Yahya TAŞGIN ve Mehmet KAPLAN Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Metal Eğitimi Bölümü, Elazığ

Transkript

1 Fırat Üniv. Fen ve Müh. Bil. Dergisi Science and Eng. J of Fırat Univ. 19 (2), , (2), , 27 Sert Kabuklu bir Dökme Demirin Üretilebilirliği ve Abrasiv Aşınma Davranışlarının Araştırılması Yahya TAŞGIN ve Mehmet KAPLAN Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Metal Eğitimi Bölümü, Elazığ yahyatasgin@hotmail.com (Geliş/Received: ; Kabul/Accepted: ) Özet: Bu çalışmada, dubleks döküm tekniğiyle sert kabuklu bir dökme demir malzeme üretilmiş ve bu malzemenin abrasiv aşınma davranışlarına Cr, Ni ve Si katkılarının etkileri araştırılmıştır. Aşınma testleri pinon-disk sistemi esasına göre gerçekleştirilmiştir. Aşınma testlerinde 1, 2 ve 3 N luk yükler kullanılarak yol ve hız sabit tutulmuştur. Aşınma testleri öncesinde ve sonrasında aşınma numune yüzeyleri SEM ve Optik mikroskopla incelenmiş ve ayrıca EDS ve XRD analizleri yapılmıştır. Deney numunelerinin iç, dış ve ara bölgelerinin biri birinden farklı olduğu dikkate alınarak tüm bölgelerin ayrı ayrı sertlik, aşınma testleri ve mikroyapı özellikleri bakımından incelenerek sonuçlar birbiriyle kıyaslanmıştır. Anahtar Kelimeler: Dökme demir, Sert kabuklu döküm, Abrasiv aşınma The Producible of a Cast Iron with Hard Layer and Investigation of Abrasive Wear Behavior Abstract: In this study, it has been produced a cast iron with a hard layer by means of duplex casting method and investigated the effects of Cr, Ni and Si additions on the abrasive wear behaviour of materials. Abrasive wear test were conducted on the wear test machine based on pin-on-disc system. The tests were carried out under loading of 1, 2 and 3 N with constant speed and length of load to observe the effect of various loading conditions. The material and worn surfaces have been examined by using optical microscopic and SEM. Additionally, EDS and XRD characterization method have been used. It must be know that there are three different areas on the specimen materials so, hardness measurements, microstructure properties and wear tests techniques were also investigated for all of the specimens and then obtaining results has been compared. Key Words: Cast iron, Duplex casting, Abrasive wear 1. Giriş Teknolojinin hızla gelişmesi sonucu bir çok farklı özelliklere sahip malzemelere olan ihtiyaç her geçen gün biraz daha artmaktadır. Ucuz, üstün özelliklere sahip, çalıştığı ortamda arzu edilen fonksiyonları yerine getirebilen, makine parçalarında kullanılan malzemelerin geliştirilmesi malzeme bilimcilerin en önemli hedeflerinden biri olmuştur. Metalurjik üretim yöntemleri arasında, diğer yöntemlere göre ergitme ve katılaştırma olaylarının ön plana çıktığı durumlarda; ergitme ve katılaştırma işlemlerinin gerektiği biçimde yapılması, parçaların uygun boyutlarda ve kusursuz üretilmeleri, iç yapılarının ve bu yapılara bağlı özelliklerin neler olduğunun bilinmesi, üretilen malzemelerin iç yapılarının endüstriyel uygulamalara hazırlanmasında nasıl bir yol izlenmesi gerektiğinin üretici tarafından çok iyi belirlenmesi ve dikkate alınması gerekir [6]. Malzemelerin katılaştırılmalarında; malzemenin cinsi, üretim şekli, katılaşmanın gerçekleştiği pota, kalıp, soğutma ortamı, soğutma hızı, malzemenin saflığı, sıvı metalin ergime sıcaklığının üzerinde ısıtılıp ısıtılmadığı, katılaşma esnasında gaz çıkışı olup olmaması, alaşım durumu, kalıpların sakin ya da titreşimli olması gibi bir çok değişkenler rol oynarlar. Bu çalışmada, bir malzemede aranan birkaç özelliği bir arada oluşturabilmek amacıyla değişik döküm teknikleri üzerinde çalışılmış ve bunlardan biri olan dubleks döküm tekniği malzememizin üretiminde kullanılmıştır. Malzemenin bileşimi; gri dökme demirden ve Fe-Cr-Ni alaşımından oluşmuştur. Malzeme farklılıklarının aşınma üzerindeki etkileri araştırılmıştır.

2 Yahya Taşgın ve Mehmet Kaplan 2. Materyal ve Metot Bu çalışmada, iki alaşım kullanılmıştır; bunlardan biri Tablo 1 de kimyasal bileşimi verilen gri dökme demir malzeme, bir diğeri ise Tablo 2 de kimyasal bileşimi verilen Fe-Cr-C lu yüksek alaşımlı dökme demirdir. Tablo1. Gri dökme demirin kimyasal bileşimi Alaşım % Bileşim C Si Mn Cr Ni Fe Gri dökme demir 3 2,5,5,1,2 kalan Dubleks döküm tekniğiyle üreteceğimiz malzeme, iki farklı malzemeden oluşması nedeniyle her bir malzeme farklı indüksiyon ocağında ergitilerek hazırlanmıştır. Hazırlanan sıvı eriyiklerden kimyasal bileşimi Tablo 1 de verilen 1 nolu numune direk dökülmüştür, ardından kimyasal bileşimi Tablo 2 de verilen 2 nolu numune direk dökülmüştür. Üçüncü olarak 1 ve 2 nolu numuneler için kullandığımız sıvı eriyiklerin her ikisini farklı potalara alarak önce yüksek alaşımlı dökme demiri kum kalıbımızın 2 mm lik kısmına kadar doldurduk, daha sonra ikinci potamızda hazır bulunan gri dökme demir eriyiği 7-8 sn lik bekleme süresinin ardından aynı yolluktan kalıbın ikinci kısmı dolacak şekilde aktarıldı. Kalıp içerisinde bulunan iki farklı malzeme Şekil 1 de görüldüğü gibi yüksek alaşımlı sıvı metal kalıbın dış çeperine değer değmez katılaşmış iç kısmı ise katılaşmayı tamamlamadan kalıba aktarılan gri dökme demir eriyik tarafından yukarıya doğru itilerek yerini gri dökme demir eriyiğe bırakmıştır. Malzeme kalıp içerisinde dubleks döküm tekniğine uygun şekilde dış kısmı sert yüksek alaşımlı dökme demirden iç kısmı ise sünek, titreşimi absorbe edebilen gri dökme demirden oluşmuştur. Dubleks döküm tekniğinde kullanılan kalıbın şematik görünümü Şekil 1 de verilmiştir. Kullanılan kalıp iki bölümden oluşmaktadır. Kalıbın birinci bölümü (alt kısmı) 2 mm, bu kısma malzemenin Fe-Cr-Ni li sıvı metalin ilk doldurulduğu bölge, ikinci bölüm (üst kısım) 16 mm lik bölüm ise yolluktan gri dökme demir aktarılmaya başlandıktan sonra sıvı metalin yukarıya doğru çıkması beklenen bölümünü oluşturmaktadır. Genişliği alt ve üst kısımda farklı olan kalıp üst kısma doğru genişlemiştir. Bunun nedeni ise, dökülen malzemenin kalıptan daha rahat çıkmasını sağlamaktır. Tablo 2. Yüksek alaşımlı dökme demir kimyasal bileşimi Alaşım % Bileşim Dök C Cr Ni Si Mn Fe Özel 1 Nolu Normal Kalan 2 Nolu Normal Kalan 3 Nolu Dubleks Kalan Şekil 1.Dubleks döküm tekniği için kullanılan kum kalıbın şematik görünümü 1.Torna tezgahının tahrik gövdesi 2.Fenermili 3.Tornaaynası4. Zınpara kağıdını bağlama flanşı 5.Zımpara kağıdını flan üzerinde 6.sabitleme bileziği 7.Numune 8.Yağlama deliği 9.Kater civatası 1.Hareketli mafsal 11.Kalemlik 12.Yük kolu 13.Yük sabitleme civatası 14.Yük 15.Baskı kolu 16.Rulman 17.Numune tutucu yatağı 18.Numune tutucu kovası 19.Numune sabitleme civatası 2.Bilezik civatası 21.Zımpara kağıdı 22.Banko kızağı 23.Kalemlik alt tablası 24.Boyuna ilerleme manivelası 25.Banko 26.Takım taşıyıcı gövdesi, gibi kısımlardan oluşmaktadır. Şekil 2. Torna tezgahı ve pin-on-disk deney düzeneği 218

3 Dubleks Döküm Tekniğiyle Üretilen Fecrc Katkılı Malzemenin Abrasiv Aşınma Davranışlarının Araştırılması 3. Araştırma Sonuçları ve Tartışma 3.1. Mikroyapı İnceleme Sonuçları Şekil 3 de 1 nolu numunenin SEM fotoğrafı görülmektedir. Malzeme lamel grafitli gri dökme demirden oluşmaktadır, Şekil 3 de kıvrımlı siyah çizgiler lamel grafitler olup yapı içerisinde düzenli olarak dağılmıştır. 2 nolu numune C-Cr- Fe alaşımlı malzemelerden meydana gelmektedir. Bu tip malzemelerde çoğunlukla görülen karbürleri 2 nolu numunemizde görmekteyiz. Yüksek alaşımlı (C-Cr-Fe) 2 nolu numuneyle, gri dökme demirli 1 nolu numuneyi dubleks döküm yöntemiyle birleştirdiğimiz 3 nolu numunenin ara bölgesinden alınan SEM fotoğrafı Şekil 5 de verilmiştir. Şekil 5 de M 7 C 3 karbürü etrafında gri dökme demirin yapısında bulunan lamel grafitler görülmektedir. Enerji girdisinin değişmesiyle malzemenin katılaşma hızı da değişmektedir [4]. Şekil 3. 1 Nolu numunenin gri dökme demirli bölgesinden alınan SEM fotoğrafı Şekil 4 de, 2 nolu numuneye ait SEM fotoğrafında XRD analizleriyle tespit ettiğimiz M 7 C 3 karbürlerini görmekteyiz. M 7 C 3 karbürleri altıgen görünümlü ve çevresinde ötektik karbürler oluşmuştur. Şekil 5. 3 Nolu numunenin ara bölgesinden alınan SEM fotoğrafı Şekil 6. 3 Nolu numunenin gri dökme demirli bölgesinden alınan SEM fotoğrafı Şekil 4. 2 Nolu numunenin yüksek alaşımlı dökme demirli bölgesinden alınan SEM fotoğrafı 219

4 Yahya Taşgın ve Mehmet Kaplan Şekil 7. 3 Nolu numunenin yüksek C-Cr-Fe ala- şımlı bölgesinden alınan SEM fotoğrafı Şekil 9. 3 Nolu numuneye ait XRD sonuçları İki nolu numunenin X-ray analizlerini incelediğimizde M 23 C 6, M 7 C 3, M 2 C bileşiklerinin numune içerisinde bulunduğu 2θ açısı ve düzlemler arası d mesafesi değerlerine bağlı olarak Şekil 8 de tespit edilmiştir. 3 nolu numunenin X-ray analizlerini incelediğimizde 2 Nolu numunede olduğu gibi M 23 C 6, M 7 C 3, M 2 C bileşiklerinin numune içerisinde bulunduğu 2θ ve d değerlerine bağlı olarak Şekil 9 da tespit edilmiştir. Şekil 8. 2 Nolu numuneye ait XRD sonuçları Şekil 1. Sertlik alınan numunelerin kesit görüntüsü 22

5 Dubleks Döküm Tekniğiyle Üretilen Fecrc Katkılı Malzemenin Abrasiv Aşınma Davranışlarının Araştırılması 6 Sertlik HV Sertlik Alınan Noktalar 8 9 Numune 1 Numune 2 Numune 3 Şekil 11. 1,2,3 Nolu numunelere ait sertlik değerleri Malzemelerin mekanik ve tribolojik özellikleri, başta C olmak üzere alaşım elementlerinin konsantrasyonuna, katılaşan fazların tipine, tane boyutuna ve sert karbürlerin dağılımına bağlıdır [2]. M7C3 karbürleri, α ferrit, ostenit (γ), ve M3C karbürlerinden nispeten sert bir karbürdür. Şekil 11 dan üç farklı numunenin sertlik değerlerini incelediğimizde 1 nolu numunemizin sertlik değerinin diğer iki numuneye göre düşük olduğu görülmektedir. 1 Nolu numune gri dökme demir olup 2 ve 3 nolu numunenin bünyesinde bulunan Fe-Cr-Ni in aksine malzeme sünek olup sertlik derecesi de 2 ve 3 nolu numunelere nazaran daha düşüktür Abrasiv Aşınma Sonuçları Abrasiv aşınma deneyleri, oda sıcaklığında ve normal atmosfer şartları altında, kuru sürtünmeli pin-on-disk deney aparatıyla gerçekleştirilmiştir. Aşınma testleri öncesi her bir numune aşınma yüzeyi abrasiv aşındırıcı yüzeyine tamamen temas etmesi amacıyla 12 meşlik abrasiv aşındırıcıya tabi tutulmuştur. Deneyde,1, 2 ve 3 N luk yükler kullanılmış ve1 m kayma mesafesinde 8 meşlik abrasiv aşındırıcıya 9 saniye tatbik edilmiştir. Bir nolu numuneye ait aşınma uygulanmış yüzeyinin SEM fotoğrafını Şekil 12 de incelediğimizde aşınmadan kaynaklanan çizgilerin kesiksiz düz uzun çizgiler olduğunu görmekteyiz. Bunun nedeni malzemenin sünek olmasıdır. 221 Şekil nolu numuneye ait aşınma uygulanmış yüzeyinin SEM fotoğrafı İki nolu numuneye ait aşınma uygulanmış yüzeyin SEM fotoğrafını Şekil 13 de incelediğimizde aşınmadan kaynaklanan çizgilerin kesik çizgiler halinde olduğu görülmektedir. 2 nolu numunenin bünyesinde bulunan M7C3 karbürlerinin kaynaklanmaktadır. Malzemenin bünyesinde bulunan karbürlerin düzensiz dağılmasından dolayı aşınma çizgileri de düzensiz ve kesik kesiktir. Adı geçen numunenin sertliğinin fazla olmasının ve aşınma oranının düşük olmasının nedeni de yine karbürlerdir. Şekil nolu numuneye ait aşınma uygulanmış yüzeyinin SEM fotoğrafı

6 Yahya Taşgın ve Mehmet Kaplan Üç nolu numuneye ait aşınma uygulanmış yüzeyin SEM fotoğrafını şekil 14 de incelediğimizde aşınmadan kaynaklanan çizgilerin kesik çizgiler halinde olduğu tespit edilmiştir. Malzeme iki farklı kısımdan oluşması nedeniyle gri dökme demirli kısımda ise aşınma çizgileri daha uzun ve kesiksiz olduğu görülmektedir. Aşınma sırasında uygulanan yükün matris tarafından takviye elemanlarına iletildiği, bunun sonucunda aşınma oranının azaldığı belirtilmiştir [5]. Şekil nolu numuneye ait aşınma uygulanmış yüzeyinin SEM fotoğrafı Şekil 15 de 1, 2 ve 3N yükler altında mesafeye bağlı olarak aşınma oranları arasındaki ilişki görülmektedir. 1 nolu numunedeki aşınma kaybının 2 ve 3 nolu numunelere nazaran daha fazla olduğu görülmektedir. Bunun nedeni 2 ve 3 nolu numunelerin bünyesinde bulunan C, Cr ve Ni oranlarının fazla olup malzemelerin bünyesinde karbür oluşturmalarından kaynaklanmaktadır. 2 ve 3 nolu numunelerin yüzeylerindeki alaşım elementlerinin miktarına, özellikle C konsantrasyonuna bağlı olarak, ötektik altı ve ötektik üstü mikro yapılar tespit edilmiştir. Ötektik altı yapıda M 7 C 3 (M=Cr,Fe) karbürleri belirlenmiştir. M 7 C 3 Karbürleri; Fe,Cr ve C konsantrasyonlu alaşımlarda oluşan tipik fazlardan birisidir [1]. T o p la m k ü t le k a y b ı, g r 1,6 1,4 1,2 1,8,6,4, Uygulanan yük, N Numune 1 Numune 2 Numune 3 Şekil 15. Uygulanan farklı yükler altında numunelerde meydana gelen toplam kütle kaybı değişimi Şekil 16 da 1 N yük altında abrasiv aşınmaya tabi tutulan numunelerin aşınma mesafelerine bağlı kütle kayıplarını incelediğimizde 1 nolu numunenin gri dökme demirli malzeme olması nedeniyle kütle kaybının en fazla olduğunu görmekteyiz. 2 nolu numunenin bünyesinde hem C-Cr-Ni-Fe gibi elementlerin bulunması, hem de yapıda bulunan karbürlerin malzemeyi aşınmaya karşı daha dirençli hale getirmesi nedeniyle kütle kaybı daha az olmuştur. 3 nolu numune ise aşınmaya karşı en az kütle kaybına uğramıştır. Bunun nedeni ise hem kullanılan döküm tekniği hem de üç farklı yapıdan oluşmasıdır. 3 farklı numuneye uygulanan1n yük gibi Şekil 17 ve 18 de 2 ve 3 N yüklerinde yaklaşık olarak aynı kütle kayıpları görülmüştür. Kütle kaybı,gr,7,6,5,4,3,2,1 1 N yüke göre Aşınma mesafesi,m 1 Nolu numune 2 Nolu numune 3 Nolu numune Şekil 16. Numunelere uygulanan 1N yük altında aşınma mesafesine bağlı olarak meydana gelen kütle kaybı değişimi. 222

7 Dubleks Döküm Tekniğiyle Üretilen Fecrc Katkılı Malzemenin Abrasiv Aşınma Davranışlarının Araştırılması Fe-Cr-C denge diyagramında alaşım kompozisyonuna bağlı olarak, daha yüksek karbon konsantrasyonlu Fe, Cr alaşımlarının likidüs sıcaklığı altında birincil faz, ostenit ((γ-birincil dendirit) veya M 7 C 3 (M=Cr, Fe) yada M 3 C (M=Cr, Fe) karbürlerinden oluşabilir [3]. Şekil 17 de 2 N yük altında abrasiv aşınmaya tabi tutulan numunelerin aşınma mesafelerine bağlı kütle kayıplarını incelediğimizde; 1 N yük altındaki kütle kaybıyla yakın değerlere sahip olduğu görülmektedir.,8,7 2 N yüke göre Kütle kaybı, gr,8,7,6,5,4,3,2,1 3 N yüke göre Aşınma mesafesi,m 1 Nolu numune 2 Nolu numune 3 Nolu numune Şekil 18. Numunelere uygulanan 3N yük altında aşınma mesafesine bağlı olarak meydana gelen kütle kaybı değişimi. Kütle kaybı,gr,6,5,4,3,2, Aşınma mesafesi,m 1 Nolu numune 2 Nolu numune 3 Nolu numune Şekil 17. Numunelere uygulanan 2N yük altında aşınma mesafesine bağlı olarak meydana gelen kütle kaybı değişimi. Kütle kaybı en fazla 1 nolu numunede görülmektedir. 2 nolu numune ise aşınmaya karşı daha az kütle kaybına uğramıştır. 3 nolu numune dubleks döküm tekniğiyle üretilmesinden dolayı en az kütle kaybına uğramıştır. Şekil 18 de numuneler üzerine uygulanan 3 N yük altında 1 N ve 2 N yüklerde meydana gelen kütle kaybına yakın değerler yakalanmıştır. 4. Sonuçlar Bu çalışmada, dubleks döküm tekniğiyle üretilen malzemenin farklı bölgeleri incelenmiş, bu incelemeler sonucunda dubleks döküm tekniğiyle üretilen malzemenin aranan özelliklere cevap verebilecek düzeyde olduğu tespit edilmiştir. Malzememizin üç farklı bölgesini ayrı ayrı incelemek amacıyla ürettiğimiz üç farklı numuneyi birbirleriyle karşılaştırdığımızda, 1 nolu numunenin (gri dökme demirli) sertlik, aşınma gibi özelliklerinin istenilen düzeyde olmadığı tespit edilmiştir. 2 nolu numuneye (Fe,Cr,Ni) baktığımızda ise sert ve aşınma direncinin yüksek olduğu fakat kırılgan ve işleme özelliğinin zorluk derecesinden dolayı 1 ve 2 nolu malzemenin istenen özelliklerini bir arada toplamak amacıyla 3 nolu malzeme dubleks döküm tekniğiyle üretilmiştir. Yukarıda yaptığımız aşınma ve sertlik testleri göz önüne alındığında 3 nolu malzememizin dış kısmının sert ve aşınma oranının düşük, iç kısmının ise dış kısma nazaran daha sünek olduğu görülmüştür. 5. Kaynaklar 1. Nagarathnam, K., Komvopoulos, K., (1995). Microstructural and microhardness characteristics of lasersynthesized Fe-Cr-W-C Coatings, Metal. Mater. Trans A26, Berns, H., Fischer, A., (1997). Microstructure of Fe-Cr-C hardfacing alloys with alloys with additions of Nb, Ti, B, Materials Characterization 39, Korkut, M.H., Yılmaz, O., Buytoz,S., (22). Effect of aging on the microstructure and toughness of the interface zone of a gas tungsten are (GTA) synthesized Fe-Cr-Si-Mo-C coated low carbon steel, Surface Coatings Tecnology,157, Wu, P., Zhou, C.Z., Tang, X.N.,(23). Microstructural characterization and wear

8 Yahya Taşgın ve Mehmet Kaplan behavior of lasercladded nickel-based and tungsten carbide composite coatings, Surface and Coatings Tecnology, 166, Lou,D., Hellman,J., Luhulima, D., Liimatainen, J., Lindroos, V. K., (23). Interactions between tungsten carbide (WC) Particulates and metal matrix in WC-reinforced composites, Materials Science and Engineering A 34, Yıldırım, M.M., (1983). Malzeme -I-, F.Ü., Müh. Fak Basımevi, No:61, Elazığ, 14s. 224