Sementasyon İşleminin Farklı Çeliklerin Mikroyapı ve Sertlik Değerlerine Etkileri

Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 10, No: 1, 2013 (19-24)

ARAŞTIRMALAR www.teknolojikarastirmalar.com e-ISSN:1304-4141

Bu makaleye atıf yapmak için

Pekgöz B., Sarıdemir S.,Uygur İ.,Aslan Y., “Sementasyon İşleminin Farklı Çeliklerin Mikroyapı Ve Sertlik Değerlerine Etkileri” Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2013, (10) 19-24

Makale (Article)

Sementasyon İşleminin Farklı Çeliklerin Mikroyapı ve Sertlik Değerlerine

Etkileri

Bahar PEKGÖZ*, Suat SARIDEMİR*, İlyas UYGUR**, Yusuf ASLAN***

*_{Düzce Üniversitesi, Teknoloji Fak. İmalat Müh. Böl. Düzce/ TÜRKİYE} **_{Düzce Üniversitesi, Müh. Fak. Mak. Müh. Böl. Düzce /TÜRKİYE} ***_{Düzce Üniversitesi, Düzce Meslek Yüksekokulu, Düzce/ TÜRKİYE}

[email protected]

Geliş Tarihi: 27.11.2011 Kabul Tarihi: 30.04.2013

Özet

Isıl işlemler, sıcaklık, zaman, kimyasal bileşen ve soğutma ortamına bağlı olarak malzemelerin mekanik ve fiziksel özelliklerini etkilemektedir. Bu çalışmada, AISI 1040, 4140, ve 8620 çelikleri tuz banyosunda sıvı sementasyon yöntemiyle sertleştirilmiş, işlem öncesi ve sonrasındaki sertlik ve mikro yapı değişimleri incelenmiştir. Sementasyon işlemi sonucunda, yüzey sertliklerinin iki kattan daha fazla miktarda artığı tespit edilmiştir. Sertlik artışındaki en önemli etkenin mikroyapıdaki, perlit, sementit, martenzit ve karbür tanecikleri olduğu belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: Sementasyon, Sertlik, Mikroyapı.

The Effects of Carburisation Process on the Hardness Values and

Microstructure for Steels

Abstract

Heat treatment strongly affects the hardness values and mechanical properties of steel depending on temperature, time, chemical composition and quenching media. In this study, AISI 1040, 4140 and 8620 steels were carburized in salt bath and their hardness values and microstructures were investigated. Surface hardness increased as much as twice. Hardness values were influenced by the formation of pearlite, cementite, martensite and carbide particles inside the microstructure.

Keywords : Carburization, hardness, microstructure

1. GİRİŞ

Çelikler endüstride kullanım amaçlarına göre farklı özelliklerde üretilmektedirler. Çeliklerin mekanik özellikleri, kimyasal bileşimdeki alaşım elementlerine, içyapılarına, tane büyüklüklerine ve uygulanan ısıl işlemlere bağlı olarak önemli oranlarda değişir. Bunun için çeliklere sementasyon, normalizasyon, tavlama, östemperleme, martemperleme, borlama gibi daha bir çok işlem uygulanarak bu malzemelerin özellikleri geliştirilmekte ve hedeflenen amaçlara uygun malzemeler üretilmektedir [1,2,3]. Bu işlemlerin en önemlilerden birisi olan sementasyon yüzey sertleştirme işlemidir. Sementasyon çeliğin iç kısmında yüksek tokluk yüzeyinde ise yüksek sertlik olması istenilen durumlarda uygulanan bir ısıl işlemdir. Sementasyon işlemi, katı, sıvı veya gaz ortamlarda yapılabilir. İşlem sonunda parça yüzeyi sert ve aşınmaya dayanıklı, çekirdek kısmı ise yüzeye göre yumuşak fakat tok bir yapı elde edilir. Soğutma

ortamı olarak en çok su ve yağ, özel durumlarda ise hava kullanılır Isıl işlem sırasında önemli değişkenlerden olan soğutma ortamının veya soğuma oranının mekanik özelliklere ve içyapıya etkisi üzerinde birçok çalışma yapılmıştır [4–10].

Çeliğin sertleşme davranışı, çeliğin kimyasal kompozisyonu, östenit tane boyutu, su verme ortamının soğutma kabiliyeti, soğutma ortamının sıcaklığı ve hareketi, parçanın ısı iletim kabiliyeti, parçanın boyut ve biçimi, parçanın su verme ortamında kalma süresi, yüzey durumu gibi unsurlardan etkilenmektedir. Şekil 1’de su verme işlemi sonucunda karbon ve martenzit oranına bağlı olarak sertlik ve mukavemet artış oranı görülmektedir. Çelik malzemelerin bileşiminde bulunan karbon oranı arttıkça, martenzit oluşumu da artmaktadır. Bu durum çeliğin çekme ve sertlik dayanımlarını iki kata kadar artırmaktadır. Böylece, mevcut olan çelik malzemeyi değiştirmeden, basit bir ısıl işlem neticesinde mekanik, fiziksel ve mikroyapı değişiklikleriyle ihtiyaç duyulan değerleri elde etmek mümkün olabilmektedir.

Şekil 1. Su verme işlemi sonucunda karbon ve martenzit oranına bağlı olarak-sertlik ve mukavemet artışı [11].

Çelikte ısıl işlem genellikle östenit bölgesinde oluşur. Isıl işlemde, östeniti oluşturmak için malzemeyi belli bir kritik sıcaklığa kadar ısıtmak gerekir. Sıcaklık artıkça ferrit ve perlit hızla östenite dönüşür. Çelik, östenitik bölgeden hızla soğutulursa, yapı martenzite dönüşür [12,13].

AISI 1040 çeliği, transmisyon millerinin, rayların ve dişlilerin yapımında kullanılmaktadır. AISI 4140 ıslah çeliği yüksek özlülük isteyen inşaat ve ziraat makineleri, takım tezgahları, uçak parçaları, akslar, krank kolları, krank milleri, dişliler, bandajlar, cıvata, somun, saplama v.b. parçaların imalinde kullanılmaktadır. AISI 8620 sementasyon çeliği ise zorlamalı parçalar, miller, ekstrüzyon yoluyla şekillendirilen piston pimleri, zincir baklaları ve dişlileri, çeşitli oto dişlileri ve traktör dişlileri, otomobil vites kutusu, şaftlar, bazı otomobillerin direksiyon mekanizmaları, diferansiyel yüzük dişlileri, uçak motorları, kam mili, kamalı mil v.s. yapımında kullanılmaktadır.

Bu çalışmada, AISI 1040 imalat çeliği, AISI 4140 ıslah çeliği ve AISI 8620 sementasyon çeliğinin tuz banyosunda karbürlenmesi ve ardından temperleme işlemine tabi tutulmasıyla oluşan sertlik ölçümleri yapılmış ve sementasyon işleminin mikroyapıya olan etkisi incelenmiştir.

2. MATERYAL VE METOD

Bu çalışmada kullanılan demir esaslı malzemelerin kimyasal bileşenleri Tablo 1’ de verilmiştir. Tablo 1. Deneylerde kullanılan malzemelerin kimyasal bileşenleri

Malzeme C Mn Si Cr Ni Mo Cu P S Fe

AISI 1040 0.43 0.82 0.217 0.173 - - 0.143 0.016 0.0008 Kalan AISI4140 0.43 0.943 0.24 1.11 0.214 0.24 0.214 0.0006 0.0003 Kalan AISI8620 0.216 0.73 0.2 0.5 0.5 0.2 0.02 0.0006 0.00024 Kalan

Numunelere uygulanan ön tavlama işlemi için sıcaklık 200 °C, bekletme süresi 2 saattir. AISI 1040 çeliğine 845°C’de 2 saat süreyle tuz banyosunda sıvı sementasyon işlemi uygulanmıştır. Daha sonra, deney numunesi, soğutma tuzunda 20 dk. bekletilerek malzeme normal suya atılmış ve soğutma işlemi gerçekleştirilmiştir. Menevişleme işlemi sertleştirme işlemi sonrasında 200 °C’de 2 saat süreyle uygulanmıştır. AISI 4140 çeliğine ise 845 °C’de 4 saat süreyle tuz banyosunda sıvı sementasyon işlemi uygulanmıştır. Soğutma tuzunda 20 dk. bekletilerek malzeme normal suya atılmış ve soğutma işlemi gerçekleştirilmiştir. Menevişleme işlemi sertleştirme işlemi sonrasında 250 °C’de 2 saat süreyle uygulanmıştır. AISI 8620 çeliği az karbonlu çelik olduğu için; 900 °C’de 4 saat süreyle tuz banyosunda karbon emdirilmiştir. Bu işlemin ardından malzeme soğutma tuzunda 5 dk. bekletilerek normal suya atılmış ve soğutma işlemi gerçekleştirilmiştir. Menevişleme işlemi sertleştirme işlemi sonrasında 250 °C’de 2 saat süreyle uygulanmıştır. Sertlik ölçüm cihazıyla ısıl işlem öncesi ve sonrasında sertlik değerleri tespit edilmiş ve metalografik incelemede çekilen mikro yapı fotoğrafları karşılaştırılmıştır. Dağlama işlemlerinde %2 lik nital kullanılmıştır. Sertlik işlemlerinde, konik elmas uca ön yük olarak 10 kg daha sonra 140 kg yük uygulanarak batma derinliği HRC cinsinden sertlik değeri olarak ölçülmüştür. Deneylerde toplam 6 ölçüm yapılmış ve bu değerlerin ortalaması alınarak numunenin sertlik değerleri tespit edilmiştir.

3. DENEY SONUÇLARI VE TARTIŞMA 3.1 Isıl İşlemin Sertlik Değerlerine Etkisi

Metalik malzemelerin mekanik, fiziksel ve kimyasal özelliklerini kimyasal bileşenleri belirlemektedir. Özellikle çeliklerde dayanım ve sertliğe etki eden en önemli element Karbon’dur. Ayrıca bir çok mekanik özellik, yapı içerisindeki Mn, Ni, Cr, Mo gibi elementlerden de önemli oranda etkilenmektedir. Kimyasal bileşenin çekme dayanımına olan etkisi Tablo 2’ de verilmiştir. Çeliklere ilave edilen C, Cr, Ni, Mo elementleri maksimum çekme, akma , % uzama ve elastik modül değerlerini önemli oranda artırmıştır. AISI 8620 çeliğinde alaşım elementlerinin olmasına rağmen, karbon miktarının düşük olmasından dolayı akma dayanım değerlerinin düşük olduğu görülmektedir.

Tablo 2. Deneylerde kullanılan demir alaşımlarının mekanik özellikleri [14] Malzeme Maksimum Çekme Dayanımı

(MPa) Akama Dayanımı (MPa) Uzama (%) Elastik Modül (GPa) AISI 1040 620 410 25 200 AISI4140 645 415 25.7 205 AISI8620 632 390 26 205

Tablo 3’de test edilen çelik malzemelerin sertlik değerleri verilmiştir. Çeliklerin sertleşme kabiliyeti ya da sertleşme derinliği karbon oranı ile östenitin tane iriliğini artırmak veya alaşım elementi katmak suretiyle artırılabilir [15]. Alaşım elementleri kritik soğuma hızını azaltıp, martenzit oluşumunu kolaylaştırmak

karbon oranı oldukça düşüktür. AISI 4140 ve 8620 deki krom ile kombine edilmiş nikel AISI 1040 sade karbonlu çelikten daha yüksek elastik limite, sertleştirilebilirliğe, darbe ve yorulma direncine sahip düşük alaşımlı çeliği meydana getirmiştir.

Tablo 3. Isıl işlemin sertlik değerlerine etkisi

Malzeme Isıl işlem öncesi sertlik değeri (HRc) Isıl işlem sonrası sertlik değeri (HRc)

AISI 1040 13 40

AISI 4140 21 57

AISI 8620 22 58

3.2 Isıl işlemin Mikroyapıya etkisi 3.2.1. AISI 1040

AISI 1040 sade karbonlu çelik malzemenin ısıl işlem öncesi ve sonrasınadaki mikroyapısı Şekil 2’ de gösterilmiştir.

(a) x900 (b) x900

Şekil 2. a) Sementasyon İşlemi Öncesi b) Sementasyon İşlemi Sonrası AISI 1040 çeliğinin mikro yapısı incelendiğinde beyaz olan kısımlar ferrit, siyah-kahverengi kısımlar ise perlitik yapıyı göstermektedir. Sementasyon işlemi öncesindeki perlitik yapı, ısıl işlem sonrasında perlit lamellerinin kırılmasıyla ferritik faz içerisinde sementit parçacıklarının dağılımı şeklinde bir görünüme sahip olmuştur. Yapı içerisindeki Mn miktarının mekanik özelliklere etkisi Ref. 16 de detaylı olarak incelenmiştir.

3.2.2. AISI 4140

AISI 4140 az alaşımlı çelik malzemenin ısıl işlem öncesi ve sonrasınadaki mikroyapısı Şekil 3’ de gösterilmiştir.

(a) x900 (b) x900

Şekil 3. a)Sementasyon İşlemi Öncesi b) Sementasyon İşlem Sonrası

Martenzit Beynit

AISI 4140 çeliğinin mikro yapısı incelendiğinde Şekil 3.a’da görüldüğü gibi ısıl işlem öncesinde yoğun kahverengi-siyah bölgeler perlitik bir yapı göstermektedir. Az miktarda bulunan beyaz kısımlar ise ferritik yapıyı göstermektedir. Isıl işlem sonrasında su vererek sertleştirme işlemi yapılmış ve çeliğin östenit olan yapısı Şekil 3.b’de görüldüğü gibi büyük oranda beynitik ve martenzitik yapıya dönüşmüştür. Yapıda bulunan perlit ve martenzit dönüşümü sırasında demir yayınamaz; karbon yayınması da oldukça güçleşir. Bu durumun sonucunda yapı iğneli beynit şeklini alır. Isıl işlem sonrasında Şekil 3.b’ de ince beynit yapının yanı sıra beyaz olan sementit ve kalıntı östenit kısımların yanında, kahverengi perlitik bölgeler de yer almaktadır. Kalıntı östenit kısımlar sertleştirme işlemi sonrasında tam olarak dönüşüm gerçekleştirememiştir. Ancak yapı genel olarak martenzite ve beynite dönüşmüştür. Düşük alaşımlı çeliklerdeki çıta martenzit olarak adlandırılan martenzitin ince birim paketleri büyük oranda yönlenmeye sahiptir ve sertlik artışında önemli bir etkendir [17].

3.2.3. AISI 8620

AISI 8620 az alaşımlı çelik malzemenin ısıl işlem öncesi ve sonrasınadaki mikroyapısı Şekil 4’ de gösterilmiştir.

(a) x900 (b) x900

Şekil 4. a)Sementasyon İşlemi Öncesi b) Sementasyon İşlemi Sonrası

AISI 8620 çeliğinin mikro yapısı incelendiğinde ısıl işlem öncesinde beyaz olan kısımlar ferrittir ve yapı ferrit yoğunluklu ferritik-perlitik bir yapıdan oluşmaktadır. Koyu renkli olan perlitik bölgeler az miktarda bulunmaktadır.Şekil 4 b’de Isıl işlem uygulanan AISI 8620 çeliğinde genel itibariyle yüzeye doğru iğneli martensitik yapı görülmektedir. İnce taneler, sertlik değerini yükseltecek ve kalıntı östenit miktarını düşürecektir, böylece yüksek sertlik sağlanacaktır. Ayrıca çok küçük boyutlardaki Cr, Mo, C karbürleride mikroyapı içerisinde mevcuttur. Bu sert gevrek seramik fazların da sertlik değeri artışında önemli rol oynadığı düşünülmektedir.

4. SONUÇLAR

Bu çalışmada, farklı kimyasal kompozisyona ait çeliklerin, sementasyon işlemi neticesindeki sertleşme kabiliyetleri ve yapılan işlemin mikro yapıya olan etkileri incelenmiş ve aşağıdaki sonuçlara varılmıştır. 1. Sementasyon işlemi neticesinde yüzey sertlik değerleri iki kattan daha fazla oranda artmıştır.

2. AISI 1040 çeliğindeki mikroyapı perlit ve sementit ağırlıklı bir yapı iken, az alaşımlı çeliklerin yapısında martenzit, beynit ve karbür bileşenleri gözlenmiştir. Bu mikroyapısal değişiklikler sertlik değerlerine etki eden en önemli unsurlardır.

3. Kimyasal kompozisyon çeliklerin çekme mukavemetine de etki etmektedir. Özellikle karbon oranı mukavemete etki eden en önemli unsurdur.

2. http://media.wiley.com/product_data/excerpt/03/04714499/0471449903.pdf, May2009. 3. http://www.boun.edu.tr/undergraduate/engineering/mechanical_engineering.html“Heat

Treatment.doc”, May 2009.

4. Massachusetts Institute of Technology Department of Mechanical Engineering Cambridge, MA 021392.002 Mechanics and Materials II Spring 2004Laboratory Module No. 5 Heat Treatment of Plain Carbon and LowAlloy Steels:Effects on Macroscopic Mechanical Properties, “Heat treatment of carbon steel and low alloy steel.pdf”, May 2009.

5. Mebarki, N., Delagnes, D., Lamelse, P., Delmas, F., Levaillant, C., 2004, “Relationship Between Microstructure And Mechanical Properties of a 5% Cr Tempered Martensitic Tool Steel”, Mat. Sci. Eng.A., 387–389, 171–175

6. Bochoa, F., Williams, JJ., Chawla, N., 2003, “Effects of Cooling Rate on Creep Behavior of a Sn-3.5Ag Alloy”, J. Electron. Mater., 32, 1414

7. Qiao, ZX., Liu, YC., Yu, LM., Gao, Z.M., 2009, “Effect of Cooling Rate on Microstructural Formation and Hardness of 30CrNi3Mo Steel”. App. Phy. A., 95, 917

8. Craievich, AF., Olivieri, JR., 1981, “Influence of a Continuous Quenching Procedure on The Initial Stages of Spinodal Decomposition”, J. Appl. Cryst., 14, 444

9. Lu, Z, Faulkner, RG., Riddle, N., Martino, FD., Yang, K., 2009, ‘’Effect of heat treatment on microstructure and hardness of Eurofer 97’’, Eurofer ODS and T92 steels. J. Nuc. Mater. 415, 386– 388

10. Ulu, S., 2009, “DIN17CrNiMo6 Çeliğinin Mikroyapı Özelliklerine Kritik Sıcaklıklar Arası Isıl İşlemlerin Etkisi” Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 6, 79–88

11. Totten, G.E., Hawes, A.H., 1997, “Steel Heat Treatment Handbook”, Marcel Dekker, Inc. New York., 45-48

12. Bangaru, NRV., Sachdev, AK., 1982, “Influence of Cooling Rate on The Microstructure and Retained Austenite an Intercritical Annealed Vanadium Containing HSLA Steel”, Metallurgical and Mater. Trans.A, 13, 11-15

13. Casteletti, L.C., Fernandes, F.A.P., Heck, S.C., Oliveira, C.K.N., Lombardi-Neto, A., Totten, G.E., 2009, “Pack and Salt Bath Diffusion Treatments on Steels”, Heat Treating Progress, 9(5), 49–52

14. www.matweb.com

15. Savaşkan, S., 2009, Malzeme bilgisi ve muayenesi Celepler Matbaacılık, Trabzon, s.235

16. Uygur, I., 2007, ‘‘Fe-Cu-C çeliklerine Mn ilavesinin mekanik özelliklere etkisi’’, Gazi Üniv. Müh.Mim.Fak.Der. 22(3) 325-330

17. Erdoğan, M., Mühendislik alaşımlarının yapı ve özellikleri, Cilt1., Nobel yayın dağıtım Ltd. 2000, Ankara, s.151