolu Kaynak Komisyonunun belirlediği formüle göre aşağıdaki gibi hesaplanmıştır. Ceş=C+(Mn/6)+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 Formülde Ç1070 için değerler yerine konulursa Ceş 70 = 0,613+(0,633/6)+(0,146+0,012+0)/5+(0,035+0,194)/15 Ceş 70 = 0,765 bulunur. Ç1080 çelik için karbon eşdeğerliği aynı formülden aşağıdaki gibi bulunur. Ceş 80 = 0,916+(0,349)/6+(0,332+0,015+0,001)/15+(0,073+0,185)/15 Ceş 80 = 1,06 olur. Buradan görüleceği gibi karbon eşdeğerliği her iki esas malzemede de 0,45 den büyük çıkmaktadır. Bu nedenle ön tav sıcaklığı uygulanarak kaynak edilmişlerdir. Ancak oda sıcaklığında kaynak edilenlerde katılaşma sırasında, ön tav uygulanmış numunelere göre soğuma hızı daha yüksek olacağından yüksek soğuma hızının morfolojiye etkisini görmek amacıylada belirlenen karbon eşdeğerlik değerlerine göre uygun olmadığı halde oda sıcaklığında da birleştirme yapılmıştır. Kaynakla birleştirilecek numuneler 15x100x200 mm ebatlarında kesilerek kaynak ağızları 15 derece olacak şekilde frezede işlenmişlerdir. TS 7706 ya göre hazırlanan deney parçaları aşağıdaki parametrelerde elektrik ark kaynağı ile birleştirilmişlerdir. Akım :130 A Elektod çapı : φ 3,25 mm Elektrod türü : Bazik karakterli örtülü elektrod Kaynak konumu : Yatayda oluk Paso sayısı : 7 Dikiş şekli : Düz salınımsız Ceş=0.76 ve Ceş=1.06 olan çelik malzemeler ayrı ayrı oda sıcaklığında, 250 o C ve 350 o C ön tav sıcaklıkları uygulanarak ve pasolar arası sıcaklık ön tav sıcaklıkları olacak şekilde kaynak edilmişlerdir. 3. Sonuçlar ve Tartışma Karbon eşdeğerliği (Ceş) 0.76 olan yüksek karbonlu çeliğin bazik örtülü elektrotlarla yapılan kaynak dikişinin katılaşma tane boyutu, kaynak şartları ile farklılıklar göstermiştir. Karbon eşdeğerliği 0.76 olan çeliğin oda sıcaklığındaki mikroyapısı Şekil 3.1 de, 250 o C öntav uygulanmış çeliğin mikroyapısı Şekil 3.2 de ve 350 o C öntav uygulanmış çeliğin mikroyapı resimleri ise Şekil 3.3 de verilmiştir. 3
Teknolojik Araştırmalar 2004 (2) 1-6 Karbon eşdeğerliği yüksek çeliklerin kaynağında ön tav sıcaklığının etkisi Şekil 3.1 Ceş=0.76 olan çeliğin oda sıcaklığında yapılan kaynak metalinin geçiş bölgesinden son katılaşma noktasına doğru mikroyapı morfolojisi Kaynak metalinin katılaşması sırasında ergime çizgisinin esas metal tarafında sıcaklığın yüksek olması sebebiyle, tane irileşmesi meydana gelmiştir. Bu bölgede ergime çizgisi ve sıvı kaynak metali arasında tam bir ıslatma olduğundan katılaşma, esas metalin yarım tanelerinden epitaksiyel olarak başlar ve hücreselden dendritiğe dönüşerek tamamlanır. Soğuma hızı yüksek olduğunda dendrit kolları arası mesafeler azalır. Oda sıcaklığında kaynak yapılan çelik malzeme hızlı soğuduğundan, oluşan taneler küçük ve ince dendritlerden oluşmuştur. 250 o C ön tav sıcaklığı uygulanmış 0.76 karbon eşdeğerliğine sahip çelikte kaynak sonrası soğuma, ön tav uygulanmamış numuneye göre daha yavaş olduğundan östenitten tane sınırı ferritler oluşmuş ve tane sınırı ferriten de tane içlerine doğru widmanstatten ferritler büyümüştür (Şekil 3.2).Bu bölgenin mikro yapısının perlit +ferriten oluştuğu görülmektedir. Şekil 3.2. 250 C öntav sıcaklığında kaynak yapılmış Ceş=0.76 olan çeliğin kaynak metali 350 C ön tav uygulanmış kaynaklı numunede oda sıcaklığına soğuma süresi daha yavaş olduğundan, tane sınırlarından tane içlerine doğru büyüyen dentritlerin boyutları da artmıştır. Ayrıca tane sınırlarındaki tane sınırı ferrit tabaka kalınlığının da arttığı görülmektedir (Şekil 3.3). Karbon eşdeğerliği 1.06 olan yüksek karbonlu çelik malzeme, herhangi bir ısıl işleme tabi tutulmadan oda sıcaklığında kaynak edildiğinde, soğuma süresinin kısa olması ve bunun sonucu karbon eşdeğerliği 0.76 olan malzemelerden daha küçük taneli bir kaynak metali oluşturarak katılaşmıştır ( Şekil 3.4). 4
Kurt, A., Avcıoğlu, E. Teknolojik Araştırmalar 2004 (2) 1-6 Şekil 3.3. 350 o C ön tav sıcaklığında kaynak yapılmış Ceş= 0.76 olan çeliğin kaynak metali Şekil 3.4. Karbon eşdeğerliği 1.06 olan çeliğin oda sıcaklığında yapılan kaynağında geçiş bölgesi ve kaynak metali Şekil 3.5. Karbon eşdeğerliği 1.06, öntav sıcaklığı 250 o C olan kaynak metalinin mikroyapısı Katılaşma sırasında daha fazla noktadan çekirdeklenmenin olması, küçük ve çok sayıda tane oluşumuna ve dolayısı ile ince taneli olarak katılaşmasına sebep olmaktadır. Artan ön tav sıcaklıkları (250 o C ve 350 o C) katılaşma sırasında soğuma hızını yavaşlattığından daha uzun süreli difüzyona imkan tanımakta ve daha iri taneli yapılar ortaya çıkmaktadır. Özellikle 350 o C ön tav uygulanmış çelikte ergime çizgisinden itibaren katılaşmanın epitaksiyel olarak başlayıp düzlemsel, hücresel ve dendirtiğe doğru şekil aldığı açıkça görülmektedir. Ergime çizgisinden kaynak metaline doğru (Şekil 3.6) tane sınırı sementit ağları 5
Teknolojik Araştırmalar 2004 (2) 1-6 Karbon eşdeğerliği yüksek çeliklerin kaynağında ön tav sıcaklığının etkisi oluştuğu ve tane içerisine doğru sementit ağlarının dendirt kolları şeklinde yayıldığı görülmektedir. Ön tav sıcaklığı uygulanmış olsa bile bu kimyasal bileşime sahip olan malzemede soğuma sırasında alt soğuma ürünü olan tüylü beynitik yapıda kaynak metalinde görülmektedir. Tanelerin iç kısımlarında poligonal şeklinde asiküler ferrit yapılarda görülmektedir. Şekil 3.6. Karbon eşdeğerliği 1.06 olan ve 350 o C ön tav sıcaklığı uygulanan malzemenin kaynak metali mikroyapı morfolojisi. Sonuçlar Bu çalışma ile yüksek karbon eşdeğerliğine sahip çelikler ön tav sıcaklığı uygulanarak ve oda sıcaklığında ön tavsız olarak kaynak edilmişlerdir. Gerek oda sıcaklığındaki kaynakta gerekse ön tav sıcaklığı uygulanmış kaynaklı numunelerin kaynak metalinde gerilme çatlaklarına rastlanmamıştır. Her ne kadar bu çalışmada ön tavsız yapılan kaynaklı birleştirmelerde çatlak olayına rastlanmamışsa da karbon eşdeğerliği 0,45 den yüksek olan çelikler ön tav uygulamadan kaynak edilmemelidirler. Makro düzeyde olmasa da mikro çatlakların oluşma ihtimali oldukça yüksektir. Kaynak işleminde katılaşma esas metalin ergime çizgisine sınır tanelerden epitaksiyel olarak başlayıp soğuma hızına bağı olarak hücresel ve dentiritik olarak katılaşmaktadır. Sıvı fazdan oda sıcaklığına soğurken ostenitten önce tane sınırı ferrit oluşmakta ve tane sınırı ferritten tane içlerine doğru widmanstatten ferritler büyümektedir. Tane içlerinde ise asiküler ferrit meydana gelmektedir. Soğuma hızı dentiritik katılaşmada dendrit kolları arası mesafelerde etkili olmaktadır. Kaynaklar 1. Tülbentçi, K., MİG-MAG Gazaltı Kaynak Yöntemi, 1998, İstanbul. 2. Anık, S., Kaynak Tekniği, Cilt 3, 1978, İstanbul. 3. Oğuz, B., Ark Kaynağı OERLİKON Yayınları, 1989, İstanbul. 4. Özden, N., Kaynağın Isıl İşlemi, 1985, İstanbul 5. Kurt A., Yüksek Karbonlu Çeliklerin Kaynağında Öntav Sıcaklığının Mikroyapı ve Mekanik Özelliklere Etkisi, Politeknik Dergisi,Cilt 4. Özel sayı 29-33,2001 (5) 6. Hrıvnak,I., Theory of Weldabilityof Metals and Alloys, NY.1992 pp.133-134). 7. Oğuz, B., Karbonlu ve Alaşımlı Çeliklerin Kaynağı, 1987, İstanbul 8. Lancester, J. F., Metallurgy of Welding, Cambridge, 1999, England 9. Kou, S., Welding Metallurgy, Wincansin, 1987,USA 10. Easterking, K., Introduction to the Physical Metallurgy of Welding, 1992, Butterworth-Heinemann 11. Suzıkı, H., Cold Cracking and it s Preventation in Steel Welding, Trans. Of JWS vol.9, No.2, 1980 12. Yılmaz, O., Karbon Eşdeğerliği Yüksek Bir Çeliğin Toz altı Kaynağında Kaynak Parametrelerinin Kaynak Kabiliyetine Etkisi, Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü,1992 6