Makine Mühendisliği Bölümü Yüksek Lisans öğrencisi Esad Kaya'nın yüksek lisans tezi olarak hazırladığı "Kriyojenik (Buzlu) İşlenmiş Mikro Alaşımlı Çeliklerin Tribolojik ve Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi" başlıklı bu çalışma, jürimiz tarafından aşağıdaki kurallara uygun olarak değerlendirilerek kabul edildi: lisansüstü yönetmeliğin ilgili maddeleri. Doç. Prof. Mustafa ULUTAN, özgün bir eserdir; Tez çalışmasının tüm aşamalarında bilimsel etik ilke ve kurallara uygun hareket ettim; Tezimde sunduğum bilgi ve verileri akademik ve bilimsel etik ilke ve kurallara uygun olarak elde ettiğimi; Tez çalışmamda kullandığım tüm makalelerden alıntı ve alıntı yaptığımı, bilgi, belge ve sonuçları bilimsel etik ilke ve kurallara uygun olarak sunduğumu beyan ederim. Bu çalışmada, iki ticari mikro alaşımlı çelik olan 38MnVS6 ve 38MnVS6+Ti malzemelerine geleneksel ısıl işlem işlemlerine ek olarak kriyojenik işlem uygulanmıştır.
Kriyojenik işlemden sonra mikroalaşımlı çeliklerin mikro yapısında farklı bileşimlerdeki martenzit, beynit ve demir karbürler belirlendi.
GİRİŞ VE AMAÇ
Beşinci bölümde çelik malzemelere uygulanan kriyojenik işlem ve mikro alaşımlı çeliğin aşınma davranışı üzerine kaynak araştırmalarına yer verilmiştir.
TRİBOLOJİ
- Abrasif aşınma
- Tribokimyasal aşınma
- Yüzey yorulması
- Sürtünme
- Temas mekaniği ve hertz simülasyonu
Plastik deformasyonun neden olduğu abrasif aşınmada, yumuşak malzemelerin yüzeylerinde çizikler, ezikler ve malzeme kaybı görülebilmektedir (Takadoum, 2008). Plastik deformasyon nedeniyle yoğun enerjiye ve sürtünme nedeniyle yüksek sıcaklığa maruz kalan temas noktaları, kendi iç bağlarından daha güçlü (kohezif) yapışkan bağlar oluşturur. Yüksek basınç ve sürtünme hızı nedeniyle temas noktalarındaki sıcaklık artar ve tribokimyasal reaksiyonlar meydana gelir.
Sürtünme, parçaların hareket şekline ve temas yüzeyleri arasında yağlayıcı olup olmadığına göre sınıflandırılır.
GELENEKSEL ISIL İŞLEMLER VE KRİYOJENİK İŞLEM
Geleneksel Isıl İşlemler
- Sertleştirme
- Temperleme
Çeliğin su verilmesi olarak tanımlanan bu hızlı soğutma işlemlerinde martensit fazı ve bir miktar artık ostenit oluşabilmektedir. Östenit fazındaki karbon ve alaşım elementlerinin miktarının artması, ostenitleme sıcaklığının ve bekletme süresinin artmasına neden olurken aynı zamanda daha düşük sıcaklıklarda dönüşen sert martenzit fazının oluşmasını sağlar. Artık ostenit, çeliğin yapısında bulunan bir yapıdır ve sert martensit fazıyla bir arada bulunması kesinlikle istenmeyen bir durumdur.
Ayrıca bu durum yüksek alaşımlı çeliklerde ferrit matrisinin mikro yapısı boyunca iyi bir dağılıma sahip alaşımlı karbürler oluşturur (ASM, 1994). Sertleşme sıcaklığının sertliğe etkisi: a) Farklı karbon yüzdesine sahip çeliklerde (Çakır, 2006), b) Farklı alaşımlı çeliklerde (Çakır, 2006).
Kriyojenik Isıl İşlem
- Kriyojenik işlemde kullanılan soğutma yöntemleri
- Çeliklerde kriyojenik işlemin mekanizmaları
Kriyojenik prosesin geleneksel ısıl işlemle birlikte uygulama aşamaları ve sıcaklık-zaman grafiği sırasıyla Şekil 3.2 ve Şekil 3.3'te gösterilmektedir. Kriyojenik işlemin ilk etkileri, işlenmiş parçaların sertliğinde ve hizmet ömründe önemli bir artışla doğrulandı. Çok geniş bir endüstriyel kullanım alanına hitap etse de, malzemenin mekanik özelliklerinde iyileşme sağlayan kriyojenik prosesin mekanizmaları tam olarak açıklanamamaktadır.
Bu durum istenilen dönüşümü zorlaştıracağından geleneksel ısıl işlemin ardından kriyojenik işlem uygulanmalıdır (Arslan, 2010; Smol'nikov ve Kossovich, 1980; . Thelning, 1984).
MİKRO ALAŞIMLI ÇELİKLER
Mikro Alaşımlı Çeliklerin Standartları
Mikroalaşımlı çelikler özellikle otomotiv endüstrisinde ve kütle ile çekme dayanımı arasında yüksek bir oranın gerekli olduğu yapılarda kullanılmaktadır. Yüksek mukavemetli 44MnSiVS6, ilk geliştirilen alaşım türü 49MnVS3'ten karbonun azaltılması ve Mn ve Si'nin arttırılmasıyla elde edildi. Bunlardan bir tanesi Elise spor modelinde ekstrüde Lotus alüminyum süspansiyon parçalarının 38MnVS6 mikroalaşımlı çelik ile değiştirilmesine yönelik bir çalışma olarak gösterilebilir.
Mikro Alaşım Elementlerinin Etkileri
- Vanadyum
- Titanyum
- Alüminyum
- Niyobyum
Deoksidasyona uğramış çeliklerde çözünen alüminyum, mikro alaşım elementi görevi görür. Azotla oluşan alüminyum nitrür (AlN) bileşiği östenit tane büyümesini engeller ve östenit-martensit dönüşüm hızını hızlandırır.
Mikro Alaşımlı Çeliklerde Dayanım Arttırma Mekanizmaları
- Çökelti sertleşmesi
- Tane boyutunda küçülme
Niyobyum elementi de vanadyum gibi yapısında oluşturduğu niyobyum karbürleri sayesinde akma dayanımında artış sağlar. Mikroalaşımlı çeliklerde farklı sertleşme mekanizmalarının darbe geçiş sıcaklığına ve akma dayanımına etkisi (Asil Çelik Teknik Yayınlar, 2007). Mikro alaşım elementleri tarafından oluşturulan çökeltiler esas olarak karbonitridler veya karbür nitrürler arasında yüzey merkezli kübik kafes içeren bileşiklerdir.
Çökelme sertleşmesinde malzemenin yapısında bulunan mikroalaşım elementlerinin karbon ve nitrojenle oluşturduğu bileşiklerin türü, boyutu ve dağılımı mekanik özellikler açısından önemlidir (Asil Çelik Teknik Yayınlar, 2007). Mikro alaşımlı çeliklerde ferrit fazı tane boyutu bu özellikleri etkiler.Tane boyutunun küçültülmesi hem mukavemeti hem de tokluğu artıran tek sertleştirme mekanizmasıdır. Mikroalaşımlı çeliklerde östenitleme işleminin hemen ardından uygulanan yüksek deformasyonun amacı, bu sıcaklıkta oluşan östenitin tane boyutunu küçültmektir.
Yeniden kristalleşen ostenit tanesinin nihai boyutu, deformasyondan önceki ilk tane boyutuna, deformasyon gerilimine ve sıcaklığa ve tane sınırı hareketini engelleyen ince nitrürlerin ve karbürlerin dağılımına bağlıdır (Wang, 2003). Küçük taneler elde etmek için ostenitleştirme sıcaklığında tane büyümesinin geciktirilmesi, yeniden kristalleşmenin geciktirilmesi, ferrit çekirdeklenme yüzey alanının arttırılması ve ferrit tane büyümesinin geciktirilmesi en önemli faktörler olarak gösterilebilir (Okumuş, 2013).
LİTERATÜR ARAŞTIRMASI
Düşük sıcaklıklarda ostenitlenmiş, derin kriyojenik işlem görmüş ve plazma nitrürlenmiş numunelerde değişken ve yüksek sürtünme katsayıları elde edilmiştir. Plazma nitrürleme işleminin, derin kriyojenik işlemden sonra elde edilen sürtünme kaynaklı yapışma direncini belirlenemeyen bir nedenle azalttığını bildirdiler. Geleneksel olarak uygulanan numunelerle karşılaştırıldığında sığ kriyojenik işleme tabi tutulan numunelerde aşınma direncinde %118'lik bir artış, derin kriyojenik işleme tabi tutulan numunelerde ise %214'lük bir artış tespit edildi.
Geleneksel ısıl işleme tabi tutulan malzemelere birer saatlik altı farklı bekletme süresi boyunca kriyojenik işlem ve temperleme işlemleri uygulandı. En yüksek sertlik değeri ve en düşük aşınma miktarı 48 saat derin kriyojenik işleme tabi tutulan numunelerde elde edilmiştir. Ayrıca kriyojenik işlemden sonra düşük sıcaklıkta temperleme uygulamasının takım ömrüne olumlu etkileri olduğu tespit edilmiştir.
Hem sığ hem de derin kriyojenik işlem görmüş numunelerde 250°C ile 400°C temperleme sıcaklıkları arasında kırılma tokluğunda azalma olduğu tespit edilmiştir. Testler sonucunda düşük kriyojenik işlem uygulanan numunelerde geleneksel ısıl işlem uygulanan numunelere göre aşınma direncinde %85, derin işlem uygulanan numunelerde ise aşınma direncinde %352 artış olduğu belirlendi. kriyojenik tedavi. Derin kriyojenik işlem ile geleneksel ısıl işlem görmüş numuneler karşılaştırıldığında daha yüksek tokluk değerleri elde edilmiştir.
Derin kriyojenik işleme tabi tutulan numunelerin, geleneksel ısıl işleme tabi tutulan numunelere göre kırmızı sertliğini daha fazla koruduğu tespit edildi. Geleneksel ısıl işlem ve kriyojenik işlem uygulanmış numuneler sırasıyla en yüksek ve en düşük aşınma kaybı oranlarını gösterdi.
MATERYAL VE YÖNTEM
Materyal
Olası termal şoktan etkilenmemek için tüm numuneler oda sıcaklığından 850°C'ye 0,70°C/sn ısıtma hızıyla ısıtıldı ve bu sıcaklıkta 40 dakika bekletildikten sonra oda sıcaklığında kürlendi. Yağ ortamındaki sıcaklık. Her iki malzeme grubu için aynı kriyojenik proses parametrelerine sahip test numuneleri aynı fırın ortamında ostenitleme işlemi ile tek seferde sertleştirilmiştir. Yaklaşık bir saat içinde stabil hale gelir ve bu da ostenitten martenzite dönüşümü zorlaştırır.
Kriyojenik ısıl işlemler toplam 6 farklı kontrol grubuna -160°C ve -196°C sıcaklıklarda, 8, 12 ve 24 saat olmak üzere 3 farklı bekletme süresiyle gerçekleştirildi. Numuneler oda sıcaklığından düşürülerek soğutma ve ısıtma işlemleri gerçekleştirildi. 2 °C/dakika hızla istenen sıfırın altındaki sıcaklığa Bu, beklenerek ve ardından aynı hızda ısıtılarak yapıldı. Söndürme işlemi sonrasında yapıda oluşan martensit fazının kırılganlığı nedeniyle kriyojenik işlem sonrasında tüm numunelere temperleme işlemi uygulanmıştır.
V BMo
Darbe deneyleri
Sertlik ölçümleri
Mikroyapı incelemeleri
X ışınları kırınım analizleri
Aşınma deneyleri
BULGULAR VE TARTIŞMALAR
- Çentik Darbe Deneyi Sonuçları
- Sertlik Deneyi Sonuçları
- Mikroyapı İncelemeleri ve Sonuçları
- X Işınları Kırınım Analizleri Sonuçları
- Aşınma Deneyleri ve Sonuçları
Her iki malzemeye uygulanan derin kriyojenik proseslerin darbe tokluğu araştırmaları Şekil 7.4b ve Şekil 7.4d'de verilmektedir. Yağda sertleştirme, temperleme ve kriyojenik ısıl işlem sonrası elde edilen mikroyapı görüntüleri, 38MnVS6 çeliği için şekil 7.8 - şekil 7.10'da ve 38MnVS6+Ti çeliği için şekil 7.11 - şekil 7.13'te verilmiştir. Deneysel çalışmalarda kullanılan 38MnVS6 ve 38MnVS6+Ti çeliğinin EDS analizleri Şekil 7.14 ve Şekil 7.17'de görülmektedir.
-196°C'de 24 saat kriyojenik işlemden geçirilen numunenin aşınma yüzeyinde Fe-W-O içeren yapıların oluştuğu görülmekte ve bu çelikte en düşük spesifik aşınma miktarı ortaya çıkmaktadır (Şekil 7.26c nokta 1). Beklendiği gibi, Şekil 7.25b'de gösterilen bu numunenin aşınma sonrası yüzey analizinde oldukça derin aşındırıcı aşınma izleri gözlemlenmektedir. 38MnVS6+Ti çelik numunelerin spesifik aşınma oranı ve ortalama sürtünme katsayısı diyagramları incelendiğinde en yüksek ortalama sürtünme katsayısı değerinin geleneksel ısıl işlem görmüş numunede 0,51 olduğu görülmektedir (Şekil 7.27).
Sürtünme katsayısı ve aşınma oranı (Şekil 7.27 ve Şekil 7.28) birlikte incelendiğinde, derin kriyojenik işlemler uygulandıktan sonra aşındırıcı etkilerin azaldığı görülmektedir. Sığ (-160°C) kriyojenik işlem görmüş 38MnVS6+Ti çeliğin aşınma sonrası EDS analizleri incelendiğinde, 24 saat işlem görmüş numunenin yüzeyinde az miktarda tungsten ve oksijen içeren geniş bir alan görülmektedir (Şekil 7.30d). ). ). 12 saat boyunca aynı işlem sıcaklığında işlem gören numunenin yüzeyinde bölgesel yüzey çatlakları ve yüzeyden kopan parçacıklar görülmektedir (Şekil 7.30c).
160°C'de 8 saat işlem gören numune, aşınma yüzeyi açısından 12 saat işlem gören numuneye karşılık gelir (Şekil 7.30b). 196°C'de 24 saat derin kriyojenik işlemden geçirilen numunenin aşınma yüzeyinde karşı cisimden yüksek miktarda tungsten geldiği görülmektedir (Şekil 7.31c). Numunenin SEM görüntüsü (Şekil 7.29g) incelendiğinde, sistemdeki hareketli üçüncül parçacıkların sürtünme katsayısını önemli ölçüde artırdığı görülmektedir.
8 ve 12 saat derin kriyojenik işlem uygulanan numunenin aşınma yüzeyinin EDS analizi (Şekil 7.31a-b) incelendiğinde, 24 saatlik numuneye göre yüzeyde daha düşük Tungsten ve Oksijen elementleri görülmektedir.
SONUÇLAR VE ÖNERİLER
K., 2010, Sıfır Altı İşleme Sıcaklığının Soğuk İş Takım Çeliklerinin Mekanik Özelliklerine Etkisi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 118s. Dong Yun, Lin Xiaoping, Xiao Hongshen, 1998, Yüksek hız çeliğinin derin kriyojenik işlemi ve mekanizması, Metallerin Isıl İşlemi, 3, 55-59. D., 2005, Kriyojenik işlemin AISI D2 takım çeliğinin mikroyapısına ve mekanik özelliklerine etkisi, Yüksek Lisans tezi, Calgary Üniversitesi, 243 s.
H., 2001, Derin kriyojenik işlemin takım çeliklerinin mekanik özelliklerine etkisi, Malzeme İşleme Teknolojileri Dergisi. Okumuş, Ş., 2013, Düşük Karbonlu Mikroalaşımlı Çeliklerin Soğuma ve Gerinim Yaşlandırmasının Mekanik Özelliklere Etkisi, Yüksek Lisans Tezi, Karabük Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 89s. Podgornik, B., Leskovšek, V., Vižintin, J., 2009, Derin kriyojenik işlemin P/M yüksek hız çeliğinin tribolojik özellikleri, malzemeleri ve üretim süreçleri üzerindeki etkisi.
Podgornik, B., Majdic, F., Leskovsek, V., Vizintin, J., 2012, Improvement of tribological properties of tool steels through combination of deep-cryogenic treatment and plasma nitriding, Wear. Senthilkumar, D., Rajendran, I., 2011, Influence of Shallow and Deep Cryogenic Treatment on Tribological Behavior of En 19 Steel, Journal of Iron and Steel Research, International. Senthilkumar, D., Rajendran, I., Pellizzari, M., Siiriainen, J., 2011, Influence of shallow and deep cryogenic treatment on the residual stress state of 4140 steel, Journal of Materials Processing Technology.
Sevinç, B., 2007, Geleneksel charpy darbe deneyinin labview kullanılarak veri toplanması ve değerlendirilmesi, Yüksek lisans tezi, Muğla Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 101s. Şan, S., 2007, Mikroalaşımlı çeliklerin işlenebilirliğinin takım ömrü ve yüzey pürüzlülüğü açısından değerlendirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 133s.
