Çeliklere bor ilavesinin mikro yapı ve mekanik özellikler üzerine etkisinin sıcak haddeleme sonrası incelenmesi
Effect on steels added boron microstructure and mechanical properties after hot rolling
Yazar: SERHAN ÖZTÜRK
Danışman: PROF. DR. MAHMUT ERCAN AÇMA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Çelik; otomotiv, makine imalat, tarım, demiryolları, ev eşyaları vb. üretim alanlarının ihtiyacını karşılamaktadır. Bu sebeple çelik, çok çeşitli alanlarda malzeme yapılabilirlikleri ile karşılaşmaktadır. Bu yapılabilirliklerin önemli bir kısmını mekanik özellikler açısından geliştirilmiş çelik kaliteleri oluşturmaktadır. 
Çelik endüstrisinde borun, tane boyutu küçültücü ve çeliğe yüksek oranda sertleşme kabiliyeti kazandırdığı gözlemlenmiştir. 
Çalışmanın amacı borun ısıl işlemli ve ısıl işlemsiz koşullarda farklı kalite gruplarının mekanik ve mikroyapı özelliklerini nasıl değiştirdiğini gözlemlemektir. Ek olarak, bor çeliklerde deformasyon özelliklerini ve sürünme davranışını ısıl işlem etkisi ile olumlu yönde iyileştirdiği görülmüştür. Bu çalışmada mekanik özellikler açısından geliştirilmiş alaşımlı borlu çelik gruplarında çalışmalar yapılmıştır.
Bor ve bordan üretilen ürünlerin son dönemdeki uygulama alanlarından biri de çelik endüstrisidir. Bor çeliğin sertleşebilirliğini olumlu yönde etkilemektedir. Borlu çelikler, hızlı soğutulursa tane içerisinde bor katı eriyik olarak bulunabilir, böyle durumlarda sertleşebilirliği arttırdığı görülmektedir. Isıl işlem, borlu çeliklerin akma ve çekme dayanımlarını yüksek oranda iyileştirdiği görülmektedir. Borlu çeliklerde ısıl işleme ek olarak aşınma dayanımını da arttırmaktadır. 
Bu çalışmada, farklı çelik kaliteleri üzerine bor alaşım elementinin etkisi incelenecektir. Borlu ve borsuz kaliteler 3 gruba ayrılmıştır. 1. Grupta 28Mn6 ile 30MnB5 çelik kaliteleri, 2. grupta 38B3-C35 çelik kaliteleri ve 3. grupta 36CrB4-41Cr4 kaliteleri ısıl işlemli ve ısıl işlemsiz koşullarda mekanik ve mikroyapısal özellikler açısından incelenecektir.
Çelikte mukavemet, akma dayanımı, tokluk gibi parametreler yüksek önem taşımaktadır. Bu çalışma kapsamında da bu parametrelerin iyileştirilmesine ek olarak alaşımlı borlu çelikler ve borsuz alaşımlı çelikler arasındaki farkların açıkça gösterilmesi hedeflenmiştir. 
Borlu alaşımlı çelikler ve borsuz alaşımsız çeliklere hadde çıkışı (+AR), normalizeli (+N) ve ıslahlı (+QT) halde çekme testi, mikroyapı incelemesi yapılacaktır. +QT işlemi uygulanmış malzemelere aşınma testi uygulanacak ve karşılaştırma yapılacaktır. Bor'un sertleşebilirliğe etkisini tespit edebilmek için jominy testi uygulanacaktır.
Deneysel çalışmada 3 grubada ıslah işlemi uygulandı, suda soğutma + menevişleme ve yağda soğutma + menevişleme ve normalizasyon işlemleri uygulanmıştır.
Jominy Deneyi öncesi numunelere normalizasyon işlemi yapılmış olup daha sonrasında su verme sıcaklıklarında işlem yapılmıştır. 
Her 3 gruba ait hazırlanan numunelerden sertlik testi incelenmiş olup sertlik değerlerinin bor alaşım elementinin etkisi ile arttığı görülmüştür. 
Her 3 gruba ait hazırlanan numunelere çekme testi uygulanmış olup çekme, akma ve %uzama değerlerine bor alaşım elementinin olumlu yönde etkisi görülmüştür. 
Her 3 gruba ait hazırlanan numuneler ile  jominy deneyi yapılmış olup bor alaşım elementinin etkisi ile sertleşebilirliğin arttığı görülmüştür. 
Yapılan çalışmada mikroyapı görüntüleri incelenmiş bor elementinin tane boyutunu inceltici etkisi net şekilde görülmüştür. Su verilmiş ve meneviş işlemi yapıldıktan sonra (soğutma ortamı yağ) alınan numunelerden yapılan kontrollerde ise mikroyapıların homojen olarak dizildiği ve tane boyutlarının QT sonrası küçüldüğü  görülmüştür. 
Deneysel çalışmada amaçlanan, tane boyutunun küçültülerek, mikroyapının homojen hale gelmesi ile mekanik özelliklerin arttırılması ve sertleşebilirliğin iyileştirilmesinin deneysel çalışmalar sonucunda sağlandığı gözlenmiştir.
Yüksek sertlik ve yüksek aşınma dayanımının gerektiği uygulamalarda borlu çeliklerin, yüksek karbonlu çeliklere alternatif olarak kullanılabileceği görüldü. Borun sertleşebilme derinliğine etkisi de jominy testi sonuçları ile ortaya konmuştur.
Bor elementinin çeliklerde kullanılan geleneksel alaşımlara göre daha ekonomik olması ekonomik yönden de kullanımını olumlu yönde etkilemektedir.

Abstract:
Steel; automotive, machinery manufacturing, agriculture, railways, household goods, etc. meets the needs of production areas. For this reason, steel encounters material feasibility in a wide variety of fields. An important part of these feasibility is the steel grades that have been improved in terms of mechanical properties.
Boron finds use in many different sectors. They are mostly consumed in the form of boron chemicals. Boron products are used in many fields such as nuclear applications, space and air vehicles, electronic military vehicles, fuels and communication sector, agriculture, glass industry, chemical and detergent sector, ceramic and polymeric materials, nanotechnology, automotive and energy sector, metallurgy and construction.
The use of boron in the steel industry is newer than other alloying elements. The reasons for the increased use of boron in the steel industry are its positive effect on mechanical properties. In the steel industry, it has been observed that boron provides grain size reduction and high hardenability to steel.
The aim of the study is to observe how boron changes the mechanical and microstructural properties of different grade groups under heat-treated and non-heat-treated conditions. In addition, it has been observed that boron improves the creep behavior and deformation properties of steels with heat treatment. In this study, studies were carried out on alloyed boron steel groups that were improved in terms of mechanical properties.
One of the new application areas of boron and boron derivative products is the steel industry. Boron positively affects the hardenability of steel. Boron steels exhibit the greatest influence on hardenability when the boron is present as a solid solution in the grain when cooled rapidly. It is seen that heat treatment significantly improves the yield and tensile strengths of boron steels. In addition to heat treatment, it also increases the wear resistance of boron steels.
In this study, the effect of boron alloying element on different steels will be examined. Boron and boron-free steels are divided into 3 groups. Steel grades 28Mn6 and 30MnB5 in group 1, steels 38B3-C35 in group 2 and 36CrB4-41Cr4 steels in group 3 will be examined in terms of mechanical and microstructural properties in heat treated and untreated conditions.
Parameters such as strength, yield strength and toughness are of high importance in steel. In this study, in addition to improving these parameters, it is aimed to clearly show the differences between alloyed boron steels and non-boron alloyed steels.
Tensile test and microstructural examination will be performed on boron alloy steels and non-boron alloy steels in rolling (+AR), normalized (+N) and tempered (+QT) conditions. Abrasion test will be applied to the +QT treated materials and a comparison will be made. In order to determine the effect of boron on hardenability, jominy test will be applied.
In the experimental study, improvement process was applied in 3 groups, cooling in water + tempering and cooling in oil + tempering and normalization processes were applied.
The first group was kept at 860 °C for 90 minutes, after being cooled in water, it was kept at 550 °C for 60 minutes and then left to cool in air.
The second group was kept at 860 °C for 60 minutes, after cooling in water, it was kept at 550 °C for 60 minutes and then left to cool in air.
The third group was kept at 860 °C for 90 minutes, after cooling in water, it was kept at 550 °C for 60 minutes and then left to cool in air.
The first group was kept at 840 °C for 60 minutes, after cooling in oil, it was kept at 550 °C for 60 minutes and then left to cool in air.
The second group was kept at 840 °C for 60 minutes, after cooling in oil, it was kept at 550 °C for 60 minutes and then left to cool in air.
The third group was kept at 840 °C for 60 minutes, after cooling in oil, it was kept at 550 °C for 60 minutes and then left to cool in air.
Before the Jominy Experiment, the samples were normalized and then treated at quenching temperatures. Before the normalization process was applied to the samples taken for the jominny test, then the jominy test was performed and the hardenability depths were examined. The purpose of the normalization process is to provide homogenization in the grain sizes of the structure and to ensure that the hardness can be obtained under equal conditions in all regions.
Normalization annealing was applied to the alloys in the 1st group at 840-880 degrees and then they were brought to the quenching temperature and cooled.
Normalization annealing was applied to the alloys in the 2nd group at 850-900 degrees and then they were brought to the quenching temperature and cooled.
Normalization annealing was applied to the alloys in the 3th group at 840-880 degrees and then they were brought to the quenching temperature and cooled.
The hardness test of the prepared samples belonging to each of the 3 groups was examined and it was observed that the hardness values increased with the effect of the boron alloy element.
Tensile test was applied to the prepared samples belonging to each of the 3 groups and the positive effect of the boron alloy element was observed in the tensile, yield and % elongation values.
The jominy test was carried out with the samples prepared for each of the 3 groups and it was observed that the hardenability increased with the effect of the boron alloy element.
In the study, the microstructure images were examined and the effect of the boron element on the grain size was clearly seen. In the controls made from the samples taken after quenching and tempering (cooling medium oil), it was observed that the microstructures were arranged homogeneously and the grain sizes decreased after QT.
It has been observed that the aim of the experimental study is to reduce the grain size, to make the microstructure homogeneous, to increase the mechanical properties and to improve the hardenability as a result of the experimental studies.
It has been seen that boron steels can be used as an alternative to high carbon steels in applications where high hardness and high wear resistance are required. The effect of boron on the hardenability depth was also demonstrated by the results of the jominy test.
The fact that the boron element is more economical than the traditional alloys used in steels also positively affects its use economically.