Yüksek alaşımlı iki farklı çeliğin sürtünme kaynağı ile birleştirilmesinde optimum kaynak parametrelerinin tesbiti ve birleşme bölgesinin incelenmesi

Abstract

ÖZET Supap imalatı endüstrisinde, teknolojik gelişme ile birlikte, benzinli ve diesel motorların egzost supaplarının, farklı iki çelikten imal edilmesi zorunluluğu ile karşılaşılmıştır. Egzost supaplarının, `sap` kısımları sürtünmeden dolayı aşınmaya karşı mukavim, tok ve sünek bir malzeme olan 1.4718 (X45CrSi93) çeliğinden, `kafa` kısımları ise oksidasyona, kurşun oksit ve diğer yanma ürünlerinden kaynaklanan sıcak korozyona karşı çok iyi dayanım gösteren 1.4871 (X53CrMnNiN219) çeliğinden imal edilmektedir. Günümüz teknolojisinde bu çelik çifti sürtünme kaynağı ile birleştirilmektedir. Bağlantıyı oluşturan çeliklerin, birbirinden farklı alaşımda, yüksek karbonlu ve yüksek alaşımlı çelikler olması, bu çeliklerden oluşan bağlantının mekanik ve metalografik olarak incelenmesi ihtiyacını ortaya çıkarmıştır. Bağlantının kalitesini belirleyecek olan, öncelikle optimum kaynak parametrelerinin uygulanmasıdır. Bu çalışmada, yüksek alaşımlı farklı iki çeliğe gruplar halinde farklı kaynak parametreleri uygulanarak, bu grupların her birisine mekanik ve metalografik incelemeler tatbik edilmiştir. Böylece belirtilen malzemeler ve çalışma şartlan için optimum kaynak parametreleri belirlenmiştir. Deney malzemesi olarak 12.30 mm çapında 1.4871 ve 1.4718 malzemeden çelik çubuklar kullanılmıştır. Bu farklı malzemelerden çelik çubuklar, birbirlerine sürtünme kaynağı ile toplam 27 farklı parametre grubunda, her gruptan sekizer adet olmak üzere birleştirilmiştir. Tüm parametre gruplarındaki bağlantılar, kaynaktan sonra 600 °C'de bir saat süre ile gerilme giderme tavlamasına tabi tutulmuşlardır. Her gruptan üçer adet kaynaklı bağlantıya çekme deneyi, üçer adet kaynaklı bağlantıya çentik darbe deneyi, birer adet numuneye de metalografik ve mikrosertlik incelemeleri tatbik edilmiştir. Bu incelemeler sonucunda, belirlenen parametre grubundaki numunede, mikroprob ve X ışını difraksiyon incelemeleri, gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, tüm parametre gruplarındaki kaynaklı bağlantılarda, kaynak sonrası oluşan malzeme kaybı ve boy kısalmaları tespit edilmiştir. Gerçekleştirilen tüm bu incelemeler sonucunda, adı geçen malzeme çifti içn optimum kaynak parametreleri : Sürtünme süresi (t-ı); 3.70 (s), Sürtünme basıncı (P0; 207 (MPa). Dövme basıncı (P2); 414 (MPa). Olarak belirlenmiştir. Bu değerler, birleştirilecek malzemelerin çapı ve kullanılan sürtünme kaynağı makinesinin itici pistonunun kesit alanı göz önüne alınarak supap endüstrisinde uygulanmalıdır. Kaynak sonrası malzeme kaybının büyük kısmı 1.4718 malzemede gerçekleşmiştir. En fazla malzeme kaybını artan sürtünme basıncı ve artan dövme basıncı değerlerinde yüksek sürtünme sürelerinde olduğu belirlenmiştir. Mekanik incelemelerde, adı geçen parametre grubuna ait numunelerde, kaynak bölgesinden kopma gözlenmemiştir ve en yüksek kırılma enerjisi de bu gruba ait numunelerde tespit edilmiştir. Mikrosertlik incelemesinde, sertlik profilinin, kaynak bölgesinde maksimum değere ulaştığı, kaynak bölgesinden uzaklaştıkça sertliğin azaldığı, ani sertlik değişimleri ile karşılaşamadığı sertlik profili eğrisinin eğiminin dik olmayıp daha geniş aralıkta az eğimle gerçekleştiği belirlenmiştir. Metalografik incelemelerde ise, plastik deformasyon sonucu tanelerde mekanik yönlenme ve yönlenme hatları boyunca da karbür dizilenmesi oluştuğu görülmüştür. Cr, Ni, Mn, Si elementlerinde malzemeler arasında difüzyon olayı gözlenmiştir. Kaynak bölgesinde ise ( Cr, Fe )7 C3 karbürünün varlığından söz etmek mümkündür. En az imalat hatasının hedeflendiği supap endüstrisinde, optimum kaynak parametrelerinin bilimsel olarak tespiti ve kaynak sonrası malzeme davranışlarının bilinmesi açısından, bu çalışmada önemli sonuçlar elde edilmiştir. XI

ABSTRACT In the valve manufacturing industry, it has become a must to manufacture the exhaust valves of normal and diesel engines from two different types of steels. The `handling` parts of exhaust valves are manufactured from 1.4718 (X45CrSi93) steel which is resistant against wearing due to friction, tough & ductile while the `head `parts are manufactured from 1.4871 (X53CrMnNiN219) steel which shows a very good resistance against oxidation, and hot corrosion caused by lead oxide and other burning products. Today, this steel couple is joined by friction welding. Because, the steels producing the joining have different alloys, high carbon ratio and are high alloy steels it has been necessary to investigate these joinings mechanically and metallographically. What will determine the quality of the joining is to apply primarily the optimum welding parameters. In this study, different welding parameters are applied in groups to two different steels with high alloys and mechanical and metallographical investigations are performed on each group. Thus, the optimum welding parameters are determined for these materials and working conditions. 12.30 diameter steel bars made up of 1.4871 & 1.4718 steel are used as experimental material. Steel bars of these different materials are joined by friction welding in a total of 27 different parameter groups, 8 from each group. After the welding all the joinings from each parameter group have been subjected to stress relief for one hour at 600 °C. From each group, tensile test has been applied three welded joinings, notch impact testing has been applied three welded joinings and metallographical and micro hardness investigations have been applied to one specimen. As a result of these investigations, on the specimen from the specified parameter group microprobe & X Ray diffraction investigations are, performed. Also in welded joinings from all parameter groups, the material loss after welding and the length reduction are determined. As a result of all these investigations performed the optimum welding parameters for the mentioned material couple are determined as; friction pressure (P0; 207 (MPa), forge pressure (P2); 414 (MPa), friction time (t0; 3.70 (s). These values should be used in the valve industry taking into consideration the diameters of the materials to be joined and the cross-sectional area of the pusher piston of the friction welding machine used. The larger part of material loss of welding has taken place in 1.4718 material. It has been observed that the material loss is maximum in increasing friction pressure and increasing rotating pressure values in long friction periods. In mechanical investigations, in specimens from the mentioned parameter groups no fracture from the welding region has been observed and the highest fracture energy has been identified in specimens from this group. In micro hardness investigation; it has been determined that the hardness profile reaches its minimum value in the welding region, that it decreases as the distance from the welding region increases, that rapid hardness variations are not encountered and that the slope of the hardness profile curve is not steep but exists with lower slope in a larger distance. In metallographical investigations; mechanical directionalizing in particles because of plastic deformation and carbide scattering along this directionalizing have occurred. Diffusion phenomenon observed between materials in Cr, Ni, Mn, Si elements. It is also possible to mention the existence of ( Cr, Fe )7 C3 carbide in the welding region In valve industry where minimum manufacturing imperfections are aimed, significant results are obtained in this study from the points of determining in the optimum welding parameters scientifically and recognising the material behaviour after welding. xn iöCo 30MU