Hadfield çeliklerine uygulanan farklı çökelme sertleşmesi sıcaklıklarının mikro yapı ve mekanik özelliklere olan etkisinin incelenmesi

1882 yılında İngiltere'de Sir Robert Hadfield tarafından bulunmuş ve 1883 yılında patenti alındığından beri Hadfield çeliği olarak da adlandırılan yüksek manganlı çelikler yüksek mukavemet, yüksek tokluk ve yüksek çalışma sertleşmesi gibi benzersiz özellikleri sebebi ile hafriyat, petrokimya, demiryolu, çimento ve madencilik gibi sektörlerde sıklıkla kullanılmaktadır. Yüksek manganlı çeliklere olan ve her geçen gün artan ilgi ile beraber bu malzemelerin kullanım yerleri daha da çeşitlenmiş ve buna bağlı olarak performans iyileştirme kapsamında ısıl işlem ya da alaşımlama çalışmalarında da ciddi artışlar söz konusu olmuştur. Genellikle 1:10 oranında karbon ve mangan oranı ile üretilen yüksek manganlı çelikler bugüne kadar molibden, krom, vanadyum, niyobyum, alüminyum ve seryum ilaveleri ile alaşımlandırılmış ve bu alaşımlandırmalar ile malzemelerin mekanik özelliklerinde iyileşme sağlanması hedeflenmiştir. Yüksek manganlı veya Hadfield çeliklerinde alaşımlama çalışmalarının yanı sıra birçok araştırmanın konusu olan bir diğer önemli faktör ise uygulanan veya tasarlanan ısıl işlem prosesidir. Yüksek manganlı çelikler katılaşmaları için gerekli olan sürenin bir sonucu olarak ideal soğuma şartlarında östenit yapıda kararlı hale gelir ve aynı zamanda yapılarında östenit ana yapısı içerisinde karbür ve perlit kolonileri içerirler. Oluşan bu karbürler özellikle çeliğin tane sınırlarına yerleşerek mekanik özelliklerini düşürüp, ciddi bir kırılganlığa sebep olurlar. Bu sebeple yüksek tokluk istenen manganlı çelik uygulamalarında bu malzemeler döküm halleri ile kullanılamazlar. Bu durum yüksek manganlı çeliklerin yüksek tokluk değerlerine ulaşabilmek için, döküm sonrası bir ısıl işleme tabii tutulmalarını zorunlu kılar. Tasarlanan ısıl işlemde amaç, manganlı çeliğin ısıtma sonrası ani soğutulmasını sağlamak ve karbür oluşumunu engelleyerek karbürden arındırılmış östenitik yapıyı elde edebilmektdir. Bu sebeple manganlı çeliklere kesit kalınlığına bağlı olarak genellikle 1050°C ila 1150°C arasında bir sıcaklığa ısıttıktan sonra ani soğutma ile çözelti tavlaması ısıl işlemi uygulanır. Hadfield çelikleri olarak adlandırılan yüksek manganlı çelikler için en büyük dezavataj ise düşük akma mukavemetine sahip olmalarıdır. Düşük akma mukavemeti bu parçaların henüz çalışma sertleşmesi mekanizması oluşmadan kırılmalarına veya kullanılamaz hale gelmelerine sebep olabilmektedir. Bu çeliklerden düşük, orta ve yüksek yükler altında çalışma göstermeleri durumunda farklı mikro yapı ve mekanik özellik beklentileri oluşmaktadır. Örneğin yüksek yükler altında yüksek tokluk özellikleri beklenirken, düşük yükler altında gerçekleşen çalışmalarda yüksek aşınma direnci, yüksek sertlik veya bu iki özellik ile tokluk değeri arasında güçlü bir kombinasyon beklenmektedir. Bu tez çalışması kapsamında özellikle düşük yükler altında çalışan yüksek manganlı çeliklerin, çözelti tavlaması ısıl işlemi sonrasında çökelme sertleşmesi ısıl işlemine tabii tutulması ve oluşacak karbür fazları ile mekanik özelliklerindeki değişimin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu tez çalışması kapsamında kullanılan yüksek manganlı çelik, içeriğinde 1,16 karbon, 13,21 mangan ve ilave olarak %2,13 oranında krom içermektedir. Yapılan araştırmalar doğrultusunda özellikle %2'ye kadar olan krom ilavesinin manganlı çeliklerin akma mukavemetini ve sertlik değerlerini attırdığını bilinmektedir. Çalışma kapsamında elde edilen sonuçların tayini ve yorumlanabilmesi için mikro yapısal ve mekanik testler uygulanmıştır. Mikro yapısal durumun anlaşılabilmesi için öncelikle iki farklı büyütme kademesinde optik mikroskop incelemeleri yapılmıştır. Optik mikroskop incelemesinin yüksek manganlı çeliklerde ayrıca bir önem arz etmesinin sebebi, yapıda oluşan karbürlerin ince veya kalın olarak tanımlanması ve mekanik özellikleri düşürücü etkiye sahip olan kalın karbürlerin optik mikroskop altında rahatça gözlemlenebilmesidir. Mikro yapısal incelemenin devamında ince karbürlerin gözlemlenebilmesi, tane sınırları ve tane içlerinden EDS analizlerinin alınabilmesi için taramalı elektron mikrokobisi kullanılmıştır. Yapısal incelemede son olarak teste tabii tutulan malzemenin bileşimini anlamak için X-ışınları difraksiyonu test metodu kullanılmıştır. Mekanik özelliklerin tayini için ise numunelere sertlik ve çentik darbe testleri uygulanmıştır. Böylece malzemelerin sertlik değişimi ile tokluk değerleri arasında bir ilişki kurulması amaçlanmıştır. Bu çalışma kapsamında dökümü gerçekleştirilen yüksek manganlı çelikler öncelikle 1080°C'de çözelti tavlaması ısıl işlemine tabii tutulmuşlardır. Böylece yapıda oluşan ve döküm sonrası yavaş soğumadan kaynaklanan karbürlerin çözünmesi sağlanmıştır. Bu aşamada tasarlanan çözelti tavlaması ısıl işlemi sıcaklık ve süresinin doğru seçilip seçilmediğinin anlaşılabilmesi için, numunelerin döküm sonrası ve çözelti tavlaması sonrası durumları mikro yapısal ve mekanik testlere tabii tutulnuştur. Numunelerin döküm hali mikro yapısal gözleminde beklenildiği gibi tane sınırlarında ve tane içlerinde rastgele dağılmış karbürler ve perlit kolonileri tespit edilmiştir. Bunun bir sonucu olarak numuneden elde edilen çentik darbe enerjisi 4,5 J bulunmuş, sertlik sonucu ise 263 HV olarak bulunmuştur. Çözelti tavlaması sonrası yapılan mikro yapı testlerinde ise, numunede bulunan karbürlerin çözündüğü tespit edilmiştir. Mekanik testlerde ise döküm haline göre çentik darbe sonucu %4577 artarak 206 J olarak bulunmuş, sertlik değeri ise 263 HV'den %13 azalarak 228 HV'ye gerilemiştir. Elde edilen tokluk ve sertlik değerlerine göre yapılan çözelti tavlaması ısıl işleminin başarılı olduğu ve malzemenin tokluk özelliğinde ciddi bir artış olduğu gözlemlenmiş olup, elde edilen bulgular literatür bilgisi ile örtüşmektedir. Daha sonrasıda çözelti tavlaması ısıl işlemine tabii tutulan numuneler ayrı ayrı 450°C, 550°C ve 650°C'de çökelme sertleşmesi ısıl işlemine tabii tutulmuşlardır. İlk olarak 450°C'de çökelme sertleşmesi ısıl işlemi uygulanan numune incelenmiştir. Mikro yapısal incelemeler sonucunda bu sıcaklıkta yapılan çökelme sertleşmesi ısıl işleminin ancak ince tane sınırı karbürlerinin oluşumuna yeterli geldiği tespit edilmiştir. Bu ince karbürlerin düşük enerjileri ve iyi östenit matris kafes uyumları sebebi ile gevreklik oluşturmayarak mekanik özellikleri ciddi anlamda etkilememesi beklenmiş; yapılan mekanik testlere göre de çentik darbe sonucunun 206 J'den yalnızca 194 J'e, sertliğin ise 228 HV'den 211 HV'ye gerilediği tespit edilmiştir. Daha sonrasında 550°C'de yapılan çökelme sertleşmesinin sonuçları incelendiğinde; mikro yapısal olarak artan çökelme sertleşmesi sıcaklığı ile karbür oluşum mekanizmasının kuvvetlendiği ve tane sınırına çökelen karbürlerin bu sıcaklık ile beraber optik mikroskop altında dahi görülebilecek kadar büyüdüğü tespit edilmiştir. Buna paralel olarak 550°C'lik çökelme sertleşmesi sıcaklığında artık mekanik özellikler düşüş göstermeye başlamıştır. Çentik darbe sonucu 206 J'den %82 azalarak 37 J'e düşmüş, bununla beraber sertlik %2 artarak 233 HV'ye yükselmiştir. Son olarak 650°C'de yapılan çökelme sertleşmesinde ise yapıda artık ciddi oranda karbür çökelmesi tespit edilmiş, ısıl işlem sonrası östenit matris kararlılığını tamamen kaybetmiştir. Buna bağlı olarak çentik darbe sonucu %98 azalarak 4 J'e gerilemiş ve çelik artık tamamen gevreklik kazanmıştır. Sertlik sonucu ise %32 artarak 300 HV'ye çıkmıştır. Bu çalışma kapsamında seçilen çökelme sertleşmesi sıcaklıklarının manganlı çeliğin mikro yapı ve mekanik özelliklerine olan etkisi incelenmiş; farklı sıcaklıklarda yapılan ısıl işlemler neticesinde manganlı çelikte karbür çökelme miktarına bağlı olarak tokluk değerinin düştüğü, sertlik değerinin ise artış gösterdiği tespit edilmiştir.