Enerji endüstrisinde kullanılan bağlantı elemanları için yüksek sertleşebilirlik özelliğine sahip düşük maliyetli yeni çelik kalitelerinin geliştirilmesi

Abstract

Bu çalışmada enerji sektöründe sıkça kullanılan çelik kalitelerine alternatif çözüm oluşturabilecek ve ihtiyaç duyulan mekanik özellikleri karşılayabilecek yeni çelik alaşımlarının, tasarımı ve laboratuvar ölçekli üretimi gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen alaşımların ISO 898-1 standardında yer alan 10.9 dayanım sınfına ait mekanik özellikleri karşılaması ve yüksek sertleşebilirlik kabiliyetine sahip olması hedeflenmiştir. Yeni alaşımların tasarımları literatür bilgileri ve hesaplamalı termo-dinamik, termo-mekanik yazılımı olan JMatPro v.10.2 kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Alaşım tasarımı sonrası belirlenen iki farklı alaşım 10 kg döküm kapasitesine sahip vakum indüksiyon ergitme sistemi ile laboratuvar ölçekli üretilmiştir. Sıcak deformasyon işlemleri 1150°C'de ezme presinde gerçekleştirilmiştir. Laboratuvar ölçekli üretilen ingotlara su verme ve temperleme ısıl işlemleri uygulanarak mikroyapısal incelemeler ve mekanik testler yapılmıştır. Mikroyapısal incelemelerde optik mikroskop ile östenit tane boyutu ve yapı analizi, taramalı elektron mikroskobu ile detaylı yapı analizi gerçekleştirilmiştir. Mekanik testler uygulanarak yeni alaşımların çekme dayanımı, akma dayanımı, darbe dayanımı, sertlik ve sertleşebilirlik değerleri belirlenmiştir. Östenit tane boyutu analizinde vanadyum içeren ve niyobyum içeren alaşımların ASTM tane boyutu numaraları sırasıyla 9,6 ve 10,1 olarak belirlenmiştir. Islah ısıl işlemi sonrasında optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskobu ile gerçekleştirilen mikroyapısal incelemeler sonucunda yapıların benzer olarak temperlenmiş martensitten oluştuğu görülmüştür. Vanadyum içeren alaşımın akma dayanımı 1030 MPa, çekme dayanımı 1137 MPa, kopma uzaması %15, kesit daralması %53, -40°C'de darbe dayanımı 28 J ve sertlik 37 HRC olarak ölçülmüştür. Niyobyum içeren alaşımın akma dayanımı 954 MPa, çekme dayanımı 1067 MPa, kopma uzaması %14, kesit daralması %52, -40°C'de darbe dayanımı 38 J ve sertlik 33,6 HRC olarak ölçülmüştür. Islah ısıl işlemi uygulanmış vanadyum içeren ve niyobyum içeren alaşımların mekanik testleri sonucunda akma dayanımı, çekme dayanımı, kopma uzaması, kesit daralması, darbe dayanımı ve sertlik değerlerinin ISO 898-1 standardında bulunan 10.9 dayanım sınıfına ait mekanik özellikleri sağladığı tespit edilmiştir. Gerçekleştirilen Jominy (sertleşebilirlik) testi ile her iki alaşımında benzer olarak yüksek sertleşebilirlik kabiliyetine sahip olduğu belirlenmiştir. Elde edilen veriler neticesinde bağlantı elemanları üretiminde kullanılan geleneksel ıslah kaliteleri yerine kullanılabilecek yeni alaşım tasarımlarının ISO 898-1 standardında yer alan 10.9 dayanım sınıfı gerekliliklerine ve yüksek sertleşebilirlik kabiliyetine sahip olduğu belirlenmiştir.In this study, the design and laboratory-scaled production of new steel alloys that could provide alternative solutions to commonly used steel quality in the energy sector and meet the required mechanical properties have been carried out. The aim is the developed alloys to meet the mechanical properties specified in the ISO 898-1 standard for the 10.9 property class and have high hardenability capability. The designs of the new alloys were carried out using literature knowledge and JMatPro v.10.2, a computational thermo-dynamic and thermo-mechanical software. Following alloy design, two different alloys were produced at the laboratory scale using a vacuum induction melting system with a casting capacity of 10 kg. The hot deformation processes were applied at 1150°C using a pressing unit. Subsequently, laboratory-scaled produced ingots applied quenching and tempering heat treatments, followed by microstructural examinations and mechanical testing. In microstructural examinations, austenite grain size and structure analysis were conducted using an optical microscope, while detailed structural analysis was performed with a scanning electron microscope. Mechanical tests were applied to determine the tensile strength, yield strength, impact energy, hardness and hardenability values of the new alloys. With austenite grain size analysis, ASTM grain sizes of vanadium-containing and niobium-containing alloys were determined as respectively 9.6 and 10.1. After the quenching and tempering process, microstructural examinations conducted with an optical microscope and a scanning electron microscope revealed that the structures consisted of tempered martensite and exhibited similarity. The alloy containing vanadium was characterized by the following mechanical properties: yield strength as 1030 MPa, tensile strength as 1137 MPa, elongation as 15%, reduction in area as 53%, impact energy at -40°C as 28 J, hardness as 37 HRC. The alloy containing niobium exhibited the following mechanical properties: yield strength as 954 MPa, tensile strength as 1067 MPa, elongation as 14%, reduction in area as 52%, impact strength at -40°C as 38 J, hardness as 33.6 HRC. Following the quenching and tempering, mechanical tests on the alloys containing vanadium and niobium revealed that the yield strength, tensile strength, elongation, reduction in area, impact energy, and hardness values complied with the mechanical properties specified for the 10.9 property class in the ISO 898-1 standard. The conducted Jominy (hardenability) test determined that both alloys possess a similarly high hardenability capability. The obtained data indicates that new alloy designs, which could be used in the production of fasteners instead of traditional quenched and tempered grades, meet the requirements of the ISO 898-1 standard for the 10.9 property class and exhibit a high hardenability capability.