Otomotiv Sektöründe Kullanılan IF Çeliklerinin İncelenmesi

IF çeliği 1960’ların sonlarında Japon çelik üreticileri tarafından geliştirilen kristal kafeslerinde arayer atomsuz, iyi derin çekme özelliklerine sahip olan düşük karbonlu çeliklerdir. Bu çelikler türü modern üretim teknikleri kullanılarak, özellikle Karbon (C) ve Azot (N) atom oranları,  < 0,0030 % C ve 0,0040 % N altında olduğundan biçimlendirilmeye uygundur. IF çelikleri düşük akma dayanımı ve incelmeye karşı yüksek direnç göstermektedir. Ayrıca Nb ve/veya Ti’nin mikro alaşım ilavelerini içermektedirler.

Şekil 1. Arayer atomsuz(IF) çelik mikroyapısı

Geleneksel çeliklerden farklı olarak IF çelikleri, demir atomlarının arasında çözünmüş durumda bulunan C, O ve N gibi arayer elementlerinin mümkün olan en düşük seviyelere kadar düşürülmesiyle elde edilir. Ayrıca içerdiği mikro alaşım elementleri sayesinde mükemmel şekillendirilebilirlik özelliği elde eden IF çelikleri, otomobil ve beyaz eşya sektöründe üreticiler için önemli hale gelmiştir. Üretilmiş olan IF çeliklerinin % 50’sini otomobil sektöründe, % 16’sını elektronik eşya sektöründe, % 7’si beyaz eşya sektöründe ve kalan % 27’si ise farklı sektörlerde kullanılmaktadır. Yüksek dayanımlı soğuk haddelenmiş IF çelikleri, otomobilin arka kaportasında, kapılarda, ön çamurlukta, kaportalarda, kapı içindeki güvenlik barlarında ve bunlar gibi yüksek mukavemet ihtiyacı olan parçalarda kullanılmaktadır.

Şekil 2. IF çeliklerinin endüstride kullanım oranları

Soğuk haddelenmiş çelik saclarda karmaşık şekillendirme işlemleri için yüksek biçimlendirilebilirlik ve düşük akma dayanımı gerekir. Ti ve Nb gibi güçlü karbonitrid oluşturuculara sahip ultra düşük karbonlu çelikler olan arayer atomsuz (IF) çelikler, otomotiv panelleri gibi çeşitli parçalarda, mükemmel tokluk, şekillendirilebilirlik ve yaşlanma göstermemelerinden dolayı yaygın olarak kullanılır. Bu gelişmiş özelliklerinden dolayı sanayileşmiş ülkelerde IF çeliğinin üretimi ve kullanımı her geçen yıl artmaktadır. Bu gibi ultra düşük C çeliklerinin şekillendirilebilirliğini arttırmak için, C ve N’nin, Ti veya Nb gibi karbonitrid oluşturucuları ilave ederek termo mekanik işlemlerle sabitlenmesi gerekir.

Termo mekanik işlem, mikro yapının şeklini değiştirmek ve tane boyunu küçültmek için uygulanır. Termo mekanik işlem, alaşıma, ısı ile birlikte deformasyon prosesinin birlikte uygulanmasını kapsar. Metallerin sıcak haddelenmesi, özellikle çok büyük miktarda üretilen birçok çeliğin işlenmesinde önemli rol oynayan termo mekanik bir işlemdir. IF çeliklerinde mukavemet, katı eriyik sertleştiricisi Manganez (Mn), Silisyum (Si) ve Fosforla (P) sağlanır. IF çeliklerinin akma mukavemetleri 150 MPa, çekme mukavemeti de 300 MPa civarındadır.

Bu çeliklerin genel özellikleri;

• Kaplamalı ve kaplamasız parçalarda mükemmel homojenlik
• Mükemmel kaynaklanabilirlik
• Yüksek yorulma performansı
• Yüksek ezilme dayanımıdır

IF çeliklerine Ti ve Nb mikro alaşım ilaveleriyle TiC, TiN veya NbCN gibi kararlı bileşikler oluşur. Karbon ve azot arayer atomlarının ferritik çözeltiden ayrılması ile çeliğe yaşlanma göstermeme ve iyi kaynak edilebilirlik özelliği kazandırılmaktadır.

Endüstride kullanılan IF çelikleri;

Derin Çekme Kalite(DDQ) Ultra Düşük Karbonlu(ULC) IF Çelikler

Otomotiv sektöründe kullanılan çelik sacların şekillendirilebilme kabiliyetlerinin yüksek olması istenmektedir. Günümüzde, IF çeliğinin alaşım şekline bağlı kalarak derin çekme ve şekillendirme kabiliyetinde olan ultra düşük karbonlu (ULC) yüksek mukavemetli çelikler üretilebilmektedir. Bu çelikler daha düşük karbon değerlerine sahiptirler. Aynı zamanda Titanyum (Ti) ve Niyobyum (Nb) alaşımları da içermektedirler. Düşük tavlama sıcaklıkları Ti ve Nb’nin çabuk çözülmesini engellemektedir. Yavaş soğutma ise yüksek kristalleşmeye neden olur. Böylece malzemenin elastik özelliği azalırken çekme ve akma mukavemeti artar.

Ekstra Derin Çekilebilen(EDDQ) IF Çelikler

İyi soğuk şekil verilebilme özelliği, yeniden kristalleşmiş malzemelere yani karbonitrürlerin kabalaşmasıyla alakalıdır. EDDQ IF çeliklerinde ise mukavemeti arttırmak için katı eriyik sertleşmesi kullanılmaktadır. Bu şartlara en uygun elementler Mn ve Si’dur. Bu elementler çekme mukavemetini % 0.1 Silisyum (Si) alaşımlaması yaklaşık 10 MPa ve % 0.1 Manganez (Mn) alaşımlaması 4 MPa  kadar arttırır. Fosfor’un mukavemete etkisi ise daha fazladır.

Çelik sacın fırında sertleşebilir olması otomotiv üreticileri tarafından istenen bir özelliktir. Çünkü bu özellik sacın düşük kuvvetlerle preslenebilmesine imkân tanır. Böylece son üründe daha yüksek mukavemeti garanti eder. Fırın sertleştirmesi, dislokasyonları arayer atomları tarafından kilitleyen bir Cottrell etkisi gösterir. Bu yüzden çelik 5 ppm’nin altında olmayan belli bir miktar çözünmüş karbona ihtiyaç duyar.

Fırında Sertleştirilebilen (Bake Hardenable:BH) IF Çelikler

Fırında sertleşebilen IF çelikleri, kolay işlenebilen düşük mukavemetli bir çeliktir. Bu çelikler 270 MPa akma mukavemeti %2 çekme deformasyonu sağlayacak şekilde dizayn edilmişlerdir. Bu IF çelik sac ürünleri, fırında sertleşebilir (Bake Hardenable:BH) çelikler olarak bilinirler. Otomotiv gövde parçası olmadan önce depolama esnasında yaşlanmaya karşı dayanımlı olacak şekilde tasarlanmışlardır. Bu çelikler yaşlanmaya, şekil verme sırasında başlamaktadır. Boya pişirme fırınında ısıtıldıktan sonra ise malzeme tamamen yaşlanmış olur. Bu çelikler otomobil üreticilerinin şekil verilebilirlikten ödün vermeden, artan ezilme durumuna dayanımlı parçalarla üretim yapmasını sağlar.

HSS (Yüksek Mukavemet) IF Çelikler

Yüksek mukavemetli çeliklerde, incelmeye karşı gösterilen direnç ölçüsü olan “r” değeri yüksek iken akma noktasının düşük olması istenmektedir. Çünkü, malzemenin presle şekillendirilmesi sırasında yüzeyinin eğilmemesi ve kopmaların olmaması gerekmektedir. Çift fazlı çelikler (DP) ve çökelme ile sertleştirilmiş çelikler mukavemet olarak uygun olmalarına rağmen r değeri 1-1.3 aralığındadır. Bu yüzden, bu çelikler otomobillerin dış saçlarında kullanılamamaktadır. Bükülmenin olmaması için çekme dayanımı 240 MPa olmalıdır. Endüstride IF – HSS çelikleri üretilmektedir ve bu çeliklerin “r” değeri 2’dir. Aynı zamanda IF-HSS çelikleri, Ti veya Ti-Nb içeren IF çeliklerine Mn, P, Si ve Silikon ilave edilerek sertleştirilmektedir. Bu şekilde sertleşirilen çeliklerde çekme mukavemeti 400 MPa civarında olmaktadır.

Fosforlu IF Çelikler

Bu çeliklerin sahip olduğu mukavemet öncelikli olarak katı-eriyik sertleştirmesi sayesindedir. Fosfor şu zamana kadar katı eriyik sertleştirmesi için en iyi alaşım elementidir. Ancak soğuk işlem gevrekliğine neden olduğu için zararlıdır. Bu yüzden fosforla katı-eriyik sertleşmesi sağlanırken, tane sınırlarında da fosforun hareketinin engellenmesi gerekmektedir. Bu durum mekanik özellikleri iyileştirilmiş, alaşım elementi oranı az olan fosforlu IF çeliklerinin üretilmesine neden olmuştur. Daha önceleri 220 MPa bir akma mukavemeti için kullanılan IF bileşimi şu anda değiştirilerek 260 MPa’lık bir akma mukavemeti elde etmek için uygulanmaktadır.

Tablo 1. IF çeliklerinin otomobillerdeki kullanım örnekleri