Düşük yoğunluklu yeni bir çelik kalitesi ve alaşım kompozisyonu geliştirilmesi = The design of a new grade of low density steel and alloy composition

Abstract

Bu tez çalışmasında, düşük yoğunluklu çeliklerin katılaşma yapısı incelenerek 3 farklı yeni alaşım tasarımı belirlenmiş ve belirlenen alaşımların vakum indüksiyon ergitme fırınında dökümleri gerçekleştirilmiştir. Döküm sonrası ingot parçalardan numuneler kesilerek, makro dağlama prosesine tabi tutulmuştur. Akabinde her tablet numune için 3 farklı bölge belirlenmiştir. Bu bölgelerin OES ve ICP yaş analiz tekniğiyle kimyasal kompozisyonları belirlenmiş, döküm esnasında elde edilen kimyasal kompozisyonlar ile karşılaştırılmıştır. Kusur göstermeyen bölgelerden alınan numunelere, metalografik numune hazırlama işlemleri uygulanmıştır. Hazırlanan numunelerin optik mikroskopta mikroyapıları belirlenmiştir ve mikrosertlik/darbe dayanım değerleri ölçülmüştür. Dökümlerin mikrosertlik değerleri incelendiğinde, dendritik katılaşmanın ve eş eksenli tanelerin olduğu bölgelerde sertlik dağılımının homojen seyrettiği, orta alaşımlı dökümün (V025) diğer dökümlere kıyasla mikrosertlik değerleri arasında varyasyonun yüksek olduğu tespit edilmiştir. Darbe dayanım değerlerine göre; yüksek alüminyum içerikli döküm (V027) ortalama 2,1 J ile en düşük darbe dayanımına sahip iken, düşük alüminyum içerikli döküm (V024) ortalama 7,03 J darbe dayanımına sahiptir. Numunelerin darbe dayanımları göz önüne alındığında alüminyum oranı arttıkça darbe dayanım değerlerinin azaldığı gözlemlenmiştir. Segregasyon indeksinin 0.95-1.05 aralığında olması istenmektedir. Literatürle ve elde edilen sonuçlar arasında iyi bir uyumun olduğu gözlenmiştir. ThermoCalc ile birlikte her bir döküm için Fe-C denge diyagramları, J-Mat Pro ile birlikte CCT diyagramları, FactSage ile katılaşma yapısı diyagramları oluşturulmuş ve teorik yoğunluk hesabı yapılmıştır. Yoğunluklar sırasıyla 6.47, 6.30 ve 5.81 g/cm3 olarak hesaplanmıştır. Ayrıca ingot parçalardan kesilen numunelerde gözle görülebilen kusurlar oluşmuş ve kusurlu bölgelerden numune alınmıştır. Bu numuneler önce makro incelenmiş sonrasında optik mikroskop ve SEM/EDS incelemesi yapılmıştır. İncelemeler sonrası numuneler üzerinde oluşan kusurların döküm kaynaklı kusurlar olduğu tespit edilmiştir. Düşük alaşımlı tasarımda (V024) döküm boşluğu görülmemiştir ancak dendritik yapının yoğun olduğu tespit edilmiştir. Orta alaşımlı tasarımda (V025) ise eş eksenli tanelerin yoğunlukta olduğu fakat döküm boşluğunun tek bir noktada ve derin olduğu görülmüştür. Yüksek alaşımlı tasarımda (V027(ise kusurun dağınık ve yüzeysel olduğu, eş eksenli ve dendritik yapının bir arada olduğu görülmüştür. Bu çalışmada; düşük yoğunluklu çelik kalitesinde ideal döküm yapısının elde edilmesi, kimyasal homojenizasyon sağlanması ve element etkisinin incelenmesine yönelik çıktılar ortaya konulmuştur.

In this thesis, 3 different alloy designs were determined by examining the solidification structure of low-density steels and the casting of the determined alloys was carried out in the vacuum induction melting furnace. After castings, the samples were cut from the ingot parts and subjected to the macro etching process. Subsequently, 3 different regions were determined for each tablet sample. The chemical compositions of these regions were determined by OES and ICP wet analysis techniques, compared with the chemical compositions obtained during casting. Metallographic sample preparation processes were applied to the samples taken from the areas that did not show any defects. Microstructures of the prepared samples were determined by optical microscope and microhardness/impact strength values were measured. It was determined that the hardness distribution was homogeneous in the regions with dendritic solidification and equiaxed grains, and the variation between the microhardness values of the medium alloy casting (V025) was higher compared to the other castings. Casting with high aluminum content (V027) has the lowest impact strength with an average of 2.1 J, while casting with low aluminum content (V024) has an average impact strength of 7.03 J. Considering the impact strength of the samples, it was observed that the impact strength values decreased as the aluminum ratio increased. The segregation index is required to be in the range of 0.95-1.05. A good agreement was observed between the literature and the results obtained. Fe-C balance diagrams were created for each casting with ThermoCalc, CCT diagrams with J-Mat Pro, solidification structure diagrams and theorical density values with FactSage. Densities were calculated as 6.47, 6.30 and 5.81 g/cm3 respectively. In addition, visible defects occurred in the samples cut from ingot pieces and samples were taken from the defective areas. These samples were first examined macro, then optical microscope and SEM/EDS examination were made. After the examinations, it was determined that the defects on the samples were due to casting defects. No casting void was observed in the low alloy design (V024), but the dendritic structure was found to be dense. In the medium alloy design (V025), it was observed that the equiaxed grains were dense, but the casting cavity was deep at a single point. In the high alloy design (V027), it was observed that the defect was scattered and superficial, and the coaxial and dendritic structure were together. In this study; obtaining the ideal casting structure in low density steel quality, providing chemical homogenization and examining the elemental effect were presented.