Yeni nesil mikro alaşımlı çelik kompozisyonu geliştirilmesi ve prototip üretim prosesi tasarımı

Abstract

Bu tez de yüksek mukavemetli kardan mili üretimi için çelik alaşımı seçimi, geliştirilmesi ve bu hammadde ile yenilikçi dövme projesi tasarlanması hedeflenmektedir. Hammadde seçimi ve geliştirilmesi kapsamında karbür-nitrür yapıcı çelik alaşım elementlerinin dövme prosesi ile birlikte mamul mekanik özelliklerini geliştirme kabiliyetleri, simülasyon destekli olarak araştırılmıştır. Metal şekillendirme prosesleri ile üretilen ürün özellikleri; hammadde özellikleri, deformasyon öncesi tavlama, dövme operasyonları sayısı, deformasyon oranı ve sıcaklığı, sürtünme ve soğutma şartlarından etkilenmektedir. Farklı değişkenlerin etkisini birlikte analiz edilen bu projede; i) geliştirilen çelik alaşım kompozisyonlarına ait termal, mekanik ve metalurjik özelliklerin sayısal hale getirilmesi ve indekslenmesi, ii) sonlu eleman-hacim yöntemi ile dövme ve soğutma prosesi tasarımı, iii) sayısal verilerin işlenmesi sonucunda üstün mekanik özellikler elde edilen kombinasyonlar elde edilmiştir. Tez çalışması kapsamında; Alaşım elementi seçimi ve alaşım dizaynı gerçekleştirilmiş C, N, Si, Mn, Al, V, Ti, Nb ve Cr elementlerinden mikro alaşım katkısı olan Al, Ti, V ve Nb elementlerinin (toplamda maksimum % 0,22, örnek kaliteler ise S480W, S600, S600MC, S700 MC levha) arayer atomları olan C ve N ile oluşturdukları karbür ve nitrülerin, östenit fazı içindeki çözünürlükleri, dizayn edilen kompozisyon bazında dinamik yeniden kristalleşme sıcaklığı, deformasyon oranı ve sıcaklık ile çökeltilerin oluşturduğu süreçlerin fiziksel metalurji ile açıklanması, tane inceltme mekanizması, kontrollü soğutma tasarımı ve oluşturulan kompozisyona ait TTT ve CCT diyagramları belirlenmiştir. % deformasyon oranları %5-70 arasında değişen, sıcaklıkların ise alaşım kompozisyonuna göre son deformasyonun östenitin yeniden kristalleşme olmadığı sıcaklık aralığında (bu sıcaklık C, Ti, Al, Si, Nb ve V elementlerinden etkilenmektedir.) gerçekleştiği termomekanik işlemdir. Soğuma sonrası deformasyon östenit yapısının ince taneli ferrit perlit yapısında olmasına neden olur. Son dövme işlemi östenitin ferrite dönüşüme başladığı sıcaklığın az üstünde verilmektedir. Bu noktada üretilen sanal malzeme özellikleri deposu esasında termomekanik ve kontrollü şekillendirme süreçleri farklı deformasyon oranları ve sıcaklıklarında (faz bölgesinde) yapılmıştır. Simüle edilen dövme proseslerinden sonra, alaşım TTT-CCT esasında hava, hızlandırılmış hava (Accelerated air cooling), su+hava, su sprey ortamındaki farklı ısı transfer katsayılarının ürün mikro yapısında ortaya çıkardığı etkiler analiz edilmiştir.

With this project, it is aimed to select and develop steel alloy, and design innovative forging process with this raw material for high strength cardan shaft production. Within the scope of raw material selection and development, the ability of the carbide-nitride-forming steel alloying elements to improve the mechanical properties of the product together with the forging process were investigated with the support of simulation. Product characteristics produced by metal forming processes are affected by raw material properties, pre-deformation annealing, number of forging operations, deformation rate and temperature, friction and cooling conditions. In this project, the effects of different variables were analyzed together; i) Digitalization and indexing of thermal, mechanical and metallurgical properties of the steel alloy compositions developed, ii) forging with finite element-volume method, and cooling process design, iii) As a result of the processing of numerical data, combinations with superior mechanical properties were obtained.As a result of the project, the selection of alloy elements and alloy design have been carried out C, N, Si, Mn, Al, V, Ti, Nb and Cr elements of the micro-alloy elements of the Al, Ti, V and Nb elements (in total a maximum of 0.22%, sample qualities S480W, S600, S600MC, S700 MC plates) C and N and the carbides and nitrites, which are formed by atoms, the austenite phase, the solubility of the designed composition based on the dynamic recrystallisation temperature, deformation rate and temperature and the process of precipitation with the process of physical metallurgy, grain refinement mechanism, controlled cooling design and TTT and CCT diagrams of the composition were determined. This process is a thermomechanical process where the deformation rates vary between 5-70% and the temperatures are realized in the temperature range ( this temperature affects by C, Ti, Al, Si, Nb and V elements) where austenite is not recrystallized according to the alloy composition. Deformation after cooling process causes the austenite structure to be of fine-grained ferrite and perlite structure. The final cutting depth process is given a little more than the temperature at which the austenite is beginning to transform to the ferrite. At this point, the thermomechanical and controlled forming processes based on the virtual material properties store were made at different deformation rates and temperatures (in the phase region). After simulated forging processes, the effects of different heat transfer coefficients in air, accelerated air cooling, water + air, water-spray environment on the basis of alloy TTT-CCT were analyzed.