TAKIM ÇELİKLERİ ÜRETİMİNDE KULLANILAN ESR YÖNTEMİNİN METALURJİK KARAKTERİZASYONU

 THE METALLURGICAL CHARACTERIZATION OF ESR METHOD USED IN TOOL STEEL PRODUCTION

 Murat AYDIN, Metalurji ve Malzeme Mühendisi, İstanbul, Türkiye

AYBİTAK, Çelik Teknolojileri Araştırma Departmanı

Özet

Elektro Curuf Altında Ergitme/ Elektro Schlacke Umschmelzen (ESU)/ Elektro Slag Remelting (ESR), yıllar önce VIM ingotlarının katılaşma mikroyapısını rafine etmek için alternatif bir proses olarak ortaya çıkmıştır. İstenilen çelik kalitesindeki elektrot, klasik usullerle elde edildikten sonra, su ile soğutulan bakır bir pota içinde, kimyasal aktif bir curuf tabakası altında hava ile temas ettirilmeden ergitilir. Bu prosesin en önemli özelliği aşağıdan yukarıya doğru yönlendirilmiş katılaşma mikroyapısı elde edilebilmesidir.

Yüksek dayanımlı ve homojen bir yapıya sahip olan ESR çelikleri daha homojen ve daha küçük taneli bir yapıya sahip olmalarının yanında homojen bir karbür dağılımı gösterirler. ESR ingotlarında mikroyapıdaki homojenlik, segregasyon ve porozitenin olmayışı daha sonraki deformasyon işlemlerinde önemli avantajlar sağlar.

Anahtar Kelimeler: İngot, curuf, mikroyapı, segregasyon, karbür, porozite

Abstract

Elektro Schlacke Umschmelzen (ESU) / Elektro Slag Remelting (ESR), has been emerged long since as an alternative process to refine the solidification microstructure of the VIM ingots. The electrode in required steel quality is acquired by the conventional methods then it is melted under a chemically active slag layer in a water-cooled copper pot without coming into contact to air. The most important feature of this process is the availability of bottom-up oriented solidification structure to be acquired.

The ESR steels which have high strength and homogenous structure show a homogenous carbide distribution as well as have more homogenous and smaller grained structure. Absence of homogeneity, segregation and porosity in microstructures of ESR ingots provide significant advantages on subsequent deformation processes.

Keywords: Ingot, slag, microstructure, segregation, carbide, porosity

1.Giriş

Çelik üretiminde her geçen gün daha kaliteli ve daha üstün özelliklere sahip ürün elde etmek ana hedeftir. Bu amacı gerçekleştirmek için; Elektro Curuf Altında Ergitme/ Elektro Schlacke Umschmelzen (ESU)/Elektro Slag Remelting (ESR) olarak adlandırılan çelik üretiminde, havacılıkta, termik ve nükleer enerji santrallerinde, savunma sanayisi gibi kritik uygulamalarda kullanılan nitelikli alaşımların ergitilmesi ve saflaştırılması için geliştirilen ve kullanılan sistem uygulanmaya başlamıştır. 1928-1942 yıllarında ilk defa Amerikan patentini alan Armstrong ve Hopkins tarafından geliştirilmiştir, ilk yıllarda önem kazanmayan bu sistem 1950 - 1960 yıllarında geliştirilen curuf altında kaynak metodu sonucu tekrar önem kazanmıştır. Son 10 yıl içerisinde batı, son yıllarda ise dünyada çok sayıda işletme tarafından kullanılır hale gelmiştir.

2. Elektro Curuf Ergitme  / ESU/ ESR Prosesi

İstenilen çelik kalitesindeki elektrot, klasik usullerle elde edildikten sonra su ile soğutulan bakır bir pota içinde, kimyasal aktif bir cüruf tabakası altında hava ile temas ettirilmeden ergitilmesi işleminden ibarettir. Eritme işi için transformatörün sekonder uçları taban plakasına ve ergitilecek elektrota bağlanır. Taban plakası da bakırdan yapılmıştır ve su ile soğutulmaktadır. Elektrot ile taban plakası arasından geçen elektrik akımı curuf tabakasından geçerken curufun direnç vazifesi yapmasından dolayı ısı meydana gelir. Bu ısı ile eriyen cürufta 1800- 2000 ^oC sıcaklık doğar. Bu sıcaklık elektrot ucunun ergimesine imkân sağlar. Elektrot ucunun ergimesi ile meydana gelen damlalar curuf tabakasından geçerken bir kimyasal reaksiyon sonunda safsızlıklar ve inklüzyonlardan temizlenir yani rafinasyon işlemi olur. Bundan sonra tabana iner ve derhal katılaşır. Metal ve cüruf arasındaki yoğun reaksiyonlar sülfür ve metal dışı atıkların toplanmasında önemli sonuçlar ortaya koyar. Geriye kalan kalıntılar çok azdır ve ergitilmiş ingotun içinde dağılmışlardır. Şekil 2.1. Konvansiyonel (a) ve ESR (b), üretimde ingot katılaşması gösterimi

Şekil 2.1. Konvansiyonel (a) ve ESR (b), üretimde ingot katılaşması gösterimi.

ESR prosesinin diğer bir özelliği ise ingotun aşağıdan yukarıya kontrollü katılaşmasıdır. Boşlukların ve ayrık bölgelerin yokluğuyla birlikte makro yapının oldukça yüksek yoğunluklu ve homojen olduğu gözlenir, ingotun homojen olması mekanik özelliklerin sıcak şekillendirme sonrasında enine yönlerde de üniforrn özellikte olmasını sağlar. Çünkü makro büyüklükteki farkların veya metalik olmayan kalıntıların giderilmesi, heterojensizliğin ortadan kalkmasıyla ingot malzemedeki fiziksel ve mekanik özellikleri artırır, Buna ek olarak bu prosese özgü ESR ingotunun temiz ve düzgün yüzeyli üretimi maliyetini azaltmakta, yüzey işlemlerini ve sıcak şekillendirme öncesi yapılacak işlemleri kısaltmaktadır. Şekil 2.2. Konvansiyonel ve ESR yöntemiyle üretilmiş 1.2343 sıcak iş takım çeliğine ait ingot katılaşması ve ingotta meydana gelen Mo ve Cr mikrosegregasyonu verilmiştir.

Şekil 2.2. ESR (a) ve konvansiyonel (b) yöntem ile üretilmiş 1.2343 sıcak iş takım çeliğinde ingotta Mo ve Cr mikrosegregasyonu.

3. İnklüzyonlar

ASTM, E7’ ye göre, inklüzyon, mekanik olarak tutulan oksit, sülfit, silikat ve benzeri katılaşma sırasında oluşan veya katı metal içinde katılaşma sonucu oluşan empüritelerin partikülleridir. ASTME-45'e göre, inklüzyon tipleri ve seviye farklılıkları esasına göre A, B, C ve D olarak ayrılmaktadır. İnklüzyonlar, “İç Kaynaklı” ve “Dış Kaynaklı” olmak üzere ikiye ayrılırlar. Şekil 3.1. Alümina (a) ve silika (b) türü inklüzyona ait EDX analizi ve SEM mikroyapı görüntüsü verilmiştir.

4. ESR Prosesinde Kullanılan Curuf Çeşitleri ve Özellikleri

ESR prosesindeki metalurjik reaksiyonların yönü ve kapsamı çelik bileşimi, kullanılan curuf ve ortamla (inert gaz; hava, vs) kontrol edilmektedir. Prosesinin başlıca özelliği curuf banyosu olup malzemedeki tüm kalıntıları elektro metalurjik işlemlerle taşıması beklenmektedir. Sıvı metal sürekli taşınımlarla curufun içinde yerini alır. Bu taşınım sonucu, kinetik ve termodinamik koşullar curufun ve metalin bileşimini değiştirir. Bu planlı taşınımı gerçekleştirmek için curufun bileşimi iyi analiz edilmelidir. Curuf için yapılabilecek tanım:

Ergime noktası malzemeninkinden düşük olmalıdır.

Elektriksel anlamda iletken olmalıdır

Viskozitesi tekrar ergimeye uygun olmalıdır.

Kompozisyonu istenilen reaksiyonlardaki gibi olmalı, yani sülfür ve oksitler curufa geçmelidir.

5. Endüstriyel Örnekler

Yüksek dayanımlı ve homojen bir yapıya sahip olan ESR çelikleri daha homojen ve daha küçük taneli bir yapıya sahip olmalarının yanında homojen bir karbür dağılımı göstermesi ile de ön plana çıkmaktadır. Şekil. 5.1.  (a,b) bir soğuk iş takım çeliğinde konvansiyonel ve ESR üretim sonrası mikroyapıdaki karbür dağılımı gösterilmiştir. ESR üretim yöntemine sahip çelik daha küçük ve daha homojen bir karbür dağılımı yapısına sahiptir. Bu durum gerek sıcak şekillendirme gerekse de ısıl işlem sırasında avantaj sağlamaktadır.

Şekil. 5.1. (c,d) benzer kimyasal kompozisyonlara sahip paslanmaz plastik kalıp çeliklerine ait mikroyapı karşılaştırması verilmiştir. Soldaki mikroyapı; haddeleme / dövme yönüne paralel geniş bloklu karbürler (beyaz alanlar) içerir. Sağdaki mikroyapı ESR işlemi uygulanmış çeliğe aittir. Karbürler düzgün dağılmış ve nispeten daha incedir.

Şekil 5.1. ESR ve Konvansiyonel üretime ait karbür dağılımı; soğuk iş takım çeliğinde; Konvansiyonel üretim(a), ESR üretim (b). Paslanmaz özellikli plastik kalıp çeliği mikroyapısı; Konvansiyonel (c), ESR (d).

Aşağıda Şekil 5.2’de verilen 1.2344 Konvansiyonel yöntemle ve ESR yöntemiyle üretmiş sıcak iş çeliklerinin makro dağlama sonrası kesit görüntüsü ve ESR işlemi uygulanmış ve uygulanmamış H13 çeliklerinin sertleştirilmiş ve 44-46 HRC temperlenmiş mikroyapı görünümleri ve kırılma enerjileri ile ingot mikrosegregasyonu verilmiştir.

Şekilden de anlaşıldığı üzere, ESR yöntemiyle üretim kırılma enerjisi ve mikroyapı açısından konvansiyonel üretime göre daha yüksek ve gelişmiş özellikler göstermektedir. Mikroyapı ve dolayısıyla mekanik özelliklerin bu derece gelişmiş olması ESR yöntemiyle üretilmiş çeliklerin cazibesini artırmakta ve kullanıcı için daha güvenli bir takım yada kalıp yapımına olanak sağlamaktadır.

Şekil 5.2. 1.2344 / H13 çeliğine ait konvansiyonel üretim ve ESR üretim yöntemine ait mikroyapı, mekanik özellik ilişkisi ve ingotta Mo ve Cr mikrosegregasyonu.

Son dönemlerde kullanılan, daha temiz yapıda çelik üretmeyi sağlayan yöntemler olan; ESR ve VAR, konvansiyonel ve EFS yöntemine göre çok daha yüksek özellikler göstermektedir. Aşağıdaki Şekil 5.3.’te metal enjeksiyon yöntemi ile bilgisayar parçası üretimi; üretim yöntemi- kalıp/takım ömrü ilişkisini gösteren bir örnek verilmiştir.

Şekil 5.3. Metal enjeksiyon yöntemi ile bilgisayar parçası üretimi, üretim yöntemi- kalıp/takım ömrü ilişkisi.

ESR üretim şekilden de görüleceği üzere, konvansiyonel yönteme göre neredeyse 4 kata yakın bir performans artışı ve takım-kalıp ömrü göstermektedir. Böyle bir pozitif durum artışı ise özellikle metal enjeksiyon gibi hassas ve sıkıntılı olan üretim yöntemlerinde çok büyük bir avantaj getirmektedir.

Sonuçlar ve İleriye Bakış

ESR ergitme işlemi, takım çelikleri kadar çok fazla temiz olması öngörülen yüksek sıcaklık servisinde kullanılacak çelik ve alaşımlar için de uygulanır. ESR yöntemiyle üretilmiş, temiz bir çeliğin kalitesi, parçanın özellikle enine yönündeki mekanik özellikleri (haddeleme veya dövme yönüne dik açılarda) bakımından yüksektir. Bu çeliğin temizliğinin artışı, metal dışı inklüzyonlardan arınmış olasından kaynaklanmaktadır.

İnklüzyonlardan arınmış bir çeliğin ise göstermiş olduğu yüksek yorulma özellikleri, çeliği daha çekici yapar.

Çeliğin ESR işlemleri ile üretilmiş olması, çelikte segregasyonların büyük ölçüde azalmasını sağlar. Segregasyonları azaltmak suretiyle yüksek sıcaklıkta kullanılacak çelik ve alaşımlar için özel bir avantaj olan katılaşma sonrası haddeleme veya dövme işlem­leri kolayca uygulanabilir. Bu tür çeliklerin, gelişmiş sürünme özellikleri ve azaltılmış çentik hassasiyeti gibi avantajları da vardır.

Özetle ESR yönteminin karakteristik özellikleri şöyle sıralanabilir:

Minimum segregasyon seviyesi

Optimum ingot yapısı

Minimum sülfür konsantrasyonu

Minimum metalik olmayan kalıntı miktarı

Yüksek üniform dağılım ve hiç inklüzyon içermeme

Çok iyi izotropik özellikler

Uygun biçimde ayarlanabilen ingot ağırlığı

Proses otomasyonları sayesinde yüksek tekrar üretilebilirlik

Tüm bu üstün özelliklerinden dolayı takım çelik üreticileri, her geçen gün bu yöntem ile üretimi artırmakta, araştırma, geliştirme çalışmalarına önem vermekte ve dolayısıyla bu çeliklerin kullanım alanları artmaktadır.

KAYNAKLAR

[1] Murat AYDIN, Frans MÜLLER, “Vakum Metalurjisi Yöntemiyle Çelik Üretimi ve Karakterizasyonu”, Aybitak; Bilim ve İleri Teknolojiler Araştırma Geliştirme, Çelik Teknolojileri Araştırma Departmanı

[2] “Elektroslag Remelting and Plasma Arc Melting”, National Materials Advisory Board, Commission on Sociotechnical Systems, National Research Council, National Academy of Sciences, Washington, D.C,

[3] Ashok Choudhury, “Vacuum Metallurgy”, Materials Park, Ohio,

[4] Ahmet Ekerim, “Elektro Curuf Tekniği İle Çelik ve Döküm Malzemelerini Arılaştırarak Niteliğinin Yükseltilmesi”,

[5] Ufuk Önemli, “Elektro Curuf Ergitme Prosesi ve Prosesin Modellenmesi”, Yıldız Teknik Üniversitesi

[6] http://products.asminternational.org

[7] http://www.substech.com

[8] http://www.böhler-edelstahl.com

[9] http://web.ald-vt.de

[10] http://www.sms-mevac.com