Effects of the plasma-arc cutting on the microstructure and hardness of steel

Abstract

ÖZET Bu çalışmada, sıkıştırılmış kuru hava kullanan plazma-ark kesim yöntemiyle kesilmiş çelik numunelerinin, mikroyapı ve mekanik özellikleri incelenmiştir. Farklı karbon yüzdesine ve kalınlığa sahip çelik numuneleri hem bir CNC (Bilgisayarlı Nümerik Kontrol) kesme makinesi ve hem de elle kesim yapan bir makine kullanılarak plazma-ark kesim yöntemiyle kesilmiştir. Mikroyapı, ısı tesiri altında kalan bölgenin genişliği, mikrosertliği ve kimyasal analizi gözlemlenmiş ve ölçülmüştür. Bir karşılaştırma yapabilmek için bazı numuneler klasik bir termal kesim yöntemi olan, oksijen-propan karışımı ile kesilmiştir. Deneysel sonuçlara bağlı olarak, ısı tesiri altında kalan bölgenin (ITAB) genişliği ve sertliği ile aşağıdaki kesim parametreleri arasındaki ilişkiler incelenmiştir. -Karbon yüzdesi -Malzeme kalınlığı -Kesim hızı -Ark akım şiddeti -Hava basıncı - Meme-Malzeme arası uzaklık Deney sonuçlarında, Plazma-ark metodunun Oksijen-Propan yöntemine kıyasla daha az ITAB genişliği verdiği, bunun yanında bazı numunelerde ITAB içinde daha fazla sertlik değerleri oluştuğu görülmüştür. Numunelerin kesme kenarlarına çok yakın olan bölgelerinde (ITAB içinde) çok sert bir martenzitik yapı oluşumu gözlenmiştir. ITAB genişliğinin, karbon yüzdesi, ark akım şiddeti ve hava basıncıyla doğru orantılı olarak, kesme hızı ve meme-malzeme arası uzaklıkla ise ters orantılı olarak değiştiği görülmüştür. Mikroyapı deneylerinin sonucunda, yüzey sertliğinin, kesme kenarından içeriye doğru azaldığı kaydedilmiştir. Plazma kesimi kullanıcıları için, malzeme kalınlığına bağlı olarak optimal kesim parametrelerinin bir listesi tez sonunda verilmiştir.

XV ABSTRACT In this study, the microstructural and mechanical properties of steel specimens cut by airplasma arc cutting process are investigated. The steel specimens of different carbon contents and thicknesses were cut by plasma-arc cutting (PAC) method using a CNC (Computer Numerical Control) cutting machine and also a manual plasma cutting set-up. In order to get a comparison, a traditional thermal cutting method, oxy-fuel cutting (OFC), is also applied on some specimens. The microstructures, the widths and microhardnesses of the heat affected zones (HAZ) and the composition analyses have been observed and measured. Depending on the experimental data, relations between the width and hardness of the HAZ and the following cutting parameters were explored: - Carbon content - Material thickness - Cutting speed - Arc current - Air pressure - Nozzle-workpiece distance It was found that a superhard martens ite structure forms in the HAZ of the steel specimens cut by PAC. The width of HAZ is directly proportional to the carbon content, arc current and the air pressure whereas it is inversely proportional to the cutting speed and the torch-workpiece distance. The microhardness tests indicated that the surface hardness is decreasing from the cut edge towards the matrix in steel specimens. The optimum cutting parameters are listed according to the material thicknesses for the plasma cutting operators.