Döküm proses parametrelerinin yüksek manganlı östenitik çeliklerin özelliklerine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of casting process parameters on the properties of titanium alloyed hi̇gh manganese steel
Yazar: UĞUR GÜROL
Danışman: PROF. DR. SÜLEYMAN CAN KURNAZ
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Ostenitik çelik = Austenitic steel ; Çelik döküm = steel casting

Özet:
ASTM A128 E-1 (1.0C-13Mn) çeliği maden endüstrisinde kullanılan iş makinalarının darbeye ve aşınmaya dayanıklı hareketli palet sistemlerinde tercih edilen bir alaşımdır. Çalışma koşullarının ağırlaşması ile daha yüksek performans gösteren alaşımlara olan gereksinim artmıştır. Bu doğrultuda alaşım geliştirme, ısıl işlem optimizasyonu ve alaşımın mikro yapısal tasarımı ile daha yüksek aşınma direnci, tokluk dayanımı ve çekme mukavemeti elde edilebilmektedir. Bu tez çalışması kapsamında yüksek manganlı çeliklerin bileşiminde bulunan karbon, mangan, titanyum elementlerinin etkileri ile beraber farklı ısıl işlem ve döküm sıcaklıklarının mikro yapı ve mekanik özelliklere etkisi incelenmiş ve uygun mikro yapı şartları altında çekme mukavemeti, darbe dayanımı ve aşınma özelliklerinin geliştirilmesi hedeflenmiştir. 
İlk olarak, sabit döküm sıcaklığında (1450 °C) farklı kimyasal kompozisyonlarda üretilen döküm numuneleri kullanılarak optimum karbon ve mangan oranı ile beraber en uygun çözeltiye alma sıcaklığının belirlenmesi amaçlanmıştır. Referans alaşımla (1.0C-13Mn) kıyaslandığında; akma mukavemetinde %5, uzama miktarında %19, darbe dayanımındaki %21'lik iyileşme ile en optimum sonuçlar 1.0C-17Mn numunesinin 1100 °C'de çözeltiye alma ısıl işlemi sonucunda elde edilmiştir. Deneysel çalışmaların ikinci aşamasında ise farklı oranlarda Ti ilavesinin etkisi incelenmiştir. Çalışma sonucunda, titanyum ilavesi ile mikro yapıda kararlı Ti(CN) fazının oluştuğu ve buna bağlı olarak da tane boyutunda %45-52 oranında küçülme olduğu gözlenmiştir. Ti(CN) dağılımındaki ve morfolojisindeki farklılıklar nedeniyle darbe dayanımındaki %22'lik düşüşe rağmen en ideal sonuçlar, çekme mukavemetindeki %7'lik, uzama miktarındaki % 9'luk ve aşınma dayanımındaki % 40 lık artış ile 1.0C-17Mn-0.05Ti numunesi ile elde edilmiştir. Çalışmanın son aşamasında 1.0C-17Mn (Ti ilavesiz) kompozisyonuna sahip alaşım ile gerçek palet pabucu (3.5 ton) parça dökümü gerçekleştirilmiştir. Farklı döküm sıcaklıklarının mikro yapı ve mekanik özelliklere etkisi incelenmiştir. Deneysel çalışmalardaki numunelerde elde edilen veriler ile kalın kesitli döküm parça arasında mekanik ve mikro yapısal özellikler açısından belirgin farklılıklar göze çarpmaktadır. Döküm kütlesi ve kalınlığının artması karşısında daha düşük döküm sıcaklıklarında (1420 °C) üretilen döküm parçada arzulanan mekanik özellikler elde edilebilmiştir. Böylece hem kimyasal analizin hem de ısıl işlem ve döküm sıcaklığının yüksek manganlı çeliklerin performansını büyük ölçüde etkilediğini görülmüştür. Sonuç olarak, endüstride kullanılan döküm parçaların uygun döküm parametreleri ile üretilmesi parçaların kullanım ömürlerinin %30 oranında arttırmaktadır.

Abstract:
ASTM A128 Gr. E-1 (1.0C-13Mn) steel is a strongly preferred alloy in the impact and wear-resistant pallet systems of earthmoving equipment used in the mining industry. The need for higher performance alloys has increased with the aggravation of working conditions. Accordingly, higher wear resistance, toughness, and tensile properties can be achieved with alloy development, heat treatment optimization, and microstructural design of the alloy. Within the scope of this thesis, the effects of carbon, manganese, titanium elements in the composition of high-manganese steels as well as the effects of different heat treatment and pouring temperatures on microstructure and mechanical properties were examined and consequently it was aimed to improve tensile strength, impact resistance and abrasion properties under appropriate microstructure conditions.
Firstly, it was aimed to determine the optimum solution annealing temperature with the optimum carbon and manganese rate by using casting samples produced in different chemical compositions at constant casting temperature (1450 °C). In comparison with reference alloy (1.0C-13Mn), the optimum results with an improvement of 5% in yield strength, 19% in elongation and 21% in impact strength were obtained with 1.0C-17Mn sample that solution annealed at 1100 ° C. Secondly, the effect of the Ti addition at different rates was examined. It was observed that a stable Ti (CN) phase was formed in the microstructure with the addition of titanium and accordingly, there was a 45-52% reduction in the grain size. Although reduction of 22 % in impact resistance due to differences in Ti (CN) distribution and morphology, the most ideal results were obtained with 1.0C-17Mn-0.05Ti sample with an improvement of 7% in tensile strength, 9% in elongation and 40% in wear resistance. In the last stage of the thesis, real track shoe (3.5 tons) was cast with 1.0C-17Mn (Ti free) alloy. The effects of different pouring temperatures on microstructure and mechanical properties were investigated. Significant differences in the mechanical and microstructural properties are noticeable between the results obtained in the sample blocks and the thick section casting part. Despite the increase in casting mass and thickness, the desired mechanical properties obtained in the cast part produced at lower pouring temperatures (1420 °C). As a result, the production of cast parts used in industry with suitable casting parameters increased the service life of the parts by 30%.