Dövme uygulamaları için yüksek mukavemet ve tokluk özelliğine sahip sürekli soğutma ile üretilen yeni çelik kalitelerinin geliştirilmesi

Abstract

Makine imalat, savunma, otomotiv gibi birçok endüstriyel uygulamada servis koşullarında yüksek performans beklentisi nedeniyle çelik malzemeler kullanılmaktadır. Yüksek mukavemet, darbe dayanımı, yorulma dayanımı gibi özelliklere sahip çeliklerin üretiminde genellikle yüksek sıcaklıklarda ısıtma (östenitleme), hızlı soğutma (su verme) ve sonrasında temperleme işlemleri uygulanmaktadır. Kısaca ıslah ya da Q&T olarak tanımlanan ısıl işlem ile üretilen çeliklere ıslah çelikleri adı verilmektedir. Cıvata, somun, mil, piston kolu gibi otomotiv ve makine imalatında kullanılan birçok ürün sıcak dövme yöntemi ile üretilmektedir. Dövme işlemi, sıcak haddelenmiş çeliğin dövme sıcaklığına ısıtılması ve ardından kalıp altında şekillendirmesiyle gerçekleştirilmektedir. Ürünün yüksek mekanik özelliklere sahip olması için dövme işlemi sonrasında genellikle ilave bir ıslah ısıl işlemi uygulanmaktadır. Genellikle, dövme ile üretim yapan firmaların kendi bünyelerinde ısıl işlem imkânı bulunmamakta ve ıslah işlemleri firma dışından hizmet alımı ile gerçekleştirilmektedir. Bu nedenle, ilave olarak uygulanan ıslah ısıl işlemiyle operasyonel maliyetlerin yanı sıra işçilik, lojistik gibi süreçlerden kaynaklanan ek maliyetler oluşmaktadır. Ayrıca, uygulanan ek ısıl işlemler ve lojistik süreçler dövme üretimlerinde ürünün karbon emisyonlarını arttırmaktadır. Literatürde yer alan çalışmalar incelendiğinde ıslah ısıl işlemi uygulanmayan dövme üretimlerinin genellikle istenilen yüksek mukavemet-tokluk dengesini sağlamakta yetersiz kaldığı belirlenmiştir. Ayrıca, birçok çalışmada seçilen kimyasal kompozisyonun endüstriyel üretilebilirliği limitli kalmakta ya da yüksek üretim maliyetleri nedeniyle uygulamanın ticarileşme potansiyeli bulunmamaktadır. Bu kapsamda, tez çalışmalarında ıslah ısıl işlemi uygulanmadan dövme sonrası sürekli soğutma ile DIN EN 10083-3 standardı 41Cr4 çelik kalitesine ait mekanik özellikleri düşük alaşım maliyetleri ile sağlayabilecek yeni kimyasal kompozisyon ve üretim rotasının belirlenmesi amaçlanmıştır. Tez kapsamında gerçekleştirilen çalışmalarda, termodinamik ve termo-mekanik incelemelerle belirlenen alaşım tasarımı ve üretim parametreleri üzerinden öncelikli olarak laboratuvar ölçekli üretimler yapılmıştır. Elde edilen mekanik test sonuçlarının ilgili üretimlerin kimyasal kompozisyonunda yer alan elementler ve soğutma hızı parametreleri ile aralarındaki ilişkileri belirlenmek adına istatistiksel analizler gerçekleştirilmiştir. Çoklu Doğrusal Regresyon (Multi Linear Regression – MLR) yöntemiyle hesaplanan korelasyon katsayıları incelendiğinde temel alaşım elementlerin mekanik özellikler üzerindeki olumlu ya da olumsuz etkileri beklenildiği gibi sonuçlanmıştır. Ancak, veri setinde bimodal dağılım gösteren verilerin bulunduğu ya da birkaç elementin çeşitli metalurjik etkenlere bağlı olarak mekanik özelliklerde birlikte etki oluşturduğu durumlarda MLR istatistiksel yönteminin yeterli performans gösteremediği belirlenmiştir. Bu kapsamda, veriler arasındaki kompleks ilişkilerin çözümlenmesi için Yapay Sinir Ağları (YSA) yaklaşımından yararlanılmıştır. Çok Katmanlı Algılayıcı (MLP) düzeninde [11-1(18)-3] topolojisine sahip ileri beslemeli geri yayılım algoritması ile eğitilen YSA modeli ile MLR yöntemine göre mekanik özelliklerin tahminlenmesinde çok daha yüksek performans elde edilmiştir. YSA modeli üzerinden çalışmanın hedeflerini sağlayabilecek kimyasal kompozisyon ve soğutma hızları belirlenmiştir. Optimizasyon ve doğrulama çalışmalarında ise belirlenen alaşım tasarımı ve üretim parametreleri ile laboratuvar ölçekli üretilen ham malzemelerden endüstriyel ölçekte sıcak dövme ile nihai ürünler üretilmiştir. Genel olarak değerlendirildiğinde, çalışmada hedeflenen 41Cr4 çelik kalitesine ait ıslah ısıl işlemli mekanik özellikler yeni geliştirilen kimyasal kompozisyon üzerinden sürekli soğutma ile başarıyla elde edilmiştir. Yeni geliştirilen çelik kalitesinde, ıslah ısıl işlemli referans çelik kalitesine göre alaşım maliyeti %13 daha yüksek olsa da hizmet alımı ile gerçekleştirilen ısıl işlem uygulaması, gerekli lojistik ve diğer operasyonel giderler değerlendirildiğinde nihai üretim maliyetinde önemli bir avantajı sağlanabileceği öngörülmektedir. Ayrıca, yüksek enerji tüketimi gerektiren ıslah ısıl işleminin sürekli soğutma ile ikame edilmesi, proses kaynaklı oluşan karbon emisyonlarının azaltılmasında önemli bir potansiyel sunmaktadır.SUMMARY Steel has a wide usage in industrial applications such as automotive, machinery and defense due to its relatively low production cost and high mechanical properties. Depending on performance requirements in its service condition, an additional heat-treatment is generally applied to steel materials. Quenching and tempering (Q&T) is one of the most commonly used heat treatments which provides an increament in strength, hardness, impact energy, etc. Q&T heat treatment is generally applied to the products that are produced by hot forging. Q&T heat treatment has three major processing stages; austenitization, quenching and tempering. These process steps involve usage of high temperature furnace and specialized quenching media. Since most of the forging companies do not have such facilities in their plants, the heat treatments are carried out by outsourcing the service. This requirement brings along an additional cost not only for process itself, but also for additional labor and logistic operations. Moreover, the heat treatment in conjunction with the other needs give rise to CO2 footprints of hot forged products. In previous studies, it is observed that the mechanical properties of hot-forged steels without applying any subsequent Q&T heat treatment generally result with insufficient high strength – toughness balance. Additionally, in many of these studies, industrial producibility and commercialization possibility of proposed steel chemical compositions are limited either by the need of specialized steelmaking operations or by their high alloying costs. In this study, it is aimed to develop a new steel chemical composition and process route that provide higher strength and toughness balance by using continuous cooling and eliminating the need of additional heat treatment. Firstly, preliminary studies were carried out by using computational thermodynamic and thermomechanical software in order to specify proper alloy designations. Then, selected chemical compositions were produced in laboratory scale. The results of microstructural examinations and mechanical tests of laboratory-scaled productions were analyzed by using different statistical approaches, such as Multiple Linear Regression (MLR) and Artificial Neural Network (ANN). According to estimations of ANN model, a new chemical composition and cooling rate that are able to provide the aims of the thesis was decided. The validation studies were performed in industrial scale by hot forging an example automotive part. It is found that the mechanical requirements of 41Cr4 steel in quenched and tempered condition according to DIN EN 10083-3 standard can be fulfilled by using proposed new chemical composition and process route. Even though the alloying cost of new developed steel design is 13% higher than 41Cr4 standard steel grade, it is thought that it is possible to decrease the overall production cost of hot forging products through eliminating the need of additional Q&T heat treatment. In addition to processing and other operational cost advantages, it is believed that the proposed material and process route have a great potential to reduce CO2 footprints of hot-forging products arising from additional heat treatment.