UCTEA Chamber of Metallurgical & Materials Engineers’s Training Center Proceedings Book

916 IMMC 2018 | 19th International Metallurgy & Materials Congress

Yeni Geliştirilen Yüksek Mukavemetli Perlitik Çelik Kalitesinde Kimyasal Kompozisyonun Mikroyapı ve Mekanik Özelliklere Etkisi

•Effects of Chemical Composition on Microstructure and Mechanical Properties of Newly Designed High Strength Pearlitic Steelİsmail İrfan Ayhan¹, Caner Güney¹, Nurten Başak Dürger¹, Bertan Parmaksızoğlu¹, Emre Alan¹, Ersoy Erişir², Ayşe Türkan³, Şaban Demirci³

¹Çemtaş Çelik Makina Sanayi ve Ticaret A. Ş, Ar-Ge Merkezi, Bursa, Türkiye²Kocaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği, Kocaeli, Türkiye

³OBER Ar-Ge Teknolojileri İmalat San. ve Tic. Ltd. Şti, Kocaeli, Türkiye, ³Kanca El Aletleri Dövme Çelik ve Makina Sanayi A. Ş., Kocaeli, Türkiye

Abstract

In this study, the effects of Mn and Cr alloying elements on microstructure and mechanical properties of pearlitic steel for connecting rods were studied. Induction melted 10 kg ingots were hot forged industrially and cooled in still air. The specimens taken from hot forged steel were investigated with using Light Microscope and Scanning Electron Microscope. ThermoCalc computational thermodynamic software was used for determining elemental distribution in estimated phases. Firstly, the influence of Mn on microstructure was investigated in the presence of higher Cr content. Then, in order to achieve the required elongation values without losing from strength, Cr content in steel was reduced and Mn concentration was slightly increased. It was shown that optimization of Mn and Cr content in chemical composition provided thinner interlamellar spacing that resulted an improvement on tensile and yield strength while elongation values maintained the required condition.

Özet

Bu çalı mada, biyel kolu üretiminde sıklıklakullanılan C70S6 kalitesine alternatif olarak ÇEMTA ’ta geli tirilen perlitik mikroyapıya sahip Cargem® HC1200 kalitesi temel alınarak, Mn ve Cr ala ım elementlerinin mikroyapı ve mekanik özelliklere etkisi ara tırılmı tır. 10 kg kapasiteli laboratuvar ölçekli indüksiyon oca ında üretilen ingotlara endüstriyel dövme i lemi uygulanmı tır.Sıcak dövme i leminden sonra alınan numuneler ı ık mikroskobu, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve ThermoCalc hesaplamalı termodinamik yazılımı kullanılarak incelenmi tir. Öncelikle, yüksek Cr varlı ında Mn elementinin etkisi belirlenmi tir. Daha sonra, istenilen mukavemet ve

uzama de erlerini sa lamak için Cr elementi miktarı azaltılmı tır. Mn ve Cr element miktarlarının optimizasyonu ile akma, çekme mukavemetleri ile kopma uzaması de erlerindeiyile me oldu u gözlemlenmi tir.

1. Giri

Günümüzde otomotiv sektöründe “a ırlık azaltımı”kapsamında daha ince kesitlere sahip biyel kolu tasarımları üzerinde çalı ılırken, di er yandan bu parçaların daha yüksek mukavemet ve yorulma dayanımına sahip olmaları beklenmektedir [1]. Yüksek mukavemetin yanı sıra üretim prosesi gere i iyi kırılabilirlik (splittability) de biyel kolunda istenilen bir özelliktir. Talep edilen bu özelliklerin elde edilmesi amacıyla biyel kolu üretiminde genellikle perlitik mikro yapıya sahip çelik kaliteleri tercih edilirken, son dönemlerde yüksek yorulma dayanımları sebebi ile orta karbonlu mikro ala ımlı çelikler ile ilgili çalı malar da gerçekle tirilmektedir [2-5].

Perlitik çeliklerde, mikroyapıda perlit koloni boyutları ve lameller arası mesafenin kontrol edilmesi ile istenilen mekanik özellikler elde edilebilmektedir [6-8]. Özellikle çelik kimyasal kompozisyonunda yer alan Mn elementinin lameller arası mesafe üzerinde etkili oldu ubilinmektedir. Fakat literatürde yer alan çalı malarda Mn elementinin artması ile lameller arası mesafenin azalaca ını belirten çalı malarla birlikte aksi durumu da ortaya koyan bazıçalı malar bulunmaktadır [9-11]. Li ve Milbourn tarafından yapılan çalı mada, Mn miktarında ve so uma hızındaki artı ın aynı yönde etki yaptı ı ve lameller arasındaki mesafeyi azalttıkları ifade edilmektedir. Bunun nedenini ise sementit karbürlerin çekirdeklenmesi için daha yüksek bir

TMMOB Metalurj i ve Malzeme Mühendisleri Odas ı Eğ i t im MerkeziBildir i ler Kitab ı

91719. Uluslararas ı Metalurj i ve Malzeme Kongresi | IMMC 2018

itici güç olu ması ve karbon için daha kısa difüzyon mesafeleri olu turması olarak açıklamı lardır [12].

Bu çalı mada, biyel kolu üretiminde sıklıklakullanılan C70S6 kalitesine alternatif olarak ÇEMTA ’ta geli tirilen Cargem® HC1200 kalitesi temel alınarak deneysel tasarımlar üzerinde çalı malar gerçekle tirilmi tir. Çekme mukavemetinin >1200 MPa ve uzamanın >%7,0 de erlerini sa laması amacıyla farklı Mn ve Cr elementlerinin çelik mikro yapısında meydana getirdi i de i iklikler incelenmi ve malzemenin mekanik özelliklerine etkileri belirlenmi tir.

2. Deneysel Çalı malar

Çalı ma kapsamında, Cargem® HC1200 kalitesinde ala ım elementlerden Mn ve Cr miktarları kademeli olarak de i tirilmi ve mekanik test sonuçlarıincelenmi tir. Çalı mada kullanılan deneysel çeliklerin kimyasal kompozisyonları Tablo 1’de yer almaktadır.

Tablo 1. Deneysel çelikler için kimyasalkompozisyonlar.

Çelik Kompozisyonu [%] C Si Mn Cr V N

Ç - 1 0,80 0,25 1,00 0,60 0,10 < 60 ppm

Ç - 2 0,80 0,25 1,25 0,60 0,10 < 60 ppm

Ç - 3 0,80 0,25 1,50 0,30 0,10 < 60 ppm

Belirtilen kimyasal kompozisyonlar, 80x80 mm kesite ve 180 mm uzunlu a sahip ingotlar halinde laboratuvar ölçekli indüksiyon oca ındaüretilmi tir. Daha sonra ingotlar kesilerek uzunlukları 55 mm’ye indirilmi tir. 1200 °Csıcaklıkta 30 dakika süre ile östenitleme i lemi gören ingotlar daha sonra sıcak ön ekillendirme ile 45x45x150 mm ebatlarına getirilmi tir. Ön ekillendirilen ingotlardan tala lı i leme ile 40 mm

çapında ve 145 mm uzunlu unda çubuklar elde edilmi tir. 1245 °C’de sıcak dövme i lemi uygulanan çubuklardan ekil 1’de yer alan taslak biyel kolları üretilmi tir. Taslak biyel kolları 1 °C/s hız ile havada so utulmu tur.

Mikroyapı incelemeleri Nikon – Epiphot 200 I ıkMikroskobu ve JEOL 6060 Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) kullanılarakgerçekle tirilmi tir. Metalografik numune hazırlama i leminde %2’lik Nital kullanılmı tır.Lameller arası mesafeler 10.000X büyütmede alınan SEM görüntülerinden rastgele seçilen perlit kolonileri için üçer ölçüm alınarak hesaplanmı tır.Her bir deneysel çelik için toplamda 96 adet ölçüm gerçekle tirilmi tir.

Mekanik özelliklerin belirlenmesi için her bir deneysel çeli e ait taslak biyel kolu gövdelerinden numuneler alınarak Zwick Z400 cihazında çekme testleri gerçekle tirilmi tir.

ekil 1. Taslak biyel kolu görüntüsü.

Her bir çelik kompozisyonu için sementit fazıiçerisindeki Mn ve Cr elementleri da ılımı,ThermoCalc hesaplamalı termodinamik yazılımıkullanılarak incelenmi tir.

3. Sonuçlar

Deneysel Ç-1, Ç-2 ve Ç-3 çeliklerine ait ı ıkmikroskobu görüntüleri ekil 2’de yer almaktadır.Farklı kompozisyona sahip olan çeliklerin tamamında %100 perlitik mikroyapıgözlemlenmi tir.

ekil 2. I ık Mikroskobu ile 100X büyütmedeelde edilen görüntüler. (a) Ç-1, (b) Ç-2,(c) Ç-3.

Perlit mikroyapılarına ait koloniler ve lameller arasımesafeler SEM cihazında incelenmi tir. ekil 3’te incelemeye ait görüntüler yer almaktadır. Genel olarak mikroyapılar de erlendirildi inde perlit

UCTEA Chamber of Metallurgical & Materials Engineers’s Training Center Proceedings Book

918 IMMC 2018 | 19th International Metallurgy & Materials Congress

mikroyapısının lamellerarası mesafeye ba lı olarak Ç-3 çeli inde daha ince oldu u görülmektedir.

ekil 3. SEM incelemelerine ait görüntüler. (a, b) Ç-1; (c, d) Ç-2; (e, f) Ç-3.

Perlit yapıları içerisinde yer alan lameller arasındaki mesafelerin da ılımları kar ıla tırmalıolarak ekil 4’te yer almaktadır. Burada yine en ince yapının Ç-3 çeli inde elde edildi i, Ç-1 çeli inde ise en kaba lamel boyut da ılımı olu tu ubelirlenmi tir.

Çeliklerden dövme sonrası alınan numunelerde gerçekle tirilen mekanik testlere ait akma mukavemeti, çekme mukavemeti ve kopma uzaması de erleri Tablo 2’de yer almaktadır.

ekil 4. Çelik mikro yapılarında gözlemlenenlameller arası mesafelerinkar ıla tırılması.

Tablo 2. Numunelerden elde edilen mekanik testsonuçları

Mekanik Test SonuçlarıAkma M.

[MPa] Çekme M.

[MPa] Uzama

[%] Ç - 1 742 1183 9,2Ç - 2 789 1222 6,1Ç - 3 771 1212 9,0

Çelik kompozisyonlarında bulunan Cr ve Mn elementlerinin 600 °C sıcaklıkta sementit fazıiçerisinde da ılımları ThermoCalc yazılımı ile Tablo 3’teki gibi hesaplanmı tır. Burada da görüldü ü gibi termodinamik hesaplamalara göre sementit hacim oranı her üç çelikte de yakla ıkolarak % 11,9 de erindedir. Sementit içerisinde, Si haricindeki di er ala ım elementleri C, Mn, Cr ve V’un çözünebildi i görülmektedir. Bununla birlikte, sementit kimyasal bile imi Mn ve Cr miktarına ba lı olarak de i mektedir. Artan Mn ve Cr miktarı ile birlikte sementit içerisinde de bu elementlerin çözünen miktarları artmaktadır.

Tablo 3. Sementit fazı içerisinde Mn ve Crda ılımına ait ThermoCalc incelemesi.

Sementit Fazı Kimyasal Bile imi[kütle-%] Sementit

C Mn Si Cr V [hacim-%]

Ç - 1 6,72 6,21 0,00 4,63 0,11 11,85

Ç - 2 6,72 7,71 0,00 4,62 0,11 11,85

Ç - 3 6,71 9,28 0,00 2,30 0,11 11,86

4. Tartı ma

Belirlenen kimyasal kompozisyonlara ait ingotlar, laboratuvar ölçekli indüksiyon ergitme ile üretilmi lerdir. Üretim sonrasında, sıcak dövme i lemi görmü taslak biyel parçalardan alınannumunelerde yapılan incelemelerde elde edilen sonuçlar a a ıda yer almaktadır;

- Cargem® HC1200 kalitesi temel alınarak Mn elementinin arttırılması ve Cr elementinin azaltılması ile biyel kolu üretiminde kullanılabilecek mekanik özelliklere sahip bir çelik ala ımı geli tirilmi tir.

- I ık Mikroskobu ve SEM incelemelerinde her üç çeli e ait mikroyapıların %100 perlitik oldu u gözlemlenmi tir.

TMMOB Metalurj i ve Malzeme Mühendisleri Odas ı Eğ i t im MerkeziBildir i ler Kitab ı

91919. Uluslararas ı Metalurj i ve Malzeme Kongresi | IMMC 2018

- Aynı Cr de eri için artan Mn oranlarındaçelikte mukavemet artı ı sa lamı tır. Mn artı ıile aynı zamanda yüksek Cr varlı ındasüneklilik önemli ölçüde azalmı tır.

- Çelik kimyasal kompozisyonunda yer alan Mn elementinin artması ile lameller arasımesafenin azaldı ı gözlemlenmi tir. Mn elementinin sementit fazına katılarak ((Fe, Mn)3C) perlit içerisinde yer alan lameller arasındaki mesafenin inceltilmesinde rol oynadı ı dü ünülmektedir. Termodinamik hesaplamalarda da Mn miktarının sementit içerisinde arttı ı görülmü tür. Lameller arasımesafenin azalmasının da mukavemetin arttırılmasında rol oynadı ı belirlenmi tir.

- %0,6 Cr de eri için Mn elementi miktarınınartması ile mukavemetin arttı ı fakat uzama miktarının da önemli ölçüde azaldı ı tespit edilmi tir.

Te ekkür

Bu çalı ma, TEYDEB 1501 kapsamında 3161037 proje numarası ile TÜB TAK tarafından finanse edilmi tir.

Referanslar

[1] P. S. Shenoy, A. Fatemi, Connecting RodOptimization for Weight and CostReduction, SAE International (2005), 1-8.

[2] Y. Li, D. J. Milbourn, VanadiumMicroalloyed Forging Steel, Proceeding ofThe 2nd International Symposium onAutomobile Steel (2013), 47-54.

[3] W. Hui, Y. Zhang, H. Dong, Effect of Cooling Rate and Vanadium Content on theMicrostructure and Hardness of MediumCarbon Forging Steel, Journal of MaterialsScience and Technology (2016), 1-7.

[4] A. Chauhan, H. Saxena, N. Mehta, A Reviewon FEA of Connecting Rod of I.C Engine,International Journal of Innovative Researchin Science, Engineering and Technology(2017), 3712-3716.

[5] D. Vasant J., E. E. Kharde, U. N. Gujar,Fracture Split Connecting Rod forAutomotive Engines, International Journal ofEngineering Research and DevelopmentVolume 4, Issue 8 (2012), 37-41.

[6] M. Honjo, T. Kimura, K. Hase, Effect of Cron Lamellar Spacing and High-TemperatureStability in Eutectoid Steels, ISIJInternational, Vol. 56 (2016), No. 1, 161–167.

[7] C. Zhang, X. Liu, L. Zhou, Y. Liu, Influenceof pearlite interlamellar spacing on strainhardening behaviour in spring steel60Si2MnA, Procedia Engineering 81 (2014)1283-1287.

[8] J. Toribio, B. Gonzalez, J. C. Matos, F. J.

Ayaso, Influence of Microstructure onStrength and Ductility in Fully PearliticSteels, MDPI Metals (2016), 318.

[9] C. Capdevilla, F. G. Caballero, C. Garcia deAndres, Neural Network Model forIsothermal Pearlite Transformation. Part I:Interlamellar Spacing, ISIJ International,Vol. 45 (2005), No. 2, 229-237.

[10] M. Wang, F. Zhang, Z. Yang, Effects ofalloying elements and cooling rates on thehigh-strength pearlite steels, MaterialsScience and Technology (2017), 1-8.

[11]

[12]

L. Kong, Y. Liu, Y. Song, J. Liu, S. Li, Y.Liang, Y. Zheng, W. Cui, The influence ofmanganese on kinetics of austenitization ofthe Fe-Mn-C ternary alloys, Mechanika Vol.23 (2017), 291-297. Y. Li, D. J. Milbourn, VanadiumMicroalloyed Forging Steel, Proceeding ofthe 2nd International Symposium onAutomobile Steel (2013), 47 – 54.