Sementasyon ve takip eden su-verme işlemlerinin süreç tasarımı ve kalite değerlendirmesine yönelik malzeme karakterizasyon çalışmaları

Abstract

Sementasyon ve su-verme ısıl işlemi; aşınma ve yorulma dayancı özelliklerini iyileştirmek için düşük karbonlu çelik parçalara uygulanan bir yüzey sertleştirme işlemidir. Çarpılma, çatlak, sertlik veya sertlik derinliğinde yetersizlik bu işleme bağlı olarak en sık karşılaşılan sorunlardır. Son yirmi yılda, bu sorunları tahmin etmek ve engellemek için, analitik ve deneme-yanılma gibi geleneksel yöntemler yerine bilgisayar simülasyonları daha popüler hale gelmiştir. Bilgisayar destekli ısıl işlem simülasyonları sorunları çözmenin dışında istenilen mikroyapı ve kalıntı gerilme dağılımını sağlayan en uygun proses parametrelerinin belirlenmesini ve bu sayede parça performansının artırılmasını sağlamaktadır. Bu çalışmanın birinci amacı, DIN 22NiCrMo2-2 (SAE 8620H) çeliğine uygulanan sementasyon ve su-verme işlemlerinin simülasyonu için gerekli malzeme veri setinin geliştirilerek hesaplamalı malzeme mühendisliği yöntemlerini tamamlamaktır. Bu amaçla öncelikle, hesaplama tekniklerine gerekli girdiyi sağlamak için, kimyasal ve mikroyapısal olarak ham malzeme karakterizasyonu yapılmıştır. Ardından, su-verme aşamasında faz dönüşümleri üzerinde önemli derecede etkisi olan östenit büyüme kinetiği araştırılmıştır. Son olarak, kritik sıcaklıklar ve dönüşüm kinetiği belirlenerek, TTT ve CCT diyagramları şeklinde sunulmuştur. Ham malzeme karakterizasyon çalışmalarıyla kütüklerin makro segregasyon içermediği, eşeksenli ferritik/perlitik bantlaşmış ve homojen dağılımlı tane yapısına sahip olduğu ve bu nedenlerle proses ve doğrulama çalışmaları için uygun olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, deneysel ve hesaplamalı yöntemlerle belirlenen CCT diyagramlarının birbirleriyle uyumlu olduğu görülmektedir. Deneysel ve hesaplamalı yöntemlerle belirlenen TTT diyagramları arasındaki en büyük farklılık, yerel kimyasal kompozisyon ve yerel östenit tanesi boyutu gibi kontrol edilmesi zor olan faktörlere karşı daha hassas olan beynitik faz dönüşümünde gözlenmektedir. Bu çalışmanın ikinci amacı, aynı proje kapsamında yürütülen tamamlayıcı bilgisayar simülasyonları çalışmalarının geçerliliğinin belirlenmesi ve sementasyon ısıl işleminin kalite değerlendirmesi için içyapı incelemeleri yapmaktır. Bahsi geçen tamamlayıcı çalışmaların birinde, endüstriyel prosesteki değişkenliği en aza indirgemek için DIN 22NiCrMo2-2 ve DIN 16MnCr5 çeliklerinden imal edilen miller üzerinde Taguchi metodu kullanılarak Deney Tasarımı (DoE) yapılarak endüstriyel koşullarda sementasyon deneyleri yapılmıştır. Diğer tamamlayıcı çalışmada ise, aynı Deney Tasarımı (DoE) bilgisayar simülasyonu çalışmalarıyla incelenmiştir. Bu tez çalışmasında ise, içyapı ve sertlik dağılımlarının belirlenmesiyle belirtilen diğer çalışmalar tamamlanmaktadır. Elde edilen sonuçlar bilgisayar simülasyonları ve deneysel sonuçların birbirine uyumlu olduğunu göstermektedir. Sonuçların uyumu beynit dönüşüm kinetiğinin gerilim, yerel tane boyutu ve yerel kimyasal kompozisyona bağlılığını da dahil eden daha iyi karakterizasyon çalışmalarıyla iyileştirilebilir.Carburized quenching is a surface hardening process applied to low and medium carbon steel parts to improve fatigue and wear resistance. Distortion, cracking, inadequate case depth and surface/core hardness are the most frequently encountered problems during this process. During the last two decades, computer simulations became popular to predict and avoid those problems instead of conventional analytical and trial-and-error approaches. Aside from troubleshooting, heat treatment simulations enable determination of optimal process parameters yielding the desired microstructure and residual stress distribution to improve the performance of the part. Primary aim of this study is to complement computational materials engineering methods to develop a material data set for the carburized quenching simulation of DIN 22NiCrMo2-2 (SAE 8620H) steel. For that purpose, first, the raw material is characterized chemically and microstructurally to provide necessary input to computational techniques. Then, the kinetics of austenite growth, which has strong impact on phase transformations during succeeding quenching step, is investigated. Finally, critical temperatures and transformation kinetics are determined and presented in the form of TTT and CCT diagrams. Raw material characterization results indicate that the billets are qualified for the process and the validation study as the billets are free of macro-segregation and exhibit a homogeneous and mildly banded equiaxed ferritic/pearlitic grain structure. Moreover, austenite grain growth study revealed that the grain growth in 22NiCrMo2-2 can be expressed by an ideal grain growth law. Finally, computationally and experimentally determined CCT diagrams are in a good agreement. The largest differences between computationally and experimentally determined TTT diagrams are observed in the bainitic transformation range which is more sensitive to hard to control factors such as local chemical composition and local prior austenite grain size. Secondary aim of this study is to conduct microstructural investigations for the quality assessment and validation of computer simulations conducted in complementary studies within the scope of the same project. In one of those complementary studies, an experimental Design of Experiments (DoE) using the Taguchi method is conducted on steel shafts made of DIN 22NiCrMo2-2 and 16MnCr5 steels to minimize the variability of the industrial process. In the other study, the same DoE is investigated using computer simulations. This thesis complements those studies with determination of microstructure and hardness distributions. The experimental results indicate an agreement with the simulations results and the agreement can be improved with better characterization of bainite transformation kinetics including its dependence on stress, local grain size and chemical composition.