Effect of Dual Phase Heat Treatment on Mechanical Properties of Vacuum Carburized Powder Metallurgy Steel Parts

Öz

In this study, the effects of Dual Phase (DP) heat treatment applied to vacuum carburized Powder Metallurgy (PM) steel parts on mechanical properties were investigated. Different heat treatments consisting of Sintering (S), Normalization (N), Vacuum Carburizing (VC), DP and Tempering (T) heat treatments were applied to the produced PM parts. Subsequently, mechanical tests and characterization studies were carried out. N1 sample, which was applied only S heat treatment, exhibited 103.3 HV1.0 hardness, 189 MPa three-point bending strength and 3% uniform elongation. VC heat treatments improved the mechanical properties of the parts. N2 sample, which was applied to S+N+VC heat treatment, exhibited surface hardness of 537.31 HV1.0, center hardness of 182.13 HV1.0 and three-point bending strength of 243 MPa, but did not show ductility. A dual phase microstructure consisting of martensite in the surface regions and ferrite + martensite phases in the central regions of vacuum carbide-treated samples was successfully produced with DP heat treatment. It was determined that the martensite phase exhibited a homogeneous distribution in the microstructure. DP heat treatment increased the mechanical properties of the samples but decreased their ductility. The highest mechanical properties after the DP heat treatment were obtained in the N6 sample, which was applied to the S+N+VC+DP750 heat treatment process. This sample exhibited a surface hardness of 572.28 HV1.0, center hardness of 196.90 HV1.0 and three-point bending strength of 319 MPa. As a result of the data obtained within the scope of this study, it was concluded that the mechanical properties were improved with the DP heat treatment applied to the surface carburized PM steel parts.

Anahtar Kelimeler

• Vacuum carburizing
• powder metallurgy
• sintering
• dual phase
• mechanical properties

Vakum Karbürlenmiş Toz Metalurjisi Çelik Parçalara Uygulanan Çift Faz Isıl işleminin Mekanik Özelliklere Etkisi

Öz

Bu çalışmada, vakum karbürlenmiş Toz Metalurjisi (T/M) çelik parçalara uygulanan Çift Faz (ÇF) ısıl işleminin mekanik özelliklere etkileri araştırılmıştır. Üretilen T/M parçalara Sinterleme (S), Normalizasyon (N), Vakum Karbürleme (VK), ÇF ve Temperleme (T) ısıl işlemlerinden oluşan farklı ısıl işlemler uygulanmıştır. Devamında mekanik testler ve karakterizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Sadece S ısıl işlemi uygulanan N1 numunesi 103,3 HV1,0 sertlik, 189 MPa üç nokta eğme dayanımı ve %3 üniform uzama sergilemiştir. VK ısıl işlemi parçaların mekanik özelliklerini geliştirmiştir. S+N+VK ısıl işlemleri uygulanan N2 numunesi 537,31 HV1,0 yüzey, 182,13 HV1,0 merkez sertlikleri ve 243 MPa üç nokta eğme dayanımı sergilemiş ancak süneklik göstermemiştir. Vakum karbürlenmiş numunelerin yüzey bölgelerinde martenzit, merkez bölgelerinde ise ferrit + martenzit fazlarından oluşan çift faz mikroyapısı ÇF ısıl işlemi ile başarılı bir şekilde üretilmiştir. Martenzit fazının mikroyapıda homojen bir dağılım sergilediği tespit edilmiştir. ÇF ısıl işlemi numunelerin mekanik özelliklerini arttırmış ancak sünekliklerini azaltmıştır. ÇF ısıl işlemi sonrası en yüksek mekanik özellikler, S+N+VK+ÇF750 ısıl işlemleri uygulanan N6 numunesinde gerçekleşmiştir. Bu numune, 572,28 HV1,0 yüzey sertliği, 196,90 HV1,0 merkez sertliği ve 319 MPa üç nokta eğme dayanımı sergilemiştir. Bu çalışma kapsamında elde edilen veriler neticesinde yüzey karbürlenmiş T/M çelik parçalara uygulanan ÇF ısıl işlemi ile mekanik özelliklerin geliştirildiği sonucuna ulaşılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Vakum karbürleme
• toz metalurjisi
• sinterleme
• çift faz
• mekanik özellikler

Kaynakça

1. Türkmen M, Karabulut H, Erden MA, Gündüz S. Effect of TiN addition on the microstructure and mechanical properties of PM steels. Technological Applied Sciences 2017;12(4): 178-184.
2. Nikolaou J, Bourithis L, Papadimitriou G. Selective case hardening of plain steel by carbon alloying with a plasma transferred arc (PTA) technique. J Mater Sci 2003; 38: 2883-2891.
3. Sawicki J, Dybowski K, Zgórniak P. Effect of stages of vacuum carburizing on deformations in splines of steels 16MnCr5, AMS6265 and 17CrNiMo7-6. Met Sci Heat Treat 2021; 62: 572-576.
4. Özdeşlik M, Sindel L, Keskin S. Düşük basınç sementasyon ve yüksek basınç gaz ile sertleştirme, Türk Mühendis ve Mimar Odaları Birliği Metalurji ve Malzeme Mühendisleri Odası 2016; 180: 31-36.
5. Çavuşoğlu O, Gürün H. Investigation of the effects of deformation speed on the mechanical properties and deep drawing process of DP600 and DP780 sheet metal. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University 2014; 29(4): 777-784.
6. Dwivedi SP, Sharma S, Srivastava AP, Sethi VA, Mohammed KA, Kumar A, Khan MI, Abbas M, Tag-Eldin EM. Homogeneity, metallurgical, mechanical, wear, and corrosion behavior of Ni and B4C coatings deposited on 304 stainless steels developed by microwave cladding technique. J Mater Res Technol 2023; 27: 5854-5867.
7. Ali M, Ahmad F, Melor PS, Yahya N, Aslam M. Investigation of boron effect on the densification of Fe-50% Ni soft magnetic alloys produced by powder metallurgy route. Mater Today Proc 2019; 16: 2210-2218.
8. Neystani R, Beidokhti B, Amelzadeh M. Fabrication of dissimilar Fe-Cu-C powder metallurgy compact/steel joint using the optimized resistance spot welding. J Manuf Processes 2019; 43: 200-206.

9. Azevedo JMC, CabreraSerrenho A, Allwood JM. Energy and material efficiency of steel powder metallurgy. Powder Technol 2018; 328: 329-336.
10. Somunkıran İ, Çelik E, Tunç B, Güneş Ç. Sıcak presleme yöntemi ile üretilen Fe esaslı matriste Ni esaslı süper alaşımların katkı oranlarının etkisi. Fırat Üniversitesi Müh Bil Dergisi 2022; 34(2): 817-827.
11. Kulkarni H, Dabhade VV. Green machining of powder-metallurgy-steels (PMS): An overview. J Manuf Processes 2019; 44: 1-18.
12. ASM Handbook, Powder Metallurgy, ASM International, USA, 1998.
13. Erdogan A, Kursuncu B, Günen A, Kalkandelen M, Gok MS. A new approach to sintering and boriding of steels “Boro-Sintering”: Formation, microstructure and wear behaviors. Surf Coat Technol 2020; 386: 125482.
14. Özer EK. Toz metalurjisi yöntemi ile üretilen sade karbonlu çeliklerin statik deformasyon yaşlanması davranışlarının incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara, 2019.
15. Aksöz S, Kaplan Y, Tan E. Boro-sinterleme işleminin ham T/M parçaların mikroyapı ve sertlik özelliklerine etkilerinin incelenmesi, Journal of Boron 2019; 4(2): 77-84.
16. German RM. Giriş, Toz Metallurjisi ve Parçacık Malzeme İşlemleri, Editörler: Sarıtaş S, Türker M, Duru N. Ankara, Türkiye Toz Metalurjisi Derneği 2007; 1-11.
17. Dere MA. Toz metalurjisi ile demir bazlı matrisli TiB2 takviyeli kompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Akdeniz Üniversitesi, Antalya, 2019.
18. Tosangthum N, Morakotjinda M, Krataitong R, Wila P, Yodkaew T, Vetayanugul B, Boontetim W, Tongsri R. Promoting of bainitic transformation in pre-alloyed Fe-Cr-Mo steels with different compositions by nickel additions. Mater Today Proc 2018; 5(3): 9351-9358.
19. Güral A, Tekeli S, Ando T. Tensile properties of iron-based P/M steels with ferrite+ martensite microstructure. J Mater Sci 2006; 41: 7894-7901.
20. Tekeli S, Güral A. Microstructural characterisation of intercritically annealed 0,5 wt-%Ni and Mn added steels prepared by powder metallurgy method. Mater Sci Technol 2007; 23(1): 72-78.
21. Candela N, Plaza R, Rosso M, Velasco F, Torralba JM. Radial crushing strength and microstructure of molybdenum alloyed sintered steels. J Mater Process Technol 2001; 119(1-3): 7-13.
22. Wang CL, Wang P, Shi ZM. Fatigue properties for sinter-hardened Fe-Ni-Mo-Cu materials. Mater Sci Forum 2007; 534: 677-680.
23. Mousavinasab S, Blais C. Study of the effect of microstructure heterogeneity on fatigue crack propagation of low-alloyed PM steels. Mater Sci Eng A 2016; 667: 444-453.
24. Erdogan M, Tekeli S, Pamuk Ö, Erkan A. Surface carburised AISI 8620 steel with dual phase core microstructure. Mater Sci Technol 2002; 18(8): 840-844.
25. Pamuk Ö, Kaplan Y, Aksöz S. The effect of vacuum-carbosintering on the microstructure and mechanical properties of pre-alloyed powder metallurgy steel parts. J Mater Eng Perform 2025; 1-13.
26. Mahesh K, Sankaran S, Venugopal P. Microstructural characterization and mechanical properties of powder metallurgy dual phase steel preforms. J Mater Sci Technol 2012; 28(12): 1085-1094.
27. Güral A., Tekeli S. Microstructural characterization of intercritically annealed low alloy PM steels. Mater Des 2007; 28(4): 1224-1230.
28. Khamedi R, Fallahi A, Oskouei AR. Effect of martensite phase volume fraction on acoustic emission signals using wavelet packet analysis during tensile loading of dual phase steels. Mater Des 2010; 31(6): 2752-2759.
29. Höganäs AB. Material and pwder properties, Höganäs Handbook 1 for Sintered Components; Sweden, Höganäs AB: 2013; 7-108.
30. Kremel S, Danninger H, Yu Y. Effect of sintering conditions on particle contacts and mechanical properties of P/M steels prepared from 3% Cr prealloyed powder. Powder Metallurgy Progress 2002; 2(4): 211-221.
31. Hu HX, Chen W, Deng C, Yang J. Effect of Fe prealloyed powder and the sintering process on the matrix properties of impregnated diamond bits. J Mater Res Technol 2021; 12: 150-158.
32. de Oro Calderon R, Gierl-Mayer C, Danninger H. Thermoanalytical techniques for characterizing sintering processes in ferrous powder metallurgy. J Therm Anal Calorim 2023; 148(4): 1309-1320.
33. Altuntaş O, Güral A. Yüksek karbonlu sinterlenmiş çeliklerin darbe tokluklarına küreselleştirme ısıl işlemlerinin etkisinin incelenmesi. Politeknik Dergisi 2015; 18(3): 107-112.
34. Karagöz Ş, Birbaşar O, Kaya A. Sıcak şerit haddelemede iş merdane malzemeleri ve hadde merdanesi döküm yöntemleri. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 2009; 15(3): 433-439.
35. Roy S, Gould B, Zhou Y, Demas NG, Greco AC, Sundararajan S. Effect of retained austenite on white etching crack behavior of carburized AISI 8620 steel under boundary lubrication. Tribol Lett 2019; 67: 1-9.
36. Aycan MF. Farklı martenzit hacim oranlarında kırılma tokluğu değerlerinin incelenmesi. Politeknik dergisi 2020; 23(2): 277-282.
37. Demir B. Investıgatıon of producabıl of dual-phase steel from SAE4140 steel, Teknoloji 2004; 7(1): 121-127.
38. Tan Z, Liu Y, Huang X, Li S. Fatigue behavior of alloy steels sintered from pre-alloyed and diffusion-bonding alloyed powders. Metals 2022; 12(4): 659.
39. Kulkarnı H, Dabhade VV. Machinability of a sinter-hardened powder metallurgy steel: combined analysis of cutting force and chip characteristics. Powder Metall Met Ceram 2023; 62(7): 445-458.
40. Dong X, Hu J, Wang H, Liu S, Gou Z. A study on carbon concentration distribution and microstructure of P/M materials prepared by carbusintering. J Mater Process Technol 2009; 209(8): 3776-3782.
41. Thelning KE. Kalıntı östenit, Çelik ve Isıl İşlemi Bofors Elkitabı, Çeviren: Tekin A. Türkiye, Hakan ofset, 1984; 19.
42. Pöhl F. Local deformation and transformation behavior of retained austenite in 18CrNiMo7-6 after high-carbon carburizing treatment. Mater Charact 2020; 167: 110446.
43. Guo Q, Liu H, Sun C, Liu H, Cao Y, Wang L, Cai X, Fu P, Wang P, Li D. Effectively improving the hardness-strength-toughness of carburized bearing steel via nanoprecipitates and fine grain structure. Mater Sci Eng A 2023; 872: 144961.
44. Asi O, Can AÇ, Pineault J, Belassel M. The effect of high temperature gas carburizing on bending fatigue strength of SAE 8620 steel. Mater Des 2009; 30(5): 1792-1797.