Düşük karbonlu yüksek dayanımlı çeliklerin özelliklerinin üretim parametreleri ile ilişkisi

Abstract

Bu tez çalışmasının amacı; düşük karbonlu ve yüksek dayanımlı mikro alaşımlı çeliklerde kimyasal bileşim, haddeleme pratikleri ve tavlama ısıl işleminin mikro yapı ve mekanik özelliklere etkisini incelemektir. Düşük karbonlu yüksek dayanımlı çelikler, günümüzde otomotivden savunma sanayisine kadar çok geniş bir alanda kullanılmaktadır. Bu çeliklerin en belirgin avantajları; geleneksel çeliklere göre daha hafif olmaları, bileşimindeki karbon miktarının geleneksel çeliklere göre daha az olması sebebiyle kaynak edilebilirliğinin daha yüksek olması, karbon çeliklerine göre daha sünek ve tok olmaları, mukavemet değerlerinin uygun alaşımlama ile çok yüksek değerlere çıkabilmesi olarak sıralanabilir. Düşük karbonlu yüksek dayanımlı çeliklerin kullanımda sağladığı performans avantajlarına ilaveten, son dönemde çok önem verilen bir diğer konu da bu çeliklerin karbon salınımının azaltmasına katkısıdır. Türkiye'de cevherden veya hurdadan üretim yapan Demir-Çelik fabrikalarının neredeyse tamamında geleneksel ticari kalite (S235, S355, SAE 1010 vb.) çelikler, üretim tonajının önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Düşük karbonlu yüksek dayanımlı çeliklerin üretilebilmesi için, gereken AR-GE yatırımları, üretim prosesi hat yatırımları, üretim denemeleri, uygun pazar-müşteri ve rekabetçi fiyat gibi birçok parametre bulunmaktadır. Tüm bu gereksinimler, ilgili çelik kalitelerinin ülkemizde üretimi için birer engel olabilmektedir. Bu tez çalışmasıyla, düşük karbonlu- mikro alaşımlı çelikler endüstriyel ölçekte üretilmiş ve literatüre sunulmuştur. Tez çalışmasında; Başlangıç kimyasal bileşimi, başlangıca göre daha yüksek alaşımlı kimyasal bileşim, bor'lu kimyasal bileşim ve daha yüksek Ni'li kimyasal bileşim olmak üzere 4 farklı hedef kimyasal bileşimde çelik, farklı bobin sarım sıcaklığı ve kalınlıklarda üretilmiştir. Çeliğin üretiminde ark ocağı prosesi temelli üretim yöntemi kullanılmıştır. Bu kapsamda; hurda malzeme AC tip Elektrik Ark Ocağı ile eritilmiş, buradan elde edilen sıvı metal pota fırınına gönderilerek Al ile deokside edilmiş ve hedef kimyasal bileşimi ayarlanmış, vakum tankına gönderilerek vakum gaz giderme işlemi yapılmış, Ca ile inklüzyon modifikasyonu işlemi yapılmış ve slab sürekli döküm makinasına gönderilmiştir. Üretilen çelik slablar sıcak sac haddehanesinde farklı hedef haddeleme parametreleriyle farklı kalınlıklara haddelenerek duşlu masada soğutulmuş ve çelik bobin olarak sarılmıştır. Bu bobinlerden numune alınarak; çekme, darbe, eğme ve sertlik gibi mekanik testler, ısıl işlem ve mikro yapı incelemeleri yapılmıştır. Yapılan çalışmalar neticesinde; başlangıç kimyasal kompozisyonu ile üretilen düşük karbonlu ve yüksek dayanımlı mikro alaşımlı çelikte, bobin sarılma sıcaklığı görece arttıkça (450 ºC, 500 ºC, 550 ºC, 600 ºC); çekme mukavemeti, uzama oranı ve sertliğin arttığı belirlenmiştir. Üretilen bobinlere 600 ºC de 1 saat tavlama ısıl işlemi yapıldığında; malzemenin akma-çekme mukavemetlerinin, uzama ve sertliğinin arttığı, darbe enerjisinin düştüğü belirlenmiştir. 600 °C 'de tavlama ısıl işlemi sonrasında akma ve çekme mukavemetlerindeki artış ve darbe enerjisindeki düşüşün; (Nb,Ti)C çökelmesi, beynitik ferrit mikroyapıda aşırı doymuş karbonun epsilon karbon olarak çökelmesi ve yaşlanma mekanizmasının etkili olduğu değerlendirilmiştir. Başlangıç kimyasal bileşimine göre daha yüksek alaşımlı olarak üretilen çelikte, bobin kalınlığı 6 mm 'den 10 mm 'ye yükseldiğinde, akma ve çekme mukavemetinin düştüğü, darbe enerjisinin arttığı belirlenmiştir. Çelikte bobin sarım sıcaklığı 450 ºC 'den 600 ºC 'ye çıkarıldığında; akma mukavemeti bir miktar düşerken, çekme mukavemeti büyük oranda artmaktadır. Öyle ki, 6 mm kalınlıklı çelikte çekme mukavemetindeki artış 170 MPa seviyelerine ulaşmaktadır. 600 ºC 1 saat tavlama ısıl işlemi etkisiyle; düşük ve yüksek sarım sıcaklıklı bobinlerde akma mukavemeti artarken, çekme mukavemeti yalnızca düşük bobin sarım sıcaklıklı bobinde artmıştır. Yüksek bobin sarım sıcaklıklı ve 6 mm kalınlıklı çelikte tavlama ısıl işlemi ile çekme mukavemeti 80 MPa kadar düşmüştür. Darbe testi enerjilerindeki düşüş, düşük sarım sıcaklığı ile üretilen çelikte daha yüksektir. Yüksek sarım sıcaklıklı çelikte çekme mukavemetindeki artışın, darbe enerjisindeki düşüşün ve 600 ºC de 1 saat tavlama ısıl işlemi sonrası darbe enerjisinin bariz düşmemesinin nedeninin tamamlanmamış dönüşüm kaynaklı oluşan ferrit+marzenzit mikro yapısı ve çözeltide kalan Nb' çökeltileri kaynaklı olduğu, düşük sarım sıcaklığı ile üretilen çelikte görülen yüksek akma mukavemeti ve darbe enerjisi beynitik mikro yapı kaynaklı olduğu değerlendirilmiştir. Düşük sarım sıcaklığı ile üretilen çelikte 600 ºC de 1 saat tavlama ısıl işlemi sonrası beynitik mikro yapı bozulmuş ve darbe enerjisinin büyük oranda düşmüştür. Kimyasal bileşimine yaklaşık 20 ppm bor ilave edilerek üretilen çelikte, akma ve çekme mukavemetlerinin 200 MPa 'a kadar arttığı görülmüştür. En yüksek sertlik değerleri bu çelikte görülmüştür. Buna karşın, bor ilavesiyle, darbe enerjisi ve uzama oranları büyük oranda düşmüştür. Bor ilavesiyle, mikro yapı diğer borsuz çeliklere göre daha ince taneli, beynitik, iğnemsi, kaotik ve bantlı olmuştur. 600 ºC'de 1 saat tavlama ısıl işlemi etkisiyle akma mukavemeti büyük oranda artarken, çekme mukavemeti sınırlı oranda düşmüştür. Isıl işlem etkisiyle, sertlik ve darbe enerjisinde bariz artış- azalışlar olmamıştır. Çeliğin kimyasal bileşimine 30 ppm i geçmeyecek miktarda bor ilavesiyle akma ve çekme mukavemetlerinin büyük oranda artması literatür ile de uyumludur. Literatürde, kimyasal bileşimde bor miktarının fazla olmasının tokluğu düşürdüğü not edilmiştir. JMatPro ile çizilen CCT grafikerinde ferrit burnunun 10℃/s de sonlandığı görülmüştür. Bu değer, çeliğin duşlu masadaki soğuma hızının çok altındadır. Bu sayede ince taneli, iğnemsi ve kaotik bir mikro yapı elde edilebilmiştir. 300 HB üzeri sertlik elde edilmesi, mikro yapıda bir miktar martenzitik fazların da olduğuna işaret etmektedir. Isıl işlemle akma mukavemetlerinin artması, çekme mukavemetlerinin ise belirgin bir artış göstermemesinin martenzitin temperlenmesi ile ilgili olduğu değerlendirilmiştir. Kimyasal bileşiminde Ni oranı bir miktar arttırılarak üretilen çelikte, tokluk artışı sınırlı kalmıştır. İlaveten, akma mukavemeti de bir miktar düşmüştür. Üretilen yüksek Ni katkılı çelikte tokluk, literatürle uyumlu olarak, diğer daha düşük Ni katkılı çeliklere göre bir miktar daha yüksek çıkmıştır. Üretilen bobinin düşük sarım sıcaklıklı bölgesinden hazırlanan numunede beynitik mikro yapı ve daha ince karbür-nitrür partikülleri sayesinde darbe enerjisi yüksek sarım sıcaklıklı bölgeden hazırlanan ferritik ve daha iri karbür-nitrür partiküllü numuneye göre daha yüksek çıkmıştır. Bu durum, beynitik mikro yapının yüksek tane sınırı açısı sayesinde enerji absorblayabilme özelliğinin ferritik mikro yapıdan daha üstün olması bilgisiyle ile uyumludur.