Küresel Grafitli Dökme Demirin Yorulma Davranışlarına Bortemperleme Isıl İşleminin Etkisi

Transkript

1 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 13, No: 1, 2016 (31-38) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 13, No: 1, 2016 (31-38) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR e-issn: Makale (Article) Küresel Grafitli Dökme Demirin Yorulma Davranışlarına Bortemperleme Isıl İşleminin Etkisi Yılmaz YALÇIN *,Yusuf KAYALI *,Metin TOPTAŞ ** * Afyon Kocatepe Üniversitesi, Teknoloji Fak. Metalurji ve Malzeme Müh. Böl., Afyonkarahisar/TÜRKİYE ** Afyon Kocatepe Üniversitesi, Fen Bilimler Ens., Afyonkarahisar/TÜRKİYE ykayali@aku.edu.tr Geliş Tarihi: Kabul Tarihi: Özet Bu çalışmada, borlama, bortemperleme (BDI) ve östemperleme (ADI) işlemlerinin alaşımsız küresel grafitli dökme demirin yorulma özelliklerine etkisi incelenmiştir. Kıyaslama açısından bir de küresel grafitli dökme demirin döküm halindeki yorulma dayanım sınırı tespit edilmiştir. Borlama işlemi ticari Ekabor-2 tozu içine gömülen numunelerin 900 C de 2 saat tutulduktan sonra fırın dışına alınıp havada soğutulmasıyla gerçekleştirilmiştir. Bortemperleme işlemi, ticari Ekabor-2 tozu içinde 900 C de 2 saat borlamayı takiben 250 ve 350 C de tuz banyosunda 1 saat temperleme işleminden sonra havada soğutulmuştur. Östemperleme, kendi talaşı içine gömülen numuneler 900 C de 2 saat östenitlendikten sonra 250 ve 350 C deki (yine tuz banyosunda) 1 saat tutulup havada soğutularak yapılmıştır. Numunelerin yorulma dayanımları dönme-eğme gerilmeli yorulma cihazıyla belirlenmiştir. Deney sonrasında kırılan numunelerin kırık yüzeyleri taramalı elektron mikroskobuyla incelenmiş ve kırılmaların tipi ve şekli belirlenmiştir. Borlama ve östemperleme işlemleri malzemenin yorulma dayanımını arttırırken bortemperleme işlemi yorulma dayanımında düşüşe neden olmuştur. Yorulma dayanımını en fazla arttıran işlem ise östemperleme olmuştur. Anahtar Kelimeler: Borlama, Östemperleme, Bortemperleme, Mikroyapı, Yorulma. Influence of Boro-Tempering Heat Treatment on the Fatigue Behavior of Ductile Iron Abstract In this study, fatigues properties of spheroidal graphite cast iron boronized, austempered and boro-tempered were investigated. The comparison of fatigue strength at one limit of the form of spheroidal graphite cast iron castings has been identified. The commercial samples imbedded in Ekabor-2 powder were borided at 900 C for 2 hours and then air cooled from the furnace. The samples were boro-tempered in Ekabor-2 powder at 900 C for 2 hours followed by tempering at 250 and 350 C salt bath for 1 hour. Austempering, imbedded in their own chips samples, was carried out at 900 C for 2 hours and then tempering was performed at 250 and 350 C (again salt bath) 1 hour. The fatigue strength of the samples was determined using rotation-bending fatigue stress device. Fracture surfaces of the broken specimens were examined by scanning electron microscope after the test, and fractures types were obtained. Boriding and boro-tempering processes increased the fatigue resistance and fatigue strength of austempering process has led to the decline. The austempering process has been the major contributors to fatigue resistance. Keywords: Boriding, Austempering, Boro-tempering, Micro-structure, Fatigue. Bu makaleye atıf yapmak için Yalçın* Y., Kayalı Y.*, Toptaş M.**, Ti 45.0Ni 49.6Cu 5.4 Küresel Grafitli Dökme Demirin Yorulma Davranışlarına Bortemperleme Isıl İşleminin Etkisi Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2016, 13(1) How to cite this article Yalçın* Y., Kayalı Y.*, Toptaş M.**, Influence of Boro-Tempering Heat Treatment on the Fatigue Behavior of Ductile Iron Electronic Journal of Machine Technologies, 2016, 13(1) 31-38

2 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2016 (13) Ti 45.0Ni 49.6Cu 5.4 Kompozitinin Cu ve Ni Aratabaka Kullanılarak 1. GİRİŞ Küresel grafitli dökme demirler döküm çelikleriyle kıyaslandığı zaman mühendislikte ve üretimde çeşitli avantajlara sahiptir. Küresel grafitli dökme demirler mükemmel bir sönümleme kapasitesi, iyi aşınma direnci, %20 40 dan daha az üretim kaybı ve katılaşma sırasında hacimde daha az çekme gibi avantajlar içerir[1]. Küresel grafitli dökme demirler otomotiv endüstrisinde gerekli yapısal uygulamalarda küresel grafitli dökme demirlerin dökülebilirliği ve iyi mekanik özelliklerinden dolayı başarıyla kullanılır[2]. Küresel grafitli dökme demirlerin otomotiv endüstrisinde uygulama alanlarından bazıları dişliler, krank milleri, kam milleri, biyel kolu, ön tekerlek destek mili ve kamyon dingilleridir[1, 3 5]. Bilindiği gibi bu makine parçaları ve diğerlerinin birçoğu kullanıldığı yerlerde sık sık değişken yüklere maruz bırakılır. Örneğin biyel kolları motor pistonunda itilip çekilir. Krank milleri genellikle kendi ağırlığı veya bileşenlerin ağırlığı veya mil yatağı arasındaki eksen kayıklığından dolayı eğme gerilmesi ve çarpılma gerilmesine mazur kalmaktadır. Böyle durumların hepsinde metal, yorulma ile kırılmaya meyillidir [5, 6]. Çoğu döküm malzemelerinde genellikle elastik bölgede kalmak üzere değişken gerilmeye maruz kalırsa herhangi bir plastik deformasyon olmaksızın parçada hasar meydana gelir. Bu ise yorulma ile kırılmanın karakteristik özelliğidir. Tasarım amacı için yorulma mukavemetinde verilerin elde edilebilirliği için yorulma kırılmasının bu özelliğinin bilinmesini gerektirir. Herhangi bir malzemenin yorulma davranışını etkileyen önemli değişkenlerden bazıları gerilme konsantrasyonu, korozyon, çalışma sıcaklığı, gerilme oranı, metalurjik yapı ve radyal gerilmedir[7]. Küresel grafitli dökme demirin yorulma mukavemet değerlerinde sapmaların olmasına neden olan birçok değişken vardır. Bunlar ise grafit şekli, grafit boyutu, inkluzyonlar, matris sertliği ve yapısı, numune boyutu, yüzey şartları, yükün tipi ve korozyon gibi yüzey bozulmaları küresel grafitli dökme demirlerin yorulma özelliklerini etkileyen değişkenlerdir [5, 7]. Küresel grafitli dökme demirlerin yorulma özellikleri pek çok araştırmacı tarafından incelenmiştir. Krishnaraj ve diğerleri farklı matris mikro yapılarına sahip küresel grafitli dökme demirin yorulma davranışlarını incelemişlerdir. Farklı matris mikro yapılarına sahip küresel grafitli dökme demirler arasında en yüksek yorulma dayanımına sahip beynitik matrisli küresel grafitli dökme demirdir[7]. Tayanç ve diğerleri farklı sıcaklıklarda ve zamanlarda östemperlenmiş alaşımsız küresel grafitli dökme demirin dönen eğme yorulma özelliklerini çalışmışlardır. Buna göre üst beynit (tüylü) mikro yapısının yorulma mukavemeti, alt beynit (iğnesel) mikro yapısının yorulma mukavemetinden daha yüksektir[8]. Toktaş ve diğerleri alaşımlı küresel grafitli dökme demirin yorulma özelliklerine matris yapısının etkisini araştırmışlar. En yüksek yorulma mukavemetini alt beynit yapısında elde etmişlerdir. II. Reaksiyonun gerçekleşmesinden dolayı, en düşük yorulma ve çekme özellikleri üst beynit yapıda tespit edilmiştir[9]. Bu çalışmanın amacı borlama ve östemperleme işlemlerinin birleştirilmesiyle yapılan bortemperleme işlemiyle yüzeyi sert, dolayısıyla aşınma ve korozyon direnci yüksek, matriste ise beynitik yapı oluşturarak iyi süneklikle birlikte yüksek mukavemet ve kırılma tokluğuna sahip alaşımsız küresel grafitli dökme demirin[10, 11, 12] yorulma davranışlarına matris yapısının etkisini araştırmaktır. Matris yapısının kırılma morfolojisini tespit etmek için SEM yardımıyla kırık yüzeyler incelenmiştir. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 2.1 Malzeme Deneysel çalışmalarda kullanılan KGDD in kimyasal bileşimi Tablo 1 de mikroyapı fotoğrafı ise Şekil 1 de verilmiştir. Alaşımsız KGDD in mikroyapısı iyi bir küreselliğe sahip grafit kürelerini çevreleyen ferrit ve perlitik bir matristen oluşmaktadır. Test numuneleri standartlara uygun olarak dökülen Y-blokların ayaklarından çıkarılmıştır. 32

3 Yalçın Y., Kayalı Y., Toptaş M. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2016 (13) Tablo 1. Deneysel malzemenin kimyasal bilesimi. C Si Mn P S Cr Cu Ti Mo Mg Sn 3,840 2,273 0,141 0,048 0,010 0,021 0,044 0,020 0,001 0,039 0, Isıl İşlem Şekil 1. Deneysel malzemenin optik mikroyapısı. Bortemperleme işlemi; borlama, hızlı soğutma, temperleme ve oda sıcaklığına soğuma kademelerinden oluşmaktadır. Sıvı ortamda borlama sırasında numune üzerinde yapışkan tuz tabakası kaldığı ve östemperlenebilirliği azalttığı için kutu borlama tercih edilmiştir. Numuneler daha önce, borlama işleminde kullanılan paslanmaz çelik kutu içerisine yerleştirildikten sonra ticari Ekabor 2 tozu ile örtülmüştür. Sıcaklığın ±1 ºC hassasiyet ile kontrol edilebilen 8 KW gücündeki elektrik direnç fırınına yerleştirilen kutu içerisinde 900 C de 2 saat sürede borlanan numuneler, kutu içerisinden hızla alınarak 250 ve 350 ºC deki tuz banyosu içine atılmıştır. Tuz banyosunda 60 dakika bekletildikten sonra fırın dışına alınan numuneler oda sıcaklığına soğutulmuş ve bol suyla yıkanıp kurutulmuştur. Temperleme işleminin yapıldığı tuz %50 NaNO 3 + %50 KNO 3 bileşiminden oluşmaktadır. 2.3 Yorulma Testi Yorulma testleri değişken bir gerilme 3000 rpm (50 Hz) bir frekansta dönen eğme yorulma cihazında gerçekleştirilmiştir. (R=Minimum gerilme/maksimum gerilme=-1). Deneylerde kullanılan deney cihazının resmi (Şekil 2 ) ve numune boyutları (Şekil 3) aşağıda verilmiştir. Yorulma numuneleri ısıl işlemden önde 10 mm çapında 115 mm uzunluğunda işlendi. Deneylere yüksek bir gerilme değeriyle başlanmış ve numuneler kırılıncaya kadar deney sürdürülmüştür. Sonra gerilme değeri kademeli olarak düşürülerek numunelerin 2,1x10 6 çevrim sayısında kırılmadan dayanabildiği gerilme değerine kadar inilmiştir. Numunelerin 2,1x10 6 çevrim sonunda kırılmadan dayanabildikleri gerilme, Yorulma Dayanım Sınırı (YDS) olarak kabul edilmiştir. Gerilme değerlerinin hesaplanmasında aşağıdaki formül kullanılmıştır; 32.M σ = (Eşitlik 1) Π.d 3 Burada; σ: eğme gerilmesi (MPa), M: eğme momenti ( N.mm), d: numune çapı (mm) olarak tanımlanmıştır. 33

4 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2016 (13) Ti 45.0Ni 49.6Cu 5.4 Kompozitinin Cu ve Ni Aratabaka Kullanılarak Şekil 2. Yorulma cihazının görünüşü. Şekil 3. Yorulma deney numunesinin boyutları. Veri noktaları boyunca düz çizgiden ziyade düz bir eğri çizildi. 2.1x10 6 sonra kırılmayan numunelerin veri noktalarında oklar gösterildi. 2.1x10 6 devire dayanan numuneler de en yüksek gerilme yorulma mukavemeti olarak verildi. 2.4 Mikroyapı ve Kırılma Analizi Metalografik muayeneler standart numune hazırlama yöntemi kullanılarak % 2 nital ile dağlanarak yapıldı. Kırıldıktan sonra kırık yüzey analizleri SEM mikroskop yardımıyla gerçekleştirildi. Küresel grafitli dökme demirin matris yapısının kırılma mekanizmasını tespit etmek için kırılmış numunelerin kırık yüzeyleri incelendi. 3. SONUÇLAR ve TARTIŞMA 3.1 Yorulma Özellikleri S-N diyagramlarından da görüldüğü (Şekil 4) gibi bortemperleme dışında uygulanan tüm işlemler yorulma dayanımını arttırmıştır. Bortemperleme ve östemperleme işlemlerinde düşük temperleme sıcaklıkları (250 C), yüksek temperleme sıcaklıklarına (350 C) nazaran daha yüksek yorulma dayanımı göstermiştir[9]. 34

5 Yalçın Y., Kayalı Y., Toptaş M. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2016 (13) Şekil 4. a)işlemsiz, b) Borlanmış, c) Östemperlenmiş ve d) Bortemperlenmiş Küresel Grafitli Dökme demirlerin S-N diyagramları. Şekil 4 den de görüldüğü gibi ısıl işlem uygulanmamış Küresel Grafitli Dökme Demir numunelerin yorulma dayanım sınırı 175 MPa olarak bulunmuştur. 900 C de 2 saat borlanmış ve havada soğutulmuş numunelerin yorulma dayanım sınırı 240 MPa bulunmuştur. Borlama işlemi sonucunda ısıl işlemsiz numunelere göre yaklaşık %37 lik bir artış meydana gelmiştir. Bortemperleme işleminin borlama aşaması 900 C de 2 saat tutularak gerçekleştirilmiş ancak temperleme sıcaklıkları 250 ve 350 C olarak seçilmiştir. 250 C de temperlenen numunelerin yorulma dayanım sınırı 165 MPa, 350 C de temperlenen numunelerin yorulma dayanım sınırı ise 150 MPa olarak bulunmuştur. Bortemperleme işlemi uygulanan numunelerin yorulma dayanımında düşüş gözlenmiştir. Östemperleme ısıl işlemi uygulanan tüm numunelerin yorulma dayanımlarının döküm halindeki küresel grafitli dökme demirden daha yüksek olduğu belirlenmiştir[13]. 900 C de 2 saat östenitlenip 250 C de 1 saat temperlenen numunelerin yorulma dayanımları 290 MPa olarak, 350 C de 1 saat temperlenen numunelerin yorulma dayanımları ise 265 MPa olarak bulunmuştur[9]. 35

6 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2016 (13) Ti 45.0Ni 49.6Cu 5.4 Kompozitinin Cu ve Ni Aratabaka Kullanılarak Şekil 5. Isıl işlem uygulanmamış küresel grafitli dökme demirin kırık yüzeyinin SEM fotoğrafı. 350 MPa gerilme altında yorulma deneyi sonucunda GGG 40 sınıfı küresel grafitli dökme demir numunenin, kırık yüzeyine ait SEM fotoğrafı Şekil 5 de görülmektedir. Şekilden yorulma çatlağının ilerleme yolunun grafit kürelerinin etrafı ve tanelerarası bölgeler boyunca olduğu görülmektedir[8]. Şekil 6. a) 900 C de 2 saat borlanmış numunenin ve b) ADI 250 numunenin kırık yüzeyinin SEM fotoğrafı. 900 C de 2 saat borlanmış ve havada soğutulmuş numunenin 250 MPa gerilme değerinde kırılmış yüzeyinden alınmış SEM fotoğrafı Şekil 6a da görülmektedir. Şekilden görüldüğü gibi çatlak kaplama tabakasından başlamıştır. 900 C de 2 saat östenitlenip 250 C de 1 saat östemperlenmiş numunenin 450 MPa gerilme değerinde yüzeyine yakın bölgelerden elde edilmiş SEM görüntüsünden numunenin yüzeye yakın kısımlarının gevrek kırılma karakteristiği taşıdığı görülmektedir (Şekil 6b). 36

7 Yalçın Y., Kayalı Y., Toptaş M. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2016 (13) Şekil 7. a) BDI 350 numunesinin b) BDI 250 numunesinin kırık yüzeyinin SEM fotoğrafı. 900 C de 2 saat borlanmış 350 C de temperlenmiş numunenin 155 MPa gerilme değerinde kırılan yüzeyinin SEM fotoğrafında çatlağın kaplama tabakasının altındaki arayüzeyden başladığı ve grafitlerin etrafından devam ettiği görülmektedir(şekil 7a). 900 C de 2 saat borlanmış 250 C de temperlenmiş numunenin 175 MPa gerilme değerinde kırılan yüzeyinin SEM fotoğrafında BDI350 numunesinde olduğu gibi, çatlağın kaplama tabakasının altındaki ara yüzeyden başladığı ve grafitlerin etrafından devam ettiği görülmektedir(şekil 7b). 5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Yapılan yorulma deneylerinde borlama ve östemperleme işlemleri yorulma dayanımını arttırırken bortemperleme işlemi yorulma dayanımını düşürmüştür. 900 C de 2 saat borlama işlemi yorulma dayanımında yaklaşık %37 lik bir artış meydana getirmiştir. 900 C de 2 saat borlama ve 250 ve 350 C de 1 saat temperleme işlemi yorulma dayanımında düşüşe neden olmuştur. Bunun sebebinin oluşan çift fazlı FeB+Fe 2 B yapısından kaynaklandığı düşünülmektedir. 900 C de 2 saat östenitlenip 250 C de 1 saat temperleme işlemi uygulanan küresel grafitli dökme demir numunelerin yorulma dayanımında % 65 lik bir artış görülürken 900 C de 2 saat östenitlenip 350 C de 1 saat temperlenen numunelerin yorulma dayanımında ise % 51 lik bir artış görülmüştür. Taramalı elektron mikroskobu ile yorulma kırık yüzeylerinin incelenmesinde, borlama ve bortemperleme işlemlerinde çatlak başlangıcının kaplama tabakası ve kaplama tabakasının altındaki arayüzeyde oluştuğu gözlemlenmiştir. Tüm numunelerde yorulma çatlağının ilerleme yolunun grafit kürelerinin etrafı ve tanelerarası bölgeler boyunca olduğu görülmüştür. 6. KAYNAKLAR 1. Kim J.H., Kim M.G., 2000, Influence of microstructure on fatigue limit of high strength ductile irons, Key Eng Mater., , Guillemer-Neel C., Bobet V., Clavel M., 1999, Cyclic deformation behaviour and Bauschinger effect in ductile cast iron, Mater Sci Eng A, 272,

8 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2016 (13) Ti 45.0Ni 49.6Cu 5.4 Kompozitinin Cu ve Ni Aratabaka Kullanılarak 3. Bahmani M., Elliott R., Varahram N., 1997, The relationship between fatigue an austempered Cu Ni Mn Mo alloyed ductile iron, J. Mater. Sci., 32, Lin C.K., Wei J.Y., 1997, High-cycle fatigue of austempered ductile irons in various-sized Y- block casting, Mater. Trans., 38, Asi O., 2006, Failure analysis of a crankshaft made from ductile cast iron, Eng. Failure Anal., 13, Cottrell A., 1975, An introduction to metallurgy. 2nd ed. London: ELBS. 7. Krishnaraj D., Rao K.V., Seshan S., 1989, Influence of matrix structure on the fatigue behavior of ductile iron, AFS Trans., 97, Tayanc M., Aztekin K., Bayram A., 2007, The effect of matrix structure on the fatigue behavior of austempered ductile iron, Mater. Des., 28, Toktaş, G., Toktaş A., Tayanc M., 2008, Influence of matrix structure on the fatigue properties of analloyed ductile iron, Materials and Design, 29, Kayali Y., Taktak S., Ulu S., Yalcin Y., 2010, Investigation of mechanical properties of borotempered ductile iron, Materials and Design, 31, Kayali Y., Büyüksagis A., Yalçin Y., 2010, Corrosion Behavior of Boro-Tempered Ductile Iron, Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces, 46:3, Kayali Y., Yalcın Y., Taktak S., 2011, Adhesion and wear properties of boro-tempered ductile iron, Materials and Design, 32, Salman S., Fındık F., Topuz, F., 2007, Effects of various austempering temperatures on fatigue properties in ductile iron, Materials and Design, 28,