2010-2 - Balıkesir Üniversitesi

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**
*[email protected] Balıkesir Üniversitesi Edremit M.Y.O., Makine Bölümü, 10300-Balıkesir
**[email protected] 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 AISI1040 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
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Mo
V
N
: Karbon oranı arttıkça sertleşebilirlik artar [1-6,13].
: Silisyum malzemenin işlenmesini zorlaştırıp, yüzey kalitesini bozduğundan
özellikle ilave edilmez. Ancak sertleşebilirliği, aşınma dayanımını ve elastikiyeti
yükseltir [11].
: Mangan dönüşüm hızını düşürmesinden dolayı sertleşebilirliği büyük oranda
arttırır [12].
: Fosfor çeliğin mukavemetini ve sertleşebilirliğini arttırır. Fakat sünekliği ve
tokluğu azaltır [12].
: Kükürt genel olarak kaynak kabiliyeti ve sertleşebilirliği olumsuz etkiler [11].
: Krom dayanımı ve sertleşebilme özelliğini arttırır [10].
: Krom ile birlikte kullanılan nikel sertliğin derinliğe inmesini sağlar [10].
: 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].
: %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].
: 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
+ 6 Ni + 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.
(2)
J 0 = 60 C + 20 = HRC (C < %0.6)
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
Martenzit Yüzdesi ve Sertlik (HRC)
Karbon (%)
%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].
HVM = 127 + 949C + 27Si + 11Mn + 8Ni + 16Cr + 21(logVr)
(3)
HVB = −323 + 185C + 330Si + 153Mn + 65Ni +144Cr + 191Mo
+ (89 + 53C − 55Si −22Mn − 10Ni − 20Cr − 33Mo) (logVr)
(4)
HV(F+P) = 42 + 223C + 53Si + 30Mn + 12.6Ni + 7Cr +19Mo
+(10−19Si+4Ni+8Cr+130V) (logVr)
(5)
Burada HVM, HVB, 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 V = ∑ H Vk . Vk
(6)
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 0C’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
AISI-1040
SAE-1040
DIN Ck40
İmalat (yapı) çeliği
AISI-P20
DIN 40CrMnNiMo864
DIN 1.2738
Plastik Kalıp Çeliği
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Mo
Cu
Al
V
0.385 0.235 0.732 0.021 0.011 0.185 0.139 0.027 0.158 0.055
0.386 0.314 1.230 0.020 0.018 1.890 0.930 0.172 0.114
Fe
-
98.0
- 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
(b)
Jominy Numunesi
(a)
(b)
(c)
Şekil 3. (a) Jominy sertleşebilirlik testinin şematik gösterimi.
(b) Numuneye su vermeye başlama. (c) Su-verme işlemi sonrası
3.1. Deneysel Bulgular
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
2
5
8
11 13 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 63 68
(mm)
Sertlik
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
(HRC)
AISI-P20
Noktalar 1
2
3
4
5
6
7
8
Mesafe
1.5
3
5
7
9
11 13 18
(mm)
Sertlik
56.8 55.4 54.9 52.1 50.6 48.3 46.4 43.9
(HRC)
9
10
11
12
13
14
15
16
17
23
28
33
38
43
48
55
62
68
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
18mm
23mm
35mm
18mm
%73 martenzit
23mm
%59 martenzit
35mm
%8 martenzit
AISI-P20
3mm
%99.9 martenzit
8mm
%94 martenzit
13mm
%85 martenzit
Şekil 8. Jominy testi sonrasında çeliklerin mikro-yapılar (500x ve 100x)
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 AISI1040 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 AISIP20’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) 12th
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