Vakum Metalürjisi İle Üretilen Çelik Tipleri 

 

Çok düşük karbon ve azot içerikli çeliklerin üretimi; şekil verilebilir, soğuk haddelenmiş ve tavlanmış çeliklerin gelişimindeki en son adımı teşkil eder. Düşük karbon içeriği ve arayer elementleriyle birleşen Al, Nb ve Ti ilavelerinin, derin çekme gibi yüksek şekil verme işlemleri için uygun çelik mikro yapıların oluşturduğu uzun zamandan beri bilinmektedir. Ancak, 20 ppm seviyesinde N içerikleri üretme kapasitesine sahip olmakla beraber oksijen konvertörlerinde çelik yapımı C'u tipik olarak sadece 100-200 ppm'e indirebilir. C içeriklerinde 30-50 ppm kadar düşük seviyelere inebilmek için vakumda gaz giderme ve döküm sırasında C, N ve 0 kapmaya karşı sıkı kontrol gerekir. Bu proses adımları şu anda yaygın olarak uygulanmaktadır ve farklı olarak arayer atomları içermeyen, vakum metalürjisi yöntemiyle üretilmiş çok düşük C ve N' lu IF çelikler, çok düşük karbonlu veya ekstra düşük karbonlu çelikler olmak üzere yeni bir çelik sınıfının varlığına yol açmıştır.

Vakum metalürjisi yöntemiyle üretilmiş çok düşük C ve N' lu çeliklerin C içerikleri, soğuk haddeleme ve tavlamadan sonra küresel karbür dağılımları gösteren veya sıcak haddelemeden sonra perlit oluşturan çeliklerin C içeriklerinin oldukça altındadır. Çok düşük karbonlu çeliklerin düşük arayer seviyelerine rağmen kalıntı karbon, doku oluşumunu etkileyebilir ve cc-demirdeki C'un düşük katı çözünürlüğü, tavlanmış mikro yapılarda deformasyon veya soğutma yaşlanmasına yol açabilir. Bu sebeplerden dolayı, kararlı Nb ve Ti bileşikleri oluşturarak C ve N'u arayer katı çözeltisinden tamamen gidermek için IF çeliklerin Nb ve Ti eklenir.

Nb ve Ti gibi stabilize edici elementlere ilaveten çeşitli termomekanik işlem adımlarındaki mikroyapısal etkileşimlerine bağlı olarak C, Si, Mn, P, Al, N ve S gibi diğer bütün elementler soğuk haddelenmiş ve tavlanmış IF çeliklerinin doku, mikroyapı ve özelliklerinin optimizasyonunu önemli oranda etkileyebilir. Bununla beraber; kimyasal bileşim ve proses şartlarının etkilerinin birbirleriyle büyük oranda karışmakta olduğu ve bir parametrenin diğer elementler veya proses adımlarından genellikle bağımsız olmadığı birbirleriyle bağlantılı oldukları unutulmamalıdır.

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

Sürekli tavlanmış ve sıcak daldırma ile galvanizlenmiş çeliklerin ticari üretiminde kullanılmakta olan üç çeşit vakumda gaz giderilmiş ultra düşük karbonlu ve azotlu çelik vardır; Ti içeren, Nb+Ti içeren ve Nb içeren. 

Nb-Ti içeren çeliklerde Nb, NbC olarak C ile karışacağından N ile birleşerek TiN oluşturması için yeterince Ti eklenir. Nb içeren çeliklerde C, Nb ile temizlenir; N ise daha çok Al ile birleşir ve AIN oluşturur. Nb içeren çeliklerde S, Mn ile birleşir ve MnS oluşturur.
 
Üç tip çelikten kompozisyon ve prosesteki değişimlere en az duyarlı olanlar, Ti içerenler olarak bilinmektedir. Ancak bu çelikler nispeten geniş mekanik özellik aralıkları gösterirler. 
IF çelikleriyle, mükemmel şekil verilebilirlik yani yüksek r değeri ve süneklik elde etmek için bileşim kontrolü çok önemlidir. Birçok çalışmada vakum metalürjisi ile üretilmiş ultra düşük karbonlu ve azotlu çelikler üzerine bileşimin etkileri incelenmiştir. Nb-Ti içeren ve Nb içeren bu çelikler benzer bileşim etkileri gösterirken, Ti içeren çelikler hem benzerlikler hem de farklılıklar göstermektedir. 
 

Toplam Ti, C ile birleşecek mevcut Ti ve aşırı Ti arasındaki farkı ayırt etmek için şu terminoloji kullanılmaktadır; Ti, çeliğin toplam Ti içeriğin işaret eder. Ti_eff, N ve S ile birleştikten sonra C ile birleşecek mevcut Ti'a işaret eder. Ti* ise C, N ve S'ü stabilize etmek için gerekli miktarın üzerindeki aşırı Ti'a işaret etmektedir. Ti_eff ve Ti* aşağıdaki ilişkilerle verilmektedir (% ağ. olarak): 

Ti_eff = Toplam Ti - 3,42 N - 1,5 S 
 
Ti*= Toplam Ti - 4 C - 3,42 N - 1,5 S 

Bazı yazarlar, Ti*'ı hesaplamak için S'ü kullanmamışlardır. Nb içeren çeliklerde Nb'un sadece C ile birleştiğine inanıldığı için Nb hem toplam Nb'a hem de C ile birleşecek mevcut efektif Nb miktarına işaret etmektedir. Alüminyuma ilaveten eklenebilecek etkili elementler Cu, Sb, P, Ti, Nb, Zr, W ve Ta' dur. 

Titanyum; karbür, nitrür ve sülfür oluşturan bir elementtir. Bu yüzden vakum metalürjisi ile üretilmiş çok düşük karbonlu ve azotlu çeliklerin üretimi durumunda C, N ve S'ün bu bileşiklerinin kimyasal eşdeğerini aşan miktarına Ti ilave edilmelidir. İlave edilmesi gereken miktar aşağıdaki denklemle hesaplanmaktadır.

[Ti] > (48/12).[C] + (48/14).[N] + (48/32).[S] (ağ.%)

Eğer Ti miktarı denklemle verilen değerden az ise derin çekilebilirlik azalır. Mesela, % 0,003 C - % 0,010 S - % 0,003 N'luk geleneksel bileşim için gerekli Ti miktarı % 0,037'dir ve kimyasal bileşimdeki C, S ve N dalgalanmalarını da düşünerek % 0,04 veya daha fazla Ti eklenmelidir. 

Ti/C 4 olan Ti içeren çok düşük karbonlu çelik sacın ekstra derin çekilebilirliğe sahip olduğu bilinmektedir. Ti içeren çok düşük karbonlu çelik sacda doku oluşumu mekanizmasına göre; bazı araştırmacılar, soğuk haddelemeden önce Ti'un C ve N ile birleşmesinden dolayı yapıda temizlik etkisini öne sürerken, bazıları da tavlamadan önce veya tavlama sırasında çok ince TiC çökelmesi etkisini öne sürmektedirler.
 

Nb içeren çeliklerin özelliklerine bileşimin etkisinin Ti çeliklerine kıyasla daha kompleks olduğu görülmektedir. Ayrıca laboratuvarda işlenmiş ve ticari olarak üretilmiş çelikler arasında kayda değer farklar olduğu dikkat çekmektedir. 

Uzama, r değeri ve yeniden kristalleşme sıcaklığı değerine etkileri üzerine yapılan laboratuvar incelemelerinin sonuçlarına göre, hem süneklik hem de r değerinin artan C ve Nb ile azaldığını göstermektedir; bu ise, hem yüksek süneklik hem de yüksek r değeri elde etmek için C ve Nb'un çok düşük olması gerektiğini ifade etmektedir.  Yani C <30 ppm ve Ni, 0,025 olmalıdır. C seviyesi ne olursa olsun yeniden kristalleşme sıcaklığının sadece Ti* ile arttığı Ti içeren IF çeliklerinden farklı olarak Vb-Tl içeren çeliklerin yeniden kristalleşme sıcaklığının hem artan C hem de Nb ile hızlı bir şekilde arttığını bulmuşlardır. Ayrıca, artan Nb'un yeniden kristalleşme sıcaklığı üzerine etkisi Ti*'ın Ti içeren IF çeliklerinin yeniden kristalleşme sıcaklığı üzerine etkisinden daha büyüktür. 25-30 ppm C ile, Ti içeren çeliklerdeki Ti*'daki benzer bir artış için yeniden kristalleşme sıcaklığında sadece 20°C'lık bir artışa kıyasla, Nb içeriğini % 0,01'den % 0,05'e arttırmanın yeniden kristalleşme sıcaklığını 75°C (725°'dan 800°C'a) arttırdığını göstermektedir. Böylece Nb içeren çeliklerde düşük tavlama sıcaklıkları kullanarak iyi özellikler elde etmek için çok düşük C ve Nb gerekli olduğu görülmektedir. 

Bazı çalışmalarda Nb/C atomik oranı yüksek r değeri elde etmek için > 1,0 (ağ. oranı > 7,74) olmalıdır. Bazı laboratuvar sonuçları, çok düşük C seviyelerinde (C 40 ppm) hem yüksek r değerleri hem de yüksek sünekliğin sadece stokiyometrik oranın altındaki (yani Nb/C atomik oranı < 1,0) Nb ile elde edilebileceğini göstermektedir. Ancak Nb içeren çeliklerin özellikleri, ikmal sıcaklığı, toplam deformasyon, haddeleme hızı, pano sayısı, sarılma sıcaklığı vb. gibi sıcak haddeleme parametrelerinden kuvvetli bir şekilde etkilenir. 

Bazı çalışmalarda ise, fabrikada sıcak haddelenmiş bantlardan üretilmiş sürekli tavlanmış Nb içeren çeliklerin laboratuvarda sıcak haddelenmiş çeliklerden daha yüksek süneklik ve r değeri sergileyeceğini göstermiştir. 

% 0,004 C içeren fabrikada üretilmiş Nb çeliklerinin özelliklerine Nb/C oranının etkisini incelendiğinde, çok yüksek uzamaların ve r değerlerinin 0,8'lik Nb/C atomik oranı (ağ. oranı = 7,31) ile elde edildiği görülmektedir. Nb/C oranını 0,8'in (atomik) üzerine çıkarmak, önceki sonuçlara uygun r değerinde az bir artışa yol açar, fakat uzama hızla zarar görür. Aksine, Inland çelik fabrikasında, fabrikada üretilmiş S %0,004 C' lu Nb-Ti içeren çeliklerden elde edilmiş sonuçlar, devamlı yüksek r değeri elde etmek için >0,9'Iuk Nb/C atomik oranının gerekli olduğunu ve Nb/C atomik oranım 0,9'un üzerine çıkarmakla süneklikte az bir kayıp olduğunu göstermiştir. Sünekliğin artan C ile azaldığı bulunmuştur. Bundan dolayı yüksek uzama elde etmek için çok düşük C seviyeleri gerekli olduğunu fakat hem yüksek uzama hem de r değeri elde etmek için gerekli optimum Nb/C oranı bölgesinin, muhtemelen farklı sıcak haddeleme pratiklerinden dolayı işletmeden işletmeye değişebileceği anlaşılmaktadır. 

Azot' un etkisine gelince, artan N'un Nb çeliklerinde, Nb-Ti çeliklerinden daha zararlı olduğunu görülmüştür. Ancak bu bilgiler, nispeten düşük (600°C) sıcak haddehane sarılma sıcaklığı kullanılarak elde edilmiştir. Nb içeren çelikler, iyi özellikler elde etmek için genellikle 600°C'dan çok daha yüksek sıcaklıklarda sarıldığı için düşük sarılma sıcaklığı ile N'un etkisi hakkındaki sonuçların doğrudan yüksek sanrıma sıcaklığına uygulanabilir olup olmadığı belli değildir. 

Nb çeliklerinin özelliklerine Mn, Si ve P tarafından yapılan katı-çözelti sertleştirmesinin etkisini incelendiğinde, Si+Mn+10P (%ağ.) ile hemen hemen lineer olarak mukavemetin arttığını ve sünekliğin azaldığını göstermektedir. Ancak, mukavemetteki aynı artış için Mn, r değerinde en çok, P ise en az zarara sebep olur. Buradan da, katı çözelti sertleştirmesi için Mn, Si veya P'un kullanılabildiği Ti çeliklerinden farklı olarak, yüksek mukavemetli Nb içeren çelik üretmek için P'un en çok istenen ve Mn'ın ise en az istenen ilave olduğu sonucuna varılabilir. 
 

Çeliği rafine ederken uygun elementler ilave ederek veya bazılarını da elimine ederek derin çekilebilirliğin arttırılmasına çalışılmaktadır. Karbon, mangan, oksijen ve azot içeriklerini azaltmanın derin çekilebilirliği arttırmaya faydalı etkisi vardır. 

r değeri karbon eriğindeki azalmayla artar. C > % 0,01 için karbondaki azalıştan dolayı r değerindeki yavaş artış karbürdeki azalmadan dolayıdır, oysa C <% 0,01 için r değerindeki keskin artış çözünmüş karbondaki azalmaya bağlanabilir. 

C içeriği düştükçe çekme mukavemeti düşmekte ve malzemenin derin çekilebilirlik özelliği iyileşmektedir. C > % 0,015 bölgesinde karbon içeriğinin azalmasıyla akma mukavemeti azalır fakat % 0,005 < C < % 0,015 bölgesinde keskin bir şekilde yükselir ve C < %0,005 için tekrar düşer.

Akma mukavemeti davranışı şu metalürjik faktörlerle açıklanabilir; eğer karbon içeriği % 0,015 veya daha azsa, yaşlanmadan önce çözünmüş karbon azdır ve yaşlanmadan sonra çökelen karbür miktarı da azdır. Bu, karbür çökelmesini yavaşlatır ve aşırı yaşlanmadan sonraki çözünmüş karbon içeriği, artan akma mukavemetini beraberinde getirir. C < % 0,005 gibi çok düşük karbon bölgesinde arayer atomu olarak C'un kaybolmasından dolayı C içeriğinin azalmasıyla akma mukavemeti keskin bir şekilde düşer. Yukarıda bahsedilen sonuçlara göre istenen C içeriği % 0,015-0,025'dir.
 
r değeri mangan içeriğindeki azalmayla artmaktadır. % 0,005 Mn çeliği için r değerine verilen önemli bir zarar, ağır yeniden kristalleşmeden dolayı olabilir. 

Mn, sadece ferrit kuvvetlendirici bir element değil aynı zamanda derin çekilebilirliği de etkileyen bir elementtir. Bu yüzden ürünü yumuşatmak ve derin çekilebilirliği arttırmak için Mn içeriğini düşük bir seviyede tutmak istenir.