Toz metalürjisi ile üretilen çeliklerde presleme tekniğinin mikroyapı mekanik özelliklere etkisinin araştırılması
Investigation of the effect of pressing technique on microstructure mechanical properties in steel produced by powder methods
Yazar: BURAK AYVACI
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET AKİF ERDEN
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Çelikler mühendislik uygulamalarında kullanılan malzeme grupları içerisinde büyük bir öneme sahiptir. Alaşımsız çelikler temelde demir, karbon, mangan elementlerinden oluşmaktadır. Bunlarla beraber çok düşük miktarda silisyum, fosfor ve kükürt elementlerini de içerirler. Alaşımlı çelikler ise farklı alaşım elementlerinin farklı yüzdelerle demir matrisli yapılara eklenmesi ile elde edilir. Çelik içerisinde mangan, fosfor, kükürt ve silisyum üretim sırasında hammaddeden kaynaklanan elementlerdir ve çelik bünyesinde belirli oranlarda bulunur. Diğer elementler ise (Cr, Ni ve Mo vb.) istenilen miktarlarda çelik bünyesine eklenir. Bu eklemeler istenilen özelliğe göre değişkenlik gösterir ve çelik malzeme bu alaşım elementleri sayesinde çok daha geniş bir kullanım alanına sahip olmuştur. Günümüzde alaşımlı çelikler birçok farklı alanda gelişimini devam ettirmekle beraber demir çelik sanayiinin hemen hemen tüm dallarında kullanılmaktadır. 
Alaşımlı çelikler içerisinde bulunan sementasyon çelikleri yüzey sertleştirilebilen çelikler olarak adlandırılabilir. Sementasyon işlemi sonrası yüzeyleri sert ve aşınmaya dirençli, iç kısımları ise yumuşak ve tok olması istenilen darbeli ve değişen kuvvete maruz kalan parçalarda kullanılmaktadır. AISI 4140 çeliği, düşük alaşımlı Cr-Mo'li sementasyon çeliklerinin en yaygın kullanılanım alanına sahip olup, krom- molibden çeliği olarak bilinmektedir. AISI 4140 çeliği aynı gruptan çeliklerle kıyaslandığı zaman orta derecede sertleşebilir ancak onlara nazaran dayanım ve tokluğu ise daha iyidir. 

Toz metalürjisi metal tozlarının üretimi ve bu tozların mekanik ve termik etkilerle birleştirilerek parça haline getirme işlemidir. Günümüzde, toz metalürjisi yöntemiyle parça üretimi çok yaygın kullanılmakta ve giderek bilinen üretim yöntemlerine alternatif olmaktadır. Toz metalürjisi (TM) yöntemiyle üretilmiş toz demir esaslı malzemeler otomotiv endüstrisi başta olmak üzere endüstride yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. 

Bu çalışmada toz metalurjisi yöntemiyle demir matrisi içerisine molibden, krom, nikel alüminyum ve bakır elementlerinin farklı oranlarda katılmasıyla istenilen bileşimlerde AISI 4140 ve Mo içeren alaşımlı çelik toz karışım olarak elde edilmiştir. Farklı presleme teknikleri kullanılarak elde edilen bileşikler sıkıştırılmış ve ardından atmosfer kontrollü tüp fırında argon ortamında sinterlenmiş, böylece alaşımlı çelik üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretilen alaşım çeliklerinin tane boyutu ve fazların dağılımı optik mikroskop ile belirlenmiş; çökeltilerin şekli, dağılımı ve türü SEM ve EDS yardımıyla analiz edilmiştir. Mikroyapı analizinden sonra çekme numunesi boyutlarında hazırlanan farklı kimyasal bileşimdeki alaşımlı çelik numunelere çekme testi ve sertlik testi uygulanmıştır. Numunelerin % uzama, akma-çekme dayanımları, sertlik değerleri, mikroyapısal değişimlere bağlı olarak açıklanmıştır. Ayrıca kopan çekme numunelerinden elde edilen kırık yüzey görüntüleri SEM yardımıyla incelenerek kırılma türü tespit edilmiştir.

Abstract:
Steels have significant importance among the material groups that are used in engineering applications. Non alloy steels are basically consisted of the elements of iron, carbon, manganese. They also contain silicium, phosphor and sulphur in very small amounts. Alloy steels, on the other hand, are obtained by adding different alloying elements in different percentages to structures with an iron matrix. Mangan, phosphor, sulphur and silisium in steel are elements that result from the raw material during production and are present within the steel in certain proportions. Other elements (Cr, Ni, and Mo etc.) are added into the steel in desired quantity. These addings vary in relation with the desired feature and steel materials have had a much wider area of usage by means of these alloying elements. Today, while alloy steels continue to develop in many different fields, they are used in nearly every branch of iron steel industry. 
Cementation steels, among the alloy steels, can be called surface hardened steels. After the cementation process, they are used for parts that are exposed to pulsed, changing force whose surfaces are desired to be hard and resistant to corrosion and inner sides to be soft and filled. Having the most common area of usage among the low alloy Cr-Mo cementation steels, AISI 4140 steel is known as chrom-molibden steel.  Compared to same group of steels, AISI 4140 steel can harden moderately but compared to them it has a better strength and toughness.

Powder metallurgy is the production of metal powder and the process of making them into parts by mechanical and thermic effects. Today, production of parts by the method of powder metallurgy is very commonly used and is increasingly becoming an alternative for the known methods. Powdered iron based materials that are produced with the method of powder metallurgy (PM) are commonly used in industry particularly in automotive industry.

In this study, using powder metallurgy method, alloy steel as a powdered blend with desired combinations of AISI 4140 and Mo has been obtained  by adding different proportions of molibden, chrome, nickel, aluminiumand copper elements into the iron matrix. By using different pressing methods, the compounds obtained are pressed and then sintered in an atmospherically controlled tube furnace under argon and thus alloy steel production has been carried out. The grain size and phase distribution of the alloy steels produced have been determined by optical microscope; the shape, distribution and type of the precipitations have been analyzed by SEM and EDS. After the microanalysis, pulling test and hardness test have been performed on samples with different chemical composition which are prepared as pulling sample size. % elongation, yielding strength and hardness values are explained depending on microstrucral changes. Furthermore, images of the fracture surfaces obtained from the broken pulling samples are examined with SEM and thus type of breaking has been detected.