Karbür içermeyen beynitik çeliklerin üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of carbide free bainitic steels
Yazar: FATIMA KENDİRCİ
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET YILDIRIM
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Mikroyapı = Microstructure ; Rulman çelikleri = Bearing steels ; Sürtünme aşınması = Abrasive wear ; Çelik döküm = steel casting

Özet:
Beynitik yapıda farklı morfolojiye sahip çelikler son yıllarda önemli araştırma konularından birisi olmuştur. Beynitik morfolojiye sahip çelikler otomotiv, rulman, dişli ve demiryolu endüstrilerinde geniş uygulama alanlarına sahiptir. Dönüşüm sıcaklığı ve alaşım elementi ilavesi beynit morfolojisini yakından etkileyen bileşenlerdir. Nispeten düşük sıcaklıklarda oluşan alt beynit (lower bainite, LB) beynitik ferrit plakaları içeresinde çökelen karbürlerle karakterize edilirken, yüksek sıcaklıklarda oluşan üst beynit ise (UB) ise beynitik ferrit plakaları içeresinde çökelen karbürlerle karakterize edilmektedir. Karbür içermeyen çok ince beynitik ferritten ve kalıntı östenitten meydana gelen beynit yeni bir tip olarak bilinmekte ve çeliğe Al ve/veya Si alaşım elementi ilavesi sonucu oluşmaktadır. Si ve Al sementit içerisinde çok düşük çözünürlük sergilemekte olup böylelikle büyümesini önemli ölçüde geciktirmektedir. Bu nedenle, Si ilavesi faz dönüşümü sırasında kırılgan sementitin çökelmesini baskılamada önemli bir rol oynamakta olup, karbürsüz beynitik mikroyapının oluşumunu sağlamaktadır. Diğer bir yandan, beynitik mikroyapının sahip olduğu ince morfolojiden kaynaklı martenzitik ve perlitik mikroyapılara kıyasla daha yüksek aşınma direncine sahip olduğu bilinmektedir. 
Bu çalışmada geleneksel rulman çeliklerine alternatif karbür içermeyen beynitik morfolojiye sahip çeliklerin üretimi ile yapısal, mekanik ve aşınma özellikleri detaylı biçimde incelenmiştir. Hesaplamalı malzeme mühendisliği analizleri ile dört farklı bileşime sahip çeliklerin faz diyagramları, soğuma eğrileri ve dönüşüm sıcaklıkları hesap edilmiştir. Bu bileşimlerden iki tanesi geleneksel kum kalıba döküm yöntemi ile üretilmiştir ve takiben sırasıyla östemperleme ve sıfır-altı ısıl işlemleri uygulanmıştır. Isıl işlem sıcaklıkları JMatPro yazılımı ile çizilen izotermal ve sürekli soğuma eğrilerinden belirlenmiştir. Östemperleme ısıl işlemi sonrası üst düzey mekanik özelliklere (~60 HRC sertlik) ve yüksek aşınma direncine sahip eser miktarda karbür içeren beynitik çelikler elde edilmiştir. Östemperleme sonrası beynitik çeliklerin mikro yapısında bulunan kalıntı östenit östemperlenmiş numunelere uygulanan sıfır-altı ısıl işlemi ile büyük oranda giderilmiştir. Sıfır-altı ısıl işlemi sonrası gözlemlenen mekanik ve aşınma özellikleri östemperleme sonrası ortaya çıkan özelliklere benzerlik göstermektedir. Ayrıca beynitik çeliklerin mekanik ve aşınma özellikleri hali hazırda rulman çeliği olarak kullanılan 100Cr6 (SAE 52100) ticari çeliğin mekanik ve aşınma özellikleri ile kıyaslanmıştır. Araştırılan çelikler arasında temperlenmiş rulman çeliği en düşük aşınma kaybı ile en yüksek aşınma direncine sahiptir. Östemperlenmiş ve sıfır-altı ısıl işlem görmüş çeliklerin aşınma kaybı temperlenmiş vaziyetteki rulman çeliğine yakın olsa da az miktar fazladır.

Abstract:
Bainite structure with varying morphologies in steel has attracted considerable research attention. It has been designed and manufactured in automotive, bearing, gear and railway industries. Bainite morphology is closely related to the transformation temperature and alloying elements component. Lower bainite (LB), which is obtained at a low temperature range, is characterized by the precipitation of carbide within the bainitic ferrite plate. Upper bainite (UB), which is obtained at a high temperature range, is characterised by the distribution of carbide between bainitic ferrite plates.3 The carbide-free bainite as a new type is composed of superfine bainitic ferrite plate and retained austenite, which is generally obtained in steel alloyed with silicon (Si) and/or aluminum (Al). Si and Al exhibit very low solubility in cementite, which significantly retards its growth. Hence, the addition of Si plays a key role in suppressing the precipitation of brittle cementite during phase transformation, thereby producing a carbide-free bainitic microstructure and improving the toughness of the steels.
In this study, the production of carbide-free steels with bainitic morphology, which are alternative to traditional bearing steels, and their structural, mechanical and wear properties were examined in detail. Phase diagrams, cooling curves and transformation temperatures of steels with four different compositions were calculated with computational material engineering analyses. Two of these compositions were produced by the traditional sand mold casting method, followed by austempering and subzero heat treatments, respectively. Thermal treatment temperatures were determined from isothermal and continuous cooling curves drawn with JMatPro software. After the austempering heat treatment, bainitic steels containing trace amounts of carbide with superior mechanical properties (~60 HRC hardness) and high wear resistance were obtained. Residual austenite in the microstructure of bainitic steels after austempering was largely removed by subzero heat treatment applied to austempered samples. The mechanical and wear properties observed after subzero heat treatment are similar to those observed after austempering. In addition, the mechanical and wear properties of bainitic steels were compared with the mechanical and wear properties of 100Cr6 (SAE 52100) commercial steel, which is currently used as bearing steel. Among the steels investigated, tempered bearing steel has the highest wear resistance with the lowest wear loss. Although the wear loss of austempered and subzero heat treated steels is close to that of tempered bearing steel, it is slightly higher.