Paslanmaz Çeliğin Mikroyapı Analizi

Giriş

Bu çalışmada S32205 Dubleks Paslanmaz Çelik numunelere TIG kaynağı uygulamasının ardından farklı soğuma hızlarının mikroyapısal özellikleri incelenmiştir. ER2209 kodlu ilave tel kullanılarak saf argon gazı koruyucu gazı ile TIG kaynak yöntemiyle birleştirilen çeliklerin soğuma hızlarının mikroyapısı ve tane boyutuna etkisi incelenmiştir.

Dubleks çelikler, bileşiminde δ-ferritik ve östenitik fazların bir arada bulunduğu yapısında Krom–Nikel-Molibden gibi alaşım elementlerinin bulunduğu paslanmaz çelik sınıfı çeliklerdir. Şekil 1’de kullanılan dubleks çeliğin kimyasal bileşimi görülmektedir.

Şekil 1. S32205 Dubleks paslanmaz çelik kimyasal bileşimi [1]

Numune Hazırlama

Numune hazırlamak için gereken ilk adım kaynak yapılmış parçadan numune kesme işlemidir. Plastik şekillendirme gereken durumlarda malzemedeki şekillendirme yönüne dik (enine) veya şekillendirme yönünde (boyuna) numune hazırlanabilir. Şekil 2’de plastik deformasyon görmüş parçadan kesilen numune ve kesme yönü görülür.

Şekil 2. Numune alma işlemi [1]

Kalıplama ve Aşındırma

Optik inceleme için hazırlanan numuneler önce kalıplanma işlemine tabi tutularak bakalite alınır. Şeffaf bakalite alınan numuneler sırasıyla; 240, 320, 400, 600, 800, 1200 mesh numarasına sahip, kabadan inceye doğru değişen zımparalarla aşındırılarak yüzeyinin pürüzsüz olması sağlanır. Ardından 3μm ve 1μm elmas solüsyon ilave edilmiş keçelerle zımparalanır.

Dağlama İşlemi

Kaynaklı numuneler %40 NaOH – saf su bileşimli çözeltide elektrolitik dağlama yöntemiyle dağlanmıştır. Ana malzeme fazların yapısını belirleyebilmek adına %10 oksalik asit – saf su bileşimli çözeltide elektrolitik dağlama yöntemiyle dağlanmıştır.

Optik Mikroskop İncelemesi

Optik inceleme ve mikroyapı tayini için 1000X büyütme kapasiteli Carl-Zeiss Jena optik mikroskop kullanışmıştır. Optik mikroskop incelemeleri ASTM A 923 [2] standardına göre 100X ve 500X büyütmelerde yapılmıştır. Kaynak işlemi öncesi ana malzemenin ve kaynak sonrası elde edilen numunenin mikroyapıları incelenir ve yorumlanır.

Şekil 3. Carl Zeiss Jena Optik Mikroskop temsili görsel [3]

Kaynak Öncesi Mikroyapı

Ana malzeme, Dubleks çelik δ-ferritik ve östenitik fazlardan oluşur. Kaynak öncesi %10 oksalik asitle yapılan dağlamada, mikroyapı incelemesinde δ-ferritik ve östenitik ayrımları mikroyapıda belirgin şekilde görülüyor. Yapıda açık renkli kısımlar östenitik fazı gösterirken, koyu kısımlar δ-ferritik fazı göstermektedir. Fazlar birbirinden lameller şeklinde ayrım göstermiştir.  Şekil 4’te tane sınırları ve faz ayrımları görülüyor.

Şekil 4. Ana malzemede mikroyapı görüntüleri (a) hadde yönüne paralel, %10 oksalik asit (100X) (b) hadde yönüne paralel, %10 oksalik asit (500X) (c) hadde yönüne dik, %10 oksalik asit (200X) [1]

Ana malzeme haddeleme işleminden geçmiştir ve tanelerde yönlenme olduğu metalografi öncesi tahmin edilebilir. Optik mikroskop ile farklı büyütme oranlarında görüntülemeler yapılmıştır ve tanelerin plastik şekillendirme yönünde uzadığı ve inceldiği görülmektedir. Daha yüksek büyütme oranlarında α-ferritik fazın çökelmesine rastlanabilir.

Kaynak Sonrası Mikroyapı

NaOH ile yapılan dağlama işlemi sonrası; δ-ferritik, kaynak metalinde koyu renkte (kahverengi), ITAB (Isıdan Tesiri Altındaki Bölge) ise mavi renkle görülmektedir. Açık renkli beyaz kısımlar yapı içindeki östenitik fazı gösterir. ITAB bölgesine kadar δ-ferritik haddelenme sonucu oluşan uzun ince taneli yapısını korur. ITAB bölgesinde ise δ-ferritik taneleri toparlanma aşamasıyla birlikte yönlenmiş yapılarını kaybeder ve iri taneli yapılar haline gelir. Geçiş bölgesiyle birlikte kaynak metali mikroyapısında δ-ferritik taneleri çekirdeklenir. Östenitik yapı bu bölgede bir ağ dallanması şeklinde katılaşmıştır. Tane sınırlarından δ-ferritik tanelerinin iç kısmında östenitik dendritler oluşmaya başlamıştır.

Şekil 5. Bakır altlık kullanılan kaynaklı birleştirmenin mikroyapı görüntüleri (%40NaOH) (a) ITAB (100x) (b) kaynak metali (100x) [1]

Soğutma ortamı değiştiğinde farklı mikroyapılar elde edilir. Şekil 6’da seramik altlıkla birlikte yavaş soğuma etkisiyle oluşan δ-ferritik ve östenitik yapılar gösterilmiştir.

Şekil 6. Seramik altlık kullanılan kaynaklı birleştirmenin mikroyapı görüntüleri (a) ITAB (100x) (b) kaynak metali (100x) [1]

Yorum ve Tartışma

Ana malzemede kaynak öncesi yapılan metalografik incelemede görülüyor ki çelikteki mikroyapı, çeliğin haddeleme yönüne doğru yönlenmiş şekildedir. Bir dendrit, dallanmış yapı görülmüyor ve fazların lameller şeklinde yönlendiği görülür. Genellikle δ-ferritik yapı dubleks paslanmaz çeliklerde %30 – %60 oranları arasında değişir. Bununla birlikte kaynama sonrası kaynak bölgesindeki katılaşma bu oranlarda değişmelere sebep olur.

Farklı katılaşma hızlarına bağlı olarak mikroyapılarda farklılaşmalar gözükür. Yapılan çalışmada soğuma hızlarının farklılık göstermesi için farklı altlıklar kullanılmıştır. Seramik altlık kullanılarak elde edilen katılaşma sonrası mikroyapı görüntüleri bakıra göre farklılık gösterir. Isı iletimi yüksek bakır altlıkta soğuma hızı yüksek iken, seramik altlıkta soğuma hızı daha düşüktür.

Mikroyapılara bakıldığında soğuma hızı arttıkça tanelerin katılaşma sırasında yapıları incelir ve δ-ferritik yapının miktarı artar. Buna karşın yavaş soğumaya maruz bırakıldığında δ-ferritik tanelerin giderek kabalaştığı ve artan soğuma hızına bağlı olarak δ-ferritik yapının da östenitik faz karşısında arttığı gözlemlenmiştir. Ayrıca ITAB bölgesinde de tanelerin kabalaştığı ve toparlanmaya başladığı görülmektedir. Bu bölgede δ-ferritik yapının oranının arttığı ve tanelerin kabalaştığı görülmektedir. Bu da o bölgede hızlı soğuma gerçekleştiği bilgisini bize verir.

Kaynakça

 [1] Michalska, J., & Sozańska, M. (2006). Qualitative and quantitative analysis of σ and χ phases in 2205 duplex stainless steel. Materials Characterization, 56(4-5), 355-362.

[2] ASTM A923-14. (2014). Standard Test Methods for Detecting Detrimental Intermetallic Phase in Duplex Austenitic/Ferritikic Stainless Steels.

[3] https://richmondscientific.com/products/carl-zeiss-jena