Yüksek manganlı çeliklerde kaynak sonrası uygulanan ısıl işlem rejiminin kaynak özelliklerine olan etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of post-weld heat treatment regime on weld properties of high manganese steels
- Tez No: 964647
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET UYSAL, DOÇ. DR. UĞUR GÜROL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Sakarya Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 81
Özet
Yüksek manganlı içerikli çelikler tarihsel olarak gelişimleri 1882'de malzeme bilimcisi olarak kendinden söz ettiren İngiliz Robert Hadfield tarafından gelişimi sağlanması ile geliştirilmiştir. Bu yüksek mangan içeriğine sahip çeliklerin bir diğer adı Hadfield çeliği olarak da adlandırılır. Robert bu çeliğin mükemmel aşınma direncini fark ederek yüksek darbe direncine karşı koyabilme özellikleri üzerinde çalışmıştır. Bu yüksek manganlı çeliklerin ilk bulunması sonrası sürekli geliştirilerek özel çalışma ve uygulamalarda kullanımı ile devam etmiştir. Bu çeliklerin günümüz yıllarında önemli özellikleri sayesinde sürekli kendini yenilenerek günümüzde hala çeşitli çalışmalar ile geliştiğini görmekteyiz. Yüksek manganlı çelikler içerdiği alaşım yüzdesine göre 1`e 10 oranında mangan elementi eklenerek elde edilen çeliklerdir. Günümüzde, özellikle madencilik sektöründe yaygın olarak tercih edilen ve taş kırma sektörlerinde kullanımı olarak; taş kırıcı çeneleri, konik kırıcı parçaları ve değirmen astarları gibi sürekli darbe etkisi altında olan ekipmanlarda oldukça sık kullanılmaktadır. İnşaat ve iş makinelerinde, ekskavatör kepçeleri, paletli araçların yürüyüş takımları, kazıcı uçlar ve yükleyici bıçakları gibi ağır çalışma koşullarındaki parçalar yüksek manganlı çelikten üretilmektedir. İş çalışmalarında en önemli kullanımlarda olan bu çeliklerin çalışırken sertleşebilme özellikleri sayesinde oldukça özel çelikler olarak görülmektedir. Üretim esnasında sertlikleri yaklaşık 200 HB olmakta olup, çalışma koşullarında ise bu sertlik değeri 500 HB değerine kadar çıkmaktadır. Bu çeliklerin işlenmesi bir o kadar zor ve güçtür. Bunun nedeni ise yüksek manganlı çeliklerin tornalama işlemi esnasında hızla ısınması sayesinde işlenen malzemenin sertleşmesidir. İşleme takımlarının bu çelikleri işlemesi sonucu kolay aşınması ile oldukça karşılaşılmaktadır. Bu çelikler için yavaş tornalama ve su verme işlemi ile işlenmesi esnasında sertleşmesinin önüne geçilebilmektedir. Ayrıca çeliğe alaşım elementi olaraktan mangan ilave edilmesiyle, üstün darbe dayanımı ve aşınma direnci gibi özellikler kazandırılarak mekanik performansı artırılmakla beraber servis ömrü uzatılmaktadır. Bu çeliklere karbon ilavesi ortalama %1 ile %1,4 oranında içermesi ile malzemede sertlik artışına neden olduğu gibi aşınma direncinde artışa sebep olmaktadır. Yüksek manganlı çeliklerde düşük yük koşullarında kullanıldığı ya da daha yüksek aşınma direncinin istenmesi durumlarda, bu çeliklere %1 ile %2,5 oranında krom eklenmesi mümkündür. Krom elementi yüksek manganlı çeliklerde ortalama %1 ile %1,25 oranında içermesi ile aşınma direncini ve korozyon direncini iyileştirmektedir. Ayrıca krom ilavesi yüksek manganlı çeliklerde karbür oluşumunu desteklemesi sonucu yüzeyde sertleştirmeye yol açmaktadır. Molibden alaşım elementinin ilavesi sonucunda bu çeliklerde zaten çalışma sonucu ısınan çelikler olduğundan yüksek sıcaklıklarda dayanımı ve aşınma direncini artırmaktadır. Nikel elementinin bu çeliklerde görevinin soğuk durumlarda kırılganlık olayını engellediği gibi tokluk değerinide artırmaktadır. Sonuç olarak yüksek manganlı çeliklere alaşım elementlerinin ilavesi sayesinde çalışma koşullarında mangan ile beraber daha uygun hale getirmektedirler. Dökülen kaynak plakalar 350x310x50 mm boyutlarında kum kalıp ile kalıplanarak döküm işlemi gerçekleşmiştir. Bu çalışmada, yüksek mangan içeriğine sahip 12-14 manganlı test plakalarının kaynak işlemine tabi tutulmasının ardından, uygulanan ısıl işlemin mikroyapı ve mekanik özellikler üzerindeki etkileri incelenmiştir. Yüksek manganlı çeliklerde kaynak işleminin uygulanması, uygulama esnasında dikkatli bir yaklaşım ve teknik malzeme bilgisi gerektiren karışık bir prosestir. Bu tür çelikler her ne kadar kaynakla birleştirilebilse de, geleneksel karbon çeliklerine karşı kıyasla kaynak işlemleri daha zorlu durumlar altında gerçekleştirilir. Bu zorlukların temelinde, çeliğin yüksek oranda mangan ve karbon içermesi yatmaktadır; çünkü bu alaşım bileşimi, kaynak esnasında ya da sonrasında istenmeyen etkiler yaratabilir. Özellikle kaynak birleşim bölgesinde çatlak hatasının oluşması, tanelerin yapısında tane büyümesi ve çeliğin mekanik bakımından özelliklerinde istenmeyen değişik oluşumlar meydana gelme durumu oldukça ihtimal dahilindedir. Bu nedenle kaynak işlemi, uygun yöntemler, kaynak malzemesi ve yüksek ısı kontrolüne karşı dikkatle uygulanması gerekir. Araştırma kapsamında, yüksek manganlı test plakalarına V tipi olacak şekilde 30° açı ile kaynak ağızları tornalama tezgahında açılmıştır. Daha sonra kaynak plakasının kimyasal bileşimi ile birebirine yakın ve mekanik özellikler bakımından uyumlu, paslanmaz östenitik özelliklere sahip ELOX 307 R tipi GEKA marka elektrot kullanılarak uygun kaynak parametreleri altında kaynak işlemi gerçekleştirilmiştir. Kaynak işlemi süresince, her bir paso atılırken sürelere dikkat edilmiştir. Isı girdisi, kaynak sırasında kontrol altında tutulmuş ve tüm işlem boyunca el lazer aleti ile sıcaklık ölçümleri yapılmıştır. Kaynak işlemi boyunca bu parametrelere dikkat edilmesi sayesinde plakanın yüksek ısıdan çarpılmasının önüne geçilmiştir. Yine yüksek ısıdan haz bölgesinin yüksek karbür oluşumları sebebiyle kaynak dikişinde kırılmalar meydana gelmesinin önüne geçilmiştir. Bir diğer unsur ise uygun elektrot uygulanması parça ile elektrot malzemesinin birleşimi konusunda oldukça verimli olması ve tam nüfuziyet için önemli bir durumdur. Kaynak işlemi uygulanmasının ardından çözelti sertleşmesi uygulanacak ve uygulanmadan test edilecek plakaların kaynaklarında bulunan kabukların taş motoru ile tesviye edilmiştir. Tesviye işleminin ardından tahribatsız muayene yöntemlerinden penetrant testi uygulanmıştır. Penetrant muayene sonucunda kaynak işleminde herhangi bir nüfuziyetsizlik, çatlak veya gözenek hatalarına rastlanmamıştır. Bir diğer tahribatsız muayene işlemi olan Radyografik muayene uygulanarak bu test sonucunda film değerlendirilmesinde herhangi bir hata görülmemiştir. Bunun sonucunda en temel testlerin uygulanması ile diğer mekanik testlerden sağlıklı sonuç elde etmek açısından oldukça önemlidir. Çalışma kapsamında hazırlanan iki adet kaynaklı test parçasından biri, kaynak sonrası 1080 °C sıcaklıkta belirli bir süre boyunca çözelti sertleşmesi ısıl işlemine tabi tutulmuş, diğer test plakası ise kaynak işlemi sonrası çözelti sertleşme ısıl işlemi uygulanmadan mikro, makro ve mekanik test sonuçları olarak değerlendirilmiştir. Uygulanan ısıl işlemin, kaynak bölgesinde meydana gelen Makro ve mikroyapısal değişiklikler ile mekanik özellikler üzerindeki etkisi sayesinde her iki kaynak plakası arasında karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. Bu amaçla, test plakalarından alınan numuneler üzerinde çekme testi, eğme testi, çentik darbe testi, vickers sertlik ölçümü gibi mekanik testler ile birlikte makro ve mikroyapı analizleri gerçekleştirilmiştir. Numuneler, ilgili ulusal ve uluslararası standartlara uygun olarak hazırlanmış ve testler bu standartlar doğrultusunda detaylı şekilde uygulanmıştır. Makro ve mikro yapı testleri yapılmadan önce numunelerde en iyi durumda görüntülerin alınabilmesi için laboratuvar ortamında bakalit öncesi kesme cihazı ile numuneler çıkarılmıştır. Çıkarılan numunelere 20 kN basınç ile 180℃ de 15 dakika boyunca bakalit alma işlemi uygulanmıştır. Bakalit işleminin ardından numunelerin yüzeylerinde görüntü alınmasına engel olan kesimden kaynaklı çapak, çizik ve oksit tabakasından kurtulmak için ince taneli zımparadan kalın taneli kağıtlar ile zımparalama işlemi uygulanmıştır. Dağlama işlemi numunelerin görüntülerini parlatılan yüzeylerindeki yansımaların sayesinde alınan görüntü alma işlemdir. Dağlama işleminde %4'lük HNO3 çözelti karışımı uygulanarak sağlıklı görüntüler elde edilmiştir. Testlerden elde edilen bulgular ile yüksek manganlı çeliklerin kaynak işlemine verdiği tepkinin, uygulanan ısıl işlemle birlikte nasıl değiştiğini ortaya koymaktadır. Çözelti sertleşmesi işleminin, malzemenin mikroyapısal dönüşümlerinde kaynak metalinin haz bölgesi ile malzeme birleşiminde karbür ihtivalarının oluşumunu göstermektedir. Bu olay yapıda istenmediğimiz bir durumdur. Sonucunda mekanik özellikleri ve sonuçları üzerindeki etkilerini açıklamaya olanak sağlamaktadır. Özellikle kaynak sonrası oluşabilecek iç gerilmelerin, belirli sıcaklıkta yapılan ısıl işlemle nasıl minimize edilebildiği ve bu işlemin çeliğin servis ömrü ile aşınma dayanımı özelliklerine karşı katkısının olduğu gibi ayrıca karşılaştırmalı sonuçlar üzerinden değerlendirilmiştir. Çekme dayanımını 581 Mpa`dan 777 Mpa olarak % uzama dayanımını ise %14 den %28 e kadar çıkardığı görülmektedir. Karbür oluşumların tokluk değerini düşüreceği için çekme testi sonucundaki uzama dayanımlarını da düşüreceği düşünülmektedir. Sonuçlar üzerinde elde edilen akma değeri %3 artarak 411 Mpa'ya çıkmıştır. Çekme değeri ise %34 artarak ve yine uzama dayanımı ise %100 artarak çekme test deneyinin uygun şekilde boyun vererek uzamasının istenile şekilde olduğunu göstermektedir. Bu durum sonucunda kaynak işleme sonrası çözelti sertleşme ısıl işlemi uygulanmayan kaynak plakasında çekme sonuçlarına göre yorumlarsak haz bölgesinde oluşan karbürlerin akma ve uzama değerlerinde ki sonuçlar ısıl işlemli sonuçlara göre yapının kırılgan olduğu ve kopmanın erken gerçekleştirdiğini göstermektedir. Sertlik sonuçlarında ise ısıl işlem sonrası plaklar arasındaki fark 54 HV olduğu yani %20 sertliğin daha düştüğünü görmekteyiz. Burada haz bölgesindeki sertlik değerlerinin çözelti sertleşme ısıl işlemi sonrasında karbür ihtivaların çözünmesi ile düşüş meydana geldiğini ispatlamaktadır. Eğme testi sonuçlarına göre ısıl işlem uygulanan ve uygulanmayan iki kaynak plakasının numuneleri bu deneyden başarı ile geçmiştir. Çentik darbe sonuçlarında ise kaynak işleminden sonra çözelti sertleşme ısıl işlemi uygulanmayan numunenin haz bölgesindeki darbe tokluk değeri 90 joule gelmiştir. Bu durum çeliğin özelliğini düşürdüğünü hatta özelliğini kaybetmesini neden olduğunu göstermektedir. Çözelti sertleşme ısıl işlemi uygulanan kaynak plakasından alınan çentik numunesinin darbe tokluğunun değeri 217 joule olması sonucu %241 artışla yüksek mangalı çelikler için öngörülen ortalama tokluk darbe değeri olan 180-250 joule arasında yer alması bu ısıl işlemin etkisinin önemini göstermektedir. Bu çalışmada yüksek manganlı çeliğin kaynak işleminden sonra ısıl işlem uygulanması ile eski çentik değerlerine gelerek mükemmel özelliğini tekrar kazandığını ortaya koymuştur. Sonuç olarak kaynak işleminde yüksek ısı girdisinden etkilenen plakanın haz bölgesinde oluşan karbürlerin dağılması ile mükemmel özelliklerde olan yüksek manganlı çeliklerin mekanik olarak özelliklerinde kırılganlık ve aşınma dayanımına olumsuz etkilerinin olduğu görülmektedir. Çözelti sertleşme ısıl işlemi ile haz bölgesindeki karbür birikintilerinin yapıdan tamamen çözüldüğü mikroyapıda görülmüştür.
Özet (Çeviri)
Steels with high manganese content were historically developed in 1882 by Robert Hadfield, an Englishman who made a name for himself as a materials scientist. These high manganese steels are also known as Hadfield steel. Robert recognized the excellent wear resistance of this steel and worked on its ability to withstand high impact resistance. After the first discovery of these high manganese steels, they have been continuously developed and used in special studies and applications. Thanks to the important properties of these steels in today's years, we see that these steels are constantly renewing themselves and still developing with various studies today. High manganese steels are steels obtained by adding manganese element at a ratio of 1 to 10 according to the alloy percentage it contains. Nowadays, it is widely preferred especially in the mining sector and is used in stone crushing sectors; It is widely used in equipment that is under continuous impact such as stone crusher jaws, cone crusher parts and mill linings. In construction and construction machinery, parts in heavy working conditions such as excavator buckets, tracked vehicles, backhoe bits and loader blades are produced from high manganese steel. These steels, which are in the most important uses in business studies, are seen as very special steels thanks to their hardenability while working. During production, their hardness is approximately 200 HB, and this hardness value increases up to 500 HB under working conditions. Machining of these steels is very difficult and challenging. The reason for this is the hardening of the processed material due to the rapid heating of high manganese steels during the turning process. It is quite common for machining tools to wear easily as a result of machining these steels. For these steels, hardening during machining can be prevented by slow turning and quenching. In addition, by adding manganese as an alloying element to the steel, its mechanical performance is increased and its service life is extended by providing properties such as superior impact strength and wear resistance. The addition of carbon to these steels causes an increase in hardness as well as wear resistance in the material with an average content of 1% to 1.4%. In cases where high manganese steels are used under low load conditions or where higher wear resistance is desired, it is possible to add 1% to 2.5% chromium to these steels. The chromium element improves wear resistance and corrosion resistance in high manganese steels with an average content of 1% to 1.25%. In addition, the addition of chromium promotes the formation of carbides in high manganese steels, leading to surface hardening. The addition of molybdenum alloying element increases the strength and wear resistance at high temperatures as a result of the addition of molybdenum alloying element, since these steels are steels that are already heated as a result of working. The role of the nickel element in these steels prevents brittleness in cold conditions and increases the toughness value. As a result, the addition of alloying elements to high manganese steels makes them more suitable with manganese in working conditions. The cast welded plates were molded with a sand mold with dimensions of 350x310x50 mm. In this study, the effects of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of 12-14 manganese test plates with high manganese content after welding were investigated. The application of welding to high manganese steels is a complex process that requires a careful approach and technical material knowledge during the application. Although such steels can be joined by welding, welding operations are carried out under more challenging conditions compared to conventional carbon steels. These challenges are based on the high manganese and carbon content of the steel, as this alloy composition can produce undesirable effects during or after welding. In particular, crack failure in the weld joint area, grain growth in the grain structure and undesirable changes in the mechanical properties of the steel are highly probable. For this reason, the welding process must be carefully applied against appropriate methods, welding material and high temperature control. Within the scope of the research, V-type welds were made on high manganese test plates at an angle of 30° on a turning machine. Then, the welding process was carried out under appropriate welding parameters using ELOX 307 R type GEKA brand electrode with stainless austenitic properties, which is close to the chemical composition of the weld plate and compatible in terms of mechanical properties. During the welding process, attention was paid to the timing of each pass. Heat input was kept under control during welding and temperature measurements were made with a handheld laser tool throughout the entire process. By paying attention to these parameters during the welding process, high heat distortion of the plate was prevented. Also, fractures in the weld seam due to high carbide formation in the hazard zone due to high temperature were prevented. Another factor is that the application of the appropriate electrode is very efficient in the combination of the part and the electrode material and is an important condition for full penetration. After the welding process was applied, the shells on the welds of the plates to be tested with and without solution hardening were leveled with a stone engine. After the leveling process, penetrant test, one of the non-destructive testing methods, was applied. As a result of the penetrant test, no non-penetration, crack or pore defects were found in the welding process. Radiographic examination, another non-destructive testing process, was applied and no defects were observed in the film evaluation as a result of this test. As a result, it is very important to apply the most basic tests in order to obtain healthy results from other mechanical tests. One of the two welded test pieces prepared within the scope of the study was subjected to solution hardening heat treatment at 1080 °C for a certain period of time after welding, while the other test plate was evaluated as micro, macro and mechanical test results without solution hardening heat treatment after welding. The effect of the applied heat treatment on the macro and microstructural changes in the weld zone and on the mechanical properties was analyzed comparatively between both weld plates. For this purpose, mechanical tests such as tensile test, flexure test, notch impact test, vickers hardness measurement as well as macro and microstructure analysis were performed on the samples taken from the test plates. The specimens were prepared in accordance with the relevant national and international standards and the tests were performed in detail in accordance with these standards. Before the macro and microstructure tests were performed, the specimens were removed with a pre-bakelite cutting device in the laboratory environment in order to obtain the best condition images of the specimens. Bakelite removal process was applied to the removed specimens with 20 kN pressure at 180℃ for 15 minutes. After the bakelite process, sanding process was applied with fine-grained sandpaper and coarse-grained paper to get rid of burrs, scratches and oxide layer on the surfaces of the samples that prevent image acquisition. Etching is an image acquisition process in which the images of the samples are taken by the reflections on the polished surfaces. Healthy images were obtained by applying 4% HNO3 solution mixture in the etching process. The findings obtained from the tests reveal how the response of high manganese steels to the welding process changes with the heat treatment applied. The solution hardening process shows the formation of carbide inclusions at the junction of the material with the haze zone of the weld metal in the microstructural transformations of the material. This phenomenon is undesirable in the structure. As a result, it allows to explain the effects on mechanical properties and results. In particular, how the internal stresses that may occur after welding can be minimized by heat treatment at a certain temperature and the contribution of this process to the service life and wear resistance properties of steel are also evaluated through comparative results. It is seen that the tensile strength increased from 581 Mpa to 777 Mpa and the elongation strength increased from 14% to 28%. Since carbide formations will decrease the toughness value, it is thought to decrease the elongation strengths in the tensile test result. The yield value obtained on the results increased by 3% to 411 Mpa. The tensile value increased by 34% and the elongation strength increased by 100%, indicating that the elongation of the tensile test experiment is in the desired way by giving the appropriate neck. As a result of this situation, if we interpret the tensile results of the weld plate without solution hardening heat treatment after welding, the results in the yield and elongation values of the carbides formed in the haze zone show that the structure is brittle and the rupture occurs early compared to the heat treated results. In the hardness results, the difference between the plates after heat treatment is 54 HV, that is, we see that the hardness decreased by 20%. This proves that the hardness values in the haze region decreased after the solution hardening heat treatment due to the dissolution of the carbide resins. According to the results of the bending test, the specimens of the two weld plates with and without heat treatment passed this test successfully. In the notch impact results, the impact toughness value in the haze zone of the sample without solution hardening heat treatment after the welding process was 90 joules. This situation shows that it reduces the properties of steel and even causes it to lose its properties. The impact toughness value of the notch sample taken from the weld plate with solution hardening heat treatment is 217 joules, which is between 180-250 joules, which is the average toughness impact value predicted for high manganese steels with an increase of 241%, which shows the importance of the effect of this heat treatment. In this study, it was revealed that the high manganese steel regained its excellent properties by coming back to the old notch values with the application of heat treatment after the welding process. As a result, it is seen that the disintegration of carbides formed in the haze region of the plate affected by high heat input in the welding process has negative effects on the mechanical properties of high manganese steels with excellent properties, brittleness and wear resistance. It was seen in the microstructure that the carbide deposits in the haz zone were completely dissolved from the structure with the solution hardening heat treatment.
Benzer Tezler
- Çeşitli dolgu metallerinin yüksek mangan çelikleri üzerindeki etkilerinin incelenmesi
Examining the different effects of filler metals on high manganese steels
HAKKI ORKUN KARAAHMETOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Makine MühendisliğiOndokuz Mayıs ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BAŞAK MESCİ OKTAY
- Yük vagonu imalatında x120mn12 çeliği yerine Hardox 550 çeliğinin kullanılmasının aşınma davranışı ve kaynak edilebilirlik üzerine etkisinin araştırılması
Investigation of the effect of using Hardox 550 steel in place of x120mn12 steel on wear behavior and weldability in manufacturing of freight wagon
OĞUZHAN ATLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiOndokuz Mayıs ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KEMAL YILDIZLI
- Yüksek manganlı çeliklerde alaşım elementlerinin mekanik özelliklere etkisi
Effect of alloying elements on the mechani̇cal properties of high-manganese steels
İSMAİL KANKAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Metalurji MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET UYSAL
DOÇ. DR. UĞUR GÜROL
- Östenitleme sıcaklığı ve alaşım oranlarının yüksek manganlı çeliklerin mekanik özelliklerine etkisi
Effect of austenization and alloy ratios on mechanical properties of high manganese steels
HAKAN YILDIRIM
Doktora
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiHitit ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MUHAMMED EMİN ERDİN
- Hadfield çeliklerine uygulanan farklı çökelme sertleşmesi sıcaklıklarının mikro yapı ve mekanik özelliklere olan etkisinin incelenmesi
Effect of different precipication hardening temperature on microstructural and mechanical properties of Hadfield steels
FARUK ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET UYSAL
DR. ÖĞR. ÜYESİ UĞUR GÜROL