Kalıp çeliklerinde indüksiyon ile sertleştirme yöntemi kullanılarak yüzey özelliklerinin geliştirilmesi
Improvement of surface properties of mould steels by using induction hardening method
Yazar: BAHADIR AKKURT
Danışman: PROF. DR. TAMER SINMAZÇELİK
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
İndüksiyon ile sertleştirme, metalik bir yapının dış yüzeyinde, indüksiyonla ısıtma yöntemi kullanılarak parça yüzeyi boyunca ince bir sertleşmiş tabaka oluşturmak için yapılan ısıl işlemdir. Bu işlemde, metalin çekirdeği yumuşak kalmasına rağmen, malzemenin dış kısmı uygulanan yüklere karşı daha büyük bir mekanik dayanım sergiler. Bu çalışmada, numune yüzeyindeki geometrik şekillerin (kare, üçgen ve yuvarlak), indüksiyon bobinlerinin hızına bağlı olarak indüksiyon ısıtma hızlarının, çıkış voltaj güçlerinin ve geometrik şekillerin derinliklerinin AISI 4140 alaşımlı çeliklerin yüzey sertleşme mekanizması üzerindeki etkisi Vickers mikrosertlik testleri ve optik mikroskopi ölçümleri aracılığıyla incelenmiştir. Termal gradyanla ilgili kenar etkisinin minimum seviyeye düşmesi nedeniyle kare şekli, maksimum güç, düşük bobin besleme hızı ve daha az derin bölgeler için istenen sertleşmenin elde edildiği bulunmuştur. Ayrıca, deneysel sonuçları karşılaştırmak ve sertleşme mekanizmasının doğasını anlamak, AISI 4140 alaşımlı çelikler için indüksiyon ısıtma yöntemine dayalı sertleşme sürecini modellemek için Sonlu Elemanlar Yöntemi (SEY) kullanılmıştır. Deneysel bulgular ve SEY model sonuçları arasındaki karşılaştırmalar, malzeme tasarımı için sayısal analizin güvenilirliğini test etmek için gerçekleştirilmiştir. Deneysel bulguların SEY analizi ile doğrulandığı görülmüştür. Böylece, SEY sonuçları deneysel sonuçlar için güçlü bir optimizasyon sağlamamıza ve çeliklerin sertleştirilmesi ile ilgili gelecekteki çalışmalar için rehberlik etmemize olanak tanır. Ayrıca, AISI 4140 alaşımlı çelikler üzerinde sertleştirilmiş alanlara yönelik deneysel işlemlerin yürütülmesi, optimizasyonunu ve doğruluğunu saptamak için deneysel bulgularla karşılaştırmak üzere bilgisayar programını kullanarak değişkenlere bağlı olarak simüle edilmiştir. Kısacası bu tez çalışmasında, iş parçalarının yüzeyinde hangi derinlik ve şekilde kanallar üretilmesi gerektiği ve kritik bölgelerin maruz kaldığı dış yüklere karşı maksimum direnç göstermesi için sertleştirme işleminde gerekli uygun parametreler saptanmıştır.

Abstract:
Induction hardening is the heat treatment of the outer surface of a metallic structure using induction heating to form a thin hardened layer along the surface of the part. In this study, the effect of geometric shapes (square, triangular and round) on the surface of the sample, induction heating rates depending on the speed of induction coils, output voltage powers and depths of geometric shapes on the surface hardening mechanism of AISI 4140 alloy steels were investigated by means of Vickers microhardness tests and optical microscopy measurements. It was found that the desired hardening was obtained for square shape, maximum power, low coil feed rate and less deep regions due to the minimization of the edge effect related to the thermal gradient. Furthermore, to compare the experimental results and to understand the nature of the hardening mechanism, the Finite Element Method (FEM) was used to model the hardening process based on the induction heating method for AISI 4140 alloy steels. Comparisons between experimental findings and FEM model results were carried out to test the reliability of the numerical analysis for material design. It was observed that the experimental findings were confirmed by FEM analysis. Thus, the FEM results allow us to provide a strong optimization for experimental results and guide future studies on hardening of steels. In addition, the execution of experimental procedures for hardened areas on AISI 4140 alloy steels was simulated depending on variables using a computer program to compare with experimental findings to determine the optimisation and accuracy. In this thesis study, the depth and shape of the channels to be produced on the surface of the workpieces and the optimum parameters required in the hardening process for maximum resistance to the external loads to which the critical areas are exposed have been determined.