Debriyaj aksamı (guiding tube) üretiminde kullanılan dikişsiz boru kalitelerinin tokluk davranışının uygulanan nitrokarbürleme ısıl işlemi ile ilişkisi
The relationship between toughness behaviour and nitrocarburizing heat treatment of seamless pipe grades used in the manufacturing of clutch assembly (guiding tube )
Yazar: GÜRKAN ŞEN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA KELAMİ ŞEŞEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Günümüz otomotiv sektöründe içten yanmalı motorlardan tahrik alan otomobiller sektörde önemli bir paya sahiptir. Bu motorlar belirli bir devirin altında çalışmadıklarından, hız ve moment dönüştüren mekanizmalara ihtiyaç duyulur. Talep edilen bu moment ve kuvvetin uygun motor devirlerinde karşılanabilmesi için de vites kutusuna ihtiyaç duyulmaktadır. Motordan gelen gücün ve momentin vites kutusuna aktarılması, vites değişimlerinde iletilen hareketin kesilmesi ve daha sonrasından yeniden bağlantının kurulmasını sağlayan sisteme ise debriyaj sistemi denmektedir.
Debriyaj sistemi, motordan gelen momenti ve hareketi düzgünleştirir. Diğer bir görev olarak da titreşimi sönümler ve bu doğrultuda da konforu arttırır. Bahsedilen bu durumlardan dolayı debriyaj sistemi otomobil içerisine oldukça önemli bir sistemdir. Genel olarak debriyaj sisteminin aracın konforuna, performansına ve yakıt tüketimine doğrudan etkisi vardır.
Otomobillerin debriyaj aksamlarında alt komponent olarak kullanılan birçok parça mevcuttur. Bu parçalardan biri de Guiding Tube olarak tanımlanan parçadır. Guiding tube parçası, debriyaj aksamında vites değiştirme yani debriyaj pedalına basma ve çekme anında hareketin sorunsuzca, herhangi bir yere temas etmeden hidrolik yağ ile beraber kolayca gerçekleşmesine yardımcı olan bir parçadır. Debriyaj aksamında kullanıldıkları yer doğrultusunda geometrik yapılarından dolayı guiding tube parçası çelik borulardan üretilmektedir. Tube parçası CNC makinalarda talaşlı imalat yöntemi ile üretilmekte olup daha sonrasında talaşlı imalat operasyonuna devam eden ek operasyonlar ile birlikte bitmiş ürün halini almaktadır. Guiding tube parçası debriyaj aksamında kullanıldığı yer nedeniyle tok olmalıdır. Kullanıldığı yerdeki etkilerinden dolayı tokluk ve yorulma dayanımına sahip olmalıdır. Ayrıca korozyona, sertliğe ve aşınma dayanımına da sahip olmalıdır. Bu özellikler uygun yüzey sertleştirme işlemleri ile sağlanabilir. En yaygın kullanılan işlem nitrokarbürleme prosesidir.
Nitrokarbürleme prosesi, mühendislik malzemelerinin aşınma dayanımını, korozyon ve yorulma dayanımını arttırmak için tercih edilen termokimyasal yöntemlerden biridir. Yüzeyde ε-Fe2-3(N, C) ve γ ́-Fe4(N, C) demir nitrokarbürlerinden oluşan bir beyaz tabaka mevcuttur. Bu beyaz tabakanın altında ise alaşım nitrokarbürlerinin olduğu difüzyon tabakası mevcuttur. Nitrokarbürleme prosesinde yüzeye azot atomu ile beraber karbon atomu da difüze edilir ve diğer termokimyasal yöntemlerden temel farkı budur.
Bu çalışmada ticaretinde St37 ve St52 simgeleri kullanılan P235 ve P355 ( TS EN 10216 ) ve EN 42CrMo4 ve 16MnCr5 kalitelerindeki dikişsiz borular kullanılmıştır. Dikişsiz boru numunelerine farklı proses ve farklı süre şartlarında gaz nitrokarbürleme prosesi uygulandıktan sonra farklı kalitede olan boruların tokluk yani kırılma davranışlarındaki durum incelenmiştir.
Kullanılan numunelerin dış çap ölçüleri 27 ± 0.08mm, iç çap ölçüleri ise 23.80 + 0.12mm'dir ve numuneler aynı tolerans aralıklarına sahiptir. Buradaki aynılık, herhangi bir ölçüsel değişikliğin özellikle et kalınlığı ölçüsünün borularda farklı davranışlara sebebiyet vermesini engellemek içindir.
Malzemelere nitrasyon fırınında üç farklı gaz nitrokarbürleme prosesi uygulanmıştır. Bu üç proses için, fırın numuneler de içerisindeyken öncelikle 380 °C sıcaklığa ısıtılmıştır. Bu sıcaklıkta 3 m3/saat hava debisi ile 45 dakika tutularak ön oksidasyon işlemi gerçekleştirilmiştir. Ardından nitrokarbürleme işlemi gerçekleştirilmiştir. Parçalar, nitrokarbürleme işleminden sonra aynı fırında 100 °C sıcaklığa kadar 2 m3 / saat debi ile azot yardımıyla soğutulmuştur. Uygulanmış olan prosesler ile alakalı detaylı bilgiler aşağıdaki tabloda verilmiştir.
bilgiler aşağıdaki tabloda verilmiştir.
Gaz nitrokarbürleme prosesi uygulanan numunelerin metalografik işlemleri kesme, bakalite alma, zımparalama, parlatma ve dağlama sırasıyla yapılmıştır ve numuneler sertlik ölçümüne, mikroyapı analizine hazır hale getirilmiştir. Sertlik ölçümleri mikro sertlik ölçüm cihazında, mikroyapı analizleri ise optik mikroskopta yapılmıştır. Metalografi için hazırlanan numuneler haricinde farklı kalitelerdeki borular son ürün halinde de kırılma testi için kullanılmıştır ve kırılma davranışları incelenmiştir.
Numunelerin yüzey sertlik ölçümleri HV0.05 yani 50 gram yük altında, 7 saniye bekleme süresinde Vickers uç batırılarak ölçülmüştür. Her bir numuneden en az 3 veri alınmış olup bulunan değerlerin aritmetik ortalamaları rapor edilmiştir. Ayrıca, numunelerin yüzey kısımlarından iç kısımlarına doğru sertlik değişimleri de HV0.05 yani 50 gram ile ölçüm alınan noktaların arası 0.05 mm olacak şekilde ölçülmüş olup raporlanmıştır. Çekirdek sertlikleri ise HV1 yani 1 kg yük altında ölçülmüştür. Yapılan sertlik ölçümleri sonucunda 3 farklı proses için de en yüksek yüzey sertliği 16MnCr5 kalite dikişsiz boruda, en yüksek çekirdek sertliği ise 42CrMo4 kalite dikişsiz boruda görülmüştür. Sertlik derinliği incelediğinde ise 5 saat süre ve 5 m3/saat NH3 debili proses için P235 kalite dikişsiz boruda efektif sertlik derinliği bulunmamıştır. P355 kalitede 0.34mm, 42CrMo4 kalitede 0.32mm, 16MnCr5 kalite olan dikişsiz boruda ise 0.36mm olarak görülmüştür. 5 saat süre ve 3 m3/saat NH3 debili proses için sertlik derinliği incelediğinde P235 kalite dikişsiz boruda efektif sertlik derinliği bulunmamıştır. P355 kalitede 0.33mm, 42CrMo4 kalitede 0.31mm, 16MnCr5 kalite olan dikişsiz boruda ise 0.34mm olarak görülmüştür. Son olarak 3 saat süre ve 3 m3/saat NH3 debili proses için sertlik derinliği incelediğinde de P235 kalite dikişsiz boruda efektif sertlik derinliği bulunmamıştır. P355 kalitede 0.27mm, 42CrMo4 kalitede 0.24mm, 16MnCr5 kalite olan dikişsiz boruda ise 0.23mm olarak görülmüştür.
Farklı koşullar altında gaz nitrokarbürleme prosesi yapılmış farklı kalitedeki dikişsiz çelik boru numunelerinin, dağlama işlemi sonrasında mikroyapıları optik mikroskopta incelenmiştir. Mikroyapı analizleri ham halleri için 100X ve 500X büyütmede, ısıl işlemli halleri ve beyaz tabaka incelemeleri ve ölçümü için ise 500X büyütmede incelenmiştir. Beyaz tabaka kalınlıkları incelediğinde 5 saat süre ve 5 m3/saat NH3 debili proses için P235 malzemede 22,59 μm, P355 malzemede 26,77 μm, 42CrMo4 malzemede 21,29 μm, 16MnCr5 malzemesinde ise 20,02 μm olarak görülmüştür. 5 saat süre ve 3 m3/saat NH3 debili proses için beyaz tabaka kalınlığı incelediğinde P235 malzemede 16,85 μm, P355 malzemede 18,66 μm, 42CrMo4 malzemede 19,48 μm, 16MnCr5 malzemesinde ise 19,06 μm olarak görülmüştür. Son olarak 3 saat süre ve 3 m3/saat NH3 debili proses için beyaz tabaka kalınlığı incelediğinde ise P235 malzemede 15,55 μm, P355 malzemede 13,20 μm, 42CrMo4 malzemede 16,03 μm, 16MnCr5 malzemesinde ise 15,88 μm olarak görülmüştür.
Öncelikle P235, P355, 16MnCr5 ve 42CrMo4 malzemelerin ham hallerinin kırılma davranışını tespit etmek için nitrokarbürleme ısıl işlemi yapılmadan yassıltma testi uygulanmıştır. Tüm malzemelerde TS EN ISO 8492 standardına göre uygulanan yassıltma testi sonucunda herhangi bir çatlak oluşumu gözlemlenmemiştir. 5 saat süre ile 5m3 NH3 debisi uygulanan parçalarda yassıltma testi esnasında sadece P235 kalite malzemede çatlak tespit edilmemiştir. 42CrMo4 ve 16MnCr5 kalite malzemelerde parça boyunca çatlak görülmüştür. P355 kalite malzemede ise bölgesel çatlak oluşumları tespit edilmiştir. 5 saat süre ile 5m3 NH3 debisi uygulanan parçalarda P235 ve P355 kalite malzemelerde 42CrMo4 ve 16MnCr5 kalite malzemelere göre daha kalın beyaz tabaka oluşmasına rağmen P235 kalite malzemede çatlak oluşmamıştır. P355 kalite malzemede ise bölgesel bazı çatlaklar tespit edilmiştir. Dolayısıyla beyaz tabaka oluşumu ile çatlak oluşumu arasında doğrudan bir ilişki tespit edilmemiştir. Yüzey sertlik değerleri irdelendiğinde ise P355 kalite malzemede 598 HV, 42CrMo4 kalite malzemede 657 HV ve 16MnCr5 kalite malzemede 728 HV değerine ulaşmıştır. Yüzey sertlik değerleri ile yassıltma testi sonuçları birlikte değerlendirildiğinde, artan yüzey sertliği değerleri ile kırılganlığın arttığı tespit edilmiştir. Dolayısıyla yüzey sertliği ve difüzyon bölgesindeki sertlik değerlerinin yükselmesi malzemenin kırılganlığını arttırmaktadır. NH3 debisinin 3m3'e indirilmesi ile P355 kalite malzemede azalan beyaz tabaka kalınlığı ve yüzey sertlik değerinin düşmesi ile, P355 kalite malzemede yapılan yassıltma testinde çatlak tespit edilmemiştir. Dolayısıyla NH3 debisinin düşürülmesi ile P235 ve P355 kalite malzemelerde çatlak görülmemiştir. 42CrMo4 ve 16MnCr5 kalite malzemelerde ise NH3 debisinin düşürülmesine rağmen yassıltma testlerinde parça boyunca çatlak görülmüştür. Bu sonuç, malzemelerdeki alaşım elementlerine bağlı olarak yüzey sertliğinin ve difüzyon bölgesindeki sertlik değerinin yüksek olmasından kaynaklandığı değerlendirilmektedir. Nitrokarbürleme prosesinde süre 5 saatten 3 saate düşürüldüğünde, P235 ve P355 kalite malzemede yassıltma testinde çatlak tespit edilmemiştir. Ancak yassıltma testinde çatlak, 42CrMo4 kalite malzemede numune boyunca bölgesel iken, 16MnCr5 kalite malzemede numunenin boyunun tamamında olmuştur. Proses süresi azaltıldığında efektif sertlik derinliğindeki düşüş en fazla 16MnCr5 kalite malzemede olmasına rağmen yassıltma testinde en fazla çatlak oluşumu da bu malzemede görülmektedir. Bunun en temel sebebi 16MnCr5 kalite malzemede yüzey sertlik değeri ve difüzyon bölgesi sertlik değerinin 5 saat süreli proseste olduğu gibi yüksek olmasıdır. 16MnCr5 malzemede karbon oranı 42CrMo4 malzemeye göre daha azdır. Karbon atomları gibi azot atomları da arayer atomudur.Bu iki sebepten dolayı azot atomu daha fazla difüze olabilecektir. Azot atomu daha fazla difüze olduğunda daha fazla nitrür ve daha sert bir tabaka oluşacaktır. Daha sert
bir tabaka oluşacağı için de en kırılgan malzemenin 16MnCr5 olduğu değerlendirilmektedir. 16MnCr5 ve 42CrMo4 kalite malzemeler kıyaslandığında, temper gevrekliği durumu ile karşı karşıya kalınmış olabileceği durumu değerlendirilmektedir. Temper gevrekliğinin oluşmasına P, Cr ve Mn gibi elementler daha fazla etki etmektedir. Her iki malzeme kıyaslandığında P ve Cr bileşimleri birbirlerine çok yakın değerlerdeyken 16MnCr5 malzemede Mn oranı daha fazladır. Ayrıca yapıda bulunan Mo elementi temper gevrekliğini önleyebilecek bir element olarak yapılarda kullanılmaktadır. Mo elementi 16MnCr5 malzemede 42CrMo4 malzemeye göre daha azdır. Bu sebeplerden dolayı 16MnCr5 malzemede temper gevrekliği durumundan dolayı bu malzemenin daha çok kırıldığı değerlendirilmektedir.
Bu sonuçlara göre çatlak oluşumunu etkileyen en belirgin değişkenlerin alaşım elementleri olduğu değerlendirilmektedir. Süreyi ve debiyi azaltarak yapılan nitrokarbürleme prosesindeki iyileştirmeler genel olarak yassıltma testindeki çatlama hasarını azaltmasına rağmen 16MnCr5 kalite malzemede en yüksek sertlik değerlerine sahip olması nedeni ile yassıltma testinde çatlak oluşumunda iyileşme sağlanamamıştır.

Abstract:
In today's automotive industry, cars driven by internal combustion engines have an important share in the industry. Since these motors do not operate below a certain speed, mechanisms that convert speed and torque are needed. A gearbox is also needed in order to meet this demanded torque and force at appropriate engine speeds. The clutch system is the system that transfers the power and torque from the engine to the gearbox, interrupts the transmitted motion during gear changes, and then reconnects.
The clutch system smoothes out the torque and movement from the engine. As another task, it dampens vibration and increases comfort in this direction. Due to these situations, the clutch system is a very important system in the automobile. In general, the clutch system has a direct effect on the comfort, performance and fuel consumption of the vehicle.
There are many parts used as sub-components in the clutch parts of automobiles. One of these parts is the part defined as the Guiding Tube. Guiding tube part is a part of the clutch assembly that helps the movement to take place smoothly, without touching anywhere, together with hydraulic oil, at the moment of shifting, that is, pressing and pulling the clutch pedal. The guiding tube part is produced from steel pipes due to their geometric structure in the direction of the place where they are used in the clutch assembly. The tube part is produced in CNC machines with the machining method, and then it becomes a finished product with additional operations that continue the machining operation. The guiding tube part must be tough due to the place where it is used in the clutch assembly. It should have toughness and fatigue strength due to its effects on the place of use. It should also have corrosion, hardness and wear resistance. These properties can be achieved by suitable surface hardening processes. The most widely used process is the nitrocarburizing process.
Nitrocarburizing process is one of the preferred thermochemical methods to increase the wear resistance, corrosion and fatigue resistance of engineering materials. There is a white layer consisting of ε-Fe2-3(N, C) and γ ́-Fe4(N, C) iron nitrocarbides is on the surface. Under this white layer, there is a diffusion layer with alloy nitrocarbides. In the nitrocarburizing process, the nitrogen atom is diffused to the surface along with the carbon atom, and this is the main difference from other thermochemical methods.
In this study, seamless pipes of P235 and P355 ( TS EN 10216) and EN 42CrMo4 and 16MnCr5 grades with St37 and St52 symbols were used. After the gas nitrocarburizing process was applied to the seamless pipe samples in different processes and different time conditions, the toughness, ie fracture behavior of the pipes of different quality was investigated.
The outer diameter dimensions of the samples used are 27 ± 0.08mm, the inner diameters are 23.80 + 0.12mm, and the samples have the same tolerance ranges. The sameness here is to prevent any dimensional change, especially the wall thickness measurement, from causing different behavior in the pipes.
Three different gas nitrocarburizing processes were applied to the materials in the nitriding furnace. For these three processes, the furnace was first heated to 380 °C while the samples were inside. Pre-oxidation process was carried out by keeping it at this temperature for 45 minutes with an air flow rate of 3 m3/hour. The nitrocarburizing process was then carried out. After the nitrocarburizing process, the parts were cooled in the same furnace up to 100 °C with a flow rate of 2 m3 / hour with the help of nitrogen. Detailed information about the processes applied is given in the table below.
The metallographic processes of the samples applied gas nitrocarburizing process were performed in the order of cutting, bakalite operation, grinding, polishing and etching and the samples were prepared for hardness measurement and microstructure analysis. Hardness measurements were made with a micro hardness tester, and microstructural analyzes were made using an optical microscope. Apart from the samples prepared for metallography, pipes of different qualities were also used for fracture testing as the final product and their fracture behavior was investigated.
Surface hardness measurements of the samples were measured by under HV0.05 ( 50 grams ) load, 7 seconds dwell time with vickers tip. At least 3 data were taken from each sample and the arithmetic means of the values were reported. In addition, hardness changes of the parts from surface to core measured with HV0.05, that is, 50 grams, and the distance between the measured points was measured and reported. Core hardness was measured under HV1, ie 1 kg load. As a result of the hardness measurements, the highest surface hardness was seen in the seamless pipe from 16MnCr5 steel and the highest core hardness in the seamless pipe from 42CrMo4 steel for 3 different processes. When the hardness depth is examined, no effective hardness depth was found in the P235 steel for the process with 5 hours time and 5 m3/hour NH3 flow rate. It is 0.34mm in P355 steel, 0.32mm in 42CrMo4 steel, and 0.36mm in seamless pipe made of 16MnCr5 steel. When the hardness depth is examined for the process with 5 hours time and 3 m3/hour NH3 flow rate, no effective hardness depth was found in P235 steel. It is 0.33mm in P355 steel, 0.31mm in 42CrMo4 steel, and 0.34mm in seamless pipe made of 16MnCr5 steel. Finally, when the hardness depth is examined for the process with 3 hours of time and 3 m3/hour NH3 flow, no effective hardness depth was found in P235 steel. 0.27mm in P355 steel, 0.24mm in 42CrMo4 steel, and 0.23mm in seamless pipe made of 16MnCr5 steel.
Under the different conditions, gas nitrocarburizing process was carried out, different quality seamless steel pipe samples, after metallographic preparation and etching, microstructures were examined under optical microscope. Microstructural analyzes were examined at 100X and 500X magnifications for raw forms and at 500X magnification for heat treated states and white layer examination and measurement. When the white layer thicknesses are examined, it is seen that it is 22.59 μm in P235 material, 26.77 μm in P355 material, 21.29 μm in 42CrMo4 material, and 20.02 μm in 16MnCr5 material for the process with 5 hours and 5 m3/hour NH3 flow rate. When the white layer thickness is examined for the process with 5 hours time and 3 m3/hour NH3 flow rate, it is seen that it is 16.85 μm in P235 material, 18.66 μm in P355 material, 19.48 μm in 42CrMo4 material, and 19.06 μm in 16MnCr5 material. Finally, when the white layer thickness is examined for the process with 3 m3/h NH3 flow rate for 3 hours, it is seen that it is 15.55 μm in P235 material, 13.20 μm in P355 material, 16.03 μm in 42CrMo4 material, and 15.88 μm in 16MnCr5 material.
First of all, the flattening test was applied without nitrocarburizing heat treatment to determine the fracture behavior of the raw materials of P235, P355, 16MnCr5 and 42CrMo4. No crack formation was observed as a result of the flattening test applied in accordance with the TS EN ISO 8492 standard on all materials. During the flattening test, no cracks were detected in only P235 quality material on the parts that were applied 5m3 NH3 flow rate for 5 hours. Cracks were observed throughout the part in 42CrMo4 and 16MnCr5 quality materials. Regional crack formations were detected in P355 quality material. Although a thicker white layer was formed in P235 and P355 quality materials compared to 42CrMo4 and 16MnCr5 quality materials, no cracks were formed in P235 quality materials in the parts that were applied 5m3 NH3 flow rate for 5 hours. Some regional cracks were detected in P355 quality material. Therefore, a direct relationship between white layer formation and crack formation was not detected. When the surface hardness values are examined, it has reached 598 HV in P355 quality material, 657 HV in 42CrMo4 quality material and 728 HV in 16MnCr5 quality material. When the surface hardness values and the flattening test results were evaluated together, it was determined that the brittleness increased with increasing surface hardness values. Therefore, the increase in surface hardness and hardness values in the diffusion zone increases the brittleness of the material. With the reduction of the NH3 flow rate to 3m3, the white layer thickness and surface hardness value decreased in the P355 quality material, and no cracks were detected in the flattening test performed on the P355 quality material. Therefore, no cracks were observed in P235 and P355 quality materials by reducing the NH3 flow rate. In 42CrMo4 and 16MnCr5 quality materials, although the NH3 flow rate was reduced, cracks were observed along the part in flattening tests. This result is considered to be due to the high surface hardness and hardness value in the diffusion zone depending on the alloying elements in the materials. When the time in the nitrocarburizing process was reduced from 5 hours to 3 hours, no cracks were detected in the flattening test in P235 and P355 quality materials. However, in the flattening test, while the crack was localized throughout the sample in 42CrMo4 quality material, it was in the entire length of the sample in 16MnCr5 quality material. Although the decrease in the effective hardness depth is the highest in 16MnCr5 quality material when the process time is reduced, the highest crack formation in the flattening test is also seen in this material. The main reason for this is the high surface hardness value and diffusion zone hardness value in 16MnCr5 quality material, as in the 5-hour process. The carbon ratio in 16MnCr5 material is less than 42CrMo4 material. Like carbon atoms, nitrogen atoms are also interstitial atoms. For these two reasons, the nitrogen atom can diffuse more. The more nitrogen atoms diffuse, the more nitride and a harder layer will form. It is considered that the most fragile material is 16MnCr5, as a harder layer will be formed. When 16MnCr5 and 42CrMo4 quality materials are compared, it is evaluated that there may be a temper embrittlement situation. Elements such as P, Cr and Mn have a greater effect on the formation of temper brittleness. When both materials are compared, the P and Cr compositions are very close to each other, while the Mn ratio is higher in the 16MnCr5 material. In addition, the Mo element in the structure is used in structures as an element that can prevent temper embrittlement. Mo element is less in 16MnCr5 material than 42CrMo4 material. For these reasons, it is considered that this material is more broken due to the temper brittleness of the 16MnCr5 material. 
According to these results, it is evaluated that the most obvious variables affecting crack formation are alloying elements. Although the improvements in the nitrocarburizing process, made by reducing the time and flow rate, generally reduced the cracking damage in the flattening test, no improvement in the crack formation was achieved in the flattening test due to the fact that the 16MnCr5 quality material had the highest hardness values.