Düşük miktarlarda karbon içeren ostenitik paslanmaz çelik ve ferritik çelik arasında benzer olmayan birleştirmeler, yoğun enerji dönüşüm sistemleri ve çok yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılmaktadır. Merkezi güç istasyonları, düşük sıcaklığa maruz kazan parçaları ekonomik nedenlerle ferritik çelikten yapılmıştır. Yüksek sıcaklıklarda çalışan diğer bölgelerinde, ostenit paslanmaz çelik ile inşa edilmektedir. Bu nedenle geçiş malzemelerine ihtiyaç bulunmaktadır. Buna ilave olarak benzer olmayan malzemeler nükleer reaktörlerin buhar sistemlerinde ve petrokimya tesislerinde kullanılırlar. Farklı malzemelerin kaynağı gemi konstrüksiyonlarında, ısı eşanjörlerinde bunların çeşitli endüstriyel uygulamalarında kullanılmaktadır (Missori ve Koerber, 1997).
3.4.1 Mikro alaşımlı çelikler (HSLA)
Mikro alaşımlı çelikler geleneksel yapısal çeliklerden olup, birçok endüstriyel uygulama için vazgeçilemez malzemelerdendir. Bu tip çelikler genel olarak, yüksek akma ve çekme dayanımı, daha düşük karbon eşdeğerliliğine sahip olması nedeniyle kaynak kabiliyeti yüksektir. Ağırlığa göre yüksek mukavemete sahip olduklarından hafif konstrüksiyonların üretilebilmesi gibi avantajlar sağlamaktadır (Lawlor, 2000). Mikroalaşımlı çelik tabiri ilk olarak düşük miktarda niyobyum ve vanadyum içeren yüksek mukavemetli düşük karbonlu çelikler için kullanılmıştır. Düşük karbonlu çeliklerde yüksek mukavemet elde etmede kullanılan temel prensip bu elementlerinin oluşturduğu karbür ve nitrür çökeltilerinin proses sıcaklarında çözünmeden kalmasına dayanmaktadır. Niyobyum, vanadyum, titanyum ve alüminyum oluşturdukları karbo-nitrürlerle tane büyümesini, yeniden kristalleşmeyi ve dislokasyon hareketini engelleyerek çeliğin dayanımını artırmaktadır (Lleweuyn ve Hudd, 1998; Gladman, 1997; Erişir, 2010). Mikroalaşımlı çeliklerin en önemli dezavantajı, rakibi olan ısıl işlem görmüş martenzitik çeliklerle karşılaştırıldıklarında daha düşük tokluğa sahip olmalarıdır. Bundan dolayı mikroalaşımlı çelikler beklenen geniş ölçüde ticari kullanıma ulaşamamışlardır. Düşük darbe tokluğu bu çeliklerin mikroyapısında bulunan kaba yapılı perlitten kaynaklanmadır. Çökelti sertleşmesi de bu etkiyi aynı yönde artırmaktadır (Lleweuyn ve Hudd, 1998; Erişir, 2010).
Otomotiv, gemi inşa, kimya, petrol ve doğalgaz boru hatları endüstrisinde paslanmaz çelikler ile mikro alaşımlı çeliklerin, ayrı ayrı ya da birlikte oluşturdukları konstrüksiyonlara ihtiyaç duyulmaktadır.Bu durum farklı mekanik, kimyasal bileşim, korozyon direnci ve termal genleşme gibi özelliklere sahip bu çeliklerin; endüstride geniş bir kullanım alanı bulan ark kaynak birleştirmelerini ön plana çıkarmaktadır. Mikro alaşımlı çeliklerin ve paslanmaz çeliklerin birleştirilmesinde malzemelerin farklı fiziksel ve metalurjik özelliklerinin kaynak edilebilirliğe ve kullanım sırasında doğabilecek problemlere neden olabileceği gözden uzak tutulmalıdır (Barnhouse ve Lippold, 1988)
51
3.4.2 Paslanmaz çelikler ile mikro alaşımlı çelikler ile birleştirilmesi
Farklı iki malzemenin kaynak ile birleştirilmesi ve bunun için en uygun ilave metal seçilmesi, oldukça zor bir iştir. Ayrıca ana malzemelerin ve ilave metalin özelliklerinin bilinmesi doğru analizler yapabilmek için çok önemlidir. Ayrı iki cins malzemenin elde edilen kaynak dikişi yalnız ilave metalden meydana gelmez, aynı zamanda iki esas malzemeden de önemli miktarda alaşım elementi bulundurur. Şimdiye kadar kaide olarak ilave metal, kaynak yapılan esas metalden daha yüksek miktarda alaşım elemanı ihtiva ederdi. Bu durum oldukça memnuniyet verici olmasına rağmen, birçok kereler kaynak yerinin istenmeyen özellikler kazanmasına neden olmaktadır. Farklı metallerin birleştirilmesi için ilave metal seçimi, esas metalle karıştıktan sonra meydana gelen kaynak metalinin kompozisyonu ve mikro yapısı karbonlu çeliklerle birleştirme uygulamalarında ergime sınırı boyunca çatlaklara rastlanmıştır (1,2Kaçar vd., 2003; Zhao vd., 2010).
Östenik paslanmaz çeliklerle ferritik çeliklerin kaynaklarında durumu güçleştiren ilave bir sorun da bileşimindeki değişiminden kaynaklanan mikroyapı değişimidir. Pratikte bu geçiş tane sınırlarından kaynak metaline doğru çok kısa mesafelerde (1mm’den az) oluşur ve tane sınırları boyunca bölgesel martenzitik şeritlerle sonuçlanır. Çatlama genellikle ergime bantı sınırlarında yakın martenzitik geçiş bölgesinde oluşur (1,2Kaçar., 2003).
Benzer olmayan malzemelerin kaynağında karşılan sorunlardan birkaç tanesini sayacak olursak;
Yüksek karbon içeren alaşımlardan özellikle yüksek alaşımlarda nispeten daha düşük karbon içeren alaşımlı çeliklere karbon transferi,
Isıl genleşme katsayıları arasındaki farklar neticesinde, kaynaklı birleştirmenin farklı bölgelerinde meydana gelen kalıntı gerilmeler,
Kaynak metalinin elektrokimyasal özellikleri sonucu ortaya çıkan çevresel problemler,
Kaynak sonrası gerginlikleri giderme işleminin zorluğu (Srinivasan vd., 2006).
Şekil 3.13’de ostenitik ilave metalle birleştirilmiş karbonlu çeliğin ergime bantı bölgesinde ortaya çıkan oluşumlar gösterilmiştir.
Şekil 3.13. E309 L ilave metal ile birleştirilmiş paslanmaz çeliğin geçiş bölgesi ve ergime sınır çizgisi (KM-Kaynak Metali / KÇ-Karbon Çeliği)
Farklı metallerin birleştirilmesi esnasında kullanılan malzemelerin ve ilave metallerin türlerine, kimyasal kompozisyonlarına ve kaynak şartlarına bağlı olarak seyrelme ve mikroyapıda farklılıklar meydana gelmektedir (1,2
Sireesha, 2000; Maruyama, 2003). Doğal olarak kaynak metali içerisinde birleştirilen iki malzemenin yanında birleştirmede kullanılan ilave metalde kaynak metali kompozisyonda bulunmaktadır (Lippold ve Kotecki, 2005).
Benzer olmayan malzemelerin birleştirilmesi esnasında, daha yüksek oranda karbon içeren alaşımlı çeliklerden nispeten daha düşük karbon içeren alaşımlı çeliklere doğru karbon transferi olması, her iki malzemenin ısıl genleşme katsayılarında farklar olması, kaynak metalinin içerisinde meydana gelen kalıntı gerilmeler oluşması, kaynak metalinin elektrokimyasal özellikleri nedeniyle ortaya çıkan çevresel problemler ve kaynak işlemi sonrasında uygulanması gereken ısıl işlemlerin zorluğu gibi sorunlarla karşılaşılmaktadır (Lundin, 1982; Srinivasan vd., 2006; Srinivasan vd., 2009;1,2Sireesha., 2000).
53
Bir çelikteki karbonun davranışı, alaşım elementlerinin yüzdesine ve diğer alaşım elementlerinin oranlarına bağlıdır. Farklı oranlarda alaşım elementi içeren iki çelik birleştirildiğinde, karbür oluşturan (örneğin Cr, Mo veya V) elementlerden en az oranda içeren malzemeden daha yüksek oranda alaşım elementi içeren malzemeye doğru göçme ve karbürler şeklinde çökelme eğilimindedir. Bu durum, bir ferritik çelikle bir ostenitik çelik arasındaki birleştirmede, yüksek sıcaklıklarda uzun süre tutulma halinde ortaya çıkar. Bunun sonucunda alaşımlı malzeme içinde karbürlerden yana zengin bir bölge oluşur. Aynı zamanda en az alaşımlı malzeme içinde ise çok zayıf karbon oranlı bir bölge meydana gelir. Karbürlerden yana zengin sert bir bölge oluşmasının birleşmenin tutumu üzerinde olumsuz olduğu sanılmamakla birlikte, karbondan yana fakir bölge için aynı şey söylenemez. C’dan başka alaşımlı çeliğe en fazla geçen element N ve O’dir. Böylece çeliğin mekanik özellikleri zayıflar (Çalık, 2004).
Kaynak esnasında meydana gelen ısıl çevrimler sonucunda ferritik çeliklerin ITAB’ın da karbonca fakir bölge, paslanmaz çelik tarafında ise karbonca zengin olan bölge oluşmaktadır. Diğer bir deyişle ferritik çelikten kaynak metaline doğru karbon göçü olmaktadır (Sireesha ve Shankar vd., 2000; Srinivasan vd., 2006; You vd., 2001; Vigraman, 2012). Bunun sonucu olarak, HAZ bölgenin hemen yanı başında karbonca zayıf ferritçe zengin bölge oluşmasına ve bu bölgenin servis sıcaklığı esnasında düşük sürünme dayanımına ve gerilim kırılmalarına neden olmaktadır. Karbonca fakir olan yumuşak bölge uzun süre yüksek sıcaklığa maruz kalındığında genişlemektedir (You vd., 2001). Karbonca zengin olan kaynak metalinin yakın bölgelerde ise sert fazların oluşması sonucu sertlik artmaktadır. Diğer taraftan ferritik paslanmaz çeliklerde fazla ısı girdisi sonucu kaynak metalinde ve ITAB’da tane irileşmesi meydana gelmekte, kaynaklı parçaların düşük tokluk ve sünekliğine neden olmaktadır.
Şekil 3.14. Karbon çeliği ile paslanmaz çelik kaynak metalinin arayüzeyi (Wang vd., 2011)
Farklı türlerdeki paslanmaz çelikler ile düşük alaşımlı çeliklerin birleştirilmesinde tozaltı ark kaynağı, tungsten inert gaz kaynağı ve gaz metal ark kaynağı gibi kaynak yöntemleri ile çeşitli nikel, nikel esaslı inconel ve paslanmaz çelik ilave metaller kullanılmaktadır (Sireesha, Albert vd., 2000; Sireesha, Shankar vd., 2000, Jang vd., 2008; Wang vd., 2011; Çelik ve Alsaran 1999; Rowe vd., 1999; Arivazhagan vd., 2011; Kurt ve Çalık 2009). Çeşitli paslanmaz çelikler, düşük alaşımlı çelikler ile difüzyon ve sürtünme gibi farklı katı hal kaynak yöntemleri ile ilave metal kullanılmadan birleştirilmiştir (Vigraman vd., 2012; Satyanarayana, vd., 2005).