Makine imalat sanayi için düşük karbonlu beynitik çelikalaşım ve proses tasarımı

Bu çalışmada uzun yarı mamul üretiminde üretim maliyeti yüksek ıslah çeliklerinin yerine alternatif olarak kullanılabilecek ve üretim maliyeti daha düşük yeni bir beynitik çelik alaşımın, alaşım ve proses tasarımı yapılmıştır. Makine imalat endüstrisinin kullanımına yönelik olarak tasarlanan yeni beynitik çelik alaşımın mekanik özelliklerinin ve kaynaklanabilirlik özelliğinin ıslah çeliklerine göre aynı veya daha yüksek performans göstermesi hedeflenmiştir. Bu çalışmada 42CrMo4+QT çelik alaşımının mekanik özellikleri referans olarak alınmıştır. Malzeme modelleme simülasyonlarında kullanılan JMatPro – Hesaplamalı Malzeme Mühendisliği programı desteği ile malzemenin metalürjik özellkleri hesaplanmış, kaynaklanabilirlik ve rekristalizasyon sıcaklığı hesaplamaları yapılmış ve elde edilen sonuçlara göre öngörülen çelik alaşımların laboratuvar ölçekli üretimi gerçekleştirilmiştir. Pilot ölçekli üretim sonrası laboratuvarda gerçekleştirilen mikroyapı ve mekanik karakterizasyon çalışmaları ile de final alaşım olan yeni bir düşük karbonlu beynitik (DKB) çelik alaşımı geliştirilmiştir. Teorik hesaplamalar ile elde edilen alaşımlar (2 alaşım) ile mangan ve krom oranları farklı ilave 2 alaşımın (toplam 4 alaşım) 100 kg kapasiteli vakum indüksiyon ergitme ocağında (VIM) ingot üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretilen ingotların şekillendirme işlemi standart haddeleme prosesi (SHP) ve termomekanik haddeleme prosesi (TMHP) parametrelerine göre şahmerdanda uygulanan deformasyon ile gerçekleştirilmiştir. İngotlar şahmerdanda östenit rekristalizasyon sıcaklığının üzerinde (SHP: Tdef > TNR) ve altında (TMHP: Tdef < TNR) 30 mm çapa dövülmüştür. SHP ve TMHP uygulamalı olarak dövülen parçalardan çıkarılan mekanik test numunelerine oda sıcaklığında çekme testi ve -40°C, -20°C, 0°C ve oda sıcaklığında Charpy çentik darbe testi uygulanmıştır. Optik mikroskop (OM) ile malzemelerin faz yapıları tayin edilirken taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile de faz yapıları daha detaylı incelenmiştir. Ayrıca beynitik ferrit plakaları ve sementit fazı (Fe3C) kalınlıkları ölçülerek TMHP prosesi ile hedeflenen ince beynit yapısının oluşumu incelenmiştir. 42CrMo4+QT (16-40 mm çap aralığı) referans mekanik özellikleri en iyi sağlayan kompozisyon nihai alaşım olarak belirlenmiştir. Elektron geri saçılım kırınımı (EBSD) tekniği ile nihai çelik alaşımda TMHP'nin mikroyapı, tane yönlenmesi ve tane boyut dağılımına olan etkisi incelenmiştir. Teorik hesaplamalar ve pilot öçekli üretim sonrasında nihai alaşımın kimyasal kompozisyonu '0,1C-3Mn-0,2Cr-1Si + Mikroalaşım elementleri (MAE)' olarak belirlenmiştir. Mekanik değerleri SHP koşulunda; Akma mukavemeti (Rp0,2) 785 MPa, çekme mukavemeti (Rm) 1095 MPa ve uzama (%A) 7,2 olarak belirlenmiştir. TMHP koşulunda ise Rp0,2 879 MPa, Rm 1215 MPa ve %A 9,5 olarak gerçekleşmiştir. Charpy çentik darbe test sonuçları, -40°C, -20°C, 0°C ve oda sıcaklığında sırasıyla SHP koşulunda 18 J, 27 J, 30 J ve 45 J, TMHP koşulunda ise 37 J, 39 J, 39 J ve 46 J olarak ölçülmüştür. Mikroyapı incelemeleri sonrasında yapının ince yapılı alt beynit ve granülar beynit karışımı ile bir miktar martenzitten oluştuğu görülmüştür. Sonuç olarak, ıslah çelikleri yerine kullanılabilecek, 42CrMo4+QT mekanik özelliklerini karşılayan, alaşım elementleri bakımından daha düşük maliyetli, ilave bir ısıl işlem gerektirmeyen ve proses süresi daha kısa olan ekonomik yeni bir beynitik çelik alaşımın tasarımı yapılmıştır.