Paslanmaz çeliklerin kriyojenik (cryogenic / dondurgan) işlemi, paslanmaz çeliklerde yaygın olarak meydana gelen mikroyapısal kusurları azaltmak için kullanılabilecek yöntemlerden sadece biridir.
Kriyojenik işlem ile paslanmaz çeliklerin genel mukavemet özellikleri geliştirilebilir ve ilave ısıl işlem ile plastisite de etkin bir şekilde korunabilir. “Kriyojenik” kelimesi iki Yunanca kelimeden alınmıştır - “buz” veya “donmak” anlamına gelen “kryos” veya “üretmek” veya “oluşturmak” anlamına gelen “genic”. Teknolojik olarak, malzemelerin (veya diğer gereksinimlerin) çok düşük sıcaklıklarda incelenmesi ve kullanılması anlamına gelir. Metallerin ve alaşımların derin sıfır altı işlemi, derin bir gerilim giderme teknolojisidir. Malzeme herhangi bir imalat işlemine tabi tutulduğunda gerilimlere maruz kalır.
Stres, malzemelerin kristal yapısındaki kusurların doğasında kendini gösterir. En yaygın olarak gözlemlenen kusurlar boşluklar, çıkıklar, istifleme hataları vb. şeklindedir. Gerilme seviyesi arttıkça bu kusurların yoğunluğu artar ve atomlar arası boşlukta artışa neden olur. Atomlar arasındaki mesafe belirli bir kritik mesafeyi aştığında çatlaklar oluşur ve kırılma meydana gelir. Termodinamiğin üçüncü yasası, mutlak sıfır sıcaklığında entropinin sıfır
olduğunu belirtir. Derin sıfır altı işlemi, malzemedeki gerilimleri azaltmak için bu prensibi kullanır. Malzemeler, denge koşullarının gelişmesine yol açan uzun bir süre boyunca aşırı düşük sıcaklıklara maruz bırakılır. Bu, malzemedeki kusurların giderilmesine ve ayrıca minimum entropi durumuna ulaşılmasına yol açar.
Termodinamiğin yasalarına göre, ulaşılabilecek en düşük sıcaklığın mutlak sıfır olarak bilinen bir sınırı vardır. Moleküller mutlak sıfırda en düşük, ancak sonlu enerji halindedir. Mutlak sıfır, mutlak veya termodinamik sıcaklık ölçeğinin sıfırıdır. –273.15°C veya –459.67°F’ye eşittir. Kelvin ölçeği açısından, kriyojenik bölgenin genellikle yaklaşık 120 K’nin (-153°C) altında olduğu kabul edilir. Tablo 1’de gösterilen sıcaklıklarda atmosferik basınçta daha önce gazdan sıvıya geçişe atıfta bulunulan yaygın kalıcı gazlar, normal kaynama noktası (NBP) olarak adlandırılır. Bu tür sıvılar, kriyojenik sıvılar veya kriyojenler olarak bilinir.
Yukarıda belirtildiği gibi, 273K’nın altındaki sıcaklıklar genellikle düşük sıcaklıklar olarak kabul edilir. Donma noktasının altındaki çalışma koşulları, boru hattının inşaat, nakliye ve enerji sektörlerinde sayılmalıdır. Kriyojenik koşullar altında tasarlanan çelikler, akan gazların taşınması için tasarlanmıştır. Son olarak, 273K’nın altındaki sıcaklık koşullarıyla güvence altına alınan malzemelerin süper iletkenliğinden bahsetmek önemlidir. 273K’nin altındaki sıcaklıklarda deforme olan malzemelerde, dinamik geri kazanım süreçleri tamamen engellenir ve dislokasyonların birikmesine neden olur. Artan çıkık yoğunluğu ile
hareketleri yavaşlar ve konsantrasyon yoğunlaşır.
Bu, plastik deformasyon mekanizmasına neden olan kayma ve mekanik ikizlenmedir, geleneksel plastik deformasyonun ana mekanizması, yer değiştirmelerin kaymasıdır. Gerilimin daha da artmasıyla tane boyutunun nanometre mertebesinde rafine edildiğini varsaymak mümkündür. Tane boyutu, malzemelerin mekanik özellikleri ile ilgilidir; bu, kriyojenik koşullar altında şekillendirme yaparak, seçilen metalik malzemelerin mekanik
özelliklerinde bir artış elde etmenin mümkün olduğu anlamına gelir. Çeliklerin tüm sertleştirme işlem süreci, östenitleme, su vererek soğutma tavlaması (quenching),
kriyo-muamele veya derin kriyojenik işlem (DCT - deep cryogenic treatment) ve temperlemeden oluşur. Çeliğin en çok istenen özelliklerini elde etmek adına daha iyi bir
mikroyapısını elde etmek için, çoğu araştırmacı tarafından su verme tamamlandıktan sonra ve Şekil 1’de gösterildiği gibi geleneksel ısıl işlem döngüsünde temperlemeden önce DCT’nin yürütülmesi önerilir.
A. Fedorikova çalışmasının amacı, nitrojenle güçlendirilmiş östenitik paslanmaz çelik (SS) 316LN’nin kriyojenik koşulları altında plastik deformasyonun mekanik özellikler üzerindeki etkisini tanımlamaktı. Çelik, sıcak dövme ve ardından 1050°C’de 60 dakikadan sonra hızlı oda sıcaklığına soğutulan ısıl işleme tabi tutularak şekillendirildi. Bu çalışma için numuneler levhanın ortasından kesilmiştir. Deney materyalinin kimyasal bileşimi Tablo 2’de listelenmiştir.
Sonuçları karşılaştırmak için, oda sıcaklığında ve kriyojenik koşullar altında olmak üzere iki tür deneysel haddeleme gerçekleştirilmiştir. Numuneler her geçişte yaklaşık %10 azalma ile yuvarlandı ve toplam deformasyon %10, %30 ve %50 idi. Kriyojenik haddeleme koşulları, numuneler haddelemeden önce 30 dakika ve her geçişten sonra 10 dakika süreyle sıvı nitrojene daldırılarak güvence altına alınmıştır.
Deneysel haddeleme için numunelerin boyutları: h0 = 11mm, b0 = 41mm, l0 = 80mm. Statik çekme testi, üniversal test makinesi (ATLAS, yük kapasitesi 650kN) ile 4,2K ile 293K arasında değişen üç sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir. Kriyojenik sıcaklıklar, sıvı helyum (4,2K) ve sıvı nitrojen (77K) ile doldurulmuş Atlas test makinesinde yerleşik kriyostat sistemi ile güvence altına alındı.
Tüm testler için elde edilen mekanik özellikler Tablo 3’te listelenmiştir. Modifiye 316LN’nin akma dayanımı ve nihai çekme dayanımının deformasyonla arttığı ve haddeleme sıcaklığının nihai mekanik özelliklere etkisi olduğu söylenebilir.
Öte yandan, toplam uzama, deneysel haddeleme sırasında plastisitenin tükenmesinden ve malzemenin deformasyon direncinin artmasından kaynaklanan deformasyonla önemli ölçüde azalır. Bu nedenle haddeleme işleminden sonra ısıl işlem yapılmalıdır.
Gerçekleştirilen deney tarafından elde edilen sonuçlara dayanarak, aşağıdaki sonuçlar formüle edilebilir:
- Daha yüksek deformasyon ve azalan test sıcaklığı ile akma dayanımı ve nihai çekme dayanımı artarken plastisite önemli ölçüde azalır.
- Östenitik paslanmaz çelik, kriyojenik koşullar altında plastik deformasyonla güçlü bir şekilde güçlendirilebilir.
- Nihai malzemenin plastisitesini korumak için ek ısıl işlem gereklidir. Ancak plastik özelliklere ihtiyaç duymadan yüksek mukavemetin gerekli olduğu uygulamalar da vardır.
Bu tür güçlü malzemeler, kriyojenik koşullar altında haddelenerek hazırlanabilir.
Referanslar
• 1. P. I. Patil, R. G. Tated: Comparison of Effects of Cryogenic Treatment on Different Types of Steels: A Review, International Conference in Computational Intelligence (ICCIA) 2012 Proceedings published in International Journal of Computer Applications
(IJCA), p.10-29;
• 2. A. Fedoriková: Effect of plastic deformation on mechanical properties of austenitic stainless steel under cryogenic condition,
METALLURGY JUNIOR 2018, Proceedings, 10. - 11. May 2018, Herľany, Slovak Republic, Faculty of Materials, Metallurgy and Recycling Technical University of Košice, p.39-42, Accessed July 2018
Dr. Zoran Slović \ Baş Mühendis
Key to Metals AG
Total Materia
