Martenzitik paslanmaz çeliklerin lazer ile yüzey sertleştirme kabiliyetinin incelenmesi

Abstract

Martenzitik paslanmaz çelikler aşınmaya ve korozyona karşı dayanıklı, yüksek mukavemet gerektiren mühendislik uygulamalarında kullanılmaktadır. Örnek olarak buhar ve su vanaları, pompalar, vida makine parçaları, türbin gibi önemli sektörlere hitap eden alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Paslanmaz çeliklerin genel olarak çalışma ortamı korozyon, yorulma ve aşınma direncini etkilemektedir. Kullanılan malzemelerin çalışma ortamından kaynaklanan hasarlar malzemenin yüzeyinden aşınmaya başlamaktadır. Bu tür malzemeye zarar veren çalışma ortamlarına karşı mühendislik çözümleri, çalışan yüzeylerin kütlesini değiştirmeden mikro yapısında değişiklikler yapılarak çözüm üretilmesidir. Günümüzde geleneksel olarak kullanılan ısıl işlem yöntemleri; alevle sertleştirme, indüksiyonla sertleştirme, karbonlama, nitrürleme gibi yüzey işlemleri çelik alaşımların aşınma direncini arttırmak amacıyla kullanılmaktadır. Fakat bu yöntemler karmaşık ısıl işlem prosesleri, zaman ve enerji tüketimi, kontrol edilemeyen HAZ bölgesi ve soğutmak için gerekli ekstra bir işlem gerekmektedir. Lazer sertleştirme yöntemi ise geleneksel ısıl işlem yöntemlerinin olumsuzluklarına karşı avantaj sağlamaktadır. Martenzitik paslanmaz çelikleri ferritik paslanmaz çeliklerine göre daha yüksek karbon içeriğine sahip Fe-Cr esaslı alaşımlardır. Yüksek karbon oranına sahip oldukları için hava, yağ ve suda sertleştirmek mümkündür. Son yıllarda malzemelerin ömrünün arttırılması ve malzemelerin iyileştirilmesi için lazer yüzey işlemleri öncülük etmektedir. Çoğu metalin kütle değişimi yapılmadan ve form yüzeyini bozmadan lazer sertleştirme işlemi yapılarak, malzemenin mikro yapısını değiştirerek iyileştirme yapılabilmektedir. Lazer sertleştirme yönteminde proses parametre değişkenleri ve malzemenin özelliğine göre farklı sonuçlar elde edilmektedir. Lazer sertleştirme günümüz proseslerinden indüksiyon ve alevle sertleştirmeden üstündür. Bu çalışmada 420 paslanmaz çeliğine farklı parametreler kullanılarak lazer sertleştirme parametreleri incelenmiştir. İşlem prosesinde lazer ışının güç yoğunluğu ve hareket hızı incelenerek, 420 paslanmaz çeliğin mikro yapısındaki değişimler, sertlik derinliği ve sertlikleri incelenmiştir. Yedi farklı parametre çalışması yapılarak numuneler üzerinde en verimli parametreler incelenmiştir. AISI 420 ve AISI 431 paslanmaz çeliklerine robotik ortam yardımıyla lazer sertleştirme yapılmıştır. Prosesi tamamlanan numuneler laboratuvar ortamında metalografi hazırlıkları yapılmıştır. Numuneler üzerinden HV mikro sertlik ölçümleri yapılarak en yüksek sertlik değerleri elde edilmiştir. Bu numuneler SEM ortamında sertlik derinliği ve martenzitik bölgeler kontrol edilmiştir.

Martensitic stainless steels are widely used in many industrial engineering applications such as steam and water valves, pumps, screw machining parts, turbines which require high strength and high resistance to wear and corrosion. Failure of such stainless steel components due to corrosion, fatigue and abrasion, erosion is most likely to initiate from the surface. The engineering solution for minimizing or eradicating such surface-initiated failures lies in tailoring the surface composition or microstructure of the near surface region of a component without affecting the bulk. Conventionally, surface treatment processes like flame hardening, induction hardening, carburizing, nitriding, carbonitriding are usually employed in enhancing the wear resistance of steel alloys. These processes suffer from numerous restrictions: time and energy consumption, complex heat treatment schedule, non-controllable HAZ, lack of solid solubility limit, and the necessity of a quenchant. Laser hardening will obviate most of the restrictions observed in the conventional surface hardening treatments. Martensitic stainless steel grades are basically Fe-Cr based alloys with a higher carbon content than ferritics stainless steel group which enables them to harden on cooling in air, oil or water. Failure of such stainless steel components due to corrosion, fatigue and wear is most likely to initiate from the surface. The engineering solution for minimizing or eradicating such surface-initiated failures lies in tailoring the surface composition or microstructure of the near surface region of a component without affecting the bulk. In recent years, application of laser surface modification to prolong the service life of the engineering components is one of the most promising techniques for improving the surface resistance of the majority of steel alloys. In fact, these processes have been employed for improving the erosion and corrosion resistance of a number of ferrous alloys. Only martensitic grades of stainless steel contain sufficient carbon to be laser hardened. The degree of hardening is strongly dependent on the initial condition of the steel, as well as its chromium content. The aim of this study is to improve the surface hardness of 420 quality stainless steel with different laser hardening process parameters. However, it is tried to understand process-property relationships. In recent years, application of laser surface modification to prolong the service life of the engineering components is one of the most promising techniques for improving the surface properties of the majority of metals. Surfaces can be treated with a laser beam to modify their surface properties. The laser beam subjects the near-surface to a thermal transformation with an amplitude and shape which depends on the process variables: the beam size, energy, scan rate and on whether the laser is pulse or continuous, and the chemistry and metallurgy of the steel. In this study, different laser hardening process parameters effect on hardening depth and hardness of AISI 420 ve AISI 431 stainless steels are investigated. As a result of the contact of the laser with the surface martensitic transformation takes place.