Çift Fazlı Paslanmaz Çeliklerde Yaşlandırma Koşullarının Mikroyapı Özellikleri Üzerindeki Etkisinin İncelenmesi Alptekin Kısasöz 1,a, Ahmet Karaaslan 1,b 1 Yildiz Technical University, Department of Metallurgical and Materials Engineering a akisasoz@yildiz.edu.tr b karaas@yildiz.edu.tr Özet Çift fazlı paslanmaz çelikler ferrit ve östenit fazlarını bir arada içeren paslanmaz çeliklerdir. Bu çeliklere yüksek sıcaklıklarda uygulanan işlemler sonucunda ferrit-östenit dengesi bozulmakta ve malzeme özelliklerini olumsuz etkileyen ikincil fazlar oluşmaktadır. Bu çalışmada soğutma ve ısıtma koşullarının mikroyapı özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Deneysel çalışmalarda EN 1.4462 alaşımı kullanılmıştır. Öncelikle, numunelere 1100 C de 1 saat çözme tavı uygulanmıştır. Çözme tavı sonrasında, oda sıcaklığına hızlı soğutma sonrasında yaşlandırma sıcaklığına ısıtma ve çözme tavı sonrasında yaşlandırma sıcaklığına soğutma olmak üzere iki farklı soğutma işlemi uygulanmıştır. Yaşlandırma işlemi 800 C de 5 dakika, 10 dakika, 20 dakika, 30 dakika ve 60 dakika olmak üzere 5 farklı süre kullanılarak uygulanmıştır. Isıl işlemler sonucunda uygulanan mikroyapı incelemeleri ile ısıl işlem koşullarının mikroyapı özellikleri üzerindeki etkisi belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Çift fazlı paslanmaz çelikler, yaşlandırma, mikroyapı özellikleri Giriş Çift fazlı paslanmazlar çelikler ferrit ve östenit fazlarını bir arada içeren paslanmaz çelik türleridir. Ferrit fazı mekanik dayanım ve klorürlü ortamlarda korozyon direnci sağlarken, östenit fazı malzemenin sünekliğini ve genel korozyon direncini artırmaktadır. Çift fazlı paslanmaz çelikler sahip oldukları üstün özelliklerle depolama tankları, açık deniz uygulamaları, petrokimya endüstrisi gibi pek çok alanda kullanılmaktadır [1-5]. Çift fazlı paslanmaz çelikler ferrit ve östenit fazlarını yaklaşık olarak eşit oranlarda içerirler. Çift fazlı paslanmaz çeliklerde, ferrit ve östenitten istenen oranlardaki çift fazlı yapı, 1000 C nin üzerinde uygulanan çözeltiye alma ısıl işlemleriyle elde edilir. Çeliğin 650 C 950 C arasındaki sıcaklıklara maruz kalması ise, hem ferrit/östenit faz dengesinin bozulmasına hem de malzeme özelliklerini olumsuz etkileyen ikincil fazların (σ ve χ) oluşumuna neden olur. İntermetalik faz oluşumu çözeltiye alma sıcaklığından dengeli soğuma sırasında görülebileceği gibi, malzeme oda sıcaklığından işlem sıcaklığına ısıtıldığında da görülebilmektedir. İntermetalik fazlar, bu sıcaklık aralıklarında ferrit östenit tane sınırında oluşur ve ferrit tanesine doğru büyür. İntermetalik fazların oluşumuyla, özellikle mekanik dayanım ve korozyon direnci değerleri oldukça azalır [6-10]. Bu çalışmada, ikincil faz oluşum sıcaklık aralığında işlem süresiyle, ısıtma ve soğutma koşullarının ikincil faz oluşumuna etkisi incelenmiştir.
Deneysel Çalışmalar Deneysel çalışmalarda, bileşimi Çizelge 1 de verilen ve 15x10x10 mm boyuta sahip EN 1.4462 alaşımı kullanılmıştır. Çizelge 1. EN 1.4462 kimyasal bileşimi (ağ.%) C Cr Ni Mo Mn Si P S N Fe 0,02 22,56 5,42 2,95 1,29 0,457 0,031 0,014 0,170 Kalan Numunelere 1100 C de 1 saat çözeltiye alma ısıl işlemi uygulanmış ve iki farklı soğuma koşulu uygulanmıştır. İlk grupta yer alan numuneler, 1100 C de 1 saat yaşlandırıldıktan sonra su verilerek oda sıcaklığına soğutulmuş ve daha sonra 800 C ye ısıtılarak 5 dakika, 10 dakika, 20 dakika, 30 dakika ve 60 dakika olmak üzere 5 farklı süreyle (yaşlandırma) yaşlandırılmıştır. İkinci grupta yer alan numuneler ise 1100 C de 1 saat yaşlandırıldıktan sonra 800 C ye soğutulmuş ve 800 C de 5 dakika, 10 dakika, 20 dakika, 30 dakika ve 60 dakika olmak üzere 5 farklı süreyle (izotermal yaşlandırma) yaşlandırılmıştır. Böylece, çözeltiye alınan numunelerde ısıtma ve soğutma koşullarının ikincil faz oluşumuna olan etkisi incelenmiştir. Yaşlandırılan numuneler, numune hazırlama işleminin ardından % 50 lik KOH çözeltisinde 2-4 saniye elektrolitik olarak dağlanmıştır. Numuneler, ışık mikroskobu ile incelenmiş, görüntü analiz cihazı yardımıyla ferrit östenit faz oranları ve ikincil faz özellikleri belirlenmiştir. Sonuçlar ve Tartışma Yaşlandırma ve izotermal yaşlandırma işlemleri uygulanan numunelerin mikroyapıları Şekil 1 ve Şekil 2 de görülmektedir. Her iki ısıl işlem koşulunda da 800 C de işlem gören numunelerin tamamında ikincil faz oluşumu gerçekleşmiştir. Bu sıcaklıkta bekleme süresi arttıkça Şekil 1 ve Şekil 2 de de görüldüğü gibi ikincil faz oranı ve boyutu artmaktadır. Kısa yaşlandırma ve izotermal yaşlandırma sürelerinde, ikincil fazların ferrit/ferrit tane sınırında çekirdeklendiği ve artan işlem süresiyle birlikte ferrit/östenit arayüzeyinde de görüldüğü belirlenmiştir. Ayrıca, oluşan ikincil fazların ferrit tanesine doğru büyüdüğü görülmüştür. Çift fazlı paslanmaz çeliklerde 650 C 950 C arasında oluşan ikincil fazlar krom bakımından zengin fazlardır ve büyümeleri için kroma ihtiyaç duyarlar. Ferrit fazının, östenit fazından çok daha yüksek krom içeriğine sahip olması nedeniyle, oluşan ikincil fazlar ferrit tanesine doğru büyümüştür. 1100 C de 1 saat çözme tavı uygulanan ve suda soğutulan numunede gerçekleştirilen görüntü analizinde, mikroyapıda % 43,82 oranında östenit fazının bulunduğu belirlenmiştir. 1000 C nin üzerinde uygulanan ısıl işlemlerde mikroyapıda bulunan ikincil fazlar çözünürken, ferrit/östenit dengesi ferrit fazı lehine değişmektedir. Bu nedenle, çözme tavı uygulanan numunede elde edilen östenit oranı, ferrit oranından daha düşüktür. Şekil 3 te yaşlandırma ve izotermal yaşlandırma sürelerine bağlı olarak östenit faz oranlarının değişimi görülmektedir. Yaşlandırma ve izotermal yaşlandırma süresi arttıkça ikincil faz oranındaki artışa bağlı olarak östenit oranı da artmaktadır.
Şekil 1. 1100 C de 1 saat çözme tavı uygulanmış, suda soğutulmuş ve 800 C de çeşitli sürelerde yaşlandırılmış numunelerin mikroyapıları; a) 5 dakika, b) 10 dakika, c) 20 dakika, d) 30 dakika, e) 60 dakika. Numunelerin tamamında ikincil fazlar oluşmuştur.
Şekil 2. 1100 C de 1 saat çözme tavı uygulanmış, 800 C ye soğutulmuş ve bu sıcaklıkta çeşitli sürelerde yaşlandırılmış numunelerin mikroyapıları; a) 5 dakika, b) 10 dakika, c) 20 dakika, d) 30 dakika, e) 60 dakika. Numunelerin tamamında ikincil fazlar oluşmuştur.
İkincil Faz Oranı (%) Östanit Faz Oranı (%) Çift fazlı paslanmaz çeliklerde ikincil faz oluşumu ferrit fazının, 1000 C nin altındaki sıcaklıklarda östenit fazına dönüşümü sırasında gerçekleşmiştir. Bu nedenle, 1000 C nin altında uygulanan yaşlandırma ve izotermal yaşlandırma işlemlerinde ikincil faz oluşumu gerçekleşirken, östenit faz oranı da artış göstermiştir. Ayrıca, izotermal yaşlandırma koşullarında elde edilen östenit oranı, yaşlandırma koşullarında elde edilen östenit oranından daha yüksektir. 62 61 60 59 58 57 56 55 54 53 Yaşlandırma İzotermal Yaşlandırma 0 10 20 30 40 50 60 Isıl İşlem Süresi (Dakika) Şekil 3. Yaşlandırma ve izotermal yaşlandırma koşullarında östenit oranının değişimi (%) 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Yaşlandırma İzotermal Yaşlandırma 0 10 20 30 40 50 60 Isıl İşlem Süresi (Dakika) Şekil 4. Yaşlandırma ve izotermal yaşlandırma koşullarında ikincil faz oranının değişimi (%)
İkincil Faz Boyutu (µm) Şekil 4 te ise yaşlandırma ve izotermal yaşlandırma koşullarında elde edilen ikincil faz oranlarının değişimi verilmiştir. İzotermal yaşlandırma koşullarında elde edilen ikincil faz oranı, yaşlandırma koşullarında elde elde edilen ikincil faz oranından daha yüksektir. Bu sonuç, Şekil 3 te verilen östenit oranı değişimiyle de tutarlılık göstermektedir. İzotermal yaşlandırma koşullarında, çözme tavının ardından doğrudan işlem sıcaklığına soğutma nedeniyle ferrit/östenit dönüşümü daha yüksek oranda gerçekleşmiştir. Bu nedenle, hem östenit faz oranı hem de ikincil faz oranı yaşlandırma koşullarına göre izotermal yaşlandırma koşullarında daha yüksektir. Yaşlandırma ve izotermal yaşlandırma koşullarında tüm işlem sürelerinde ikincil faz oluşumu gerçekleşmiştir. Özellikle, 30 dakikalık işlem süresiyle birlikte ikincil faz oranlarında büyük bir artış görülmüştür. Şekil 5 te yaşlandırma ve izotermal yaşlandırma koşullarında elde edilen ikincil fazların boyut değişimi görülmektedir. İzotermal yaşlandırma koşullarında ferrit/östenit dönüşümünün daha yüksek oranlarda gerçekleşmesi nedeniyle ikincil faz boyutu artmıştır. Ayrıca, izotermal yaşlandırma koşulunda yüksek sıcaklıktan, işlem sıcaklığına soğutma nedeniyle yayınım daha hızlıdır. Bu nedenle, ikincil fazların yapısına alaşım elementlerini ilave edip büyümeleri daha kolay bir şekilde gerçekleşmiştir. 6 5 4 3 2 1 0 Yaşlandırma İzotermal Yaşlandırma 0 10 20 30 40 50 60 Isıl İşlem Süresi (Dakika) Şekil 5. Yaşlandırma ve izotermal yaşlandırma koşullarında ikincil faz boyut değişimi (%) Genel Sonuçlar Bu çalışmada, çözme tavı sonrasında uygulanan soğutma koşullarının ikincil faz oluşumuna olan etkisi incelenmiştir. Çözme tavı sonrasında doğrudan yaşlandırma sıcaklığına soğutulan numunelerde (izotermal yaşlandırma) ferrit/östenit dönüşümünün daha yüksek oranlarda gerçekleştiği belirlenmiştir. Yaşlandırma ve izotermal yaşlandırma koşullarında, numunelerin tamamında ikincil faz oluşumu görülmüştür. İkincil fazlar, krom içeriğinin fazla olması nedeniyle öncelikle
ferrit/ferrit arayüzeyinde oluşmuştur. Artan işlem süresiyle birlikte ferrit/östenit arayüzeyinde de ikincil faz oluşumu görülmüş ve ikincil fazlar ferrit fazına doğru büyümüştür. İzotermal yaşlandırma koşullarında, ferrit/östenit dönüşümünün daha yüksek oranlarda gerçekleşmesi nedeniyle ikincil faz oranı ve boyutu yaşlandırma koşullarına göre daha yüksektir. Özellikle, çift fazlı paslanmaz çeliklerin ısıl işleminde, 950 C 650 C arasındaki sıcaklıklara dengeli soğuma koşullarında dikkat edilmelidir. Kaynaklar [1] Alvarez-Armas I., (2008). "Duplex Stainless Steels: Brief History and Some Recent Alloys, Recent Patents on Mechanical Engineering, 1:51 57. [2] Lo K.H., Shek C.H. ve Lai J.K.L., (2009). Recent Developments in Stainless Steels, Materials Science and Engineering R: Reports, 65:39 104. [3] Kısasöz A. ve Karaaslan A.. (2014). Finite Element Analysis of 2205 Duplex Stainless Steel Welds, Materials Testing, 56:795-799. [4] Kısasöz A., Gürel S. ve Karaaslan A.. (2016). Effect of Annealing Time and Cooling Rate on Precipitation Processes in a Duplex Corrosion-Resistant Steel, Metal Science and Heat Treatment, 57:544-547. [5] Chen T.H. ve Yang J.R., (2001). Effects of Solution Treatment and Continuous Cooling on σ-phase Precipitation in a 2205 Duplex Stainless Steel, Materials Science and Engineering A, 311:28 41. [7] Escriba D.M., Materna-Morris E., Plaut R.L. ve Padilha A.F.. (2009). Chi-Phase Precipitation in a Duplex Stainless Steel, Materials Characterization, 60:1214 1219. [8] Michalska, J. ve Sozańska, M., (2006). Qualitative and Quantitative Analysis of σ and χ Phases in 2205 Duplex Stainless Steel, Materials Characterization, 56:355 362. [9] Pohl, M., Storz, O. ve Glogowski, T., (2007). Effect of Intermetallic Precipitations on the Properties of Duplex Stainless Steel, Materials Characterization, 58:65 71. [10] Badji, R., Bouabdallah, M., Bacroix, B., Kahloun, C., Bettahar, K. ve Kherrouba, N., (2008). Effect of Solution Treatment Temperature on the Precipitation Kinetic of σ-phase in 2205 Duplex Stainless Steel Welds, Materials Science and Engineering A, 496:447 454.