TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR

Transkript

1 ISSN: Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 26 (3) 2-31 TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Makale Toz Metalurjisi Yöntemi İle Üretilen Fe-C-Mo-FeCr Kompozitinin Adhesiv Aşınma Davranışının İncelenmesi Mustafa AY, Ulaş ÇAYDAŞ, Ahmet HASÇALIK Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü Elazığ ÖZET Bu çalışmada, demir matrisli ve ağırlıkça % 4, 8, ve 12 ferrokrom içeren Fe-C-Mo-FeCr kompozitlerin adhesiv aşınma davranışları incelenmiştir. Deneyler, 2, 6 ve 1 N luk sabit yüklerde ve, ms -1 hızda gerçekleştirilmiştir. Aşındırıcı malzeme olarak AISI 1 çelik kullanılmıştır. Numunelerin SEM, EDS, X- Ray ve sertlik analizleri yapılmıştır. Deneyler neticesinde FeCr oranının artması ile aşınma oranının azaldığı gözlenmiştir. Bu durum, takviye elemanının artmasına bağlı olarak FeCr, Cr 7 C 3 ve (Cr 2, Fe 4,4 Mo,1 ) C 3 karbürlerinin ana yapı içerisinde daha fazla teşekkül etmesine atfedilmiştir. Ayrıca, yapıda oluşan geniş karbür ağları, yük taşıyıcı yatak görevi yapmakta ve matrisi aşındırıcının olumsuz etkilerinden korumaktadır. Uygulanan yük ve kayma yoluna bağlı olarak sürtünme ve ısınmanın etkisiyle yüzeyde koruyucu oksit tabakası oluşmakta ve bu oksitlerin kırılmasıyla, düzenli aşınmadan sert aşınmaya geçişler olmaktadır. Anahtar Kelimeler: Adhesiv aşınma, MMC, aşınma direnci 1. GİRİŞ Toz metalurjisi ile malzeme üretim yöntemi düşük enerji maliyeti, malzemeden maksimum düzeyde faydalanabilme ve düşük üretim masrafları nedeniyle giderek önem kazanmakta ve geleneksel metal şekillendirme yöntemlerinin yerini almaktadır [1]. Toz metalurjisi yöntemi ile istenen şekilde bir ürün maliyet açısından daha uygun bir şekilde üretilebilmektedir. Fakat, farklı çalışma şartlarına dayanabilecek en uygun bileşimleri elde etmek için çalışmalar devam etmektedir. Günümüzde kullanılan uzay aracı ve otomobil parçalarının bir kısmı için göz önünde bulundurulması gereken en önemli mekanik özelliklerden birisi de aşınmadır. parçalar Toz metalürjisi yöntemiyle üretilen parçalar oldukça iyi aşınma direnci gösterirler [2]. Yüksek sinterleme yoğunluğuna ve yüksek aşınma direncine sahip toz metalurjisi ile üretilen bazı çeliklerin otomotiv endüstrisinde, motor ve transmisyon sistemlerinde kullanılmasına başlanmıştır. [3]. Demir, yüksek ergime noktası, mukavemet, sertlik, ısı direnci ve kararlılığı gibi özelliklerinden dolayı sürtünme matris malzemesi olarak kullanılmaktadır [4]. Aşınmaya dirençli metal matrisli kompozit malzemelerin üretimi genellikle sünek bir matriste karbür, borür ve nitrür gibi sert fazlar ilave edilerek yapılmaktadır. Molibdenin düşük karbonlu çeliklerde beynite dönüşüme yardımcı olduğu bilinmektedir. Bu anlamda bor veya karbonun Fe- Cr- Mo sistemlerine eklenmesi γ dan α ya geçişlerde çok kuvvetli etkiye sahiptir, ilaveten krom sertleştirilebilmeyi arttırır. Bunun yanında sinterleme esnasında karbon matris içine difüze olur ve krom ve molibden ile karbür oluşturur, beynitik ve martenzitik mikro yapı şekillenmesi malzemenin sertleştirilebilme yeteneğini arttırır. Bu faktör teknolojik bakımdan oldukça önemlidir çünkü normal soğutma ortamlarında ısıl işleme gerek kalmadan sinterleme sıcaklığında beynitik mikro yapının doğrudan elde edilmesi mümkündür []. Molinari ve Straffelini [6,7] çalışmalarında toz metalurjisi yöntemi ile üretilen Fe- Mo alaşımlarının kimyasal bileşimlerinin ve ısıl işlem koşullarının kuru kayma aşınması üzerindeki etkilerini araştırmışlardır. Lim,

2 Teknolojik Araştırmalar : MTED 26 (3) 2-31 Toz Metalurjisi Yöntemi İle Üretilen Fe-C-Mo-FeCr Kompozitinin Adhesiv Aşınma Brunton [8], Leheup ve diğerleri [9] demir ve demir esaslı alaşımlarda meydana gelen farklı aşınma mekanizmalarını incelemişlerdir. Straffelini ve Molinari [1], toz metalürjisi ile üretilen demirli malzemelerin kuru kayma davranışlarını incelemişlerdir. Literatürlerin birçoğu yüksek Cr lu dökme demirin abrasiv aşınma davranışı üzerinde odaklanmıştır [11]. Bu çalışmanın amacı toz metalürjisi yöntemiyle üretilen Fe-C-Mo-FeCr kompozitlerinin adhesiv aşınma davranışı üzerine FeCr oranının etkisini incelemektir. 2. MATERYAL ve METOT Numunelerin hazırlanmasında kimyasal analizi Tablo 1 de verilen ortalama µm boyutlu ferrokrom (FeCr) tozları, % 99,9 saflıkta ve ortalama 7 µm boyutlu demir tozları, ortalama 9 µm boyutlu molibden tozları ve grafit tozları kullanılmıştır. Bu tozlardan öncelikle demir, ağırlıkça %3 molibden ve ağırlıkça % 1, grafit tozları ile karıştırılarak elde edilen bu üçlü karışıma daha sonra ferrokrom tozları ağırlıkça % 4, % 8 ve % 12 olmak üzere üç farklı oranda katılarak mekanik karıştırıcıda 1 dakika süre ile karıştırılarak üç farklı karışım hazırlanmıştır. Tablo 1. Ferrokrom tozunun kimyasal bileşimi (% ağırlık) Cr Fe Si C P S 64, 2,98 1,11 7,8,21,38 Bu karışımlar 7 MPa basınç altında soğuk preslenerek Ø1x1 mm ebatlarında numuneler elde edilmiştir. Elde dilen bu numuneler, argon gazı ortamında 112 ºC de 4 dakika sinterlendikten sonra elde edilen numunelerin sertlik değerleri alınmıştır. Numunelere ait karşım oranları ve sertlikleri Tablo 2 de verilmiştir. Tablo 2. Numunelerin karışım oranları Numune No Karışım oranları Sertlik 1 µm % 4 FeCr- %3 Mo-%1. C 69 2 µm % 8 FeCr- %3 Mo-%1. C 71 3 µm % 12 FeCr- %3 Mo-%1. C 71 R B Mikroyapı incelemeleri için, optik ve elektron mikroskopta yapı fotoğrafları çekilmiştir. Mikroyapıda oluşan fazları belirlemek amacıyla X- Ray ve elektron mikroskobunda EDS analizleri yapılmıştır. Numunelerin sertlikleri R B ölçeğinde belirlenmiştir. Numunelerin aşınma deneyleri pim-disk aşınma deney cihazında yapılmış ve aşındırıcı olarak AISI 1 (6 HRC) çeliği kullanılmıştır. Deneyler, m/s kayma hızı ve 2N, 6N, 1N luk üç ayrı yük altında yapılmıştır. Toplam aşındırma yolu 1 m olup, deney numuneleri her m aşınma yolu sonunda sökülüp 1-4 gr hassasiyetinde bir teraziyle tartılarak kütle kayıpları tespit edilmiştir. 26

3 Ay, M., Çaydaş, U., Hasçalık, A. Teknolojik Araştırmalar: MTED 26 (3) TARTIŞMA ve DEĞERLENDİRME 3.1 Mikroyapı incelemeleri Numunelere ait mikroyapı fotoğrafları Şekil 1 de verilmiştir. Numunelerin mikroyapı fotoğraflarında görülen (a) ve (b) noktalarından alınan EDS analizleri sonucunda, yeterli bir sinterlemenin gerçekleştiği ve numunelerin matris fazının Fe, Cr, Mo ve C elementlerini içerdiği tespit edilmiştir. Bu durum takviye fazının çözünerek ana matrise difüzyon olmasıyla ana matrisin daha sert bir yapıya ulaşmasını sağlamıştır. Ayrıca Şekil 1a da görüldüğü gibi takviye fazındaki Cr, Mo ve C atomları matris ve matristakviye fazı sınırına difüzyon olmasıyla mikroyapıda perlitik alanların meydana geldiği gözlenmektedir. Numunelerin X Ray analiz sonuçlarına göre bütün numunelerde FeCr, Cr 7 C 3, ve (Cr 2. Fe 4.4 Mo.1 )C 3 karbürleri teşekkül etmiştir. Karbür morfolojisinin aşınma oranını etkileyen bir rol oynadığına inanılmaktadır. [12]. Yapılan diğer araştırmalarda da Fe-Cr-Mo sistemlerine karbonun eklenmesi ile sinterleme esnasında, karbonun matris içerisine difüzyonu ile krom ve molibden ile karbür oluşturduğu, beynitik ve martenzitik mikroyapı şekillenmesi ile sertleştirilebilme yeteneğini arttırdığı saptanmıştır []. (a) (b) (c) Şekil 1 1, 2 ve 3 No lu numunelerin mikroyapısı. Intensity Cr7 ( Cr2, Fe4,4 Mo 1)C3 FeC FeC FeC 2θ Şekil 2 1 nolu numunenin X ışınları difraksiyonu. 27

4 Teknolojik Araştırmalar : MTED 26 (3) 2-31 Toz Metalurjisi Yöntemi İle Üretilen Fe-C-Mo-FeCr Kompozitinin Adhesiv Aşınma 3.2 Aşınma deneyi sonuçları Numunelere ait yük-kütle kaybı ilişkisini gösteren grafik Şekil 3 de verilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi artan yükle birlikte kütle kaybının da arttığı görülmektedir. Bütün yüklerde en fazla kütle kaybına uğrayan numune %4 FeCr takviyeli numune iken, bunu %8 ve %12 FeCr takviyeli numuneler izlemektedir. Artan takviye oranına bağlı olarak numunelerin sertlik değerleri de artmaktadır, bu sertlik artışına bağlı olarak da kütle kaybı azalmaktadır. Tablo 2 de numunelere ait sertlik değerleri görülmektedir. Sertlik artışının malzemelerdeki aşınma dayanımını arttırdığı daha önceki çalışmalarda da belirtilmiştir [13]. Ayrıca, takviye oranındaki artışa bağlı olarak malzemelerde oluşan karbür içeriği artmakta ve bu karbürler birbirlerine yakın bir şekilde sık bir ağ oluşturarak matris içerisinde homojen bir şekilde dağılmaktadırlar. Bu sık karbür ağları, matrisi desteklemekte ve aşınma direncini arttırmaktadır [11]. 1 nolu numune 2 nolu numune 3 nolu numune Yük (N) Şekil 3 Numunelerin kütle kaybı-yük ilişkisi. 1, 2 ve 3 No lu numunelere ait kütle kaybı yol ilişkisini gösteren grafikler sırasıyla Şekil 4, ve 6 da verilmiştir. Grafikler incelendiğinde, 1 No lu numunenin, 2 N luk yük altında düzenli bir aşınma davranışı sergilediği fakat devam eden aşınma işlemine müteakip, yüzeyde oluşan oksit tabakalarının kırılmasıyla şiddetli aşınmaya ani geçiş görülmüştür. Uygulanan yükün 6 N a yükseltilmesiyle aynı numune 3 m lik yola kadar düzenli aşınma davranışı sergilemiş ve kayma yolunun 3 m yi aşması sonucu yüzeyde oluşan oksitlerin kırılması ile kütle kaybında ani bir artış göstermiş, fakat m den sonra meydana gelen kararlı oksitler neticesinde kütle kaybı hızla düşerek aşınma tekrar düzenli aşınmaya dönüşmüştür. Uygulama yükünün maksimum değeri almasıyla, yüzeye gelen basınç artışına bağlı olarak yüzeydeki pürüzlülükler hızlı bir şekilde temizlendiğinden kütle kaybı fazla olmuş ancak 3 m lik yoldan sonra oluşan oksit tabakası kütle kaybını düşürmüştür. % 4 oranında FeCr içeren numunenin 2 N ve 1 N yük altındaki aşınma yüzey fotoğrafları incelendiğinde aşınma tipinin oksidasyon tipi aşınma olduğu görülmektedir (Şekil 7). 2 No lu numunenin 2, 6 ve 1 N luk yükler altında kütle kaybı-yol ilişkisi incelendiğinde, 2 N luk yükte 4 ile 7 m arasında sert ve düzenli aşınma bundan sonra da tekrar düzenli aşınma sergilediği görülmektedir. 6 N luk yükte ise 4 m ye kadar sert bundan sonra düzenli aşınma meydana geldiği ve 1 N luk yükte düzenli aşınma sergilediği görülmektedir. 3 No lu numunede ise 2 N luk yükte 7 m ye kadar oksitler oluşup kırılmıştır fakat 6 ve 1 N luk yüklerde ise yüzeyde oluşan oksitlerin kırılmadığı ve aşınmanın düzenli aşınma olduğu görülmüştür. Koruyucu oksit tabakası oluşan malzemelerde düzenli aşınma saptandığı için toz metalurjisi yöntemi ile üretilen demir malzemelerde oluşan bu oksit tabakaları adesiv aşınma direncini arttırmaktadır ve dolayısı ile doğal bir yüzey iyileştirme oluşmaktadır. Yüzey oksit tabakası boyunca oluşan aşınma düzenli aşınmadır ve bu durum uygulamalar için uygun bir durumdur ve bu tabaka yüzeyden kaldırılmamalıdır. [14]. 28

5 Ay, M., Çaydaş, U., Hasçalık, A. Teknolojik Araştırmalar: MTED 26 (3) nolu numune 2 nolu numune 3 nolu numune Yol (1xm) Şekil 4 Numunelerin 2 N yük altındaki kütle kaybı-yük ilişkisi. 1 nolu numune 2 nolu numune 3 nolu numune Yol (1xm) Şekil Numunelerin 6 N yük altındaki kütle kaybı-yük ilişkisi. 1 nolu numune 2 nolu numune 3 nolu numune Yol (1xm) Şekil 6 Numunelerin 1 N yük altındaki kütle kaybı-yük ilişkisi. Numunelere ait SEM yüzey fotoğrafları Şekil 8 de verilmiştir. Fotoğraflar incelendiğinde ana aşınma mekanizması olarak oksidasyon tipi aşınma mekanizması gözlenmektedir. Sadece % 8 oranında FeCr içeren numunelerin oksit tabakasının kayma yönünde ekstrüze edildiği görülmektedir. % 12 oranında FeCr içeren numunenin aşınma yüzey fotoğrafı incelendiğinde yüzeyden kopan oksit parçacıklarının abrasiv aşınmaya yol açtığı görülmektedir. 29

6 Teknolojik Araştırmalar : MTED 26 (3) 2-31 Toz Metalurjisi Yöntemi İle Üretilen Fe-C-Mo-FeCr Kompozitinin Adhesiv Aşınma (a) (b) (c) (d) (e) (f) Şekil 7 Numunelerin SEM yüzey fotoğrafları. [(a) 1 No lu numunenin 1 N yükte. (b) 2 N yükte. (c) 2 No lu numunenin 1 N yükte. (d) 2 N yükte. (e) 3 No lu numunenin 1 N yükte. (f) 2 N yükte.] 4. SONUÇLAR Takviye fazındaki Cr, Mo ve C atomları matris ve matris-takviye fazı sınırına difüzyon olarak yapıda adacıklar şeklinde perlitik alanlar meydana getirmiştir. Bütün numunelerde FeCr, Cr 7 C 3, ve (Cr 2. Fe 4.4 Mo.1 )C 3 karbürleri oluşmuştur. Artan takviye fazı oranına bağlı olarak numunelerin sertlik değerlerinin de arttığı görülmektedir. Artan yükle birlikte kütle kaybının da arttığı görülmüştür. Bütün yüklerde en fazla kütle kaybına uğrayan numune % 4 FeCr takviyeli numunede elde edilmiştir. Takviye fazının oranının artmasıyla aşınma direnci artmakta. Deney şartlarında en yüksek aşınma direnci % 12 oranında FeCr içeren numunelerde elde edilmiştir. Numunelerdeki genel aşınma mekanizması, oksidasyon mekanizmasıdır. Ayrıca ferrokrom oranının en yüksek olduğu numunede, yüzeyden kopan oksit parçalarının abrasiv aşınmaya da yol açtığı belirlenmiştir. 3

7 Ay, M., Çaydaş, U., Hasçalık, A. Teknolojik Araştırmalar: MTED 26 (3) KAYNAKLAR 1. W. Schatt, K. P. Wieters, Powder Metallurgy European Powder Metallurgy Association, K. V. Sudhakar, P. Sampathkumaran, E.S. Dwarakadas, Dry sliding wear in high density Fe-2%Ni based P/M alloys. Wear, 242 (2) J. Wang, H. Danniger, Dry Sliding Wear Behaviour of Molybdenum Alloyed Sintered Steels. Wear, 222 (1998) S. K. Rhee, M. G. Jacko, P. H. S. Thsang, The role of friction film in friction wear and noise of automotive brakes. Wear 146 (1991) 89.. J. Kazior, C. Janczur, T.Pieczonka, J. Ploszczak, Thermochemical treatment of Fe-Cr-Mo alloys, Surface and Coatings Technology 11-12(22) A. Molinari, G. Straffelini, Surface durability of steam treated sintered iron alloys, Wear 181 (199) A. Molinari, G. Straffelini, wear processes in high strength sintered alloys under dry rolling sliding. Wear 173 (1994) S. C. Lim, J. H. Brunton. The unlubricated wear of sintered iron. Wear 19 (1992) E. R. Leheup, D. Zhang, J. R. Moon, Fretting wear of sintered iron under low normal pressure. Wear 221 (1998) G. Straffelini, A. Molinari, Dry sliding wear of ferrous PM materials. Powder Metallurgy 44 (21) M.L. Ted Guo, C. H. Chiang, C. Y. A. Tsao. Microstructure and wear behaviour of spray-formed and conventionally casy rolls of 18Cr-2.Mo-Fe alloy. Material Science and Engineering A326 (22) Ö. N. Doğan, G. Laird, J. A. Hawk, Abrasion resistance of the columnar zone in high Cr white cast iron. Wear 183 (199) A.I. Taskinen, M. K. Tıkanken, Modern Developments in Powder Metallurgy. Vol. 17, 4, NJ. MPIF. 14. G. Straffelini, A. Molinari. Dry sliding wear of ferrous PM materials. Powder Metallurgy 3 (21)