Mikro Alaşımlı Çelik Nedir

 

Mikroalaşımlı çelikler, mekanik özelliklerin güçlendirilmesi amacıyla çok az miktarda kuvvetli karbür yada nitrür yapıcı element ilavesiyle yüksek dayanım özelliği kazanmasından dolayı Yüksek Dayanımlı Düşük Alaşımlı Çelikler (YDDA) ya da High Strenght-Low Alloyed (HSLA) olarak adlandırılmaktadır. Düşük karbon içeriği, farklı sertleştirme mekanizmaları ve termomekanik işlem kolaylığıyla birlikte kaynak edilebilirlik, tokluk, düşük sıcaklıklarda gevrek kırılma emniyeti veya mukavemet özelliklerinin bileşimine sahip bir malzeme grubudur.

Çok az miktarlarda alaşımlama elementi ile üretilen bu çeliklere, çok az Alaşımlı (ÇA) çelikler adı da verilmektedir. Bu çelikler, sıcak haddelenmiş ya da normalleme uygulanmış durumda 275 MPa’dan daha fazla akma gerilimlerine ulaşan düşük karbonlu çok az alaşımlanmış çelikler olarak tanımlanabilir. Eşdeğer C-Mn çeliklerinden daha üstün mekanik özellikler sergilerler. Büyük çoğunlukla sıcak haddelenmiş durumda mevcudiyetini korurlar. Doğalgaz ve petrol boru çeliklerine denetimli haddeleme uygulanarak mekanik özellikleri daha fazla iyileştirilir.

Mikroalaşımlı çelikler, yassı mamuller ve dövme amaçlı mamuller olarak tasnif edilmekle birlikte boru çeliği olarak da üretilmektedir. Genel uygulama yassı ürünler üzerinde yapılmakta, dövme amaçlı ürünler özellikle otomotiv sektöründe yaygınlaşarak kullanılmaktadır.

Üretilen çelikte karbon ve diğer alaşım elementlerinin içeriği azaltılarak kaynaklanabilirlik arttırılmakta, meydana gelen çökeltiler ise kuvvet kaybını engellemektedir.

Karbon miktarı, çökelti sertleşmesi ve deformasyon sertleşmesi, akma dayanımı ile darbe geçiş sıcaklığı artırıp, tokluğu düşürmektedir. Ferrit tane boyutunun küçültülmesi ise, akma, çekme dayanımını ve tokluğu artırıcı etki yapmaktadır.

Önerilen Makale: Çelik köşebent malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için köşebent sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.

1900’lü yıllarda alaşımlamayla birlikte mikroalaşımlı çeliklerin gelişimi başlamıştır. 1930 ve 1940’lı yıllarda yüksek dayanımlı yapı çeliklerinin geliştirilmesi sonrası ferrit tane boyutunun küçültülmesiyle 1950’lerde ince taneli çelikler üretilmiş ve normalleştirmenin yerine kontrollü haddelemenin uygulanmasıyla da Avrupa’da yüksek dayanımlı düşük alaşımlı çelikler üretilmiştir.

Bu süreçte; 20. yüzyılın başlarında Ford Model T’nin üretiminde vanadyum çeliklerinin kullanımı, 1921’de Almanya’da az miktarda titanyum ilavesiyle çeliğin dayanımının iyileştirilmesi, 1950 sonrasında Çin’de mikrotitanyum ve mikrovanadyum kullanımı, 1962’de İngiliz BS 968 mikroalaşım ilaveli ulusal çelik standardının meydana getirilmesi sonrasında devrim niteliğinde sayılan Amerikan Great Lakes Steel şirketince 1988’de Niyobyumlu (Nb) C-Mn çeliği üretimiyle bu alanda önemli gelişme sağlanmıştır.

Mikroalaşımlama 1960’lı yıllarda çelik ürünlerinde yaygınlaşmıştır. Yapı çeliklerinde kaynak kullanılmadığı 1940’lı yıllarda yüksek karbon ve mangan içeriği problem oluşturmasa da Melbourne King Street köprüsü yapılırken kaynaklamada yaşanan problem köprü yapımında başarısızlığa yol açmıştır. Bu sorun çeliğe mikroalaşım ilavesiyle çözülmüştür.

Günümüzde çelik üretiminin % 10-15’lik bölümünü mikroalaşımlı çelik üretimiminin oluşturduğu düşünülmektedir. Normal karbon çeliklerine göre ağırlık olarak yaklaşık % 34 hafif olmasına rağmen dayanımı iki kat fazladır. Bu açıdan bakıldığında mikroalaşımlı çelik üretimi ve kullanımı satış fiyatı / maliyet oranı normal karbon çeliğinden yüksek olduğundan üretici açısından ağırlık / dayanım oranı ise karbon çeliğinden yüksek olduğundan kullanıcı açısından daha avantajlıdır.

Çeliklere Niyobyum (Nb) ve Vanadyum (V) eklenmesi ilk kez 2. Dünya Savaşı yıllarında ABD’de yapılmakla birlikte yüksek dayanılı düşük alaşımlı çeliklerinin gelişimi 1960’lı yıllarda başladı. Nb ve V elementlerinin < % 0,10 oranında katımlarıyla C-Mn çeliklerinin dayanımının arttığı bulundu.

Devam eden araştırmalarla, içyapıları ferritli + çok az perlitli olan çelikler geliştirildi. Bunlar içinde sadece Nb, sadece V, sadece Ti içerikli olanlar gibi V+Nb, V+Ti, Nb+Ti, Nb+Mo ve V+N içerikli olanların yanında üçlü ve dörtlü alaşımlılar da katılmıştır.

Üretilen çeliklere Niyobyum (Nb), Vanadyum (V) ve Titanyum (Ti) gibi mikroalaşımlama elementlerinin eklenmesi ve termomekanik haddeleme pratiklerinin uygulanmasıyla geliştirilen YDDA çeliklerde istenen özellikler elde edilmiş ve çeşitli ihtiyaçları karşılayabilecek, kullanım alanı geniş bir ürün elde edilmiştir.

Bu alaşımlarda %C < 0.10 düzeylerindedir. Düşük perlit oranı nedeniyle çarpma tokluğu ve kaynaklanabilirlik iyidir. Bu çeliklere bu nedenle perliti azaltılmış çelikler de denilmektedir.

Mikroalaşımlı çelikler barındırdıkları alaşım elementlerine göre başlıca şekilde sınıflandırılmıştır;
 

Boru çeliği üretiminde Vanadyum ilavesiyle başlayan süreçte, tane inceltme amacıyla sıcak haddeleme ve normalizasyon yapılma ihtiyacıyla birlikte dayanımın artırılması için vanadyum ilave edilen niyobyum çeliklerinin kontrollü haddelenmesi yoluna gidilmiştir. Niyobyum, haddeleme süresince östenitin yeniden kristalleşme miktarını azalttığından kontrollü haddeleme prosesi uygulanan çeliklerde kullanımı önem arz eder.

Niyobyum ve Vanadyumun birlikte kullanılmasıyla yalnız başlarına kullanılmalarından daha yüksek akma mukavemetlerine ulaşılmaktadır. Çökelme sertleşmesinden kaynaklanan yüksek dayanım, yüksek sünek-gevrek geçiş sıcaklığını da beraberinde getirmektedir. Kontrollü haddelenmede ise birlikte kullanım tane boyutunu küçülterek dayanım artışını sağlar, sünek-gevrek geçiş sıcaklığını düşürür. Nb-V mikroalaşım çeliklerindeki düşük Karbon oranı perlit miktarını azaltarak, tokluğu, kaynaklanabilirliğini ve sünekliği iyileştirir.

Mikroalaşımlı Çeliklerin Avantajları Ve Uygulama Alanları


Mikroalaşımlı çelikler üretimi ve kullanımı açısından çeşitli avantajlara sahiptir. Islah çeliklerine göre avantajları şu şekilde sıralanabilir.
 

Günümüzde mikroalaşım çeliklerinin birçok alanda kullanım bulunmaktadır. Bunlar arsında otomotiv endüstrisi, büyük çaplı borular, gaz ve petrol boru hatları, çelik binalar ve köprüler, gemi, tren, vagon, vinç, kamyon, sürekli taşıyıcılar, tarım makinaları, depo tankları ve basınçlı kaplar, baraj bileşimlerinde yapı elemanları, su kontrol ekiµmanları, petrol arama platformları, su altı çelik borular ve kanal boruları, sondaj, havalandırma boruları, çimento mikserleri sayılabilir.
 

Mikroalaşım çeliklerinde niyobyum, vanadyum, titanyum ve alüminyum başta olmak üzere çeşitli mikroalaşım elementleri kullanılabilir. Üretilmek istenen çeliğin kullanım alanına göre belirlenen mikroalaşım elementleri uygun oranlarda üretime alınır. Elementlerin dayanımı artırması ve mikroyapıyı iyileştirmesi beklenmektedir.

Elementlerin mikroyapı üzerideki etkileri şunlardır;
 

Mikroalaşım elementlerinin oluşturduğu çökeltiler değişen sıcaklıklarda farklılık gösterir. Çökeltilerin oluşum sıcaklığı ve etkileri şu şekilde sıralanabilir.

Tane büyümesini kontrol etmede yararlanılan östenitin yüksek sıcaklıklarında istikrarlı olan azotça zengin karbo-nitrür çökeltileri oluşumu, 

Östenitin yeniden kristalleşmesini ve normalizasyon işlemi süresince tane büyümesini engellemede faydalanılan 1000 °C ve daha düşük dönüşüm sıcaklıklardaki (Nb, V ve Ti) karbo-nitrür oluşumları, 

Ferritin yeniden kristalleşmesini engelleme, dayanımı artırma veya ince ya da yassı taneler oluşması amaçlandığında kullanılan ferrit dönüşüm süresince ve dönüşüm sonrası karbo-nitrür çökelti oluşumları, 

Çekme dayanımını ve sertliği artırma amacıyla hızlı soğuma sırasında ve sonrası asiküler ferritteki çökelti oluşumları.
 

Mikroalaşım çeliklerde çökelim sertleşmesi, çok küçük karbonitrür ve karbür çökelimleri ile gerçekleştirilir. Çökelim sertleşmesinin düzeyi çökeltilerin türü, çökeltilerin ferrit içinde yayılma yoğunluğu ve parçacık büyüklüğüne bağlıdır. Bu çeliklerde çökelim sertleşmesinde en etkili karbür MC türüdür.

Mikroalaşımlı çeliklerde çökeltilerin çeliğin özelliklerine önemli etkisi olduğundan mikroalaşım elementleri bu elementlerin çözünebilirlikleri ve çökelti oluşturmalarına uygun olarak seçilmelidir. Karbür ve nitrür oluşturabilme, çökelme sertleştirmesi özelliğini kazandırır.

Mikroalaşım çeliklerinde karbonitrür çökelmesi 3 aşamalıdır.

Çökeltiler sıvı faz içerisinde ve katılaşma sırasında veya katılaşmadan sonra sıvı-katı ara yüzeyinde ve ferrit içerisinde meydana gelirler. 

Çökeltiler sıcaklık düşerken sıcak deformasyon sürecinde meydana gelirler. 

Çökeltiler östenit-ferrit faz dönüşümü sırasında ve sonrasında meydana gelmektedir.

Mikroalaşım çelik üretiminde soğuma hızı arttıkça, çökeltilerin oluştuğu sıcaklık düşmektedir. Burada hız çökeltilerin hangi fazda (ferrit ya da östenitte) çökeleceğini belirlemektedir.
 

 

YDDA çeliklerde akma dayanımını artıran mekanizmalar dislokasyon sertleşmesi, tane sınırı sertleşmesi ve faz dönüşüm sertleşmesi olarak sıralanabilir. Ferrit tane boyutunun, hem akma sınırı hem de sünek-gevrek geçiş sıcaklığına etki ettiğinin belirlenmesi bu alanda çok önemli bir gelişmedir.