Dövme uygulamaları için yüksek mukavemet ve tokluk özelliğine sahip sürekli soğutma ile üretilen yeni çelik kalitelerinin geliştirilmesi

Makine imalat, savunma, otomotiv gibi birçok endüstriyel uygulamada servis koşullarında yüksek performans beklentisi nedeniyle çelik malzemeler kullanılmaktadır. Yüksek mukavemet, darbe dayanımı, yorulma dayanımı gibi özelliklere sahip çeliklerin üretiminde genellikle yüksek sıcaklıklarda ısıtma (östenitleme), hızlı soğutma (su verme) ve sonrasında temperleme işlemleri uygulanmaktadır. Kısaca ıslah ya da Q&T olarak tanımlanan ısıl işlem ile üretilen çeliklere ıslah çelikleri adı verilmektedir. Cıvata, somun, mil, piston kolu gibi otomotiv ve makine imalatında kullanılan birçok ürün sıcak dövme yöntemi ile üretilmektedir. Dövme işlemi, sıcak haddelenmiş çeliğin dövme sıcaklığına ısıtılması ve ardından kalıp altında şekillendirmesiyle gerçekleştirilmektedir. Ürünün yüksek mekanik özelliklere sahip olması için dövme işlemi sonrasında genellikle ilave bir ıslah ısıl işlemi uygulanmaktadır. Genellikle, dövme ile üretim yapan firmaların kendi bünyelerinde ısıl işlem imkânı bulunmamakta ve ıslah işlemleri firma dışından hizmet alımı ile gerçekleştirilmektedir. Bu nedenle, ilave olarak uygulanan ıslah ısıl işlemiyle operasyonel maliyetlerin yanı sıra işçilik, lojistik gibi süreçlerden kaynaklanan ek maliyetler oluşmaktadır. Ayrıca, uygulanan ek ısıl işlemler ve lojistik süreçler dövme üretimlerinde ürünün karbon emisyonlarını arttırmaktadır. Literatürde yer alan çalışmalar incelendiğinde ıslah ısıl işlemi uygulanmayan dövme üretimlerinin genellikle istenilen yüksek mukavemet-tokluk dengesini sağlamakta yetersiz kaldığı belirlenmiştir. Ayrıca, birçok çalışmada seçilen kimyasal kompozisyonun endüstriyel üretilebilirliği limitli kalmakta ya da yüksek üretim maliyetleri nedeniyle uygulamanın ticarileşme potansiyeli bulunmamaktadır. Bu kapsamda, tez çalışmalarında ıslah ısıl işlemi uygulanmadan dövme sonrası sürekli soğutma ile DIN EN 10083-3 standardı 41Cr4 çelik kalitesine ait mekanik özellikleri düşük alaşım maliyetleri ile sağlayabilecek yeni kimyasal kompozisyon ve üretim rotasının belirlenmesi amaçlanmıştır. Tez kapsamında gerçekleştirilen çalışmalarda, termodinamik ve termo-mekanik incelemelerle belirlenen alaşım tasarımı ve üretim parametreleri üzerinden öncelikli olarak laboratuvar ölçekli üretimler yapılmıştır. Elde edilen mekanik test sonuçlarının ilgili üretimlerin kimyasal kompozisyonunda yer alan elementler ve soğutma hızı parametreleri ile aralarındaki ilişkileri belirlenmek adına istatistiksel analizler gerçekleştirilmiştir. Çoklu Doğrusal Regresyon (Multi Linear Regression – MLR) yöntemiyle hesaplanan korelasyon katsayıları incelendiğinde temel alaşım elementlerin mekanik özellikler üzerindeki olumlu ya da olumsuz etkileri beklenildiği gibi sonuçlanmıştır. Ancak, veri setinde bimodal dağılım gösteren verilerin bulunduğu ya da birkaç elementin çeşitli metalurjik etkenlere bağlı olarak mekanik özelliklerde birlikte etki oluşturduğu durumlarda MLR istatistiksel yönteminin yeterli performans gösteremediği belirlenmiştir. Bu kapsamda, veriler arasındaki kompleks ilişkilerin çözümlenmesi için Yapay Sinir Ağları (YSA) yaklaşımından yararlanılmıştır. Çok Katmanlı Algılayıcı (MLP) düzeninde [11-1(18)-3] topolojisine sahip ileri beslemeli geri yayılım algoritması ile eğitilen YSA modeli ile MLR yöntemine göre mekanik özelliklerin tahminlenmesinde çok daha yüksek performans elde edilmiştir. YSA modeli üzerinden çalışmanın hedeflerini sağlayabilecek kimyasal kompozisyon ve soğutma hızları belirlenmiştir. Optimizasyon ve doğrulama çalışmalarında ise belirlenen alaşım tasarımı ve üretim parametreleri ile laboratuvar ölçekli üretilen ham malzemelerden endüstriyel ölçekte sıcak dövme ile nihai ürünler üretilmiştir. Genel olarak değerlendirildiğinde, çalışmada hedeflenen 41Cr4 çelik kalitesine ait ıslah ısıl işlemli mekanik özellikler yeni geliştirilen kimyasal kompozisyon üzerinden sürekli soğutma ile başarıyla elde edilmiştir. Yeni geliştirilen çelik kalitesinde, ıslah ısıl işlemli referans çelik kalitesine göre alaşım maliyeti %13 daha yüksek olsa da hizmet alımı ile gerçekleştirilen ısıl işlem uygulaması, gerekli lojistik ve diğer operasyonel giderler değerlendirildiğinde nihai üretim maliyetinde önemli bir avantajı sağlanabileceği öngörülmektedir. Ayrıca, yüksek enerji tüketimi gerektiren ıslah ısıl işleminin sürekli soğutma ile ikame edilmesi, proses kaynaklı oluşan karbon emisyonlarının azaltılmasında önemli bir potansiyel sunmaktadır.