TARIFNAME Yüksek mukavemetli, düsük alasimli çelik kompozisyonu ve ilgili üretim yöntemi Teknik Alan Bulus, uzun ürün hammaddesi olarak sicak dövme proseslerinde kullanilabilecek nitelikte tüm alanlarda kullanilmak üzere gelistirilen yüksek mukavemetli, düsük alasimli çelik ile kalay (Sn), agirlikça %D-0,01O oraninda fosfor (P), agirlikça %O-0,090 oraninda kükürt (S) ve alasimli çelik ile ilgilidir. Teknigin Bilinen Durumu Mühendislik malzemelerinin en önemli grubunu çelikler olusturur. Her türlü talep ve degisimi karsilamak için çeliklerin proses ve fiziksel metalürjisinde sürekli gelismeler olmaktadir. Son yillarda mikro-alasimli çeliklerin gelistirilmesi en önemli metalürjik basarilardan biri olarak görülmektedir. Bu gelismenin, düsük karbonlu çeliklerde yapi-özellik iliskilerinin açik bir sekilde anlasilmasinin bir sonucu oldugu söylenebilmektedir. Elbette, nihai ürün fiziksel, mekanik ve proses metalürjisinin basarili bir kombinasyonunun sonucudur. Mikro alasimli çelikler temel yapi malzemeleri olarak yumusak çeliklerin yerini basariyla almaktadir. Yüksek dayanimli düsük alasimli, mikro alasimli çeliklerde, toplam alasim miktari genellikle vanadyum (V) olustururken, bu alasim elementlerinin karbon (C) ve azot (N) atomlariyla olusturdugu nanometre boyutundaki çökeltiler; çelige yüksek akma mukavemeti saglamaktadir. Bunun yaninda yüksek korozyon direnci, süneklik ve tokluk gibi mekanik özellikleri de mikro alasimli çeliklerin kullaniminin artmasini saglamaktadir. Mikro alasimli çeliklerin spesifik gelisim yönlerini, az perlitli ve perlitsiz çelikler olusturmaktadir. Karbon oraninin bariz sekilde düsürülmesi ile sekil verilebilirlik, tokluk, kaynak edilebilirlik gibi özellikler önemli oranda yükseltilmektedir. Bahsedilen bu özellikler genellikle sekil vermek suretiyle yüksek mukavemetli ve hafif parçalarin üretiminde istenilmektedir. Düsük karbon oranina ragmen bu çeliklerde, mikro alasim elementleri olan alüminyum (AI), niobyum (Nb), titanyum (Ti), vanadyum'un (V) tane inceltici ve sertlestirici etkileri ile kontrollü haddelemeyle akma siniri ancak 500 N/mm2 ye ulasabilmektedir. Mikro alasimli çeliklerde, alasim elementi olarak kullanilan niobyum (Nb), titanyum (Ti), vanadyum (V) ve alüminyum (Al), malzemenin mekanik özelliklere dogrudan önemli etkileri bulunmakta olup, karbür, nitrür veya karbonitrür olusturmaktadir. Mikro alasim elementlerinin olusturdugu karbür, nitrür ve karbonitrürler, sicak sekillendirme islemleri sirasinda çözünme sicakliklarinin üzerine çikilmadigi takdirde östenit fazi içerisinde çözünmeden kalmaktadir. Çözünmeyen bu sert yapilar östenit tane büyümesini engelleyerek hem küçük taneli bir çelik yapisi elde edilmesini hem de malzemenin toklugunun artmasini saglamaktadir. Mevcut teknikte yüksek mukavemet elde etmek amaci ile alasimdaki karbon miktarinin arttirilmasi veya mikro alasim elementlerinin tane inceltme özelliginden faydalanilmaktadir. Yüksek karbonlu çelik alasimi, sicak dövme isleminden sonra isil isleme tabi tutulmakta ve mukavemet arttirmak üzere ikincil bir islem gereksinim duyulmaktadir. Diger yandan bilinen teknikte mikro alasimli çelikler, dövülmüs malzemenin mukavemetini isil islemli yüksek karbonlu alasim kadar arttiramamaktadir. Yüksek karbonlu C45E standardindaki çelik alasiminin akma mukavemeti 500 MPa, çekme mukavemeti 750-850 MPa iken, mikro arasindadir. Bahsedildigi üzere yüksek karbonlu çeligin (C45E) ikincil islemle maliyetli bir uygulama sonucu mukavemet arttirilmasi ve mikro alasimli çelikte akma mukavemetinin düsük olmasi, yeni bir çelik alasimi gelistirilmesi ihtiyacini ortaya koymaktadir. Literatürde konu ile ilgili olarak rastlanilan EP192905381 numarali patent dokümanina konu bulus, çok-fazli mikro yapili bir çelik parçanin üretim prosesi ile ilgilidir. Bulusa konu çeligin Cuê%2.0, Sê%0,05, Nbê%0.15, geri kalani demir ve hazirlama isleminden kaynaklanan safsizliklar içermektedir. Çeligin çok-fazli mikroyapisi %25 ila 75 yüzeysel ferrit ve %25 ila 75 yüzeysel martenist ve/veya beynit ihtiva etmektedir. ölçüde demir ve kaçinilmaz safsizliklardan olusan bir çelik kompozisyonu ile ilgili olup, burada C+N=%O.8'dir. Bulus ayrica adi geçen kompozisyonlarin yapilmasina yönelik bir yöntem ve adi geçen kompozisyonlardan veya adi geçen yöntem kullanilarak üretilmis ve 800 ile 900°C arasindaki sicakliklarda mükemmel mekanik mukavemet ve oksidasyon direnci sergileyen valfler ile ilgilidir. maks. %0,5 alüminyum (AI), maks. %0,03 azot (N), vanadyum ve demir içeren bir çelik kompozisyonu ile ilgilidir. Söz konusu basvurularda görüldügü üzere, bilinen teknikte birçok çelik kompozisyonu bulunmaktadir. Ancak, yüksek mukavemetli ve yüksek akma mukavemetine sahip mikro alasimli çelik alasimlara ihtiyaç gün geçtikçe artmaktadir. Sonuç olarak yukarida bahsedilen olumsuzluklardan ve eksikliklerden dolayi, ilgili teknik alanda bir yenilik yapma ihtiyaci ortaya çikmistir. Bulusun Amaci Mevcut bulus, yukarida bahsedilen gereksinimleri karsilayan, tüm dezavantajlari ortadan kaldiran ve ilave bazi avantajlar getiren, yüksek mukavemetli, düsük alasimli çelik kompozisyonu ve ilgili üretim yöntemi ile ilgilidir. Bulusun amaci, uzun ürün hammaddesi olarak sicak dövme proseslerinde kullanilabilecek nitelikte tüm alanlarda kullanilmak üzere gelistirilen yüksek mukavemetli, düsük alasimli çelik ortaya koymaktir. Bulusun amaci, kontrollü dövme sonrasinda akma mukavemeti 660-680 Mpa, çekme Bulusun amaci, tek karbür yapici olarak vanadyum, deoksidasyonda alüminyum, döküm ve sekillendirme sicakliklari ile kontrollü sogumada nitrürler olusturmasi bakimindan azot kullanilmasi sayesinde, tane incelterek mukavemet arttirma mekanizmasini aktive etmek ve toklukla birlikte mukavemet artisi saglamaktir. Bulusun amaci, dövme sicakligi ve dövme sonrasi sogutma ortami için gerekli olan birincil 1500 saniye, isi tasinim katsayisinin 40-60 W/mzK olmasi sayesinde, tane inceltici elementlerin etkisini ortaya koyabilmesini saglamaktir. Bulusun amaci, kati eriyik sertlesmesi ve tane boyutu küçültme ile mukavemet artisi mekanizmasini birlikte uygulamaktir. Bulusun bir amaci, mukavemetlesme mekanizmasi, tokluk ve dayanimi birlikte arttirilmasini saglayan bir alasim kompozisyonu ve kontrollü sogutma prosesi ortaya koymaktir. Bulusun bir amaci, kaynaklanabilirlige olumsuz etki göstermeyen bir alasim kompozisyonu saglamaktir. Bulusun bir amaci, mukavemet artisini ferrit ve beynit faz yapisi ile elde edilmesini saglamaktir. Yukarida anlatilan amaçlarin yerine getirilmesi için bulus, uzun ürün hammaddesi olarak sicak dövme proseslerinde kullanilabilecek nitelikte tüm alanlarda kullanilmak üzere gelistirilen, yüksek mukavemetli, düsük alasimli mikro alasimli çelik olup, özelligi; agirlikça ferrit fazi, %54-58 perlit fazi, %30-39 beynit fazi içermektedir. Bulusun amaçlarini gerçeklestirmek üzere mikro alasimli çelik, 660-680 MPa akma esdeger karbon degerine sahiptir. Yukarida anlatilan amaçlarin yerine getirilmesi Için bulus, - mikro alasimlama ile üretilen çeligin sürekli döküm yöntemi ile kütük formunda elde edilmesi, - üretilen kütüklerin sicak haddeleme ile yuvarlak uzun grubunda silindirik yari mamul ve uzun yari mamul haline getirilmesi, o bahsedilen yari mamullerin kontrollü sicak dövme ve sogutma asamalarindan geçirilmesiyle çökelti olusmasi, islem adimlarini içeren mikro alasimli çelik üretim yöntemi olup, özelligi; süreyle isi tasinim katsayisi 40-60 W/mZK olacak sekilde atmosfer kosullarinda olmaktadir. Bulusun yapisal ve karakteristik özellikleri ve tüm avantajlari asagida verilen detayli açiklama sayesinde daha net olarak anlasilacaktir ve bu nedenle degerlendirmenin de bu detayli açiklama göz önüne alinarak yapilmasi gerekmektedir. Bulusun Detayli Açiklamasi Bu detayli açiklamada, yüksek mukavemetli, düsük alasimli çelik kompozisyonu ve ilgili üretim yöntemi, sadece konunun daha iyi anlasilmasina yönelik olarak ve hiçbir sinirlayici etki olusturmayacak sekilde açiklanmaktadir. Bulus, uzun ürün hammaddesi olarak sicak dövme proseslerinde kullanilabilecek nitelikte tüm alanlarda kullanilmak üzere gelistirilen, yüksek mukavemetli, düsük alasimli mikro diger elementler ile dengede demir (Fe) ve safsizliklar içeren çelik kompozisyonu ve %5-7 ferrit fazi, %54-58 perlit fazi, %30-39 beynit fazi içermesidir. Bulusa konu mikro alasimli celik formüi'asvonu; Içerik Agirlikça Kullanilabilir Miktar N 70-140 ppm Bulusa konu yüksek mukavemetli, düsük alasimli çeligi elde etmek üzere, ilk olarak alasim elementleri belirlenmektedir. Çelik kompozisyonu içerisindeki alasim elementi miktari ve çesitliligi, mekanik özelliklerin gelistirilmesinde önemli parametrelerdir. Farkli mukavemet arttirma mekanizmalarinin birlikte ortaya çikmasini saglamak üzere, karbon (C), azot (N) gibi ara yer atomlari ile vanadyumun (V) nitrür. karbür ve karbonitrür yapma özelliklerinden faydalanilmaktadir. Diger yandan TTT (izotermal dönüsüm diyagrami) ve CCT (sürekli soguma dönüsüm diyagrami) diyagramlarinin alasim elementine göre degismesi özelliginden faydalanilip, kati eriyik sertlesmesi mekanizmasi ile ince taneli yapi elde edilmektedir. Gelistirilen alasim yapisinda, ferrit fazi ile birlikte beynit fazinin ortaya çikarilmasi saglanmaktadir. Ikinci olarak sicak dövme metodolojisi olusturulmaktadir. Sicak dövme islemindeki sicaklik ve deformasyon oranlari özgün alasima göre yeniden düzenlenmektedir. Son olarak da sogutma islemi uygulamaktir. TTT (izotermal dönüsüm diyagrami) ve CCT (sürekli soguma dönüsüm diyagrami) diyagramlarina göre hedef mikro yapi (ferrit ve beynit) için sogutma rejimi belirlenmektedir. TTT ve CCT esasli kontrollü çift kademeli fonksiyonel sogutma yöntemi ile ferrit ve beynit faz oranlari degistirilebilecek sekilde sogutma saglanmaktadir. Demir-karbon faz diyagraminda martenzit ve beynit dönüsüm alasimin sertlesme mekanizmasinda önemli bir yere sahiptir. Ancak endüstriyel çelik üretiminde proses kosullarindan dolayi soguma hizlari denge kosullarina göre oldukça yüksektir. Soguma hizinin artmasi ile birlikte faz dönüsümlerinin belirlenmesinde kullanilan demir-karbon faz diyagrami kullanilmamaktadir. Bunun en önemli nedeni söz konusu diyagramin çok yavas soguma kosullarinda olusturulmasidir. Bu nedenle yüksek soguma hizlarinda TTT adi verilen ve faz dönüsümünün sicakliga ve zamana bagli olarak degisimini gösteren diyagramlari kullanilmaktadir. Hizli sogutulan çeliklerde östenitin ne zaman dönüsüme baslayacagi, dönüsümün ne kadar süre sonunda tamamlanacagi ve sonuçta hangi ürünlerin olusacagi hususlari izotermal dönüsüm diyagramlari yardimiyla belirlenmektedir. Dolayisiyla, TTT diyagramlari sicakligin ve zamanin fonksiyonu olarak alasim içerisinde asiri soguma kosullarinda bagli olarak olusacak faz dönüsümlerinin belirlenmesinde tercih edilmektedir. Dönüsme reaksiyonunda zaman ve sicaklik etkilerini ayri ayri görebilmek amaciyla dönüsme egrisini degistirmek gerekmektedir. Bu durumu gösteren egrilere de sürekli soguma dönüsüm egrileri (CCT) adi verilmektedir. Sürekli sogumayi kapsayan bütün isil islemler için CCT diyagramlari kullanilabilmektedir. CCT diyagramlarinin ana amaci hangi yapi elemanlarinin elde edilecegi ve buna karsilik hangi sertliklerin elde edilebileceginin soguma egrisinden faydalanarak önceden bilinmesidir. Bu diyagramlar, hem sicakligin sabit tutuldugu izotermal isil islemler hem de sürekli sogumadaki dönüsüm sonrasinda elde edilecek son mikroyapilarin içerdigi faz veya fazlarin belirlenmesine imkan saglamaktadir. Bulusa konu yüksek mukavemetli, düsük alasimli çelik kompozisyonda tek karbür yapici olarak vanadyum ve deoksidasyonda da kullanilan alüminyum kullanilmaktadir. Azot ise, döküm ve sekillendirme sicakliklari ile kontrollü sogumada nitrürler olusturmasi bakimindan çelik kompozisyonunda bulunmaktadir. Bahsedilen bu kullanimlarla tane incelterek mukavemet arttirma mekanizmasi aktive edilmekte, toklukla birlikte mukavemet artisi saglanmaktadir. Bu tane inceltici elementlerin etkisini ortaya koyabilmesi için dövme sicakligi ve dövme sonrasi sogutma ortami için gereklidir. Bulus konusu yüksek mukavemetli, düsük alasimli celik Üretim yöntemi; Mikro alasimlama ile Üretilen çelik kompozisyonundan sirasiyla, elektrik ark ocagi, pota ocagi, vakum ocagi ve tundish daldirma kapali seramik tüp kullanilarak sürekli döküm yöntemi ile kütük formunda elde edilir, 0 Üretilen kütükler sicak haddeleme ile yuvarlak uzun grubunda silindirik yari mamul ve uzun yari mamul haline getirilir, 0 Bahsedilen yari mamullerin kontrollü sicak dövme ve sogutma asamalarindan geçirilir, o Olusan çökeltiden sertlesme mekanizmasi ile istenilen mekanik degerlerde çelik alasim elde edilir. Bulusa konu üretim yönteminde kullanilan sicak dövme sicakligi 1200 °C, dövme sonrasi kosullarinda gerçeklestirilmektedir. Tasinim, bir kati yüzey ile ona bitisik, hareket halindeki akiskan (sivi ya da gaz) arasinda isi transfer türüdür. Akiskan hareketi ne kadar hizli olursa tasinim ile isi transferi 0 kadar büyük olmaktadir. Yigin ya da kitlesel akiskan hareketinin ortadan kalkmasi halinde, kati yüzeyle bitisigindeki akiskan arasindaki isi transferi yalnizca moleküllerin rastgele hareketi yani iletim ile meydana gelmektedir. isi miktari seklinde tanimlanmaktadir. Bu katsayi, çesitli unsurlara bagli olarak degismektedir. Bu unsurlardan bazilari; akiskanin temas ettigi yüzeyin, malzemesi ve pürüzlülügü, akis sekli, akis hizi, hidrolik çap, akiskanin viskozitesi ile yogunlugudur. Ayrica, isi tasinim katsayisi, isi tasinim türüne göre de farkli degerde olmaktadir. Iki tür isi tasinimi söz konusudur. Birincisi; akiskanin, sisteme uygulanan basinçtan dolayi hareket ettigi durumdaki zorlanmali isi tasinimidir. Ikincisi ise; akiskanin, sistemde yogunluk farki nedeniyle hareket ettigi durumdaki dogal isi tasinimdir. iletim katsayisi ne kadar düsükse sistemler o derece yüksek isi yalitim direncine sahip olmaktadir. Malzemelerin isil özelliklerinin bilinmesi, malzemenin kullanildigi yerde optimum performansa ulasmasi konusunda oldukça önemlidir. Uzun yillardir bu amaçla gelistirilen birçok ölçüm teknigi kullanilmaktadir. Mevcut tekniklerle malzemelerin isil özellikleri (isil iletkenlik katsayisi, özgül isi, isil geçirgenlik) ölçülebilmektedir. Özellikle son dönemde gelistirilen malzemelerin mikro ve makro seviyedeki iç yapisinda karmasiklar bulunmakta olup, bu kosulda dogru ölçüm yapabilmek zorlasmaktadir. bu enerjinin etkin kullanimi isi yalitimi ile söz konusudur. Isi yalitim malzemesinin seçimi veya yeni bir malzemenin imalati bu konuda oldukça önemlidir. Yeni bir malzemenin imalati veya malzeme seçimi yaptiktan sonraki hesaplarin yapilabilmesi için o malzemenin isi iletim katsayisinin bilinmesi gerekmektedir. Mühendislik problemlerinde isi iletim katsayisinin dogru bir sekilde hesaplanmasi büyük bir öneme sahiptir. Isi iletim katsayisinin hesaplanmasinda deneysel ve teorik hatalarin ortaya çikmasinin yani sira harcanan zaman ve maliyet kaybinin da çikmasi kaçinilmazdir. Isi iletim katsayisi sicakligin azaldigi tarafa dogrudur. Isi tasinim katsayisinin hesabinda asagidaki birimsiz karakteristik tanitim degerlerinden yararlanilmaktadir: Reynold sayisi; Péclet sayisi; L' : '--* :Pv:Re.Pr:Pc -- .__ Prandtl sayisi; 13-. .. . . Grashof sayisi; .:.-.›. :t Nusselt sayisi; Nu : : Nu : (lite. Pr. Gr) Bunlarda; v: Akiskanin hizi, borularda da boru çapidir. v: Kinematik viskozite, v=r]/p, p: Yogunluk, cp: Sabit basinçta özgül isi, A: Isi iletim katsayisi g: Yerçekim ivmesi, y: Hacimsel genlesme katsayisi, t: Sicaklik farki 3: Sicaklik yayinim katsayisi, (a=)\fp. cp) Tasinim ile birim zamanda transfer edilen isi miktarini hesaplamak için ise, Newton soguma kanunu (Q) kullanilmakta olup, hesaplanmasinda kullanilan formül asagida verilmektedir. Tablo-1'de ise, tasinim isi transfer katsayisinin tipik degerleri verilmektedir. Q = 17/1305. - T..) Tablo-1: Tasinim isi transfer katsayisinin tipik degerleri Tasinim türü H, W/mz. °C Gazlarin dogal tasinimi 2-25 Sivilarin dogal tasinimi 10-1000 Gazlarin zorlanmis tasinimi 25-250 Sivilarin zorlanmis tasinimi 50-20000 Bulus konusu alasim kompozisyonu ve bu kompozisyona uygulanan kontrollü sogutma prosesi ile; Kati eriyik sertlesmesi ve tane boyutu küçültme ile mukavemet artisi mekanizmasinin birlikte uygulanmasi saglanmaktadir. Mukavemet artisi ferrit ve beynit faz yapisi ile elde edilmektedir. Kullanilan alasim kompozisyonun kaynaklanabilirlige olumsuz bir etkisi de bulunmamaktadir. Bulus konusu çelik kompozisyonu ve üretim yöntemi ile %5-7 ferrit fazi, %54-58 perlit fazi ve Bulusa konu mikro alasimli çeligin mekanik özellikleri; Akma mukavemeti 660-680 MPa, Çekme mukavemeti 900-950 MPa, Sertligi 280-290 HV, Esdeger karbon degeri O,704-0,806 Ceq seklindedir. Bulusun tercih edilen yapilanmasinda bahsedilen uzun ürün, sicak haddelenmis, kare, yuvarlak ve lama seklindeki tüm çelik ürünleri kapsamaktadir. Bulusa konu mikro alasimli çeligin esdeger karbon degeri, 0,704-0,806 Ceq seklindedir. Karbon esdegeri, kaynaklanabilirligi tanimlayan bir ölçü olup, çelik içindeki alasim elementleri miktarlari ile hesaplama gerçeklestirilmektedir. Belirtilen alasimlarin degerleri mevcut ikame edilecek çelik ile esdeger olup daha yüksek mukavemet yaratmasi açisindan avantaj saglamaktadir. Bulus kapsaminda Ceq hesaplarken kullanilan formül asagida verilmektedir. Uluslararasi Kaynak Enstitüsü (IIW) : Ce (IIW)=C+Mn/6+(Cr+M0+V)/5+(Ni+Cu)/15 TR TR TR