AISI-1040 VE AISI-P20 ÇELİKLERDE ALAŞIM ORANLARI VE MİKRO YAPININ SERTLEŞME KABİLİYETİNE ETKİSİ

2. Ulusal Tasarım İmalat ve Analiz Kongresi 11-12 Kasım 2010- Balıkesir AISI-1040 VE AISI-P20 ÇELİKLERDE ALAŞIM ORANLARI VE MİKRO YAPININ SERTLEŞME KABİLİYETİNE ETKİSİ Selahattin KÖSE*, Raif SAKİN** *skose74@hotmail.com Balıkesir Üniversitesi Edremit M.Y.O., Makine Bölümü, 10300-Balıkesir **rsakin@balikesir.edu.tr Balıkesir Üniversitesi Edremit M.Y.O., Makine Bölümü, 10300-Balıkesir ÖZET Bu çalışmanın amacı AISI-1040 ve AISI-P20 çeliklerinin alaşım oranları ve mikro yapılarının sertleşme kabiliyeti üzerine etkisini incelemektir. Jominy alından su verme testi, çeliklerin sertleşme kabiliyetini (sertleşebilirliği) ölçmede kullanılan standart bir metottur. Bu çalışmada karbon oranı C %0.385 olan AISI-1040 ve AISI-P20 çeliklerinin sertleşebilirliğini ölçmek için standart Jominy testleri yapılmıştır. Ostenit faz sıcaklığına (850 ºC) kadar ısıtılan numuneler fırında 30 dakika bekletildikten sonra Jominy test cihazına yerleştirilerek alından su verilmiştir. Oda sıcaklığına kadar soğutulan numunelerin su verme alnından başlanarak belirli aralıklarla sertlikleri (HRC) ölçülmüş ve mikro yapı fotoğrafları çekilmiştir. Her iki çelik için sertlik değerlerinden faydalanılarak Jominy sertleşebilirlik eğrileri çizilmiştir. Her iki çeliğin sertlik değeri üzerinde etkili olan başta karbon (C) olmak üzere Cr, Mo, Mn, Si, Ni ve V gibi alaşımların sertleşme kabiliyetini de etkilediği görülmüştür. Ayrıca su verme derinliği (Jominy derinliği) ile değişen martenzit oranının sertleşme kabiliyeti üzerinde etkili olduğu gözlenmiştir. AISI-1040 çeliğinde su verme derinliğinin en uzak mesafesi olan 17. noktada (68 mm) sertleşme kaybı yaklaşık %62 iken, AISI-P20 çeliğinde bu kayıp %45 dir. Bu durum ise AISI-P20 çeliğinin sertleşme kabiliyetinin daha yüksek olduğunun bir göstergesidir. Anahtar Sözcükler: AISI-1040, AISI-P20, alaşım oranı, mikro yapı, Jominy su verme testi, sertleşebilirlik 170

ABSTRACT The aim of this study is to investigate the effect of the alloy percentages and microstructures of steels AISI-1040 and AISI-P20 on the hardening capabilities of them. Jominy End Quench Test is a standard method for measuring the capability to be hardened (hardenability). In this study, Jominy tests are used to measure the hardenability of AISI- 1040 and AISI-P20 steels with a nearly 0.385% Carbon composition. The specimens which are heated to austenite phase temperature (850 ºC) are kept in oven for 30 minutes and are then quenched with water in Jominy test setup. The specimens are first cooled to roomtemperature and are then tempered starting at one end. During this process the hardness (HRC) is measured and the photos of the microstructure are taken at certain time points. For both types of steels Jominy hardenability curves are obtained using measured hardness values. Starting with Carbon, Cr, Mo, Mn, Si, N, and V are the elements which have effects on the capability to be hardened according to the current study. Besides, it is also observed that the (martensite) composition, which changes with the quench distance (Jominy distance), influences the hardenability. For AISI-1040 the maximum of the quench distance occurs at 17th point (68mm) and its hardening loss happens to be 62% whereas the hardening lost for AISI-P20 is 45%. This reveals the fact that the capacity of AISI-P20 to be hardened is higher than the former one. Keywords: AISI-1040, AISI-P20, chemical composition, micro-structure, Jominy end quench test, hardenability 1. GİRİŞ İmalat sektöründe kaliteli hizmet sunabilmek ve diğer firmalarla rekabet edebilmek ancak uygun malzeme seçimiyle mümkündür. Bu yüzden makine imalat ve yapı sanayinde çelik seçimi son derece önemlidir. Bir çeliğin önemli özelliklerinden biri de sertleşme kabiliyetidir. Sertleşme kabiliyeti veya diğer bir ifadeyle sertleşebilirlik; bir çelikte su verme işlemi ile oluşturulan sertliğin yüzeyden içe doğru dağılım özelliğine verilen addır. Yani sertleşebilirlik su verme ile elde edilen sertliğin derinliğini tayin eder. Sertleşme derinliği ise takım ve yapı çelikleri için çok önemli bir unsurdur. Ancak sertlik ve sertleşebilirlik kavramları malzemenin farklı iki özelliğidir. Bir alaşımın sertliği, onun fiziksel sertliğinin gerçek ölçüsüdür. Sertleşebilirlik ise malzemenin martenzite dönüştüğü en yavaş soğuma hızının bir ölçüsüdür. Maksimum sertlik çeliğin karbon miktarına bağlıdır. Sertleşebilirlik ise çeliğin kimyasal bileşimine (karbon ve alaşım elementleri) ve su verme sırasında ostenit tane boyutuna bağlıdır. Diğer bir tanım ise, sertleşebilirlik su verme işlemi sonucu yapısı martenzite dönüşen bir çeliğin sertleşme kabiliyeti olarak tanımlanır. Sertleşebilirlik testleri su verme ile elde edilen sertlik derinliğinin ölçülmesi esasına dayanır. Bu derinlik, martenzit miktarının yüzeyden itibaren yarıya indiği veya %50 martenzit ve beynitin var olduğu mesafe olarak ifade edilmektedir. Yüksek sertleşebilirliğe sahip bir çeliğin karakteristik özelliği yüksek sertleşme derinliği göstermesi veya büyük parçalar halindeyken bile tam olarak sertleşebilmesidir [1-6]. Temel sertleşebilirlik verileri çelik tüketicileri ve ısıl işlemciler için önemlidir. Bu nedenle sertleşebilirliğin saptanabileceği çok sayıda basit yöntem geliştirilmiştir. Çeliğin sertleşme 171

kabiliyetini belirlemek için genellikle Jominy testi kullanılmaktadır. Grossmann testi ile kıyaslandığında, Jominy testi laboratuar şartlarında yapılması ve kullanılması hem kolay hem de ekonomik olduğundan daha yaygın kullanılan yöntemdir [6,7]. Jominy testi uluslararası düzeyde (ASTM-A255) standartlaştırılmış ve Türk Standartları 1381 de de detayları verilmiştir [8,9]. 2. SERTLEŞEBİLİRLİĞE ETKİ EDEN FAKTÖRLER 2.1. Alaşım Elementlerinin Sertleşebilirlik Üzerine Etkisi Genel olarak alaşım elementleri perlit, beynit dönüşümleri geciktirerek sertleşebilirliği arttırır [5,10]. Aşağıda bazı alaşım elementlerinin sertleşebilirlik üzerine etkisi açıklanmıştır. Alaşım elementlerinden sertleşebilirliği en çok C, B, Cr, Mn, Mo, Si ve Ni etkiler (arttırır). Dolayısıyla alaşımlı çeliklerin sertleşebilme kabiliyetlerinin daha yüksek olduğu söylenebilir. C : Karbon oranı arttıkça sertleşebilirlik artar [1-6,13]. Si : Silisyum malzemenin işlenmesini zorlaştırıp, yüzey kalitesini bozduğundan özellikle ilave edilmez. Ancak sertleşebilirliği, aşınma dayanımını ve elastikiyeti yükseltir [11]. Mn : Mangan dönüşüm hızını düşürmesinden dolayı sertleşebilirliği büyük oranda arttırır [12]. P : Fosfor çeliğin mukavemetini ve sertleşebilirliğini arttırır. Fakat sünekliği ve tokluğu azaltır [12]. S : Kükürt genel olarak kaynak kabiliyeti ve sertleşebilirliği olumsuz etkiler [11]. Cr : Krom dayanımı ve sertleşebilme özelliğini arttırır [10]. Ni : Krom ile birlikte kullanılan nikel sertliğin derinliğe inmesini sağlar [10]. Mo : Krom ve nikel ile beraber kullanılan molibden az miktarda katılmasına rağmen sertlik ve dayanımı arttırır [10]. Çeliğin sertleşebilirliğini arttırır ve belirli limitler arasında sertleşebilirliğin devamında özellikle yarar sağlar [12]. V : %0.05 e kadar vanadyum ilavesi çeliğin sertleşebilirliğini arttırır. Daha büyük miktarlardaki ilavesinde sertleşebilirliği azalttığı görülür. Çünkü muhtemelen ostenit de zorlukla çözülebilen karbürler oluşturur [12]. N : Azot çeliğin mukavemetini ve sertleşebilirliğini arttırır. Fakat süneklik ve tokluğunu azaltır [12]. 2.1.1. Kimyasal Bileşimden Jominy Eğrilerinin Hesaplanması Çeliklerde kimyasal kompozisyonun sertleşebilirlik üzerine etkisi ile ilgili çalışmalar uzun zamandan beri yapılmaktadır [14]. Knap, M. ve arkadaşları üç farklı çelik için Jominy eğrileri üzerinde kimyasal bileşimin etkisini inceleyen bir model oluşturmuşlardır [15]. Just, E. [16], kimyasal bileşimden faydalanarak farklı Jominy mesafelerindeki sertliği doğrudan saptayabilmek için bir bağıntı geliştirmiştir. Tüm alaşım elementleri 10mm ye kadar olan Jominy mesafelerinde sertleşmeyi arttırıcı, fakat bu değerin üzerinde pratik olarak sabit bir etki gösterirler. Karbon dışında diğer alaşım elementlerinin sıfır mesafedeki faktörleri sıfırdır. Bu, sıfır Jominy mesafesindeki sertliğin karbon tarafından sağlandığı anlamına gelir. Faktörleri kullanarak her bir Jominy mesafesi için sertleşebilirliği tahmin etmek mümkündür. 6mm den küçük Jominy mesafeleri için faktörler ihmal edilebilir. 172

Dolayısıyla 6mm den küçük mesafeler hariç olmak üzere tüm test numunesi için tek bir bağıntı kurulabilir [5]. Aşağıda verilen bağıntı Just, E. (5,16,17) tarafından yayınlanan bir tebliğden alınmıştır. J 6 80 = 95 C 0.0028 s 2 C + 20Cr + 38Mo + 14Mn + 6Ni + 6Si + 39V + 96P 0.8K 12 s + 0.9s 13 = HRC (1) Burada ; J : Jominy sertliği (HRC) s : Jominy mesafesi (mm) K : ASTM tane boyutu dur. Yukarıdaki bağıntı 6-80 mm aralığındaki Jominy mesafeleri için geçerlidir. Aşağıdaki sınırlamalar alaşım elementleri için verilmektedir. C<%0.6, Cr<%2, Mn<%2, Ni<%4, Mo<%0.5, V<%0.2 Karbon hariç alaşım elementlerinin 6mm den daha kısa olan Jominy mesafelerine etkileri ihmal edilebilir düzeydedir. Bu nedenle, aşağıdaki bağıntı Jominy numunesi uç yüzeyi içindir. J 0 = 60 C + 20 = HRC (C < %0.6) (2) Bir taraftan karbon miktarı ve diğer taraftan geri kalan diğer alaşım elementleri sertlik üzerinde karşılıklı etkileşimde bulunurlar. Örneğin, Cr düşük çeliklere oranla orta karbonlu çeliklerde (yüzeyi sertleştirilmiş çelikler) daha güçlü rol oynamaktadır. Denklem (1) de verilen ampirik formül SIS çelikleri için verilmiş Jominy eğrilerinden elde edilmiştir. Just, E. [16,17] tebliği mevcut Jominy eğrilerine dayanan çok sayıda açıklamalar içermektedir. Bu ifadeler büyük ölçüde bu eğrilerin orijinlerine bağlıdır. Bu nedenle, SAE, USS-Atlas (USA) ve MPI-Atlas (Germany) tarafından spesifike edilmiş çelikler için bağıntılar farklı şekillerdedir. Orta karbonlu (sertleştirilen ve temperlenen çelikler) ve düşük karbonlu (yüzey sertleştirme uygulanan) çeliklerin sertleşebilirlikleri arasında birbirinden farklı bağıntılar verilmiştir. 2.2. Mikro Yapının Sertleşebilirlik Üzerine Etkisi Martenzit: Literatürde bazı araştırmacılar çelikteki martenzit oranının sertleşebilirlik ve mekanik özellikler üzerine olan etkisini incelemiştir [18]. Karbon, martenzitin sertliğini kontrol eder. Bir çeliğin sertleşmiş kabul edilmesi için ne sertlikte olması gerekir? Bu sorunun cevabı alaşımın sertleşebilirliliğini saptamada kullanılır. Ve bu soruya cevap sertleştirilmiş olan çelikte mikro yapının martenzit miktarı ile verilebilir. Eğer %50 den daha az martenzit varsa malzeme sertleşmemiş durumdadır denilir [1]. Literatürde bazı düşük alaşımlı çelikler için çeşitli karbon değerlerine karşılık sertlik (HRC) ve martenzit tablosu yüzdeleri verilmiştir [13]. 173

Tablo 1. Karbon-sertlik-martenzit ilişkisi Karbon (%) Martenzit Yüzdesi ve Sertlik (HRC) %50 %80 %90 %95 %99.9 0.18 31.0 35.0 37.5 39.0 43.0 0.23 34.0 37.5 40.5 42.0 46.0 0.28 36.5 40.5 43.0 44.5 49.0 0.33 39.0 43.5 46.5 48.5 52.0 0.38 42.0 46.0 49.0 51.0 54.0 0.43 44.0 48.0 51.0 53.5 57.0 0.48 46.5 52.0 54.0 57.0 60.0 Ostenit: Su verme boyunca martenzit oluşum sıcaklıklarını düşürür. Böylece su verilmiş çeliklerde ostenitin muhafazası ihtimalini arttırır. Ostenit tane boyutunun artması ile sertleşebilirlik artar [6,12]. Tane Boyutu: ASTM tane boyutunun artması sertleşebilirliği de arttırır. Su verme işlemi sonunda AISI-1040 çeliğinin ASTM tane boyutu 6 iken (5-7), AISI-P20 çeliğinin ostenitik tane büyüklüğü ortalama 130 µm ( 263 tane). ASTM tane boyutu ise 9 dur [5,19]. 2.3. Sertlik Tahmini Sertlik tahmini sıcaklık sonucu oluşan mikro yapıya bağlıdır. Sertlik tahmini ile ilgili birçok araştırmanın yanında son zamanlarda matematiksel modeller ve FEM simülasyon çalışmaları da yapılmaktadır [20-24]. Maynier [25] tarafından geliştirilen ampirik formüllerle, farklı soğutma oranlarındaki her fazın Vickers olarak sertliği hesaplanabilmektedir [26]. HV M = 127 + 949C + 27Si + 11Mn + 8Ni + 16Cr + 21(logVr) (3) HV B = 323 + 185C + 330Si + 153Mn + 65Ni +144Cr + 191Mo + (89 + 53C 55Si 22Mn 10Ni 20Cr 33Mo) (logvr) HV (F+P) = 42 + 223C + 53Si + 30Mn + 12.6Ni + 7Cr +19Mo +(10 19Si+4Ni+8Cr+130V) (logvr) (4) (5) Burada HV M, HV B, HV (F+P) ; Martenzit, Beynit ve Ferrit+Perlit karışım fazları için Vickers sertliğini, Vr ise saatteki soğutma oranını ifade eder. Yuvarlak parçanın bir uçtan diğer uca kadar olan sertliği karışım kuralını ifade eden aşağıdaki denklem (6) ile hesaplanabilir. H = H. V (6) V Vk k k Burada k = Ferrit (F), Perlit (P), Beynit (B), Martenzit (M) olarak yerine konularak hesaplanabilir ve bu denklem sonucu elde edilen Vickers sertlikleri Rockwell sertliğe dönüştürülebilir [26]. Sertlik ve sertlik tahmini su vermenin performansını araştırmaya yönelik bir prensiptir. Ancak soğutma oranı, soğutma ortamı, mikro yapı ve kimyasal kompozisyon gibi sertlik değerlerini etkileyen birçok faktör sertlik tahminini oldukça zorlaştırır [27,28]. Günümüzde sertlik tahmini için kullanılan modellerin çoğu deneysel şartlar, çelik tipi vb. 174

değişkenlerden çok etkilenen ampirik formüllerle ifade edilir. Literatür [26] da hesaplanan mikro yapı sonuçlarına göre, 700 0 C deki her soğutma oranı boyunca AISI-P20 çeliğinin sertlik değerleri ampirik formüller kullanılarak hesaplanmıştır. Su verme hariç, hesaplanan sonuçlar deneysel sonuçlarla uyumludur. 3. MATERYAL VE METOD Düşük veya yüksek alaşımlı çeliklerin sertleşme kabiliyeti, genellikle test verilerinden elde edilen sonuçlara göre karar verilir [29]. Jominy alından su verme testi çeliklerin sertleşme kabiliyetini (sertleşebilirliği) ölçmede kullanılan standart bir metottur [8,9]. Bu çalışmada silindirik numune boyutları (Ø25mm. L=100mm) ve karbon oranı (C %0.385) aynı olan iki farklı alaşımlı çelik (AISI-1040 ve AISI-P20) kullanılmıştır. Karbon miktarının yüksek olması malzemenin daha gevrek bir davranış göstermesine neden olacağından daha sonra yapılacak olan işlemlerde problemler meydana gelebilir. Bu yüzden %0.4 C a kadar olan çeliklerde sertleşebilirlik kontrolü daha kolaydır [6]. Bu çalışmada kullanılan çeliklerinin kimyasal analiz sonuçları Tablo 2 de, test öncesi mikro yapılar ve sertlikler ise Şekil-1 de verilmiştir [1-4]. Tablo 2. Çeliklerin kimyasal (spektro) analiz sonuçları Çelikler ve Gösterimi C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu Al V Fe AISI-1040 SAE-1040 DIN Ck40 İmalat (yapı) çeliği AISI-P20 DIN 40CrMnNiMo864 DIN 1.2738 Plastik Kalıp Çeliği 0.385 0.235 0.732 0.021 0.011 0.185 0.139 0.027 0.158 0.055-98.0 0.386 0.314 1.230 0.020 0.018 1.890 0.930 0.172 0.114-0.017 94.9 (a) AISI-1040 (sertlik=9.7 HRC) (b) AISI-P20 (sertlik=38.4 HRC) Şekil 1. Çeliklerin ısıl işlem öncesi sertlikleri ve mikro yapıları (500x) Her iki numune de ostenit faz sıcaklığına (850 ºC) kadar fırında ısıtılmıştır. Homojen sıcaklık dağılımı sağlayabilmek için, parça yüzeyi işlem sıcaklığına ulaştıktan sonra 30 dakika fırında bekletilmiştir. Test parçası fırından çıkartılıp 5 saniye içinde Şekil 2 de görülen Jominy test cihazına yerleştirilmiştir. Daha sonra numune soğuyana kadar alından su verilmiştir/püskürtülmüştür. Su verme zamanı ise ortalama 10 dakikadır [10]. Su verilen uç çok çabuk soğuduğundan (karbon yüzdesine göre) maksimum sertlik değerine ulaşmış, uçtan uzaklaştıkça soğuma hızı ve sertlik azalmıştır [1-4,30,31]. Su vermeye başlama anında ve su verme sonrasında numuneler Şekil 3(b)(c) de görülmektedir. 175

Şekil 2. Jominy Test Düzeneği (a) (b) Jominy Numunesi (b) (c) 3.1. Deneysel Bulgular Şekil 3. (a) Jominy sertleşebilirlik testinin şematik gösterimi. (b) Numuneye su vermeye başlama. (c) Su-verme işlemi sonrası Oda sıcaklığına kadar soğutulan numuneler Şekil 4 de görüldüğü gibi 3mm genişlikte (yaklaşık 0.4mm derinlikte) numune üst yüzeyi boyunca taşlanmıştır. Bu düz yüzeyler üzerinden su verme alnından başlayarak 17 farklı noktadan sertlikler (HRC) ölçülmüş, ölçülen sertlik değerleri ve mesafeleri Tablo 3 de verilmiştir. Her iki çelik için sertlikmesafe değerlerinden faydalanılarak Şekil 5 de görülen Jominy sertleşebilirlik eğrileri çizilmiştir. Daha sonra her iki numune için su verme alnından başlanarak belirli aralıklarla mikro yapı fotoğrafları çekilmiş ve Şekil 8 verilmiştir. Şekil 4. Jominy test numunesi ve sertlik ölçme noktaları 176

Tablo 3. Test numunelerinden elde edilen sertlik değerleri tablosu AISI-1040 Noktalar 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Mesafe (mm) Sertlik (HRC) 2 5 8 11 13 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 63 68 52.3 51.5 43.6 38.1 36.4 34.7 31.2 29.3 25.8 23.1 22.5 21.4 19.8 19.2 18.7 18.3 18.1 AISI-P20 Noktalar 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Mesafe (mm) Sertlik (HRC) 1.5 3 5 7 9 11 13 18 23 28 33 38 43 48 55 62 68 56.8 55.4 54.9 52.1 50.6 48.3 46.4 43.9 43 41.2 40.5 39.7 39.1 38.7 36.4 35.3 33.4 Şekil 5. Jominy sertleşebilirlik eğrileri Her iki çelik için test verileri ile edilen eğrilerin yanında, alaşım oranları ve Jominy mesafeleri denklem (1) de yerine konularak Just, E. (5,16,17) a göre yeniden Jominy eğrileri çizilmiştir. Ancak Şekil 5 den görüldüğü gibi düşük alaşımlı AISI-1040 çeliği için verilen ampirik formül deneysel verilere uyum göstermesine rağmen, AISI-P20 çeliği için deneysel verilerden oldukça uzak bir eğri elde edilmiştir. Literatürde [5,16,17,26] de belirtildiği gibi alaşım elementleri kullanarak sertlik tahmini yapmak mümkündür. Ancak su verme ile setleştirmede ampirik formüllerle sertlik tahminini yapmak oldukça zordur. Ayrıca, test şartları, çelik tipi, karbon oranı, soğutma oranı, mikro yapı ve kimyasal kompozisyon gibi sertlik değerlerini etkileyen birçok faktör bu tahmini oldukça zorlaştırır [26]. Hatta çelik standartlarına bağlı olarak da bu eğriler değişebilir [5]. Ayrıca, denklem (2-3-4) kullanılarak her faz bölgesinin ortalama Vickers sertliğini hesaplamak da mümkündür. Ancak yukarıda bahsedilen değişkenlerden dolayı deneysel veriler ile teorik sonuçlar her zaman uyumlu olmayabilir. Buna rağmen AISI-1040 çeliği literatür ile uyum göstermiştir. Tablo-3 ve Şekil 5 den görüldüğü gibi AISI-1040 çeliğinde su verme derinliğinin en uzak mesafesi olan 17. noktada (68mm) sertleşme kaybı yaklaşık %62 iken, AISI-P20 çeliğinde bu kayıp %45 dir. Bu durum ise AISI-P20 çeliğinin sertleşme kabiliyetinin daha yüksek olduğunun bir göstergesidir. 177

Şekil-6 düşük alaşımlı çeliklere su verme ile değişen martenzit oranını, sertlik ve karbon miktarı arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Bu diyagramda çeliklerin kimyasal analizlerinden elde edilen karbon değeri yerine konularak martenzit oranlarını (yüzdelerini) kesen noktalar yatay olarak sertlik eksenine aktarılır ve çeliğin karbon miktarına göre sertliği (HRC) bulunur. Veya sertlik ve karbon yüzdeleri işaretlenerek numunelerdeki yaklaşık martenzit yapı oranları bulunabilir [32]. Şekil 6. Düşük alaşımlı çeliklerde martenzit yüzdesi, sertlik ve karbon miktarı arasındaki ilişki Jominy testlerinden elde edilen sertlik değerleri Şekil 5 ve 6 daki yerlerine konulduğunda her iki çelik için Jominy mesafelerine göre martenzit yapı dağılımlarının tahmini yapılabilir. Bu tahmin ve dağılım Şekil 7 de verilmiştir. Bulunan değerler, Tablo 1 de %0.38 karbon oranı için verilen değerler ile kıyaslandığında literatürle mükemmel bir uyum içerisindedir [13]. AISI-1040 ve AISI-P20 çelikleri için Şekil 7 de verilen eğriler ve ampirik formüllerden yararlanarak Jominy mesafelerine göre martenzit oranları belirlenmiştir. Şekil 7. Jominy mesafelerine göre martenzit oranları 178

AISI-1040 3mm %95 martenzit 8mm %67 martenzit 13mm %1 martenzit AISI-P20 18mm 23mm 35mm 3mm %99.9 martenzit 8mm %94 martenzit 13mm %85 martenzit 18mm %73 martenzit 23mm %59 martenzit Şekil 8. Jominy testi sonrasında çeliklerin mikro-yapılar (500x ve 100x) 35mm %8 martenzit Su verilerek sertleştirilen çeliklerin sertlik düzeyi karbon oranına bağlıdır. Bileşimdeki %C oranı arttıkça sertlik oranı da artar. Ancak çeliğe sertliği kazandıran hızlı soğuma sonucu içyapıda meydana gelen martenzittir. Martenzit, çeliğin içyapısında karbür ve nitrürlerden sonra en sert yapıdır. Şekil-8 de görüldüğü gibi numunenin ilk su verildiği alın bölgesinde soğumanın hızlı olmasından dolayı içyapıda %100 e yakın martenzit yapı oluşmuştur. Numunenin alın bölgesinden uzaklaştıkça soğuma yavaş gerçekleştiğinden martenzite göre sertlikteki daha az olan fazlar (perlit+ferrit) meydana gelerek oranları artmaya başlamıştır. Bu durum özellikle AISI-P20 ye göre AISI-1040 çeliğinin su verme derinliğinin düşük olduğunu göstermektedir. Bunun nedeni ise karbonlu çeliğin TTT diyagramının solda yerleşmiş olmasındandır. Yani sıcaklık eksenine yakın olduğundan bu çelikte martenzit yapıyı elde etmek için gerekli kritik soğuma hızı daha yüksektir. Şekil 7 de verilen ampirik formüllerden ve eğrilerden yararlanarak farklı noktalardaki martenzit oranları hesaplanabildiği için mikro-yapı fotoğraflarının da yorumlanması daha pratik hale gelebilir. Şekil-8 de her Jominy mesafesi için hesaplanan martenzit yüzdeleri belirtilmiştir. 4. SONUÇLAR Alaşımsız çelikler su verme işlemi sonunda kendilerinden beklenen mekanik özellikleri sağlayamamaktadır. Çünkü bu çeliklerin TTT diyagramı solda yerleşmiştir. Çok hızlı soğuma gerektirdiği için martenzit yapıyı elde etmek zordur. Ancak bu çalışma sonunda da görüldüğü gibi AISI-1040 ve AISI-P20 alaşımlı çeliklerinde alaşım elementlerinin miktarı çeliklerin sertleşebilirliğini (ferrit ve perlit dönüşümleri geciktirip TTT diyagramında sağa ötelenerek) arttırdığı kanıtlanmıştır. Şekil 5 ve 7 den de görüldüğü gibi AISI-P20 plastik kalıp çeliğinin sertleşebilirliği AISI-1040 imalat çeliğine göre daha yüksektir. 68mm lik Jominy mesafesi için AISI- 1040 çeliğinde sertlik kaybı %62 iken, AISI-P20 çeliğinde bu kayıp %45 dir. Her iki çeliğin karbon oranları yaklaşık %0.385 olmasına rağmen bazı alaşım elementleri oranı farklıdır. Bu fark sertleşme kabiliyetini etkilemiştir. Özellikle Mn, Cr, Ni, Mo alaşımları AISI-P20 çeliğinin sertleşme kabiliyetinin yüksek olmasında önemli bir rol oynamıştır. 179

Şekil 7 ve 8 den de görüldüğü gibi AISI-1040 çeliğine kıyasla AISI-P20 çeliğinde martenzit fazının Jominy mesafelerine göre daha yüksek olması sertleşebilirliği arttırmıştır. AISI-1040 çeliğinin Jominy eğrisi literatürde verilen ve ampirik formüllerle hesaplanan eğri ile uyum göstermesine rağmen, AISI-P20 için deneysel verilerden oldukça uzak bir eğri elde edilmiştir. AISI-1040 çeliğinin alaşım oranının AISI- P20 ye göre daha düşük olması burada önemli bir sebeptir. Literatürde [5,16,17,26] de belirtildiği gibi alaşım elementleri kullanılarak sertlik tahmini yapmak mümkün olmasına rağmen, Jominy gibi su verme ile setleştirmede sertlik tahminini ampirik formüllerle yapmak zordur. Ayrıca, test şartları, çelik tipi, karbon oranı, soğutma oranı, mikro yapı ve kimyasal kompozisyon gibi sertlik değerlerini etkileyen birçok faktör bu tahmini oldukça zorlaştırır. Bu çalışmada da görüldüğü gibi (AISI-P20 çeliğinin) Mn, Cr, Ni, Mo gibi alaşım oranlarının artması literatürde verilen ampirik formüllerle sertleşebilirlik tahminini zorlaştırmıştır. AISI-1040 ve AISI-P20 çelikleri için Şekil 7 de verilen eğrilerden ve ampirik formüllerden yararlanarak Jominy mesafelerine göre martenzit oranını belirlemek oldukça kolay ve pratiktir. Şekil 5 ve 7 de verilen ampirik formüller ve eğriler, çelik seçimi yapacak tasarımcılar için hem çok pratik hem de çok faydalı olacaktır. 5. KAYNAKLAR [1] KÖSE, S., AISI/SAE 1040-2738-304 Çeliklerin Sertleşme Kabiliyetlerinin Jominy Deneyi ile Araştırılması, Yüksek Lisans Tezi, Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Afyon, (2008). [2] KÖSE, S., SAİD, G., GÜNEŞ, İ., ERDOĞAN, M., The Investigation Of The Hardening Ability Of AISI 1040 2738 Steels with Jominy Test, (IMSP 2008) 12 th International Materials Symposium 15-17 October 2008, Denizli, Turkey, 64-72, (2008). [3] KÖSE, S., SAİD, G., GÜNEŞ, İ., ERDOĞAN, M., Jominy deneyi ile AISI-1040 çeliğinin sertleşebilirliğinin araştırılması, Makina Magazin, 2008/01, 138, (2008). [4] KÖSE, S., SAİD, G., GÜNEŞ, İ., ERDOĞAN, M., Jominy deneyi ile AISI 2738 çeliğinin sertleşebilirliğinin araştırılması, Makine Tek, 2008/01, 123, (2008). [5] TEKİN, A., Çelik ve Isıl İşlemi, Bofors El Kitabı E-K. Thelning, (1984) [6] http://www.istanbul.edu.tr/eng2/metalurji/duy/lab/jod.pdf (Erişim tarihi: 21.05.2010) [7] CRAFTS, W., LAMONT, J. L., Çelik Seçimi ve Sertleşebilme (Çeviri: N. İzar ), TMMOB Yayını, Ankara, (1971). [8] ASTM A255-02, Standard Test Methods for Determining Hardenability of Steel, USA, (2002). 180

[9] TS 1381, Çeliğin Ucuna Su Vererek Sertleştirme Deneyi, TSE, Ankara, (1974). [10] ÇELİK, S., OTMANBÖLÜK, N., FİDAN, L., Çelikteki Alaşım Elementlerinin Sertleşebilirliğe ve Sertleşme Derinliğine Etkisi, TİMAK-Tasarım İmalat Analiz Kongresi Bildiriler Kitabı, 157-162, Balıkesir, (2006). [11]http://www.sancaklimetal.com/demir_profil/?alasim-elementlerinin-etkileri,135 (Erişim tarihi: 21.05.2010) [12] http://www.teknikisilislem.com.tr/index.php?pg=genel_bilgi&dil=tr (Erişim tarihi: 21.05.2010) [13] ASM Handbook, Heat Treating, Volume-4, Page-50, (1991). [14] SOKOLOWSKI, P.K., LINDSLEY, B.A., Influence of chemical composition and austenitizing temperature on hardenability of PM steels, 2009 Howard I. Sanderow Outstanding Technical Paper, Hoeganaes Corporation Cinnaminson, NJ 08077, (2009). [15] KNAP, M., FALKUS, J., ROZMAN, A., LAMUT, J., Hardenability prediction based on chemical composition of steel, Materials and Geoenvironment, Vol. 56, No. 2, pp. 108 117, (2009). [16] JUST, E., Hardenability Formulac, Harterei Techn. Mitt., 23. No.2, 85-100, (1968). [17] JUST, E., Determining Hardenability from Composition, Draht, 19, No.3, 145-146, (1968). [18] TARTAGLIA, J. M., The Effects of Martensite Content on the Mechanical Properties of Quenched and Tempered 0.2%C-Ni-Cr-Mo Steels, Journal of Materials Engineering and Performance, Volume 19, Number 4, 572-584, (2009). [19] FIRRAO, D., MATTEIS, P., MORTARINO, G. M. M., RUSSO SPENA, P., IENCO, M. G., PELLATI, G., PINASCO, M. R., GEROSA, R., SILVA, G., RIVOLTA, B., TATA, M. E., MONTANARI, R., Effect of the Heat Treatment on the Mechanical Properties of a precipitation Hardening Steel for Large Plastic Molds, La Metallurgia, No:4, 33-41, Aprile (2009). [20] HUIPING, L., GUOQUN, Z., SHANTING, N., CHUANZHEN, H., FEM simulation of quenching process and experimental verification of simulation results, Materials Science and Engineering: A, Vol. 452-453, 15, Pages 705-714, (2007). [21] MASSON, P. L., LOULOU, T., ARTIOUKHINE, E., ROGEON, P., CARRON, D., QUEMENER, J. J., A numerical study for the estimation of a convection heat transfer coefficient during a metallurgical Jominy end-quench test, International Journal of Thermal Sciences, Vol. 41, Issue 6, Pages 517-527, (2002). [22] VERMEULEN W. G., VAN DER WOLK P. J., DE WEIJER, A. P., VAN DER ZWAAG, S., Prediction of jominy hardness profiles of steels using artificial neural 181

networks, Journal of Materials Engineering and Performance, Volume 5, Number 1, 57-63, (1996). [23] SONG, Y., LIU, G., LIU, S., LIU, J., FENG, C., Improved Nonlinear Equation Method for Numerical Prediction of Jominy End-Quench Curves, Journal of Iron and Steel Research, International, 14(1): 37-41, (2007). [24] YAZDI, A. Z., SAJJADI, S. A., ZEBARJAD, S. M., MOOSAVI NEZHAD, S. M., Prediction of hardness at different points of Jominy specimen using quench factor analysis method, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 199, Issues 1-3, Pages 124-129, (2008). [25] MAYNIER P., DOLLET J., BASTIEN, P., Hardenability concepts with applications to steels, AIME, New York, NY 518, (1978). [26] XIN, Y., JIANFENG, G., MINGJUAN, H., ZUCHANG, Z., A numerical study of an insulating end-quench test for high hardenability steels, Scandinavian Journal of Metallurgy, Vol. 33, Issue 2, Pages 98-104, (2003). [27] ÇALIK, A., Effect of cooling rate on hardness and microstructure of AISI 1020, AISI 1040 and AISI 1060 Steels, International Journal of Physical Sciences, Vol. 4 (9), pp. 514-518, September, (2009). [28] KÖKSAL, N.S., AKPINAR, G., AYDIN, İ., AISI 1060 Çelik Malzemenin Tokluk Ve Sertlik Değerlerine Soğutma Ortamının Etkisi, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, Cilt:7, No:2, (45-52), (2010). [29] TELEJKO, I., ADRIAN, H., SKALNY, K., PAKIET, M., STASKO, R., The investigation of hardenability of low alloy structural cast steel, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, Vol. 37, Issue 2, (2009). [30] SAİD., G., Isıl İşlem ve Teorisi, Lisans-Yüksek Lisans Ders Notları, Afyon Kocatepe Üniversitesi, Afyon, (2006). [31] GRANGE., R.A., Estimating the Hardenability of Carbon Steels, Metallurgical Transactions, 4, (1973). [32] HODGE, J. M., OREHOSKI, M. A., Transactions. AIME, v. 167, pp. 627-642, (1946). 182