Investigation of the Mechanical and Microstructural Properties of AISI 430 Steels After Deep Chryonegic Treament

Abstract

Cryogenic treatment is a type of heat treatment applied to stainless steels in today's industry and is rapidly spreading as an alternative to conventional heat treatment. Although the effects of shallow cryogenic treatment on stainless steels have been investigated in the literature, it is seen that there are limited number of studies on deep cryogenic treatment. In this study, the effects of deep cryogenic treatment (-140 oC) on the microstructural and mechanical properties of AISI 430 ferritic stainless steel were investigated. In addition, the effects of conventional heat treatment and cryogenic treatment were compared. In the study, 1 hour annealing time at 300 oC, 500 oC and 700 oC for conventional heat treatment and 12, 24, 36 and 48 hours at -140 oC for cryogenic treatment were selected as heat treatment parameters in the study. After heat treatment, the samples were examined using an optical microscope and subjected to hardness and tensile tests (using mini tensile speciment). The findings determined that while the mechanical properties decrease after 300 oC in conventional heat treatment, the optimum annealing time for yield strength is 24 hours in cryogenic treatment, while the optimum annealing time for tensile strength is 48 hours. In addition, the study shows that cryogenic treatment causes significant changes in the microstructure of AISI 430 stainless steel.

Keywords

• Cryogenic Cooling
• Heat Treatment
• AISI 430 Stainless Steel
• Mechanical Properties
• Microstructure
• Mini Tensile Specimen.

AISI 430 Çeliklerin Derin Kroyonejik İşlem Sonrası Mekanik ve Mikroyapısal Özelliklerinin İncelenmesi

Öz

Kriyojenik işlem günümüz endüstrisinde paslanmaz çeliklere uygulanan ve geleneksel ısıl işleme alternatif olarak hızla yayınlaşan bir ısıl işlem çeşididir. Literatürde paslanmaz çelikler üzerine yapılan sığ kriyonejik işlemin etkileri araştırılmakla birlikte derin kriyonojik işlem üzerine çalışmaların sınırlı sayıda olduğu görülmektedir. Bu çalışmada derin kriyojenik işlemin (-140 oC) AISI 430 ferritik paslanmaz çeliğinin mikroyapısal ve mekanik özellikleri üzerine etkileri incelenmiştir. Ayrıca geleneksel ısıl işlemle kriyojenik işlemin etkileri karşılaştırılmıştır. Çalışmada ısıl işlem parametresi olarak geleneksel ısıl işlem için 300 oC, 500 oC ve 700 oC’de 1 saat tavlama süresi, kriyojenik işlem için -140 oC’de 12, 24, 36 ve 48 saat bekletme süresi olarak seçilmiştir. Isıl işlem sonrası numuneler optik mikroskop kullanılarak incelenmiş, sertlik ve çekme testine (mini çekme) tabi tutulmuştur. Bulgular geleneksel ısıl işlemde 300oC’den sonra mekanik özellikler azalırken, kriyojenik işlemde ise akma dayanımı için optimum bekleme süresi 24 saat çekme dayanımı için optimum bekleme süresi 48 saat olarak belirlemiştir. Ayrıca yapılan çalışma kriyojenik işlemin AISI 430 paslanmaz çeliğin mikroyapısı önemli değişikliklere neden olduğunu göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• Kroyejenik Soğutma
• Isıl Işlem
• 430 Paslanmaz
• Mekanik Özellikler
• Mikroyapı

Kaynakça

1. Şirin, Ş., S. Akıncıoğlu, And G. Harun, Kriyojenik İşlem Zamanının Aısı 430 Çeliğinin Mekanik Özelliklerine Etkisi. İleri Teknoloji Bilimleri Dergisi, 2018. 7(3): p. 66-71.
2. Chen, S., J. Li, and X. Zhao, Effect of Deep Cryogenic Treatment on Electrical Conductivity of Cu-Base Multicomponent Alloy. Journal of Materials Science and Engineering. B, 2014. 4(2B).
3. Engin, N. and S. AKINCIOĞLU, Kriyojenik işlem görmüş nikel esaslı süper alaşımın elektro-erozyon işleme performansı optimizasyonu. Academic Platform Journal of Engineering and Science, 2019. 7(1): p. 115-126.
4. Akincioğlu, S., H. Gökkaya, and İ. Uygur, A review of cryogenic treatment on cutting tools. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015. 78(9-12): p. 1609-1627.
5. Kam, M. and H. Saruhan, Kriyojenik işlem uygulanmış millerin yuvarlanmalı ve kaymalı yataklarda deneysel titreşim analizi. Politeknik Dergisi, 2019. 22(1): p. 129-134.
6. Gürhan, H., et al., Kriyojenik işlemin SAE 4140 çeliğin mekanik özellikleri üzerine etkisi. Selçuk-Teknik Dergisi, 2014. 13(2): p. 25-37.
7. Luo, D. and S. Li, Effect of cryogenic and QPQ compound treatment on the microstructures and performance of high speed steel. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2012. 25(1): p. 184-189.
8. Arslan, K.F., Soğuk iş takım çeliklerinde sıfıraltı işlem derecesinin mekanik özelliklere etkisi. 2010.

9. Lal, D.M., S. Renganarayanan, and A. Kalanidhi, Cryogenic treatment to augment wear resistance of tool and die steels. Cryogenics, 2001. 41(3): p. 149-155.
10. Abdullah, S., AISI M2 Takım Çeliğinin Mikroyapısı ve Mekanik Davranışları Üzerine Derin Kriyojenik Isıl İşlemin ve Temperlemenin Etkisi. Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik Dergisi, 2020. 22(66): p. 801-811.
11. KAM, M. and H. SARUHAN, Derin Kriyojenik İşlemin Farklı Bekletme Sürelerinin AISI 4140 (42CrMo4) Çeliğin Mekanik Özelliklerine Etkisi. Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 2018. 6(3): p. 553-564.
12. Uzun, M., Kriyojenik İşlem Görmüş Soğuk İş Takım Çeliğinin Aşınma Davranışının İncelenmesi. 2014.
13. Çiçek, A., et al., Aısı D2 Soğuk İş Takım Çeliğinin Delinmesinde Derin Kriyojenik İşlemin Takım Ömrü Üzerindeki Etkilerinin Araştırılması. Uluslararası Teknolojik Bilimler Dergisi, 2012. 4(1): P. 1-9.
14. Stepanov, G. And L. Lokhankina, Low-Cycle Fatigue Of Chrome-Manganese Steel At+ 20 And− 196° C. Strength Of Materials, 1979. 11(8): P. 847-849.
15. Collins, D., Deep Cryogenic Treatment Of A D2 Cold Work Tool Steel. Heat Treatment Of Metals, 1997.
16. Bensely, A., Et Al., Fatigue Behaviour And Fracture Mechanism Of Cryogenically Treated En 353 Steel. Materials & Design, 2009. 30(8): P. 2955-2962.
17. Devaraju, A. And V. Kishan, Influence Of Cryogenic Cooling (Liquid Nitrogen) On Microstructure And Mechanical Properties Of Friction Stir Welded 2014-T6 Aluminum Alloy. Materials Today: Proceedings, 2018. 5(1): P. 1585-1590.
18. Zhemchuzhnikova, D., Et Al., Cryogenic Properties Of Al–Mg–Sc–Zr Friction-Stir Welds. Materials Science And Engineering: A, 2014. 598: P. 387-395.
19. Wang, J., Et Al., Effects Of Deep Cryogenic Treatment And Low-Temperature Aging On The Mechanical Properties Of Friction-Stir-Welded Joints Of 2024-T351 Aluminum Alloy. Materials Science And Engineering: A, 2014. 609: P. 147-153.
20. Li, Y.-J., Et Al., Tensile Properties And Fracture Behavior Of Friction Stir Welded Joints Of Fe-32mn-7cr-1mo-0.3n Steel At Cryogenic Temperature. Journal Of Materials Science & Technology, 2018. 34(1): P. 157-162.
21. Kaya, Y., Aısı 304 Ve Aısı 430 Paslanmaz Çeliklerin Tıg, Mıg Ve Örtülü Elektrod Ark Kaynağıyla Birleştirilebilirliğinin Araştırılması. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 2010. 25(3): P. 549-557.
22. Džugan, J., Et Al. Mini-Tensile Specimen Application For Sheets Characterization. İn Iop Conference Series: Materials Science And Engineering. 2017. Iop Publishing.
23. Džugan, J., Et Al. Determination Of Local Tensile And Fatigue Properties With The Use Of Sub-Sized Specimens. İn Pressure Vessels And Piping Conference. 2015. American Society Of Mechanical Engineers.
24. Rund, M., Et Al., Investigation Of Sample-Size İnfluence On Tensile Test Results At Different Strain Rates. Procedia Engineering, 2015. 114: P. 410-415.
25. Gussev, M.N., Et Al., Sub-Size Tensile Specimen Design For İn-Reactor İrradiation And Post-İrradiation Testing. Nuclear Engineering And Design, 2017. 320: P. 298-308.
26. Dong, R., Design Of A Specimen Geometry For The Tensile Testing Of Small Samples. 2019, University Of Pittsburgh.
27. Dongare, S., Development Of A Technique For Testing Of Tensile Properties With Miniature Size Specimens For Metal Additive Manufacturing. 2012.
28. Strnadel, B. And J. Brumek, Effect Of Tensile Test Specimen Size On Ductility Of R7t Steel. Metal, 2013. 5(2): P. 2-7.
29. Kumar, K., Et Al., Use Of Miniature Tensile Specimen For Measurement Of Mechanical Properties. Procedia Engineering, 2014. 86: P. 899-909.
30. Kolhatkar, A.V., Et Al., Development Of Ultra Sub-Size Tensile Specimen For Evaluation Of Tensile Properties Of Irradiated Materials. 2018.
31. Öztürk, E., Et Al., Determination Of Mechanical Properties Of Co2 Laser Welded Dual Phase Steels Co2 Lazer Yöntemi İle Birleştirilmiş Çift Fazlı Çeliklerin Mekanik Özelliklerinin Belirlenmesi.
32. Balakan, A., Aısı 430 Kalite Paslanmaz Çeliklerin Mikroyapı Ve Mekanik Özelliklerinin Perçinleme Prosesinde Çatlak Oluşumuna Etkisinin İncelenmesi. 2020, Fen Bilimleri Enstitüsü.
33. Banerjee, M., 2.8 Heat Treatment Of Commercial Steels For Engineering Applications. 2017.
34. Shirdel, M., H. Mirzadeh, And M.H. Parsa, Microstructural Evolution During Normal/Abnormal Grain Growth İn Austenitic Stainless Steel. Metallurgical And Materials Transactions A, 2014. 45(11): P. 5185-5193.
35. Xuan, F.-Z., X. Huang, And S.-T. Tu, Comparisons Of 30cr2ni4mov Rotor Steel With Different Treatments On Corrosion Resistance İn High Temperature Water. Materials & Design, 2008. 29(8): P. 1533-1539.
36. Şirin, Ş. And S. Akıncıoğlu, Investigation Of Friction Performance And Surface İntegrity Of Cryogenically Treated Aısı 430 Ferritic Stainless Steel. International Advanced Researches And Engineering Journal, 2021. 5(2): P. 194-201.
37. Wannaprawat, N. And K. Tuchinda, Influence Of Deep Cryogenic Treatment On Microstructure, Hardness, Impact Strength And Wear Of Cubezr Alloy. Chıang Maı Journal Of Scıence, 2021. 48(2): P. 631-647.
38. Bi, J., Et Al. Effect Of Deep Cryogenic Treatment On Microstructure And Properties Of M35 High Speed Steel. İn Journal Of Physics: Conference Series. 2021. Iop Publishing.