HK tip aısı östenitik paslanmaz çeliğin kum kalıba dökümünde, soğutucu kullanımının yüzey hatalarına ve mikroyapıya etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of using in-mold coolers on surface defects and microstructure formation in sand casting of HK type aisi austenitic stainless steel
Yazar: AYKUT UÇAR
Danışman: PROF. DR. UĞUR ÖZSARAÇ
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Kısmi katılaşma döküm yöntemi = Semisolid casting method ; Metal döküm = Metal casting ; Ostenitik çelik = Austenitic steel ; Paslanmaz çelik = Stainless steel ; Çelik döküm = steel casting

Özet:
ASTM A297 HK paslanmaz çelik, özellikle yüksek sıcaklık direnci ve oksidasyon karşıtı özellikleri nedeniyle tercih edilen bir malzemedir. Bu çelik türü, enerji santralleri, petrokimya endüstrisi ve ısıl işlem fırınları gibi yüksek sıcaklık koşullarının hüküm sürdüğü birçok ortamda yaygın olarak kullanılır. Bununla birlikte, döküm sırasında hızlı soğuma veya ısıl işlemler gibi üretim süreçleri ile, malzemenin mikroyapısal ve mekanik özellikleri değişim gösterebilir.
Kalıp içi soğutucular, döküm işlemi sırasında sıvı metalin daha hızlı bir şekilde katılaşmasını sağlarlar. Bu durum, soğutma hızını değiştirerek, çelikteki tane boyutunu, şeklini ve dağılımını ve dolayısıyla mikroyapıyı etkiler. 
Bu çalışmada, kalıp içi soğutucu kullanımının ASTM A297 HK paslanmaz çeliğinin mikroyapısal ve mekanik özellikleri üzerindeki etkilerini anlamak amacıyla deneyler yapılmıştır. Taramalı elektron mikroskobu (SEM), numunelerin mikroyapısal analizi için kullanılmıştır. Bu yöntemlerle, tane sınırları, çökeltiler ve olası kusurlar gibi mikroyapı öğeleri görüntülenebilmiştir. X-ışını difraksiyonu (XRD), numunelerin faz bileşimi ve saflığını değerlendirmek için kullanılmıştır. Bu tekniklerin birleşimi, soğutucunun mikroyapı üzerindeki etkisinin tam bir resmini çizmek için gereklidir.
Malzemenin performansını ve uygulama uygunluğunu belirlemek için mekanik testler yapılmıştır. Çekme testleri, çeliğin gerilme altındaki davranışını ve dayanımını ortaya koymuştur; sertlik testleri, çeliğin yer değiştirmeye karşı direncini değerlendirmiştir; darbe testleri ise çeliğin darbe yükleri altında ne kadar enerji emebildiğini ve bu koşullar altında nasıl başarısız olduğunu göstermiştir.
Çalışma bulguları, yüksek soğutma hızlarının, daha ince taneli bir mikroyapıya yol açtığını ve bu durumun çeliğin sertliğini ve çekme dayanımını artırdığını göstermiştir. Bununla birlikte, ince taneli yapılar genellikle darbe yükleri altında daha az enerji emebilir, bu da yüksek soğutma hızlarının darbe tokluğunda kısmi olarak azalmaya yol açabileceği anlamına gelir. Ayrıca, soğutma hızındaki artışın, çökeltilerin miktarını ve dağılımını değiştirebileceği ve bu durumun da malzemenin toplam mekanik performansını etkileyebileceği belirlenmiştir.
Sonuç olarak, bu çalışma, ASTM A297 HK paslanmaz çeliğinin üretim süreçlerinin ve özellikle kalıp içi soğutma yöntemlerinin, nihai ürünün mikroyapısal ve mekanik özellikleri üzerinde belirleyici bir etkisi olduğunu ortaya koymaktadır.

Abstract:
A STM A297 HK stainless steel is preferred primarily for its high-temperature resistance and anti-oxidation properties. This type of steel is widely used in environments with high-temperature conditions, such as power plants, petrochemical industries, and heat treatment furnaces. However, the material's microstructural and mechanical properties can vary due to production processes such as rapid cooling during casting or thermal treatments.
In-mold coolers enable the liquid metal to solidify more quickly during the casting process. This alteration in cooling rate affects the grain size, shape, and distribution in the steel, thereby impacting its microstructure.
In this study, experiments were conducted to understand the effects of using in-mold coolers on the microstructural and mechanical properties of ASTM A297 HK stainless steel. Scanning Electron Microscopy (SEM) was used for the microstructural analysis of the samples. This method allowed for the visualization of microstructural elements such as grain boundaries, precipitates, and potential defects. X-ray Diffraction (XRD) was employed to evaluate the phase composition and purity of the samples. The combination of these techniques is essential to draw a complete picture of the cooler's impact on the microstructure.
Mechanical tests were conducted to determine the material's performance and suitability for applications. Tensile tests revealed the behavior and strength of the steel under stress; hardness tests assessed the resistance of the steel to deformation; and impact tests demonstrated how much energy the steel could absorb under impact loads and how it failed under such conditions.
The study's findings indicate that higher cooling rates lead to a finer-grained microstructure, which in turn increases the hardness and tensile strength of the steel. However, finer-grained structures typically absorb less energy under impact loads, suggesting that higher cooling rates might partially reduce impact toughness. Additionally, the increase in cooling rate could alter the amount and distribution of precipitates, which could also affect the material's overall mechanical performance.
In conclusion, this study reveals that the production processes of ASTM A297 HK stainless steel, especially the in-mold cooling methods, have a decisive impact on the final product's microstructural and mechanical properties.