Geri Dön

Sürtünme kaynaklı ostenitik-martenzitik sübaplardaki nitrürasyon gevrekliliğinin incelenmesi

Nitriding embrittlement in friction-welded austenitic-martensitic engine valves

  1. Tez No: 166550
  2. Yazar: MEHMET KALK
  3. Danışmanlar: PROF.DR. BARLAS ERYÜREK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2005
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 110

Özet

SÜRTÜNME KAYNAKLI OSTENTTIK-MARTENZITIK SUBAPLARDAKI NİTRÜRASYON GEVREKLİĞİNİN İNCELENMESİ ÖZET Günümüz dünyasında hemen herkes bir otomobile sahip olmak istemektedir. Otomobilin modern insanın yaşamında sahip olduğu önem ne ise motorunda otomobil için sahip olduğu önem aynı; belki daha fazladır. Motorun yapısmda yer alan birçok parçadan biri de supapdır. Silindir kafasına yerleşmiş olan supap, emme, sıkıştırma, yanma ve eksoz çevrimlerinde önemli görevler üstlenmektedir. Supapların yüksek sıcaklık, aşınma, korozyon ve darbe gibi ağır motor çalışma koşullarına karşı dayanım gösterebilmeleri için tasarımları bu etkenlere karşı yapılmalıdır. Bu çalışmada, ostenitik-martenzitik paslanmaz çelik supaplarda tuz banyosu nitrürasyonunun ardından meydana gelen gevreklik incelenmiştir. Çalışma konusu olan supap, X45CrSi9-3 martenzitik supap çeliğinden ve X53CrMnNiN21-9 ostenitik supap çeliğinden meydana gelmektedir. İki malzemenin birleştirilmesi bir katı hal kaynağı olan sürtünme kaynağı yöntemi ile gerçekleştirilmektedir. Supap sapı martenzitik, supap kafası ise ostenitik supap çeliklerinden imal edilmektedir. İki parçalı olan konstrüksiyonun sebebi motor çalışma şartlarında gizlidir. Supap kafasının yer aldığı silindir içi yüksek sıcaklık altoda olduğu için burada martenzitik çelik kullanılması martenzitik çelik üzerinde temperleme etkisinin oluşmasına yol açacaktır. Bu yüzden silindir kafası içinde yüksek sıcaklıklara dayanımlı ostenitik supap çelikleri kullamlmaktadır. Bunun yanında supap sapı nispeten daha düşük sıcaklıklarda ve gayd ile olan temasından dolayı aşınma etkisi altoda çalıştığı için martenzitik supap çeliği sap olarak kullamhr. Ostenitik-martenzitik supabm imalatı sırası ile şu işlemler gerçekleşmektedir: Sürtünme kaynağı, kaynaktan 2-7 gün sonra fırında temperleme, çapak alma, doğrultma, taşlama, gerilim giderme ve sıvı nitrürasyon. İmalat işlemleri ağırlıklı olarak ısıl işlemlerden oluştuğu içim çalışmada ısıl işlemler üzerinde durulmuştur. Gevreklik probleminin sebebini ortaya çıkarmak için imalat sürecinin her aşamasından alınan numunelere Charpy Tipi Darbe Testi uygulanmıştır. Isıl işlemlerin farklı olduğu 3 grup numune hazırlanmıştır. Ostenitik-martenzitik supapların detaylı imalat süreci Şekil Ö.l'de görülmektedir.Çökelme Sertleştirmesi ne tabi tutulmuş OstenitftSS Serüeştirilmi ŞTO temperiemniş ınartenzitik SS Sürtünme Kaynağı Temperleme -| MRC/2saat/ AC Çapak atar Doğrultma- Taîlama CfeıiKm Giderme WC/2saat/ Sm Mtrttrasyon Son Supap Şekil Ö.l: Ostenitik-Martenzitik Supap Çeliğinin İmalat Süreci Bu çalışmada kullanılan malzemelerin kimyasal bileşimleri aşağıda verilmiştir. X45CrSi9-3: 0.45% C, 2.9% Si, 0.50% Mn, 9.0% Cr X53CrMnNiN21-9: 0.54% C, 0.20% Si, 9.0% Mn, 21.0% Cr, 4.0% Ni, 0.45%N Deneylerde 7 mm çapmda ve 55 mm uzunluğunda çentiksiz supap numuneleri kullamlmış ve bu numunelere Charpy Tipi Darbe Deneyi uygulanmıştır. Ostenitik Paslanmaz Martenzitik Paslanmaz Çelik Kaynak Dikişi çt\\^ ~r o o 55,00 Şekil Ö.2: Deney Numunelerinin Şematik Gösterimi Kullanılan numuneler 3 grup altında toplanmıştır. i. Grup A: Normal imalat sürecinden alman numuneler ii. Grup B: Değiştirilmiş imalat sürecinden alman numuneler iii. Grup C: Isıl işlemleri İTÜ laboratuarlarında yapılmış numuneler Gevreklik probleminin nedeni bulmak için ısıl işlemlerde bir takım değişiklikler yapılmıştır. Grup B numuneleri için yapılan değişiklikler; a) Kaynak işleminin ardından fırında temperleme yerine indüksiyon ile temperleme yapılması b) Gerilim giderme sıcaklığının 660°C'den 580°C'ye düşürülmesi xıc) Sıvı (Tuz banyosu) nitriirasyon yerine iyon nitrürasyonu yapılması Grup C numunelerinde yapılan değişiklikler ise; a) Isıl işlemleri İTÜ laboratuarlarında gerçekleştirilmiştir. b) Tüm ısıl işlemlerden sonra havada soğutma yerine yağda soğutma yapılmıştır. Yapılan deneyler neticesinde en kötü sonuçlar, normal üretim sürecinden alman son ürün supap numunelerinde görülmüştür. Sıvı nitrürasyon işleminden de geçmiş olan supaplara fırında temperleme yerine indüksiyon ile temperleme yapıldığında tokluk değeri 0.03 J/mm2'den 0.05 J/mm2'ye çıkmıştır. Öte yandan bu değişikliklere ek olarak gerilim giderme sıcaklığı da azaltıldığında toklu değerinin 0.03 J/mm2'den 0.07 J/mm2,ye çıktığı görülmüştür. En iyi sonuçlar iyon nitrürasyonu kullanarak hazırlanan numunelerden elde edilmiştir. İyon nitrürasyonu uygulanan numunelerde temperleme işlemi de indüksiyon yöntemi ile yapılmıştır. Sonuç olarak tokluk değeri 0.03 J/mm2'den 0.37 J/mm2'ye çıkarılmıştır. Normal üretim sürecinde yer alan sıvı nitrürasyon işleminin ardından meydana gelen ciddi tokluk azalmasının yayınım mekanizmasına; yani zamana ve sıcaklığa bağlı olduğu düşünülmektedir. Şekil Ö.3'de normal üretim sürecinin sonundan alman supap numunesi kırılma yüzeyinin elektron mikroskobu görüntüsü verilmiştir. Burada tane sınırlarındaki faz çökelmeleri ve tanelerarası kırılmalar görülmektedir. Şekil Ö.3: Sıvı Nitrürasyonlu Supap Numunesinin Elektron Mikroskobu Görüntüsü Sonuçların incelenmesi ile bulunan diğer bir noktada her numune grubunda numunelere ait tokluk değerinin taşlama işlemi sonrasında artması ve bu işlemin xuardından yapılan gerilim giderme ve sıvı nitrürasyon işlemlerinden sonra düşmesidir. Taşlama işleminin ardından meydana gelen tokluk artışının, sürtünme kaynağı ile temperleme işlemi arasındaki beklemenin yol açtığı yüzey çatlaklarının yok edilmesine bağlı olduğu düşünülmektedir. Gerilim giderme işleminden sonra meydana gelen azalma ise temper gevrekliği ile ilişkilendirilmektedir. Son olarak sıvı nitrürasyon işlemi sonrasında meydana gelen ve ciddi miktarda meydana gelen tokluk değeri azalmasının yukarıda da belirtildiği gibi tane sınırlarında meydana gelen faz çökelmeleri olduğu görülmüştür. Ostenitik-martenzitik supabın tokluk değerinin iyileşmesi birkaç noktaya bağlıdır. Bunlardan ilki kaynak sonrası oluşan yapının çok sert olmasına bağlı olarak temperlenmeden bekletilmesi sonucu oluşan su verme çatlaklarını engellemektir. Bunun sağlanması için de kaynak sonrası temperleme işlemi beklenmeden gerçekleştirilmelidir. Diğer bir nokta da gerilim giderme sıcaklığının azaltılması ile tokluk değerinin artmasıdır. Ayrıca sıvı nitrürasyon işleminin yayınma temelli bir işlem olduğu düşünüldüğünde istenilen sertlik ve derinlik değerlerinin sağlanması kaydıyla nitrürasyon işlem sıcaklığı ve süresi azaltılarak tokluk değerlerinde artış sağlanabileceği düşünülmektedir. xııı

Özet (Çeviri)

NITRIDING EMBRITTLEMENT IN FRICTION-WELDED AUSTENITIC-MARTENSITIC ENGINE VALVES SUMMARY In modern world, automobiles are a phenomenon that almost every mankind wants to have one of them. Like the importance of automobile in modern human's life, engine has same, may be more, important for an automobile. An engine includes many parts and one of them is engine valve. An engine valve locates at cylinder head and has an important role at emission, compression, power and exhaust cycles. Because of engine operating conditions such as high temperature, wear, corrosion and impact, valves shall be designed and manufactured resistant against these affects. Otherwise, any valve failure will cause engine failure. In this study, an embrittlement problem seen after liquid nitriding in an austenitic- martensitic stainless steel (SS) engine valve was investigated. This valve is made from X45CrSi9-3 martensitie valve alloy as valve stem and X53CrMnNiN21-9 austenitic valve alloy as valve head. These two materials are welded together with friction welding which is a solid-state welding method. This construction is chosen because of engine operating conditions. Martensitie SS has better wear resistance than austenitic SS. But they are used as valve stem because of contact to valve guide and lower temperatures due to inside of the cylinder. Martensitie SS can not be used as valve head due to high temperature in the cylinder which can cause a tempering effect on martensitie SS. Austenitic S S are used as valve head operating in cylinder against burning air-fuel mixture which is hot and corrosive environment because of their resistance to high temperature and corrosion. Manufacturing of an austenitic-martensitic SS engine valve includes a number of processes which are respectively friction welding, tempering in a furnace after 2-7 days from welding, machining the weld flash, cold straightening, grinding, stress relief and liquid nitriding. Heat treatment processes are heavily present in the manufacturing operations. So the study was concentrated on these heat treatments. To find the reason of the embrittlement problem, toughness values of these valve samples taken from every stage of manufacturing process were obtained by using Charpy Type Impact Test in these experiments. There were three groups of valve samples having different heat treatment processes. The detailed manufacturing process of the studied austenitic-martensitic SS engine valve which was investigated in this study is shown in Figure S.l. xivSoktum treated and Austenitic SS to 30-40 HRC Hardened and tempered Martensitic SS to 32-34 HRC Friction welding Furnace tempering after 7-8 days from welding 6WC / 2 hr /AC* Machining the weld flash & Cold Straightening & Grinding Stress Relief 6603C/2hr/AC Liquid Niridiog Final Product: Valve *Air cooling Figure S.l: Manufacturing Processes of an Austenitic-Martensitic SS Engine Valve The materials that were used in this study are X45CrSi9-3 martensitic S S as valve stem and X53CrMnNiN21-9 austenitic SS as valve head. Their chemical compositions are: X45CrSi9-3: 0.45% C, 2.9% Si, 0.50% Mn, 9.0% Cr X53CrMnNiN21-9: 0.54% C, 0.20% Si, 9.0% Mn, 21.0% Cr, 4.0% Ni, 0.45%N The experiments aimed to find toughness values of austenitic-martensitic SS engine valve samples which were taken from every stage of manufacturing process by using Charpy Impact Test Method. The notch-less samples that used for Charpy Impact Test were 7 mm in diameter and 55 mm in length. Austenitic SS Weld Nugget Martensitic SS 55,00 Figure S.2: Sketch of a Charpy Impact Test Sample (dimensions in mm) The Charpy Type Impact Tests are performed for three groups of samples: i. Group A: Samples taken from normal manufacturing processes ii. Group B: Samples taken from modified manufacturing processes iii. Group C: Samples that are heat treated in ITU laboratories Some modifications were made on normal manufacturing process, especially in heat treatments, to determine the source of embrittlement problem. These modifications for Group B samples were; xva) Induction tempering instead of furnace tempering after welding process b) Reducing stress relief temperature from 660°C to 580°C c) Ion nitriding instead of liquid nitriding The only differences of Group C samples are that; 1. They were heat treated in ITU laboratories 2. The samples were oil quenched instead of air cooling after heat treatment Liquid nitriding process for Group C samples were again made by subcontractor. By the experiments, we see that worst results belong to samples which were taken from normal manufacturing process. When we applied induction tempering instead of furnace tempering, toughness value increased from 0.03 J/rnm2 to 0.05 J/mm2 for liquid nitrided samples. This result points that waiting after friction-welding increases the quenching cracking existence which decreases the final toughness of an engine valve. Secondly, when the operating temperature of stress relief heat treatment was reduced from 660°C to 580°C, the toughness value of final product sample increased from 0.06 J/mm2 to 0.07 J/mm2 for induction tempered and liquid nitrided samples. In another hand, reducing stress relieving temperature and using induction tempering instead of furnace tempering, the toughness value was increased from 0.03 J/mm2 to 0.07 J/mm2. Finally, ion nitriding gives the best results for a final product valve sample. In ion nitrided samples, induction tempering was used after friction welding process. So the toughness value increased from 0.03 J/mm2 to 0.37 J/mm2 with respect to the ones obtained by normal manufacturing processes. The severe toughness decrease in normal manufacturing process, especially after liquid nitriding process, is related to diffusion mechanism so to time and temperature. In Figure S.3, SEM picture of intergranular cracking and phase precipitations at phase boundaries is shown. xvit-~, V:'--.. Phase precipitation at grain boundaries.'-'.?“”». :!İV./^ Ictergranular cracking Figure S3: SEM Picture of Liquid Nitrided Sample Engine Valve Surface Another point is that toughness values of the specimens increased after the grinding process and then decreases through stress relieving treatment and liquid nitriding process. We think that toughness value of valve increased after grinding because of machining the surface cracks which occurred during the waiting time between friction welding process and tempering process. And temper embrittlement effect caused a decrease after stress relieving treatment. Furthermore, as seen above, because of phase precipitations in the grain boundaries during the liquid nitriding process, a severe toughness decrease happened. An improvement in austenitic-martensitic stainless steel (SS) valves' toughness is related to a few points. First of them is untempered welded valve sample has great hardness and waiting will cause quenching cracks. So the tempering heat treatment should be done by using induction tempering and tempering process should immediately be applied after friction-welding process and by this method quenching cracks can be avoided. The other point is operating temperature of stress relief. Reducing stress relief temperature increases the toughness of engine valve. And finally ion nitriding process does not cause any embrittlement. The nitriding embrittlement problem that occurs in liquid nitriding process is related to diffusion mechanism. So reducing the liquid nitriding temperature and time may give positive results. But the most important point in all these modifications, the required valve specifications such as surface hardness and case depth shall be satisfied. xvu

Benzer Tezler

  1. Tez No

    134774

    Sürtünme kaynağı ile birleştirilmiş AISI 4340 çeliği ile paslanmaz çeliklerin yorulma dayanımının araştırılması

    The Investigation of fatigue strength of stainless steels to AISI 4340 steel welded by friction welding

    ENGİN ÜNAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2003

    Makine MühendisliğiFırat Üniversitesi

    Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. AHMET HASÇALIK

  2. Tez No

    310365

    Sürtünme kaynağı ile birleştirilmiş aısı AISI 1040/AISI 304L çelik çiftinin elektrokimyasal korozyon davranışının araştırılması.

    The investigation of electrochemical corrosion behavior of friction welded AISI 1040/AISI 304L steel couple

    İHSAN KIRIK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Teknik EğitimFırat Üniversitesi

    Metalurji Eğitimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NİYAZİ ÖZDEMİR

  3. Tez No

    632539

    Farklı standartlardaki paslanmaz çelik ve sade karbonlu çelikçiftlerinin sürtünme karıştırma kaynak yöntemiyle birleştirilmesi, mekanik özelliklerinin ve mikroyapılarının incelenmesi

    Combination of different standard stainless steel and plain carbon steel pairs by friction stir welding method, examination of mechanical properties and microstructures

    YELİZ ALNAK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Makine MühendisliğiFırat Üniversitesi

    Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. VEDAT SAVAŞ

    DOÇ. DR. ALİ ÖZER

  4. Tez No

    334617

    TM yöntemiyle üretilmiş alüminyum esaslı SiCp takviyeli kompozit ile 304 paslanmaz çeliğin sürtünme kaynağıyla birleştirilebilirliğinin araştırılması

    The investigation of weldability of al based SiCp reinforced composite, which is produced by PM method with 304 stainless steel by friction welding

    ZÜLKÜF BALALAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Metalurji MühendisliğiFırat Üniversitesi

    Metal Eğitimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NİYAZİ ÖZDEMİR

  5. Tez No

    353695

    AISI P11 VE AISI P91 kalite dikişsiz boru çeliklerinin mekanik özelliklerine gerilme giderme tavlaması sıcaklığının etkisi

    Effect of stress relief annealing temperature on mechanical properties of AISI P11 VE AISI P91 grade seamless pipe steels

    CANER KIRBAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT BAYDOĞAN

Geri Dön