INVESTIGATION OF THE EFFECT OF CR ADDITION ON THE MECHANICAL AND MACHINABILITY PROPERTIES OF CR-MO STEELS PRODUCED BY POWDER METALLURGY

Abstract

ABSTRACT

By using powder metallurgy (PM) techniques, materials with complex particle geometry can be produced with a relative lower cost compared to conventional steel production methods such as casting. In addition, the PM methods allow accurate preparation of various alloy compositions.

The amount and type of alloying elements included in the steel composite play an important role in determining the mechanical and structural properties of steel, as they affect hardness, yield, strength and tensile strength. Thus, it directly affects the machinability. In powder metallurgy (PM), molybdenum, nickel, and copper are the most common alloying elements, because they are less sensitive to oxidation during sintering process. However, recently some studies on the oxidation of chromium during sintering process show that materials based on Cr-alloyed powders are less sensitive to sintering atmosphere compared to materials made from powder mixed with high chrome additives.

Because of the good mechanical properties that result from the use of chromium as an alloying element, this has attracted the interest of some scientists and researchers in the field of biometals because this type of steel composites can be used in some biomedical applications.

In this thesis work, chromium was added to Fe-Mo metal matrix composite (MMC) in different proportions, and an MMC was produced using PM method. In the production process, the powders were mixed with a three-axis (triaxial) mixer for about couple of hours while pressed at high pressing pressure, and then sintered at high temperature.

The microstructures and surfaces of the steel samples produced were examined using an optical microscope and a scanning electron microscope (SEM). Density measurements were performed and porosity amounts were calculated. Tensile tests, corrosion tests and machinability tests were applied.

After reviewing the results of mechanical and structural tests, the possibility of using Chromoly steels manufactured using powder metallurgy in biomedical applications was discussed.

ÖZET

Toz metalurjisi (TM) teknikleri kullanılarak, döküm gibi geleneksel çelik üretim yöntemlerine kıyasla karmaşık parçacık geometrisine sahip malzemeler daha düşük maliyetle üretilebilmektedir. Ek olarak, TM yöntemleri, istenilen çeşitli alaşım bileşenlerinin yüksek hassasiyette hazırlanmasına imkân vermektedir.

Çelik kompozitte bulunan alaşım elementlerinin miktarı ve türü, sertlik, akma, mukavemet ve çekme mukavemetini etkilediğinden çeliğin mekanik özelliklerinin belirlenmesinde önemli rol oynar ve bundan dolayı işlenebilirliğini etkiler. Toz metalurjisinde, molibden, nikel ve bakır, sinterleme işlemi sırasında oksidasyona daha az duyarlı oldukları için en yaygın alaşım elementleridir. Ancak son zamanlarda sinterleme işlemi sırasında kromun oksidasyonu üzerine yapılan bazı çalışmalar, Cr alaşımlı TM malzemelerin, yüksek krom katkıları ile karıştırılmış tozlardan yapılan malzemelere kıyasla sinterleme atmosferine daha az duyarlı olduğunu göstermektedir.

Kromun bir alaşım elementi olarak kullanılmasından kaynaklanan iyi mekanik özellikler nedeniyle, bu tür çelik kompozitler bazı biyomedikal uygulamalarda kullanılabildiği için biyometaller bazı araştırmacıların ilgisini çekmiştir.

Bu çalışmada, TM yöntemiyle Fe-Mo metal matrisli kompozite (MMK) farklı oranlarda krom eklenmiştir. Üretim sürecinde tozlar, üç eksenli (triaxial) bir karıştırıcı ile yüksek presleme basıncında preslenirken yaklaşık iki saat karıştırılmış ve ardından yüksek sıcaklıkta sinterlenmiştir.

Üretilen çelik numunelerin mikroyapıları ve yüzeyleri optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak incelenmiştir. Yoğunluk ölçümleri ve porozite oranları hesaplanmış, çekme, korozyon ve işlenebilirlilik testleri de uygulanmıştır.

Mekanik ve yapısal testlerin sonuçları incelendikten sonra toz metalurjisi kullanılarak üretilen Kromoly (Chromoly) çeliklerinin biyomedikal uygulamalarda kullanılabilirliği tartışılmıştır.