Gaz Tungsten Ark Kaynak Yöntemiyle AISI 304 Paslanmaz Çelik Yüzeyinde Üretilen M 7 C 3 Takviyeli Kompozit Kaplamaların Mikroyapısı

Transkript

1 Fırat Üniv. Fen ve Müh. Bil. Dergisi Science and Eng. J of Fırat Univ. 19 (4), , (4), , 2007 Gaz Tungsten Ark Kaynak Yöntemiyle AISI 304 Paslanmaz Çelik Yüzeyinde Üretilen M 7 C 3 Takviyeli Kompozit Kaplamaların Mikroyapısı Ayhan ORHAN ve Soner BUYTOZ Fırat Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Eğitimi Bölümü, Elazığ ayorhan@firat.edu.tr (Geliş/Received: ; Kabul/Accept: ) Özet: Bu çalışmada; %66 Cr oranına sahip Fe-Cr-C tozu Gaz Tungsten Ark Kaynak yöntemi (GTA) ile 1,5 mm derinliğinde AISI 304 Paslanmaz (ostenitik) çelik üzerine farklı işlem parametreleri ile M 7 C 3 karbür oluşturulması incelendi. Kaplamalar 105, 115, 125, 135 ve 145 amperlik farklı akımlarda gerçekleştirildi. Daha sonra kaplama-kaynak boncuklarına dik doğrultuda kesilerek metalografik incelemeler için numune hazırlandı. Numunelerin mikroyapıları, optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenerek, faz ve karbürlerin tespiti için enerji dağılımlı spektograf (EDS) ve X ışını difraktogramından faydalanıldı. Yapılan incelemeler sonucunda; AISI 304 paslanmaz çelik üzerinde M 7 C 3 karbürlerinin oluştuğu izlendi. Anahtar Kelimeler: AISI 304 Paslanmaz Çelik, FeCrC Tozu, M 7 C 3 Karbür. Microstructure of M 7 C 3 Reinforced Composite Coating Produced on the Surface AISI 304 Stainless Steel with Gas Tungsten Arc Welding Method Abstract: In this study; %66 Cr has proportion Fe-Cr-C powder with Gas Tungsten Arc Welding Method (GTA) 1,5mm depth lane on the surface AISI 304 stainless (austenitic) steel with different parameters were investigated M 7 C 3 carburs. Coatings were made different current 105, 115, 125, 135 and 145 ampere. After the process, the coated-welding beads were cut in suitable dimensions and samples were prepared for metallurgy examination. The microstructures of the specimens were examined by optical microscopy, SEM, EDS and X-ray. The result of examinations, observations, tests and measurements indicated that; M 7 C 3 carburs seen on the surface AISI 304 stainless steel Keywords: AISI 304 Stainless Steel, FeCrC Powder, M 7 C 3 Carbur. 1. Giriş Ostenitik paslanmaz çelikler diğer çeliklere nazaran korozyona ve oksidasyona karşı üstün bir direnç gösterdiklerinden, kimya ve petrokimya endüstrisinde geniş bir uygulama alanına sahiplerdir. Ancak bu tür çeliklerin sertliklerinin ve aşınmaya karşı performanslarının düşük olması nedeniyle bu tür çeliklerin yüzey özelliklerinin geliştirilmesi için yapılan yüzey işlemleri günümüzde oldukça ilgi çekmektedir [1,2,3]. Gaz tungsten ark yöntemiyle yapılan kaplama teknolojisi yeni bir yöntem değildir. Fakat yapılan işlem bakımından, plazma, elektron ışın ve lazer kaynak yöntemlerine göre, üretimin çok daha kolay ve ucuz olması, istenilen bileşim ve oranlarda bir kaplama tabakasının elde edilebilmesi ve tabaka kalınlığının daha fazla olması gibi birçok avantajlara sahiptir [4]. Bu yöntemle elde edilen katmanların mikroyapılarında, ötektik ostenitik matrisinde çok yüksek sertlik değerlerine sahip M 7 C 3 karbürleri, malzemeye olağanüstü bir dayanım verirler [5]. Gaz tungsten ark yönteminde, kısa ara reaksiyon zamanında alt tabaka ve toza verilen yüksek enerji yoğunluğuyla hem toz partikülleri hem de alt tabaka malzemesinin yüzeyi ergitilir ve enerji yoğunluğuna bağlı olarak, farklı soğuma hızlarında katılaşıp daha

2 Ayhan Orhan ve Soner Buytoz ince taneli mikroyapılar elde edilir [6]. Kaplama tozunun tipi, boyutu, miktarıyla birlikte, alt tabakanın kimyasal bileşimleri de dikkate alınarak üst tabakanın makro yüzeyi daha pürüzsüz ve düzgün olabilir [7,8]. Ergitme için uygulanan enerjiyle, alt tabakanın da yüzeyinin ergimesiyle, alt tabaka ile kaplama tabakası arasında metalurjik olarak kuvvetli bir bağ oluşur. Bu durum ise tamamıyla malzeme ve alaşımların ıslatma özellikleriyle ilişkilendirilmektedir [9]. Yüksek Cr (% Cr) oranına sahip alaşımlar, sert ötektik öncesi ve/veya (östenit, martenzit, ferrit, perlit veya beynit gibi) daha yumuşak bir demir matrisindeki ötektik M 7 C 3 karbürleri genellikle yerinde kompozitler olarak isimlendirilir. Yüksek kromlu döküm alaşımlarında gözlenen matris yapısı östenittir, fakat bu bazı ısıl işlemler sonrası değişebilir. Buna ilaveten, bu alaşımların yapısındaki karbürler tipik olarak M 7 C 3 tipi (M=Fe,Cr) karbürlerdir [10,11]. Bu yüzden, gaz tungsten ark ile yüzey kaplama yöntemi, malzemenin bölgesel olarak aşınma ve korozyon direnci gibi özelliklerini iyileştirmek için tercih edilebilecek bir yöntemdir. Bu yöntemde, kaplama için esas malzeme ile bir tungsten elektrod arasında bir elektrik arkı oluşturmak için gaz tungsten ark yöntemi kullanıldı. GTA yönteminde ark bölgesi argon asal gaz yardımıyla atmosferin ve çevrenin olumsuz etkilerinden korundu. Bu çalışmada da; FeCrC tozu, TIG kaynak yöntemiyle AISI 304 paslanmaz çelik yüzeyine farklı akımlarda kaplandı. Kaplama malzemesinden deney numuneleri elde edilerek mikroyapı özellikleri açısından kıyaslandı ve M 7 C 3 tipi karbürlerin en uygun akımda yapılan kaplamada tespiti yapıldı. 2. Materyal ve Metot Bu deneysel çalışmada, ortalama 60 µm tane boyutuna sahip yüksek kromlu ferrokrom karbon (FeCrC) tozuyla alt tabaka malzemesi olarak mm ebatlarındaki AISI 304 ostenitik paslanmaz çeliği kullanıldı. Deneyde kullanılan FeCrC tozun ve ostenitik paslanmaz çeliğin kimyasal bileşimleri Tablo 1 de verilmiştir. Kaplama öncesi toz partiküllerinin yüzeyde bağlayıcı ile bağlanarak karışımın homojen bir şekilde oluşmasını sağlamak için AISI 304 paslanmaz çeliğine 1,5 mm derinliğinde kanal açılmıştır (Şekil 1). Burada kaplama yapılan ve yapılmayan AISI 304 paslanmaz çelikler bir arada gösterilmiştir. Mekanik temizleme işlemlerinden sonra AISI 304 paslanmaz çeliğin asetonla yüzeyleri yağ ve kirden arındırılmıştır. Daha sonra Tablo 2 de belirtilen miktarlarda yüksek kromlu ferrokrom karbon tozu kanala verilerek kimyasal bağlayıcı ile malzeme yüzeyine yapıştırılmıştır. Tungsten gazaltı kaynak yöntemi ile Tablo 2 de belirtilen parametreler doğrultusunda Şekil 2 de şematik resmi verilen mekanizma yardımıyla kaplamalar gaz tungsten ark kaynak torcuyla ergitilerek gerçekleştirilmiştir. Kaplama sonrası malzeme yüzeylerinin makro görünüşleri Şekil 3 te gösterilmiştir. Numunelerin daha kolay incelenmesi için deney numunelerine X1, X2, X3, X4 ve X5 adları verilmiştir. Tablo 1. Deneyde Kullanılan Malzemelerin Kimyasal Analizi Malzeme Fe Cr C Si P S Mn Mo Cu Ni N FeCrC 24,82 66,90 6,50 0,72 0,01 0, AISI ,55 18,45 0,03 0,48 0,02 0,29 1,50 0,48 0,48 8,56 0,08 594

3 Gaz Tungsten Ark Kaynak Yöntemiyle AISI 304 Paslanmaz Çelik Yüzeyinde Üretilen M 7C 3 Takviyeli Kompozit Kaplamaların Mikroyapısı Şekil 1. Kaplama Öncesi Alt Tabaka Malzemesinin Hazırlanmış Durumdaki Numune Resmi Tablo 2. Numunelerin Üretim Parametreleri Numunenin X1 X2 X3 X4 X5 Toz Miktarı (gr) 3,432 3,655 3,360 3,715 3,498 Üretim Hızı (V) 56,497 60,014 68,113 66,153 69,252 Kaplama Boyu (mm) Akım (amper) *Isı Girdisi (Q) 26,5 27,4 26,2 29,1 29,9 **Islatma Oranı 87,05 82,99 82,05 79,87 70,70 Elektrod Koruyucu gaz Elektrod çapı Gaz akış oranı Islatma oranları aşağıdaki formül yardımıyla hesaplanmıştır. Burada ölçümler optik mikroskobundan (A:Kaplamanın Yatay Mesafesi, B:Kaplamanın Düşey Mesafesi) tespit edilmiştir. Isı girdisinin (Q) hesaplanmasında ise diğer formül kullanıldı (U:Gerilim, I:Akım, η:verimlilik Katsayısı, V:Üretim Hızı). %2 toryumlu tungsten elektrod % 99,9 saf Argon 2,4 mm 12 lt/dk Şekil 2. Gaz Tungsten Ark Kaynak Yöntemiyle Yapılan Kaplama İşleminin Şematiği 595

4 Ayhan Orhan ve Soner Buytoz Şekil 3. Farklı Üretim Parametrelerinde Elde Edilen Kaplama Numunelerinin Makro Görünüşü Şekil Amperde Yapılan GTA Kaplaması Metalografik incelemeler için kaplamakaynak boncuklarına dikey konumlarda kesilerek alınan numuneler, standart metalografik işlemlerden geçirilerek, ferrik klorid asit çözeltisinde (25 gram FeCl 3, 15 ml HCl ve 100 ml saf su) dağlanmışlardır. Numunelerin mikroyapıları, optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenerek, faz ve karbürlerin tespiti için enerji dağılımlı spektograf (EDS) ve X ışını difraktogramından faydalanılmıştır. 3. Sonuçlar ve Tartışma Optik resimleri genel olarak incelendiğinde FeCrC tozlarının ergimeleri artan akıma bağlı olarak artmıştır. Şekil 4, 5 ve 6 da görüldüğü gibi düşük akımdaki topaklaşmalar oldukça fazladır. Topaklaşmanın oluşması, yeterli sürenin kaynaklanmamasından dolayı meydana gelmektedir. Üretim hızları yaklaşık olarak birbirlerine yakın olmasına rağmen akımın düşük olması nedeniyle ergime tam gerçekleşememektedir. Buda tam olarak çözünmeyen FeCrC tozlarının varlığına neden olmaktadır. Ayrıca aynı şekiller incelendiğinde artan akıma bağlı olarak dentritik kollarının oluşmaya başladığı görülmektedir. Bu tespitimiz Şekil 7a, 7b ve 7c deki kaplama-kaynak boncuklarına bakıldığında da desteklenmektedir. Şekil Amperde Yapılan GTA Kaplaması Şekil Amperde Yapılan GTA Kaplaması 596

5 Gaz Tungsten Ark Kaynak Yöntemiyle AISI 304 Paslanmaz Çelik Yüzeyinde Üretilen M 7C 3 Takviyeli Kompozit Kaplamaların Mikroyapısı (a)105 Amper (b)115 Amper (c)125 Amper Şekil 7. Kaplama-Kaynak Boncuklarının Üstten Makro Görüntüsü GTA kaplamaların 135 ve 145 amperlik akımlarda yapılanların Şekil 8 ve 9 daki optik mikroskop görüntülerine bakıldığında 135 amperde yapılan kaplamadaki dentrit kollarının daha düzenli olduğu görülmektedir. Şekil 9 da optik resmi verilen 145 amperlik GTA kaplamanın yüksek ampere bağlı olarak denritik kollarının homojen olmadığı ve kısmen bozulduğu görülmektedir. Şekil 10a ve 10b deki kaplama-kaynak boncuklarına bakıldığında ise 135 amperde yapılan GTA kaplamasının daha düzenli olduğu görülmektedir. Ancak 145 amperde yapılan kaplamın yüksek akıma bağlı olarak ergimenin daha fazla olduğu ve kaplamakaynak boncukların ise yok denecek kadar az olduğu tespit edilmiştir. Şekil Amperde Yapılan GTA Kaplaması Şekil Amperde Yapılan GTA Kaplaması (a)135 Amper (b)145 Amper Şekil 10. Kaplama-Kaynak Boncuklarının Üstten Makro Görüntüsü Optik mikroskop resimlerinin ve kaplamakaynak boncuklarının makro görüntülerinin incelemeleri sonucu 1,5 mm derinliğindeki AISI 304 paslanmaz çelik üzerindeki FeCrC tozunu GTA kaplama ile en uygun 135 amperlik akımla yapılacağı tespit edildi. Bu doğrultuda X4 numunesinde oluşan intermetalik fazların ve oluşan karbürlerin tespiti yapıldı. Şekil 11 de görüldüğü gibi X4 numunesinin kaplama sınırı görüntüsü bulunmaktadır. Bu bölge incelendiğinde AISI 304 paslanmaz çelik tarafından ergimeye bağlı olarak malzeme difüzyonu kaplama bölgesine taraf oluşmaktadır. Kaplama bölgesinin sınırından alınan EDS analizi de bunu doğrulamaktadır. EDS analizinin açık gösterimi Tablo 3 te görülmektedir. Tablo 3. X4 Numunesinin EDS Analizi Bileşimin Adı % Oranı Fe 73,420 C 14,500 Cr 8,076 Ni 4,004 Toplam 100,

6 Ayhan Orhan ve Soner Buytoz X4 numunesinin SEM görüntüleri incelendiğinde ise M 7 C 3 karbürlerinin oldukça fazla olduğu izlendi. FeCrC tanelerinin üretim hızının yüksek olmasına bağlı olarak tanelerin bazıları ergiyik banyo içinde erimeden kalmıştır. Buna bağlı olarak üretim hızının yüksek olması ve FeCrC tanelerinin çokluğu nedeniyle ergimenin tam manasıyla gerçekleşememesi sonucunda çeşitli karbürler şeklinde çökelme oluşmaktadır [12]. Bu nedenle GTA kaplama yöntemiyle sertleştirme yapılan bölgede verilen enerji girdisi ve üretin hızına bağlı olarak yeterli sürenin eksikliği nedeniyle kaynak banyosunda ergime ve yeniden kristalleşme tam manasıyla oluşmadığı kanaatine varılabilir. Zaten Şekil 12 incelendiğinde ise homojen olarak bir karbür oluşumu olduğu anlaşılmaktadır. Oluşan bu karbürlerin türünü belirlemek için X4 numunesine XRD analizi yapılmıştır. XRD analizi 30 kv ve 15 ma de CuK α radyasyonu kullanılarak Rigaku Geigerflex X-ışını difraktometresi ile elde edilmiştir. XRD sonucu Şekil 13 te gösterilmiştir. Şekil 11. X4 Numunesinin Kaplama Sınır Bölgesi ve EDS Analizi Şekil 12. X4 Numunesinin Karbürlü Bölgelerin SEM Görüntüsü 598

7 Gaz Tungsten Ark Kaynak Yöntemiyle AISI 304 Paslanmaz Çelik Yüzeyinde Üretilen M 7C 3 Takviyeli Kompozit Kaplamaların Mikroyapısı Şekil 13. X4 Numunesinin Karbürlü Bölgelerinin XRD Analizi 4. Genel Sonuçlar AISI 304 ostenitik paslanmaz çelik üzerine farklı miktar, akım ve üretim hızlarında GTA kaynak yöntemiyle FeCrC tozunun yüzey kaplamasında sonuç olarak; en uygun yüzey modifikasyonunun 135 A lik akımda yapılan kaplama olduğu, kaplama sınır bölgesinde malzeme difüzyonunun olduğu, denritik yapının eldesi için uygun kaynak akımının gerektiği, karbürlerin oluştuğu ve bu karbür türünün M 7 C 3 tipi (M=Fe,Cr) karbürler olduğu ve oluşan karbürlerin malzemedeki dağılımının homojen olduğu, tespit edilmiştir. Sonuç olarak; kaplama yapılan AISI 304 ostenitik paslanmaz çelik malzemesinin katılaşma hızına bağlı olarak elde edilen yapının, malzemenin kullanım alanlarına göre genişletilebileceği düşünülmektedir. 5. Kaynaklar [1] Hwan, S., Park C., Sato, Y.S., Kokawa, H., Okamoto, K., Hirano, S., Inagaki, M., (2004), Corrosion resistance of friction stir welded 304 stainless steel, Scripta Materialia, (51) [2] Tsay, L.W., Liu, Y.C., Young, M.C., Lin, D.Y., (2004), Fatigue crack growth of AISI 304 stainless steel welds in air and hydrogen, Materials Science and Engineering A, 374, (1-2), [3] Riviere, J.P., Meheust, P., Villain, J.P., (2002), Wear resistance after low-energy high-flux nitrogen implantation of AISI 304L stainless steel, Surface and Coatings Technology, ( ), [4] Buytoz, S., Yildirim, M.M., Eren, H., (2005), Microstructural and microhardness characteristics of gas tungsten are synthesized Fe Cr C coating on AISI 4340, Materials Letters, (59), [5] Buytoz, S., (2006), Microstructural properties of M 7 C 3 eutectic carbides in a Fe Cr C alloy, Materials Letters, (60), [6] Nagarathnam, K., Komvopoulos, K., (1995), Metall Mater. Trans A, (26), [7] Buytoz, S., (2004), Fırat üniv Fen Bil.Enst., Doktora Tezi. [8] Zhong, M., Liu, W., Zhang, H., (2006), Corrosion and wear resistance characteristics of NiCr coating by laser alloying with powder feeding on grey iron liner, Wear, (260), [9] Buytoz, S., (2006), Microstructural properties of SiC based hardfacing on low alloy steel, Surface and Coating Technology, (200), [10] Maratray, F., (1971), AFS Trans., (79), [11] Parks, J.L., (1978), AFS Trans., (86), [12] Lou D., Hellman, J., Luhulima, D., Liimatainen, J.,. Lindroos, V.K, (2003), Interactions between tungsten carbide (WC) particulates and metal matrix in WC-reinforced composites, Materials Science and Engineering A, (340),