Investigation the Effect of Cryogenic Treatment on Mechanical Properties of AISI 8620 (20NiCrMo2) Steel

Abstract

In this experimental study, the effect of deep cryogenic treatment applied after gas cementation of AISI 8620 (20NiCrMo2) steel, which is widely used in the manufacture of gears, shafts, machinery and automobile parts that are exposed to high stresses, on the mechanical properties. In this context, the cementation method was applied to the steel samples prepared at the determined temperature-time values. Deep cryogenic treatment, which is a complementary process to this process, was applied at a temperature of -196 °C. After the treatment, the samples were tempered at 200 °C for 2 hours. Tensile, micro-macro hardness and impact tests were carried out to determine the mechanical properties of the samples. Findings obtained from these tests were analyzed and compared. The results showed that cryogenic treatment had significant effects on mechanical properties, the cryogenically treated samples had higher hardness and tensile strength than the other samples. It was observed that there was a 7%, 8% and 3.5% increase in the tensile strength, breaking strength and hardness values of the deep cryogenic treated samples compared to the cementation treated samples, and a 2% increase in the impact resistance value. In addition, it is seen that the microstructure of the samples changes as homogeneous and fine-grained with the effect of the cryogenic process.

Keywords

• AISI 8620 steel
• Cryogenic Treatment
• Mechanical Properties
• Microstructure

AISI 8620 (20NiCrMo2) Çeliğinin Mekanik Özelliklerine Kriyojenik İşlemin Etkisinin İncelenmesi

Abstract

Bu deneysel çalışmada, günümüzde imalat, savunma sanayinde, yüksek zorlamalara maruz kalan dişliler, miller, makine ve otomobil parçalarının imalatında yaygın olarak kullanılan AISI 8620 (20NiCrMo2) çeliğinin, gaz sementasyon işlemi yapıldıktan sonra uygulanan derin kriyojenik işlemin mekanik özellikler üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu kapsamda hazırlanan çelik numunelere sementasyon yöntemi belirlenen sıcaklık-zaman değerlerinde uygulanmıştır. Bu işleme tamamlayıcı bir işlem olan derin kriyojenik işlem -196 °C sıcaklık değerinde ve sonrasında numunelere 200 °C’de 2 saat temperleme işlemi uygulanmıştır. Numunelerin mekanik özelliklerinin belirlenebilmesi için çekme, mikro-makro sertlik ve darbe testleri gerçekleştirilmiştir. Bu testlerden elde edilen bulgular analiz edilmiş ve karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, kriyojenik işlemin mekanik özellikler üzerinde önemli etkileri olduğunu, kriyojenik işlemli numunelerin diğer numunelere göre daha yüksek sertlik ve çekme dayanımlarına sahip olduğunu göstermiştir. Derin kriyojenik işlemli numuneler sementasyon işlemli numunelere göre çekme dayanımı, kopma dayanımı ve sertlik değerlerinde sırasıyla %7, %8 ve % 3.5’luk, darbe direnci değerinde ise % 2’lik bir artış olduğu gözlenmiştir. Ayrıca mikroyapısına bakılan numunelerin, kriyojenik işlemin etkisi ile yapının homojen ve ince taneli olarak değiştiği görülmektedir.

Keywords

• AISI 8620 çeliği
• Kriyojenik işlem
• Mekanik özellikler
• Sertlik

References

1. F. Güney, AISI 8620 çeliğinin farklı şartlar altındaki mekanik özellikleri, korozyon direnci ve mikroyapılarının incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Düzce Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Düzce, Türkiye, 2021.
2. F. Güney, M. Kam, AISI 8620 Çeliğinin mekanik özellikleri üzerinde kriyojenik işlemin etkisi üzerine bir değerlendirme, 6. Uluslararası Mühendislik ve Teknoloji Yönetimi Kongresi, 20-21 Kasım 2021, İstanbul.
3. M. Kam, H. Saruhan, Derin kriyojenik işlemin farklı bekletme sürelerinin AISI 4140 (42CrMo4) çeliğin mekanik özelliklerine etkisi, Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 6(3): 553-564, 2018.
4. D. Senthilkumar, I. Rajendran, Influence of shallow and deep cryogenic treatment on tribological behaviour of En 19 steel, International Journal of Iron and Steel Research, 18(5): 53-57, 2011.
5. D. Senthilkumar, I. Rajendran, Optimization of deep cryogenic treatment to reduce wear loss of 4140 steel, Materials and Manufacturing Processes, 27(5): 567-572, 2012.
6. A. Tekin, Çelik ve Isıl İşlemi, Bofors El Kitabı, Hakan Ofset, İstanbul, 1984.
7. B. Uluğ, Sıfıraltı / kriyojenik ısıl işlemin 100Cr6 ve 8620 kalite çeliklerin özellikleri üzerine etkisi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye, 2006.
8. S.K. Sharma, S.A. Rizvi, R.P. Kori, Optimization of process parameters in turning of AISI 8620 steel using Taguchi and grey taguchi analysis, Journal of Engineering Research and Application, 4(3): 51-57, 2014.

9. O. Asi, A.Ç. Can, J. Pineault, M. Blassel, The relationship between case depth and bending fatigue strength of gas carburized SAE 8620 steel, Surface & Coatings Technology, 201(12): 5979–5987, 2007.
10. T. Holm, AGA report: Cryotreatment – State of the art, 1997.
11. D.N. Collins, J. Dormer, Deep cryogenic treatment of a D2 cold work tool steel, Heat Treatment of Metals, 3: 71-74, 1997.
12. S. Li, X. Yuan, W. Jiang, H. Sun, J. Li, K. Zhao, M. Yang, Effects of heat treatment influencing factors on microstructure and mechanical properties of a low-carbon martensitic stainless bearing steel, Materials Science and Engineering: A, 605: 229-235, 2014.
13. M. Koneshlou, K. Meshinchi, F. Khomamizadeh, Effect of cryogenic treatment on microstructure mechanical and wear behaviors of AISI H13 hot work tool steel, Cryogenics, 51(1): 55-61, 2011.
14. Z. Demirkaya, Sementasyon yapılan SAE 8620 kalite çeliğe kriyojenik soğutma uygulaması yapılarak kalıntı gerilmelerinin incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, Türkiye, 2014.
15. D. Senthilkumar, I. Rajendran, M. Pellizzari, J. Siiriainen, Influence of shallow and deep cryogenic treatment on the residual state of stress of 4140 steel, Journal of Materials Processing Technology, 211(3): 96-401, 2011.
16. K. Gu, H. Zhang, B. Zhao, J. Wang, Y. Zhou, Z. Li, Effect of cryogenic treatment and aging treatment on the tensile properties and microstructure of Ti–6Al–4V alloy, Materials Science and Engineering: A, 584: 170-176, 2013.
17. M. Kam, Effects of deep cryogenic treatment on machinability, hardness and microstructure in dry turning process of tempered steels, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering, 235(4): 927-936, 2021.
18. M. Kam, H. Saruhan, Analysis of vibration damping ability of deep cryogenic treated AISI 4140 steel shaft supported by rolling element bearings, Materials Testing, 63(8): 742-747, 2021.
19. M. Kam, H. Saruhan, U. Kabasakaloğlu, T. Guney, Vibration damping capacity of a rotating shaft heat treated by various procedures, Materials Testing, 63(10): 966-969, 2021.
20. M. Kam, U. Kabasakaloğlu, Surface roughness analysis of cryo-treated and tempered steels in cylindrical grinding operation, Surface Review and Letters, 28(11): 2150107, 2021.
21. R.C. Özden, M. Anık, Effects of deep cryogenic treatment on the mechanical properties of 52CrMoV4 steel, UDCS'19 Fourth International Iron and Steel Symposium, 4-6 April 2019.
22. N.B. Dhokey, A.R. Hake, V.T. Thavale, R. Gite, R. Batheja, Microstructure and mechanical properties of cryotreated SAE8620 and D3 steels, Current Advances in Materials Sciences Research, 1(1): 23-37, 2014.
23. B. Pekgöz, S. Sarıdemir, İ. Uygur, Y. Arslan, The effects of carburisation process on the hardness values and microstructure for steels, Electronic Journal of Machine Technologies, 10(1): 19-24, 2013.
24. N.B. Dhokey, A. Hake, S. Kadu, I. Bhoskar, G.K. Dey, Influence of cryoprocessing on mechanism of carbide development in cobalt-Bearing high-speed steel (M35), Metall and Mat Trans A, 4(3): 1508-1516, 2014.