DP-800 kalite çift fazlı çeliğin sıcak daldırma yöntemi ile alüminyum kaplanması
Hot dip aluminizing of DP-800 grade dual phase steel
Yazar: ABDULLAH DEDE
Danışman: PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Daldırma kaplama yöntemi = Dipping coating method ; Metal kaplama = Metal coating ; Yüzey kaplama = Surface coating ; Çift fazlı çelik = Dual phase steel

Özet:
Global otomotiv sektörü tüketici tercihleri, yasal düzenlemeler ve rekabetçi baskılar tarafından yönlendirilmektedir. Çevresel düzenlemeler, mevzuat gereklilikleri ve müşteri talepleri doğrultusunda otomotiv üreticileri ve malzeme tedarikçileri çok çeşitli çözümler geliştirmek zorunda kalmıştır. Yeni çözümler geliştirilirken yakıt tüketimini azaltmak, sürücü güvenliğini arttırmak, ürün güvenilirliğini sağlamak ve satın alınabilirliği arttırmak amaçları gözetilmiştir. Çözümler; ürün tasarımının optimizasyonu, hafif malzemelerin geliştirilmesi ve yenilikçi üretim süreçlerinin uygulanmasını içermektedir. Bütün bu çözümler birbiriyle bağlantılıdır ve hafif malzemelerin özelliklerine bağlıdır.
Çift fazlı çelikler AHSS çelikler ailesinde bulunan en önemli çelik türlerinden biridir. Bu çelikler yumuşak ferrit fazı ile %10-%40 oranlarında martensit fazının birleşiminden oluşan mikro yapıya sahiptir. Bu çeliklerin yapısında bulunan martensit oranı malzemenin mukavemet seviyesini belirlemektedir.  Çift fazlı çeliklerin ferrit+martensit yapısını elde edebilmek için düşük karbonlu çeliklere α+γ faz bölgesinde su verilmesi esasına dayanan üretim yöntemleri kullanılmaktadır. Çift fazlı çeliklerin bu yapısın söz konusu çelikleri geleneksel çeliklere göre deformasyon sertleşmesi ve şekillendirilebilirlik açısından daha üstün kılmaktadır.
Çift fazlı çelikler gerek görsellik gerekse korozyon direnci sağlamak amacıyla kaplanmaktadır. Kaplama malzemesi olarak mevcut durumda yaygın olarak galvaniz kullanılmaktadır. Galvaniz kaplama malzemesi olarak kullanılan çinkonun kaynaklarının sınırlı olması sebebiyle ilerleyen zamanda fiyatının artması ihtimali oldukça yüksektir. Bu da çalışmaların sıcak daldırma yöntemiyle alüminyum ve alaşımları ile yapılan kaplamalar gibi çinkoya alternatif kaplama malzemelerinin arayışına yönelmesine sebep olmuştur. Yapılan çalışmalar düşük karbonlu çeliklerde galvaniz kaplanmış malzemeye göre alüminyum kaplanmış malzemenin daha yüksek korozyon direncine sahip olduğunu göstermektedir. Literatürde yapılan araştırmalarda DP çeliklerde alüminyum kaplama üzerine yapılan çalışmaların sayısının çok az olduğu görülmüştür. Bu çalışmada da çift fazlı çeliklerde alüminyum kaplamanın etkileri incelenmiştir. Bu kapsamda sıcak daldırma yöntemi ile alüminyum kaplama işleminin DP 800 çift fazlı çeliğinin mikro yapısına ve mekanik özelliklerine etkisi incelenmiştir. 
Deneysel çalışmalar kapsamında DP 800 kalite çelik sac malzemeden elde edilen numuneler saf Al ve Al-%10 Si alaşımlarıyla 60 s daldırma sürelerinde700-770 oC sıcaklık aralığında farklı sıcaklıklarda kaplanmıştır. Kaplanan malzemelerin kaplama ve mikro yapıları ve mekanik özellikleri incelenmiştir.  
Yapılan çalışma sonucunda DP 800 kalite çift fazlı çeliğin çekme mukavemeti, kopma uzaması ve sürekli akma davranışı gibi mekanik özelliklerinde herhangi bir kayıp yaşanmadan sıcak daldırma yöntemi ile alüminyum kaplanabileceği görülmüştür. 770 oC'de kaplanan malzemelerin çekme mukavemetlerinin kaplanmamış malzemeye göre daha yüksek değerlere sahip olduğu görülmüştür.

Abstract:
The global automotive sector is driven by consumer preferences, legal regulations and competitive pressures. In the direction of environmental regulations, regulatory requirements and customer demands, automotive manufacturers and material suppliers have had to develop a wide range of solutions. While new solutions are being developed, they are aimed to reduce fuel consumption, increase driver safety, ensure product reliability and increase affordability. Solutions can be summarized as optimization of product design, development of light materials, and implementation of innovative production processes. All these solutions are interconnected and depend on the properties of light materials.
Dual-phase steels are one of the most important steel types found in AHSS steels family. These steels have a microstructure consisting of a combination of soft ferrite phase and 10% -40% martensite phase. The martensite ratio in the structure of these steels determines the strength level of the material. In order to obtain the ferrite + martensite structure of the dual-phase steels, production methods based on quenching the low carbon steels from the α + γ phase region are used. This structure of dual-phase steels makes the steels superior to the conventional steels in terms of deformation hardening and formability.
Aluminium coating of steel materials by hot dipping method is one of the oldest coating methods used. Compared to other methods, it is a very advantageous method both in terms of cost and ease of application. With this method, corrosion and high temperature oxidation resistance of steel materials are increased.
Dual-phase steels are coated to provide both corrosion resistance and good appearance. Galvanized materials is commonly used as coated material. Due to the limited resources of zinc used as galvanizing material, it is very likely that the price will increase in the future. This has led to the search alternative coating materials to zinc such as aluminium and its alloys. Studies have shown that aluminium coated material has higher corrosion resistance than galvanized coated steel in low carbon steels. Studies in the literature have shown that the number of studies on aluminium coatings in DP steels is very limited. In this study, the effects of aluminium coating on dual-phase steels were investigated. In this context, the microstructure and mechanical properties of the DP 800 dual-phase steel were examined after hot dip aluminium coating process.
In the present study the possibility of the aluminizing DP800 grade dual phase steel without losing its mechanical properties. In the experimental studies, samples obtained from 2 mm thick DP 800 quality steel sheet material were coated with pure Al and Al - 10% Si alloys at different temperatures in the range of 700-770 °C for 60 s dipping periods. The specimens were cooled two different type, air cooling and water cooled, after dipping.  The coating and microstructure and mechanical properties of the coated materials were investigated.
Optical microscopy and EDS analyses used for the characterizations of the coating structure and morphology and cros-section of the specimens. X-ray diffraction analyses used for qualitative identification of the phases at surface. Cross-sectional micro hardness measurements were done on the coating and intermetallic layers. 
Microstructures of the base material also examined by optical microscopy. To determine the mechanical properties of base material, tensile specimens were prepared, aluminized and tensile tests were performed. 
X-ray diffraction and EDS analyses shows that, for pure Al coating FeAl, FeAl3 and Fe2Al5 phases exist on the coating layer. For Al-Si coating Fe2Al5, Al7Fe2Si and Al2Fe3Si3 phases exist on the coating layer.
When the layer thickness measurements made from the coating section were examined, it was seen that the coating layers of the pure Al coated samples had higher values than the Al-Si coated samples. The highest total coating thickness for pure Al coating is 104 μm and the highest total coating thickness for Al-Si coating is 65 μm. The average thickness of total coating plate was calculated for pure Al coating as 97 μm, for Al-Si coating as 48 μm.
When the thicknesses of intermetallic layers are measured, it is seen that the intermetallic layer of pure Al coatings have a thicker and tongue-like structure and the intermetallic layer of Al Si coatings are thinner and smoother. The highest value of the pure Al intermetallic layer was measured in the air-cooled sample coated at 133 μm to 730 °C. The highest value of the Al-Si intermetallic layer was measured at the sample coated at 13 μm to 700 °C. The average value of the intermetallic layers of Al-Si coated samples was calculated to be 7.22 μm. The average intermetallic layer thickness of pure Al coated samples was calculated as 65 μm.
When the hardness measurements made from the sections are taken into consideration, it is seen that intermetallic layers having hardness values much higher than the hardness value of the coating materials. Pure Al coating average hardness was calculated as 44 HV0.25, intermetallic layer hardness 595 HV0.25. Al-Si coating hardness average 79 HV0.25, intermetallic layer hardness average 461 HV0.25 was calculated. It has been found that the addition of silicon reduces the hardness of the intermetallic layer and which increases the hardness of the aluminium.
The optical microscopy results shows that the coating process performed at low temperatures destroyed the microstructure of the material. Martensite phase's volume fraction decreases at low temperatures coating process, because of tempering martensite. When the dipping temperatures reach above 730 °C, martensite phases was formed again. As a result of this phenomena, at dipping temperature below 730 °C material has lost some mechanical properties such as continuous flow property and upper tensile strength and gain these properties again at dipping temperatures above 730 °C. 
It has been assessed that the coating material has no significant effect on the mechanical properties of the base material. Mechanical properties is controlled by the microstructure of base material.
The specimens dipped at 770 °C have higher upper tensile strength value of uncoated material. 
As a result of the study, DP 800 quality dual-phase steel can be coated with aluminium by hot dipping method without any loss of tensile strength and % elongation properties.