Debriyaj aksamı (guiding tube) üretiminde kullanılan dikişsiz boru kalitelerinin tokluk davranışının uygulanan nitrokarbürleme ısıl işlemi ile ilişkisi

Abstract

Günümüz otomotiv sektöründe içten yanmalı motorlardan tahrik alan otomobiller sektörde önemli bir paya sahiptir. Bu motorlar belirli bir devirin altında çalışmadıklarından, hız ve moment dönüştüren mekanizmalara ihtiyaç duyulur. Talep edilen bu moment ve kuvvetin uygun motor devirlerinde karşılanabilmesi için de vites kutusuna ihtiyaç duyulmaktadır. Motordan gelen gücün ve momentin vites kutusuna aktarılması, vites değişimlerinde iletilen hareketin kesilmesi ve daha sonrasından yeniden bağlantının kurulmasını sağlayan sisteme ise debriyaj sistemi denmektedir. Debriyaj sistemi, motordan gelen momenti ve hareketi düzgünleştirir. Diğer bir görev olarak da titreşimi sönümler ve bu doğrultuda da konforu arttırır. Bahsedilen bu durumlardan dolayı debriyaj sistemi otomobil içerisine oldukça önemli bir sistemdir. Genel olarak debriyaj sisteminin aracın konforuna, performansına ve yakıt tüketimine doğrudan etkisi vardır. Otomobillerin debriyaj aksamlarında alt komponent olarak kullanılan birçok parça mevcuttur. Bu parçalardan biri de Guiding Tube olarak tanımlanan parçadır. Guiding tube parçası, debriyaj aksamında vites değiştirme yani debriyaj pedalına basma ve çekme anında hareketin sorunsuzca, herhangi bir yere temas etmeden hidrolik yağ ile beraber kolayca gerçekleşmesine yardımcı olan bir parçadır. Debriyaj aksamında kullanıldıkları yer doğrultusunda geometrik yapılarından dolayı guiding tube parçası çelik borulardan üretilmektedir. Tube parçası CNC makinalarda talaşlı imalat yöntemi ile üretilmekte olup daha sonrasında talaşlı imalat operasyonuna devam eden ek operasyonlar ile birlikte bitmiş ürün halini almaktadır. Guiding tube parçası debriyaj aksamında kullanıldığı yer nedeniyle tok olmalıdır. Kullanıldığı yerdeki etkilerinden dolayı tokluk ve yorulma dayanımına sahip olmalıdır. Ayrıca korozyona, sertliğe ve aşınma dayanımına da sahip olmalıdır. Bu özellikler uygun yüzey sertleştirme işlemleri ile sağlanabilir. En yaygın kullanılan işlem nitrokarbürleme prosesidir. Nitrokarbürleme prosesi, mühendislik malzemelerinin aşınma dayanımını, korozyon ve yorulma dayanımını arttırmak için tercih edilen termokimyasal yöntemlerden biridir. Yüzeyde ε-Fe2-3(N, C) ve γ ́-Fe4(N, C) demir nitrokarbürlerinden oluşan bir beyaz tabaka mevcuttur. Bu beyaz tabakanın altında ise alaşım nitrokarbürlerinin olduğu difüzyon tabakası mevcuttur. Nitrokarbürleme prosesinde yüzeye azot atomu ile beraber karbon atomu da difüze edilir ve diğer termokimyasal yöntemlerden temel farkı budur. Bu çalışmada ticaretinde St37 ve St52 simgeleri kullanılan P235 ve P355 ( TS EN 10216 ) ve EN 42CrMo4 ve 16MnCr5 kalitelerindeki dikişsiz borular kullanılmıştır. Dikişsiz boru numunelerine farklı proses ve farklı süre şartlarında gaz nitrokarbürleme prosesi uygulandıktan sonra farklı kalitede olan boruların tokluk yani kırılma davranışlarındaki durum incelenmiştir. Kullanılan numunelerin dış çap ölçüleri 27 ± 0.08mm, iç çap ölçüleri ise 23.80 + 0.12mm'dir ve numuneler aynı tolerans aralıklarına sahiptir. Buradaki aynılık, herhangi bir ölçüsel değişikliğin özellikle et kalınlığı ölçüsünün borularda farklı davranışlara sebebiyet vermesini engellemek içindir. Malzemelere nitrasyon fırınında üç farklı gaz nitrokarbürleme prosesi uygulanmıştır. Bu üç proses için, fırın numuneler de içerisindeyken öncelikle 380 °C sıcaklığa ısıtılmıştır. Bu sıcaklıkta 3 m3/saat hava debisi ile 45 dakika tutularak ön oksidasyon işlemi gerçekleştirilmiştir. Ardından nitrokarbürleme işlemi gerçekleştirilmiştir. Parçalar, nitrokarbürleme işleminden sonra aynı fırında 100 °C sıcaklığa kadar 2 m3 / saat debi ile azot yardımıyla soğutulmuştur. Uygulanmış olan prosesler ile alakalı detaylı bilgiler aşağıdaki tabloda verilmiştir. bilgiler aşağıdaki tabloda verilmiştir. Gaz nitrokarbürleme prosesi uygulanan numunelerin metalografik işlemleri kesme, bakalite alma, zımparalama, parlatma ve dağlama sırasıyla yapılmıştır ve numuneler sertlik ölçümüne, mikroyapı analizine hazır hale getirilmiştir. Sertlik ölçümleri mikro sertlik ölçüm cihazında, mikroyapı analizleri ise optik mikroskopta yapılmıştır. Metalografi için hazırlanan numuneler haricinde farklı kalitelerdeki borular son ürün halinde de kırılma testi için kullanılmıştır ve kırılma davranışları incelenmiştir. Numunelerin yüzey sertlik ölçümleri HV0.05 yani 50 gram yük altında, 7 saniye bekleme süresinde Vickers uç batırılarak ölçülmüştür. Her bir numuneden en az 3 veri alınmış olup bulunan değerlerin aritmetik ortalamaları rapor edilmiştir. Ayrıca, numunelerin yüzey kısımlarından iç kısımlarına doğru sertlik değişimleri de HV0.05 yani 50 gram ile ölçüm alınan noktaların arası 0.05 mm olacak şekilde ölçülmüş olup raporlanmıştır. Çekirdek sertlikleri ise HV1 yani 1 kg yük altında ölçülmüştür. Yapılan sertlik ölçümleri sonucunda 3 farklı proses için de en yüksek yüzey sertliği 16MnCr5 kalite dikişsiz boruda, en yüksek çekirdek sertliği ise 42CrMo4 kalite dikişsiz boruda görülmüştür. Sertlik derinliği incelediğinde ise 5 saat süre ve 5 m3/saat NH3 debili proses için P235 kalite dikişsiz boruda efektif sertlik derinliği bulunmamıştır. P355 kalitede 0.34mm, 42CrMo4 kalitede 0.32mm, 16MnCr5 kalite olan dikişsiz boruda ise 0.36mm olarak görülmüştür. 5 saat süre ve 3 m3/saat NH3 debili proses için sertlik derinliği incelediğinde P235 kalite dikişsiz boruda efektif sertlik derinliği bulunmamıştır. P355 kalitede 0.33mm, 42CrMo4 kalitede 0.31mm, 16MnCr5 kalite olan dikişsiz boruda ise 0.34mm olarak görülmüştür. Son olarak 3 saat süre ve 3 m3/saat NH3 debili proses için sertlik derinliği incelediğinde de P235 kalite dikişsiz boruda efektif sertlik derinliği bulunmamıştır. P355 kalitede 0.27mm, 42CrMo4 kalitede 0.24mm, 16MnCr5 kalite olan dikişsiz boruda ise 0.23mm olarak görülmüştür. Farklı koşullar altında gaz nitrokarbürleme prosesi yapılmış farklı kalitedeki dikişsiz çelik boru numunelerinin, dağlama işlemi sonrasında mikroyapıları optik mikroskopta incelenmiştir. Mikroyapı analizleri ham halleri için 100X ve 500X büyütmede, ısıl işlemli halleri ve beyaz tabaka incelemeleri ve ölçümü için ise 500X büyütmede incelenmiştir. Beyaz tabaka kalınlıkları incelediğinde 5 saat süre ve 5 m3/saat NH3 debili proses için P235 malzemede 22,59 μm, P355 malzemede 26,77 μm, 42CrMo4 malzemede 21,29 μm, 16MnCr5 malzemesinde ise 20,02 μm olarak görülmüştür. 5 saat süre ve 3 m3/saat NH3 debili proses için beyaz tabaka kalınlığı incelediğinde P235 malzemede 16,85 μm, P355 malzemede 18,66 μm, 42CrMo4 malzemede 19,48 μm, 16MnCr5 malzemesinde ise 19,06 μm olarak görülmüştür. Son olarak 3 saat süre ve 3 m3/saat NH3 debili proses için beyaz tabaka kalınlığı incelediğinde ise P235 malzemede 15,55 μm, P355 malzemede 13,20 μm, 42CrMo4 malzemede 16,03 μm, 16MnCr5 malzemesinde ise 15,88 μm olarak görülmüştür. Öncelikle P235, P355, 16MnCr5 ve 42CrMo4 malzemelerin ham hallerinin kırılma davranışını tespit etmek için nitrokarbürleme ısıl işlemi yapılmadan yassıltma testi uygulanmıştır. Tüm malzemelerde TS EN ISO 8492 standardına göre uygulanan yassıltma testi sonucunda herhangi bir çatlak oluşumu gözlemlenmemiştir. 5 saat süre ile 5m3 NH3 debisi uygulanan parçalarda yassıltma testi esnasında sadece P235 kalite malzemede çatlak tespit edilmemiştir. 42CrMo4 ve 16MnCr5 kalite malzemelerde parça boyunca çatlak görülmüştür. P355 kalite malzemede ise bölgesel çatlak oluşumları tespit edilmiştir. 5 saat süre ile 5m3 NH3 debisi uygulanan parçalarda P235 ve P355 kalite malzemelerde 42CrMo4 ve 16MnCr5 kalite malzemelere göre daha kalın beyaz tabaka oluşmasına rağmen P235 kalite malzemede çatlak oluşmamıştır. P355 kalite malzemede ise bölgesel bazı çatlaklar tespit edilmiştir. Dolayısıyla beyaz tabaka oluşumu ile çatlak oluşumu arasında doğrudan bir ilişki tespit edilmemiştir. Yüzey sertlik değerleri irdelendiğinde ise P355 kalite malzemede 598 HV, 42CrMo4 kalite malzemede 657 HV ve 16MnCr5 kalite malzemede 728 HV değerine ulaşmıştır. Yüzey sertlik değerleri ile yassıltma testi sonuçları birlikte değerlendirildiğinde, artan yüzey sertliği değerleri ile kırılganlığın arttığı tespit edilmiştir. Dolayısıyla yüzey sertliği ve difüzyon bölgesindeki sertlik değerlerinin yükselmesi malzemenin kırılganlığını arttırmaktadır. NH3 debisinin 3m3'e indirilmesi ile P355 kalite malzemede azalan beyaz tabaka kalınlığı ve yüzey sertlik değerinin düşmesi ile, P355 kalite malzemede yapılan yassıltma testinde çatlak tespit edilmemiştir. Dolayısıyla NH3 debisinin düşürülmesi ile P235 ve P355 kalite malzemelerde çatlak görülmemiştir. 42CrMo4 ve 16MnCr5 kalite malzemelerde ise NH3 debisinin düşürülmesine rağmen yassıltma testlerinde parça boyunca çatlak görülmüştür. Bu sonuç, malzemelerdeki alaşım elementlerine bağlı olarak yüzey sertliğinin ve difüzyon bölgesindeki sertlik değerinin yüksek olmasından kaynaklandığı değerlendirilmektedir. Nitrokarbürleme prosesinde süre 5 saatten 3 saate düşürüldüğünde, P235 ve P355 kalite malzemede yassıltma testinde çatlak tespit edilmemiştir. Ancak yassıltma testinde çatlak, 42CrMo4 kalite malzemede numune boyunca bölgesel iken, 16MnCr5 kalite malzemede numunenin boyunun tamamında olmuştur. Proses süresi azaltıldığında efektif sertlik derinliğindeki düşüş en fazla 16MnCr5 kalite malzemede olmasına rağmen yassıltma testinde en fazla çatlak oluşumu da bu malzemede görülmektedir. Bunun en temel sebebi 16MnCr5 kalite malzemede yüzey sertlik değeri ve difüzyon bölgesi sertlik değerinin 5 saat süreli proseste olduğu gibi yüksek olmasıdır. 16MnCr5 malzemede karbon oranı 42CrMo4 malzemeye göre daha azdır. Karbon atomları gibi azot atomları da arayer atomudur.Bu iki sebepten dolayı azot atomu daha fazla difüze olabilecektir. Azot atomu daha fazla difüze olduğunda daha fazla nitrür ve daha sert bir tabaka oluşacaktır. Daha sert bir tabaka oluşacağı için de en kırılgan malzemenin 16MnCr5 olduğu değerlendirilmektedir. 16MnCr5 ve 42CrMo4 kalite malzemeler kıyaslandığında, temper gevrekliği durumu ile karşı karşıya kalınmış olabileceği durumu değerlendirilmektedir. Temper gevrekliğinin oluşmasına P, Cr ve Mn gibi elementler daha fazla etki etmektedir. Her iki malzeme kıyaslandığında P ve Cr bileşimleri birbirlerine çok yakın değerlerdeyken 16MnCr5 malzemede Mn oranı daha fazladır. Ayrıca yapıda bulunan Mo elementi temper gevrekliğini önleyebilecek bir element olarak yapılarda kullanılmaktadır. Mo elementi 16MnCr5 malzemede 42CrMo4 malzemeye göre daha azdır. Bu sebeplerden dolayı 16MnCr5 malzemede temper gevrekliği durumundan dolayı bu malzemenin daha çok kırıldığı değerlendirilmektedir. Bu sonuçlara göre çatlak oluşumunu etkileyen en belirgin değişkenlerin alaşım elementleri olduğu değerlendirilmektedir. Süreyi ve debiyi azaltarak yapılan nitrokarbürleme prosesindeki iyileştirmeler genel olarak yassıltma testindeki çatlama hasarını azaltmasına rağmen 16MnCr5 kalite malzemede en yüksek sertlik değerlerine sahip olması nedeni ile yassıltma testinde çatlak oluşumunda iyileşme sağlanamamıştır.