Effect of laser surface hardening parameters on impact sliding wear behavior of a hot work tool steel
Lazer yüzey sertleştirme parametrelerinin sıcak iş takım çeliğinin darbeli kayma aşınma davranışına etkisi
- Tez No: 557479
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MOHAMMADREZA NOFAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 117
Özet
Çeliğin genel olarak alaşımlı ve alaşımsız çeşitleri mevcut olup, gelişen teknolojiyle birlikte günden güne daha da gelişmektedir. Bu çelik çeşitlerinden biri alaşımlı çeşitlerinden olan sıcak takım iş çeliği, yüksek sıcaklığa sahip çalışma koşullarında sıklıkla tercih edilir. Bu tür çelikler yüksek sıcaklıkta bile kendi özelliklerini koruma eğilimine sahiptir. Özellikle beklenen özellik ise çeliğin aşınma direnci ve tokluğunun artan sıcaklıkla beraber değişkenlik göstermemesidir. Özellikle, malzemenin aşınma direnci göstermesi gereken yerde aşınma direncinin sıcaklıktan etkilenmemesi gerekmektedir. Bu sebeple de bu çeliğin yüksek sıcaklıklarda aşınma davranışının değişmeden kalabilmesi için bir takım işlemler uygulanmaktadır. Lazer yüzey sertleştirme işlemi, yüzey sertleştirme işlemlerinden biri olup, diğer geleneksel sertleştirme yöntemlerine göre minimum deformasyonda işlem kabiliyetine sahiptir. Bunun yanı sıra geleneksel yöntemlerle karşılaşırıldığında enerji verimliliği yüksek, hassas ve belirlenen yüzeylerde sertleştirme, sıcaklığın ayarlanabilir olması sebebiyle yüzeyde erime olmadan yüzey sertleştirme yapılabilmesi, yüksek kalitede homojen sertlik, sertleştirme sonrası ek işlem gerektirmeyen temiz yüzey gibi avantajlara sahiptir. Lazer ile sertleştirme işlemi genel olarak karbon çeliklerine, dökme demire, takım çeliklerine, ısıl işleme uygun paslanmaz çeliklere uygulanır. Sertlik derinliği , uygulanan çelik türü ve lazer işlem parametrelerindeki değişkenliğe göre 5 mm ile 2 mm arasında seyretmektedir. Sertlik genişliği ise bir tur için 5 mm ile 25 mm arasındadır. Lazer sertleştirme işlemi günümüzde genel olarak üç tip lazer makinasıyla gerçekleştirilmektedir. Bunlar CO2 lazeri, Nd:YAG lazeri ve yüksek güçlü diyot lazer olarak aynı amaçlı, fakat farklı proseslerde çalışan lazer cihazlarıdır. En basit farklılığı CO2 lazerinin malzeme yüzeyine etkiyen lazer ışınının emilimini arttırmak için malzeme yüzeyinde sertleştirilecek alanlarda ilave olarak kaplama olması gerekirken, diğer iki tip lazerde lazer ışınının emilmesini sağlamak için ilave kaplamaya gerek yoktur. Daha önceki çalışmalarda lazer sertleştirme prosesinden sonra çeliklerde mikroyapısındaki değişim sonucunda yorulma davranışı, aşınma davranışı gibi mekanik özelliklerinde gelişme sağladığını saptamışlardır. Bu çalışmada çeliğin aşınma direncini geliştirebilmek için yüksek güçlü diyot lazer ile lazer yüzey sertleştirme tekniği kullanılmış olup, sıcak takım iş çeliği olarak özel üretim olan QR O90 tercih edilmiştir. Toplamda 8 adet numune üzerine farklı lazer parametreleri uygulanmıştır. QR O90 numuneleri 28 mm çapa ve 5 mm kalınlığa sahiptir. Bu numuneler üzerine lazer sertleştirme işlemi sıfır odakta uygulanmış olup, odak genişliği minimum 5 mm'dir. Bu sebeple bir numune üzerine ortalama 4 tur lazer geçilmiştir. Her bir numune hem sıfır yönünde hem de doksan derece yönünde olmak üzere iki farklı yönden sertleştirilme işlemine tabi tutulmuş olup, değişik lazer parametrelerinin malzeme üzerindeki etkisi incelenmiştir. Parametreler genel olarak lazer ışını hızı, sıcaklığı ve bunlara bağlı olarak lazer ışını gücü olarak değerlendirilebilir. 8 adet numunede uygulanan parametrelerde lazer ışını sıcaklığı 1150°C ve 1300°C arasında, lazer ışını hızı ise 3mm/s-6 mm/s arasında değişkenlik göstermiş olup, lazer ışını gücü bu değerlere bağlı olarak kendiliğinden değişmiştir. Her bir numune lazer sertleştirme işlemine tabi tutulmadan önce cnc taşlama makinasıyla taşlanmış ve düzlemsel hale getirilmiştir. Sonrasında bu numunelerin üzerine lazer sertleştirme prosesi uygulanırken her bir lazer turu atıldıktan sonra malzeme üzerinde oluşan oksit tabakasının temizlenmesi ile zımpara ile gerçekleştirilmiştir. Bu işlemin amacı lazer ışınının temiz yüzeylerde daha iyi işlev görmesi ve bu sebeple oluşabilecek lazer atlamalarının önüne geçilmesidir. Zımparalama işlemi aynı zamanda lazer yönü 90 derece yönüne dönüldüğünde de malzeme üzerine uygulanmıştır. Bu işlemin yanı sıra bu şekilde hem de malzemenin her bir lazer turu sonrası soğuması sağlanmış ve olası menevişlenmenin önüne geçilmesi hedeflenmiştir. Lazer sertleştirme prosesi uygulanmış QR O90 numunelerinde aşınma davranışını inceleyebilmek maksadıyla her bir numuneye farklı sıcaklık ve farklı lazer hızları uygulanmış ve bu parametrelerin QR O90 çeliğinin aşınma davranışını nasıl değiştirdiğine dair gözlemler yapılmıştır. 1. Numuneye 1200-1250 0C sıcaklığında ve 4 mm/s hızında, 2. Numuneye 1250-1300 0C sıcaklığında ve 4 mm/s hızında, 3. Numuneye 1150-1200 0C sıcaklığında ve 4 mm/s hızında, 4. Numuneye 1150-1200 0C sıcaklığında ve 5 mm/s hızında, 5. Numuneye 1200-1250 0C sıcaklığında ve 5 mm/s hızında, 6. Numuneye 1200-1250 0C sıcaklığında ve 3 mm/s hızında, 7. Numuneye 1250-1300 0C sıcaklığında ve 5 mm/s hızında, 8. Numuneye 1200-1250 0C sıcaklığında ve 6 mm/s hızında lazer ışını uygulanmış olup, her bir numune sırasıyla 400, 600, 800, 1200 ve 2500 meşli SiC zımpara kağıtları ile zımparalanmış ve parlatılmıştır. Parlatılmış numunelere ise aynı şartlar altında 10 mm çapındaki çelik bilya ile 3, 5 kg yük uygulayarak 1000 vuruş yaparak darbeli aşınma cihazında oda sıcaklığında aşınma izleri oluşturulmuştur. Hazırlanan numunelere normal yüzeylerinden 200 gram yük ile sertlik testi yapılmıştır. 25 gram yük ile kesitlerinden sertlik testi yapılmış olup sertlik derinliği tespiti yapılmıştır. Yükün düşürülerek kesitten sertlik ölçüm yapılmasının sebebi sertlik değişiminin takibinin yapılabilmesidir. XRD analizi, 60-105⁰ açı aralığında 10 tarama hızında gerçekleştirilmiş olup, kalıntı östenit tespitinde kullanılmıştır. Optik mikroskop ile x50, x100, x200, x500 ve x1000 boyutlarında büyütülerek inceleme, farklı büyütmelerde SEM analizi yapılmıştır. Bu testlerin yanı sıra darbeli aşınma cihazı ile lazer sertleştirme prosesi uygulanmış olan numunelere, 10 mm çapındaki çelik bilya ile oluşturulan izin profilemetre ile 5 farklı bölgesinden derinlik, genişlik ve alan ölçümleri alınmış ve buna bağlı olarak aşınma davranışları incelenmiş ve sertlik kabiliyeti, oluşan mikro yapı ve aşınma davranışları arasındaki ilişki ve bunlara etkiyen farklı proses parametrelerinin etkileri incelemiştir. Sonuçlara bakıldığında, sertlik, sertlik derinliği, XRD analizi ve mikroyapı testleri incelenip, malzemenin darbeli aşınma kayma davranışına lazer sertleştirme proseslerinin etkileri gözlemlenmiştir. XRD analizinde lazer sertleştirme prosesi uygulanan numunelerde kalıntı östenit bulunmadığı saptanmıştır. Optik mikroskop ile yapılan incelemelerde ise QR O90 numune yüzeylerinde martenzit varlığı saptanmış olup, martenzit yapılarının çevrelerinde ferrit yapılarının oluştuğu gözlemlenmiştir. Uygulanan farklı lazer yüzey işlem parametreleri malzemelerin martenzit oranları üzerinde değişime sebep olduğu ise tahmin edilmektedir. Sıcaklığın 1200-1250 0C aralığında ve 6 mm/s hızında lazer sertleştirme prosesi uygulanan numunenin yüksek sertlik değerine sahip olduğu saptanmış ve bu numunenin yapılan darbeli aşınma testi sonucunda en düşük aşınmaya sahip olduğu saptanmıştır. Ancak, aşınma alanlarında yapılan SEM sonuçlarına göre test sonucunda malzeme yüzeyinde plastik deformasyon izleri saptanmıştır. Genel olarak profilemetre cihazından elde edilen sonuçlara göre lazer sertleştirme prosesi uygulanmış numunelerde, sıcaklık arttıkça aşınma direncinde artma saptanmıştır.
Özet (Çeviri)
Steel has mainly alloyed and unalloyed types and it has developed day by day with the advent of the technology. One type of the steel is hot work tool steel. Hot work tool steels, which are alloyed tool steels, are used for hot using fields. This type of steel provides own mechanical properties even at high temperatures according to other types of steels. Its wear and toughness properties do not change much with increasing temperature. Especially, wear properties of hot work tool steels is important for high temperature working conditions. For this reason, some workings are doing for improving wear properties of hot work tool steels even at higher temperatures. In this study, laser surface hardening method was used for hardening of hot work tool steel (QRO90). QRO90 is special manufacturing hot work tool steel. QRO90 has 28 mm diameter and 8 mm thickness. Laser surface hardening process was applied on one side of material as 5 mm width for one tour. In this study, different laser power values, laser beam velocity and temperatures were applied on the QRO90 samples and we compared hardness, depth of hardness, wear properties of these samples. Laser surface hardening temperature range was between 1150°C and 1300°C. Laser beam velocity range was between 3 mm/s and 6 mm/s. Laser power depends on temperature and velocity values of laser beam. That is why, it is not constant. For investigating wear behavior, laser hardened samples were prepared as metallographic with sandpapering and polishing processes. Then, some characterization tests were done. These were hardness and hardness depth measurement, optical microscope with x50, x100, x200, x500 and x1000 images, XRD experiments, SEM images and profilemeter test. At the result of the XRD experiment, residual austenite is not observed. At the result of the optical microscope, we can see that white microstructure. The microstruce of samples have martensitic formation with different ratio according to different laser hardening condition. Laser hardened QR O90 samples hardness(with 200 gr loading) and hardness depth(with 25 gr loading) were measured with vickers test and different result handled according to working condition as temperature and laser beam velocity. Additionally, wear behavior of samples were investigated with wear sliding test device and then with profilemeter device, wear behavior was observed. At the result of the experiments, the best laser hardened condition is 1200-1250 0C and 5 mm/s laser beam velocity for optimum hardness. The samples, which have 1250-1300 0C temperature process condition, are more resistant according to other lower temperatures. When the increasing temperature causes more resistant samples for impact sliding wear behavior.
Benzer Tezler
- Nitrasyon parametrelerinin sıcak iş takım çeliği darbeli kayma aşınma davranışına etkisi
The effect of nitration parameters on hot work tool steels impact sliding wear behaviour
BELDA AYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
- Dinamik çarpma problemlerinde malzeme seçiminin önemi
İmportance of the material selection in impact problems
REYHAN UYAN ÖZSOYSAL
- Yönlendirilmiş enerji biriktirme yöntemiyle 316l üretimi parametre optimizasyonu
Parameter optimization of 316l production with directed energy deposition method
ORKUN TEKELİOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DERYA DIŞPINAR
- Elektron ışın kaynağı ve otomotiv endüstrisindeki uygulamaları
Başlık çevirisi yok
ERCAN CİHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELAHATTİN ANIK
- Inconel 718 nikel alaşımının bilyalı dövme ve erozif aşınma davranışlarının incelenmesi
Investigation of the shot peening and erosive wear behavior of inconel 718 nickel alloy
ALİ ÇULHA
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Havacılık MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiHavacılık Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SİNAN FİDAN