31 Mayıs 2010 | TEKNÄ°K MAKALE 14. Sayı (Mayıs-Haziran 2010)

Korozyon, denizcilik uygulamalarında metalik malzemelerin karşılaştığı en büyük problemlerden biri durumunda. Açık atmosferde ve tuzlu su ortamında korozyonun oluşumu ve ilerleyerek malzemeyi kullanılmaz bir hale getirmesi, hem insan ve mal güvenliğini tehlikeye sokuyor, hem de ekonomik açıdan ciddi kayıplara neden oluyor. Ş. Hakan Atapek, Şeyda Polat Kocaeli Üniversitesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü
"Isıl İşlem Uygulanmış Bir Sac Çeliğinin Tuzlu Su Ortamında Korozyon Davranışı ve Mikroyapısal İncelemeler" isimli bu çalışmada, ısıl işlem uygulamaları sonrası düşük alaşımlı bir sac çeliğinin davranışı araştırılmıştır. Isıl işlem serisi olarak östenitleştirme, su verme ve temperleme işlemi seçilmiştir. Oda sıcaklığında, ağırlıkça % 3.5 NaCl içeren çözelti içerisinde 7 gün boyunca ağırlık kaybı ölçülerek sac çeliğinin korozyon hızı belirlenmiştir. Mikroyapısal incelemeler, sac çeliğinde korozyon başlangıç ve ilerleme yörelerini ortaya koymuştur.

1. Giriş
Günümüz endüstrisinde çeliğin yapısal birçok uygulama için tercih edilen başlıca metalik malzeme olması, kendisinden beklenen performansı olumsuz yönde etkileyecek her türlü oluşumun irdelenmesini gerekli kılmıştır. Çeliğin mekanik özelliklerinin ön plana çıktığı uygulamalarda hasar oluşumuna neden olan tüm parametrelerin gözden geçirilmesi gerekmektedir [1].
Haddeleme sonrası belirli bir kalınlığa getirilen sac çelikleri, denizcilik uygulamalarında ve özellikle gemi konstrüksiyonlarında yaygın bir şekilde kullanılırlar. Gerek ana gövde gerekse güverte olmak üzere konstrüksüyonun birçok yerinde rahat şekillendirebilir ve kaynak yapılabilir olmalarından ötürü tercih edilmektedirler. Bu amaçla kullanılan sac çelikleri çoğunlukla östenitik veya ferritik-perlitik bir iç yapıya sahiptir [2-4]. Yüksek mukavemet ve sertliğe sahip olmalarından dolayı düşük karbonlu ve alaşımlı temper beynitik sac çelikleri de yaygın bir kullanım alanına sahiptir. Alaşım kimyası, ısıl işlem parametreleri ve ortam koşulları, bu tür çeliklerin uygulamaya yönelik kullanılabilirliğini doğrudan belirlemektedir [5, 6].
Denizcilik uygulamalarında metalik malzemelerin karşılaştığı en büyük problem korozyondur. Açık atmosferde ve tuzlu su ortamında korozyonun oluşumu ve ilerleyerek malzemeyi kullanılmaz bir hale getirmesi, hem insan ve mal güvenliğini tehlikeye sokmakta hem de ekonomik açıdan ciddi kayıplara neden olmaktadır [7].
Deniz suyu yaklaşık olarak ağırlıkça % 3.5 NaCl içermekle birlikte önemli miktarda magnezyum, kalsiyum, potasyum, sülfat ve bikarbonat iyonları da bulundurmaktadır. Deniz suyunun oksijen içeriği açık atmosferin içerdiği serbest oksijen miktarına yakın olup pH değeri 8.0-8.3 arasındadır. Suyun sıcaklığı yüzeyde -2 ile 35°C arasında değişebilmektedir. Deniz suyunun, sahip olduğu yüksek iyon konsantrasyonunun bir sonucu olarak, metallerle olan etkileşimde korosif bir etki göstermesi kaçınılmaz olacaktır. Özellikle klor gibi saldırgan iyonlar, metalik yüzeyden başlayıp malzemenin iç kesitine doğru hızlı bir şekilde ilerleyerek çoğunlukla çukurcuk olarak gözlemlenen bir hasara neden olmaktadır. Oksijenin varlığı, metal yüzeyinde çoğunlukla oksit çökelmelerini teşvik edecektir. Özellikle yüksek kromlu çeliklerde, yüzeyde oluşan krom oksit esaslı bir tabakanın bariyer rolü oynayarak oksijen difüzyonunu engellemesi arzulanmaktadır. Ancak saldırgan ortam koşullarında, zamanın da bir fonksiyonu olarak çoğu kez hasarın oluşması kaçınılmazdır [8].

2. Deneysel Çalışma
Isıl işlem uygulaması sonrası çelik numunenin başlangıç mikroyapısı incelenmiştir. Mikroyapısal karakterizasyon korozyon testi öncesi matriksin belirlenmesi açısından önemlidir. Çeliğin ağırlıkça % 3.5 NaCl çözeltisi içerisinde (tipik deniz suyu) zamana bağlı olarak, ağırlık kayıpları belirlenmiş ve toplam ağırlık kaybı üzerinden korozyon hızı hesaplanmıştır. Zamana bağlı olarak çeliğin mikroyapısında meydana gelen değişimler irdelenmiştir.
Çalışmada seçilen çelik, düşük karbonlu ve alaşımlı bir sac çeliği olup, kimyasal kompozisyonu Tablo 1'de verilmiştir. Çeliğe başlangıçta östenitleştirme ısıl işlemi uygulanmış, su verme ile soğutulması sonrasında temperleme işlemi gerçekleştirilmiştir. Isıl işlem uygulamasında seçilen sıcaklık ve zaman parametreleri Tablo 2'de gösterilmiştir. Uygulanan ısıl işlemler sonrası çeliğe ait mekanik değerler ise Tablo 3'te verilmiştir.
Numuneler metalografik olarak hazırlanmış (120, 320, 600 ve 1000'lik zımparalama, 3 _m'luk elmas pasta ile parlatma ve % 3 nital ile dağlama) ve ışık mikroskobunda incelenmiştir. Korozyon testi için 22x5x5 mm boyutlarında numune hazırlanmış ve tüm yüzeyleri parlatılarak ağırlıkça % 3.5 NaCl içeren çözelti içerisinde 7 gün boyunca bekletilmiştir. Her 24 saatlik zaman dilimi sonrasında çözelti içerisinden alınan numunenin ağırlık kayıpları belirlenerek ışık mikroskobu ile çeliğin yüzey karakterizasyonu yapılmıştır.    

3.1. Korozyon Testi Öncesi Çeliğin Mikroyapısal Karakterizasyonu
Metalografik olarak hazırlanan numunelere ait ışık ve tarama elektron mikroskop görüntüleri Şekil 1a ve b'de verilmiştir. Her iki konumda da yapı tipik temper beynit matriksi yansıtmaktadır. Östenitleştirme işlemi ile homojen tek faz olan östenitin oluşturulması hedeflenir. Bu işlem sayesinde çelik içi tüm bileşenler çözündürülmüştür. Böylelikle hızlı soğutma ile birlikte denge dışı dönüşümler gerçekleştirilerek, beynitik bir matriks elde edilmiştir. Beynitik çelikler esas itibariyle yüksek sertlik ve mukavemet değerlerine sahiptirler. Endüstriyel uygulamalarda ve özellikle servis koşullarında yüksek sertliğin yanı sıra yüksek tokluk da aranan bir özelliktir. Temperleme ile beynitik matriksin tokluğu önemli ölçüde geliştirilebilir. Su verme sonrası çeliğin kritik dönüşüm sıcaklıkları altındaki bir sıcaklıkta belirli bir süre tavlanması olarak da bilinen temperleme işlemi ile iç gerilimleri giderilir, lata tipi ferrit ve gerek lata içi gerekse de lata arayüzeylerinde yoğun iç çökelti (demir karbür veya diğer alaşım karbürleri) içeren bir matriks oluşturulur.
 
3.2. Korozyon Testi Sonrası Yüzey Karakterizasyonu
Şekil 2'de deneysel çeliğin parlatılmış yüzeyinde tuzlu su ile olan etkileşim sonrası zamana bağlı olarak meydana gelen mikroyapısal değişimler örneklenmiştir. Beynitik dönüşüm östenitleştirme sonrası su verme ile oluşturulan bir yapıdır. Dönüşüm öncesi mikroyapı uygulanan ısıl işlemden dolayı tek faz östenittir. Dönüşüm, tane sınırlarından başlayıp östenitin tamamen beynite dönüşümüne kadar devam edecektir. Temperleme ile beynit latalarının morfolojisinde bir miktar değişim olsa da östenit tane sınırları herhangi bir bozunum göstermeyecektir. Şekil 2a'da görüldüğü üzere 24 saat sonra korozyon, öncelikli olarak yüksek enerjili tane sınırlarından başlamıştır. Tane sınırları atomistik konumda düzen göstermeyen amorf yöreler olup, korozyon oluşumu için öncelikli yörelerdir. 48 saat sonra incelenen numunede korozyon ilerlemesinin ilk güne benzer ve hızlı bir şekilde tane sınırları üzerinde geliştiği belirlenmiştir (Şekil 2b). Korozyon ilerlemesi 72 saat sonra tüm yüzeyde homojen bir dağılım göstermiştir (Şekil 2c). Öncelikli bozunma yöreleri olan tane sınırlarının saldırgan klor iyonları tarafından yenime uğratılması, bu yörelerin çukurlaşmasına neden olmakta ve bu nedenle bu yöreler refleksiyon tipi ışık mikroskoplarında yeteri ışık demetinin toplanamamasına bağlı olarak koyu kontrastlarda görülmektedir (Şekil 2d). İlerleyen zamana bağlı olarak öncelikli bozunum yörelerinin (tane sınırları) hacimsel azalması sonrasında çelik matriks içerisinde lata arayüzeyleri korozyona uğramaya başlamıştır (Şekil 2e-f). Temper beynitik çelik esas itibariyle ferrit lataları ve bu lataların gerek sınırlarında gerekse de içerilerinde alaşım kimyasına da bağlı olarak mikron/nano boyutlu demir karbür başta olmak üzere alaşım karbürleri içerebilmektedir. Bu alaşım karbürleri çoğunlukla matriks ile uyumlu veya yarı-uyumlu bir arayüzeye sahip olup, çeliğin sertliğine önemli katkı sunabilmektedir. Diğer taraftan ısıl etki ile çökeltilerin kabalaşma eğilimleri neticesinde arayüzeylerdeki uyumsuzluğun artması (uyumlu arayüzey yarı uyumlu/uyumsuz arayüzeye geçiş) korozyon için öncelikli yörelerin oluşmasını elverişli kılacaktır. 168 saat sonrasında çelik matriks, tamamemen korozyona uğramış olup metalografik amaçlı inceleme aşamasında dağlama sonrası mikroyapı karakteristiğine benzer bir görüntü sergilemektedir (Şekil 2g). Test boyunca matriks, öncelikli olarak östenit tane sınırlarını ve sonrasında lata arayüzeyleri ile lata içi çökelti arayüzeylerini yenime uğratarak korozyon gelişimine katkı sağlamıştır.  Tüm bu oluşumlar ise ciddi malzeme kayıplarına neden olarak  yüzeyde oluşan korozyon ürünlerinin miktarını önemli ölçüde artıracaktır.

3.3. Çelikte Zamana Bağlı Ağırlık Kayıpları ve Korozyon Hızının Belirlenmesi
Deneysel çalışma kapsamında zamana bağlı olarak çelik numunede meydana gelen ağırlık kayıpları her 24 saatte bir belirlenmiştir. Şekil 3a zamana bağlı olarak çelik malzemede meydana gelen toplam ağırlık kayıplarını sütun grafiği ile göstermektedir. Mikroyapısal incelemelerden de gözlendiği üzere zamanla korozyon gelişimi artmakta ve tüm matriksi kaplamaktadır. Bunun bir sonucu olarak yüzeyde önemli ölçüde oksit esaslı korozyon ürünlerinin oluşumu ve tuzlu su içerisinde çözünmeler meydana gelecektir. Şekil 3b ise zamanla birim alandaki toplam ağırlık kaybının doğrusal olarak arttığını göstermektedir. Basit regresyon analizi ile doğrusal ilişki aşağıdaki eşitlik yardımıyla ifade edilebilir :
Denklem 1`de verilen doğru denkleminin eğimi korozyon hızını 0.6651 mg/dm2.saat olarak vermektedir ve bu değerin 24 ile çarpılması ile korozyon hızı 16.0 mg/dm2.gün olarak belirlenir.
                   
4. Sonuçlar
Bu çalışmada, ağırlıkça % 3.5 NaCl içeren çözeltide (deniz suyu konsantrasyonu) bekletilen ısıl işlem uygulanmış bir çeliğin mikroyapısında meydana gelen değişimler zamanın bir fonksiyonu olarak incelenmiştir. Deneysel çelik, östenitleştirme, su verme ve nihai olarak temperleme işlemi sonrasında temper beynit yapısı sergilemektedir. Başlangıçta östenit tane sınırları, korozyon oluşumu için sahip oldukları yüksek enerji potansiyellerinden dolayı yenime uğramıştır. Zamanla östenit tane sınırlarının yanı sıra lata arayüzeyleri de hızlı bir şekilde korozyona uğramıştır. Her iki konumda da bozulmanın yanı sıra saldırgan klor iyonları nedeniyle çözünen bu yöreler, çukurlaşmakta ve ışık mikroskop çalışmalarında belirgin koyu kontrastlarda görülmektedir. İlerleyen zamanla korozyon gelişimi tüm yüzeyi kaplamış olup, seyreltik asitle dağlama sonrası elde edilen mikroyapıya benzer karakteristikte bir yapı oluşmuştur. Zamanın bir fonksiyonu olarak ağırlık kayıpları sütun grafiği ve serpilme diyagramı ile gösterilmiş, basit regresyon analizi ile doğrusal ilişkinin denklemi bulunmuştur. Elde edilen doğrunun eğiminden korozyon hızı 16.0 mg/dm2.gün  olarak belirlenmiştir.

Kaynaklar

[1]     Meyers, M.A., Chawla, K.K., ‘Mechanical  Behaviour of materials’, Cambridge University Press, UK, 2009.
[2]     www.worldstainless.org/NR/rdonlyres/.../Marineapplications.pdf
[3]     Heselmans, J., ‘Performance of Stainless Steel in Marine Applications’, Stainless Steel World, p. 2-5, December 2006.
[4]     Lai, M. O., Fong, H. S., ‘Mechanical  Properties of a Marine Shaft Steel with Banded Ferrite-Pearlite Structure’, Journal of Materials Science Letters, 8 (11), p. 1257-1259, 1989.
[5]     Honeycombe, R. W. K., ‘Steels – Microstructure and Properties’, Metallurgy and Materials Science Series, Edward Arnold, London, 1981.
[6]     Bhadeshia, H. K. D. H., ‘Bainite in Steels’, Cambridge University Press, UK, 2001.
[7]     Bardal, E., ‘Corrosion and protection’, Springer, London, 2004.
[8]     Talbot, D., Talbot, J., ‘Corrosion Science and Technology’, CRS Press, Boca Raton FL, 1998.

 

---

R E K L A M