Alaşımsız ve düşük alaşımlı çeliklerde küreselleştirme ısıl işleminin optimizasyonu ve hassas kesme işlemine etkisi
Optimization of spheroidizing heat treatment in unalloyed and low alloyed steels and its effect on fine blanking process
Yazar: AKIN KÜTMEN
Danışman: PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Düşük alaşım çeliği = Low alloy steel ; Isıl işlem = Heat treatment ; Karbür = Carbide ; Sac bükme = Sheet twisting ; Tavlama = Annealing ; Çelik = Steel

Özet:
AISI 4140 ısıl işlem uygulamaları sonucunda sertleşebilir özellikte olan, yüksek dayanım ve süneklik özelliği gösteren bir ıslah çeliğidir. Yapısal özellikleri dolayısıyla makine imalat, otomotiv, savunma ve havacılık sanayisinde kendisine geniş bir yer bulmaktadır. AISI 6150 çelik kalitesi yüksek aşınma direnci, dayanım, darbe tokluğu gibi özellikleri dolayısıyla otomotiv sanayisi başta olmak üzere makine imalat sanayisinde kullanılan bir yay çeliğidir. AISI 1045 ve AISI 1070 çelik kaliteleri ise alaşım elementi içermeyen orta ve yüksek karbonlu yaylık çelikler grubunda bulunmaktadır. Sahip oldukları yüksek dayanım ve sertlik özelliklerinin yanı sıra düşük maliyetlerinden dolayı yine benzer sektörlerde kullanımı zamanla yaygınlaşmıştır. 
Çalışmada kullanılan çelik kalitelerinin ortak kullanım alanları arasında bulunan otomotiv sektörüne yönelik parça üretimleri sırasında bu malzemelerin ısıl işlem kabiliyetlerinden sıklıkla yararlanılmaktadır. Özellikle otomotiv endüstrisinde kullanıma ihtiyaç duyulan parça geometrisinin kompleks olması ürün kalitesinin düşmesine neden olmaktadır. Çeliklerin sahip olduğu bu yüksek dayanım ve gevrek yapıları ise parçaların şekillendirmesinde performansı kısıtlayıcı bir rol oynamaktadır.
Sac şekillendirme prosesinin sonucunu etkileyen diğer parametreler ise kalıp geometrisi ve pres işlemidir. Makine imalat sektöründe günümüz teknolojinin gelişmesiyle yüksek yüzey kalitesinde ve boyutsal doğrulukta parça üretimi için geleneksel kesme proseslerinin yerini hassas kesme prosesi almaya başlamıştır. Hassas kesme prosesinde kullanılan kalıpların ve hidrolik preslerin çok düşük toleranslarda ve yüksek hassasiyette çalışan sistemleri meydana getirmesi nedeniyle çok yüksek verim eldesi sağlanabilmektedir. Bu sebeple ürün kalitesini arttırmak amacıyla malzeme özelliklerinin iyileştirilmesi için çeşitli ısıl işlem metotları geliştirilmiştir. 
Malzemelerin şekillendirilebilirliğini arttırmak için sünekliğinin arttırılması ve gevrekliğinin düşürülmesi gerekmektedir. Tokluğu arttırılan malzemelerin üzerine uygulanan kuvvet sonucunda deforme olmadan şekillenmesini sağlamaktadır. Bu yapının elde edilebilmesi için küreselleştirme ısıl işlemi uygulanan malzemenin yumuşaması sağlanır. Bu özelliğin elde edilebilmesi için küreselleştirme ısıl işlemleri uygulanmakta olup bu tavlamanın üç farklı çeşidi bulunmaktadır. Çevrimsel, kritik sıcaklık altı ve kritik sıcaklık arası küreselleştirme ısıl işlemi olarak gruplandırılan bu işlemleri birbirinden ayıran temel fark tavlama sıcaklığı ve bekleme süreleridir.
Küreselleştirme ısıl işlemi sırasında karbon çeliklerinin yapısında bulunan demir karbür (sementit) yapısının miktarı, dağılımı ve şekli önemli bir yer tutar. Ötektoid perlit ve ötektik alaşımlar gibi iki fazlı malzemelerde lameler bir mikroyapı bulunmaktadır. Küreselleştirme ısıl işlemleri sırasında bu lameler yapının küresel forma dönme eğiliminde olduğu görülmüştür. Bu konuda çeşitli teorilerin ortaya atılmasına rağmen küreselleştirme mekanizması üzerine çalışmalar halen sürmektedir. Yapılan çalışmalar neticesinde yapısal hatalardan kaynaklı olarak arayüzeyler arasında oluşan kimyasal gradyan farkı olduğu tespit edilmiştir. Daha kararlı hale geçebilmek için difüzyon kontrollü olarak atomların göç etmeye başlamasıyla beraber kalınlaşan bölgenin çözünmesi sonucunda küresel taneler oluşmaya başlamaktadır.
Bu tez çalışmasında otomotiv sektöründe sıklıkla kullanılan alaşımsız ve düşük alaşımlı çeliklerin küreselleştirme ısıl işlemi sonucunda mikroyapıyı etkileyen parametreler araştırılmış ve etkileri gözlenmeye çalışılmıştır. Bu kapsamda küreselleştirme ısıl işlemi sırasında farklı üst sıcaklık, alt sıcaklık, tutma süreleri ve çevrim sayısı parametreleri ile bu çeliklerin mikroyapı, sertlik ve hassas kesme prosesine davranışları karşılaştırılmıştır. Ayrıca benzer sürelere tekabül edecek şekilde çevrimsel küreselleştirme ısıl işlemi ile kritik sıcaklık altı küreselleştirme ısıl işlemlerinin sonuçları kıyaslanarak değerlendirilmiştir.
Numunelerin ısıl işlemler öncesi ve sonrası mikroyapı değişimleri optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskobu altında incelenmiştir. Tavlamaların sonucunda sertlik deneyleri yapılarak malzemelerin değişen morfolojilerine göre sertlik değerleri ölçülmüştür. Clemex Professional® görüntü analiz yazılımı kullanılarak yapıdaki karbürlerin en/boy oranı, küresellik oranı, ortalama çapı ve % alanı hesaplanmıştır. Hassas kesme ve Erichsen deneyleri ile malzemelerin şekillenme kabiliyetleri hakkında değerlendirmeler gerçekleştirilmiştir.
Çalışma neticesinde mikroyapının küreselleştirilmesi için 5 dakika tutma süresinin yeterli olmadığı görülmüş olup, küresel karbürlerin boyut ve sayısını etkileyen parametrenin düşük sıcaklık parametresi olduğu anlaşılmıştır. Aynı koşullar altında 1,5 ve 10 çevrim sayılarında gerçekleştirilen küreselleştirme ısıl işlemleri sonucunda çevrim sayısının artmasıyla malzeme sertliğinin daha fazla düştüğü tespit edilmiştir. Ayrıca soğuk hadde uygulanan numunelerin, sıcak haddelenmiş numunelere göre daha yüksek sertlikte olduğu ve genellikle ısıl işlemler neticesinde daha yüksek performans sergilediği görülmüştür.

Abstract:
AISI 4140 is a tempered steel with high strength and ductility, which can be hardened as a result of heat treatment applications. Due to its structural features, it finds a wide place in the machinery manufacturing, automotive, defense and aerospace industries. AISI 6150 steel grade is spring steel used in the machinery manufacturing industry, especially in the automotive industry, due to its features such as high wear resistance, strength and impact toughness. AISI 1045 and AISI 1070 steel grades are in the group of medium and high carbon spring steels that do not contain alloying elements. Due to their high strength and hardness properties, as well as their low cost, their use in similar sectors has become widespread over time. 
The heat treatment capabilities of these materials are frequently used during the production of parts for the automotive sector, which is among the common areas of use of the steel grades used in the study. The complexity of the part geometry, which is especially needed in the automotive industry, causes a decrease in product quality. These high strength and brittle structures of steels play a restrictive role in the shaping of parts.
Other parameters that affect the result of the sheet metal forming process are the die geometry and the pressing process. With the development of today's technology in the machinery manufacturing sector, the traditional cutting processes have started to be replaced by the fine blanking process for the production of parts with high surface quality and dimensional accuracy. Due to the fact that the molds and hydraulic presses used in the fine blanking process create systems that operate with very low tolerances and high precision, very high efficiency can be achieved. For this reason, various heat treatment methods have been developed to improve material properties in order to increase product quality.
After the traditional cutting process, fracture surface and shear surface are observed in the edge morphology of the piece. Fracture area has a rough structure because of formed as a result of tearing. It is known that the mechanical performance of the material decreases because these indentations and protrusions in the rough structure. Material tearing is affected by die design, punch geometry, cutting speed, and material microstructure. Preferred the fine blanking process, it is aimed to obtain an edge morphology with the entire sheared surface. After this cutting, in which burr, tearing, roll over and fracture penetration is minimal, the surface of the piece is formed higher quality.
In order to increase the formability of the materials, it is necessary to increase the ductility and decrease the brittleness. It enables the materials with increased toughness to be shaped without deformation as a result of the force applied on them. In order to obtain this structure, the softening of the material, which is subjected to spheroidization heat treatment, is provided. In order to achieve this feature, spheroidization heat treatments are applied and there are three different types of this annealing. The main difference that distinguishes these processes, which are grouped as Cyclic, Subcritical and Intercritical spheroidization heat treatment, is the annealing temperature and soaking times. 
During the spheroidization heat treatment, the amount, distribution and shape of the iron carbide (cementite) phase in the structure of carbon steels have an important place. Two-phase materials such as eutectoid pearlite and eutectic alloys have a lamellar microstructure. It has been observed that this lamellar structure tends to return to the spherical form during spheroidization heat treatments. Although various theories have been put forward on this subject, studies on the globalization mechanism are still ongoing. As a result of the studies, it has been determined that there is a chemical gradient difference between the interfaces due to structural errors. In order to become more stable, spherical grains begin to form as a result of the dissolution of the thickened region, as the atoms begin to migrate under diffusion control.
In this thesis, the parameters affecting the microstructure as a result of spheroidization heat treatment of unalloyed and low alloy steels, which are frequently used in the automotive industry, were investigated and their effects were tried to be observed. In this context, different upper temperature, lower temperature, holding times and cycle number parameters during the spheroidization heat treatment and the microstructure, hardness and behavior of these steels to the fine blanking process were compared. In addition, the results of cyclic spheroidization heat treatment and subcritical spheroidization heat treatment corresponding to similar duration were compared and evaluated.
Within the scope of the study, the microstructures before and after the heat treatment were examined under the optical microscope and scanning electron microscope by performing metallography processes. Materials supplied in sheet form were cut in 40 mm x 60 mm dimensions. Samples which put into graphite melting pot with iron chips were heat treated. As a result of the heat treatment performed at 740-680 °C for 5 minutes for 5 cycles, the aimed change could not be observed. Due to the spherical carbides observed in the original microstructure were applied to normalization heat treatment at 950 °C. It was determined that the spheroidization heat treatments applied to the normalized samples gave worse performance. Then, the heat treatment conditions were customized for each material, and these parameters were applied as 1, 5 and 10 cycles.
Microstructure changes of the samples before and after heat treatment were examined under optical microscope and scanning electron microscope. As a result of annealing, hardness tests were made and hardness values were measured according to the changing morphologies of the materials. Aspect ratio, sphericity, sphere diameter and % area of carbides in the structure were calculated using Clemex Professional® image analysis software. Fine Blanking or Erichsen experiments were used to evaluate the forming abilities of the materials.
As a result of the study, it was seen that the holding time of 5 minutes was not sufficient for the spheroidization of the microstructure. It has been understood that the parameter affecting the size and number of spherical carbides is the low temperature parameter. As a result of spheroidization heat treatments performed at 1,5 and 10 cycles under the same conditions, it was determined that the hardness of the material decreased more with the increase in the number of cycles. In addition, it has been observed that the cold rolled samples have higher hardness than the cold rolled samples and generally show higher performance as a result of heat treatment.