6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey Ösferrit Hacim Oranın Çift Fazlı Küresel Grafitli Dökme Demirlerin Yüzey Pürüzlülüğü Üzerindeki Etkisi İ.Ovalı, A.Mavi Hacettepe Üniversitesi, Türkiye, iovali@hacettepe.edu.tr,amavi@hacettepe.edu.tr The Effect of Ausferrite Volume Fraction on The Surface Roughness of Dual Phase Matrix Structure Ductile Iron Abstract The using of austempered ductile iron has increased day by day because of their strength and toughness combination. The surface topography properties of this material is so important for machine parts which are subjected to fatigue and wearing. For this aim, an unalloyed ductile iron has been austenitized in the dual phase region (810 C, 820 C ve 830 C) for 90 min and then austempered at 315 C for 120 min. All parts turned at 210 m/min cutting speed and 0,30 mm/rev feed rate to define to surface roughness of austempered parts. Experimental result showed that ausferrite volume fraction has important affects on the surface roughness. In addition, it is found that the desired surface roughness can is able to be obtained with control of hardness and ausferrite volume fraction and the optimum surface roughness was obtained on 830 intercritical austenising parts. In the other hands, the optimum surfaces roughness values was obtained on conventional austempered parts and it is defined that the absence of proeutectoid ferrite in the structure caused this result Keywords Ductile Iron, Surface Roughness, Dual Phase Matrix Structure (DMS) Ductile Iron, Fatigue Strength, Ausferrite Volume Fraction. I. GİRİŞ Düşük maliyet, dizayn esnekliği, iyi işlenebilirlik, ağırlık oranına göre iyi dayanım ve tokluk, yüksek aşınma dayanımı ve iyi yorulma özeliklerinin büyük bir çoğunluğunu sağlayan Östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirlerin (ÖKGDD) kullanımı gün geçtikçe artmaktadır. [1-5]. Östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirlerin tokluk özelliklerini iyileştirmek amacıyla ötektoid öncesi ferrit ve ösferrit(bainitik ferrit+ Yüksek karbonlu östenit) yapısına sahip çift fazlı küresel grafitli dökme demirler geliştirilmiştir. Yapıda bulunan ötektoid öncesi ferrit ve ösferrit hacim oranlarının istenilen oranda belirlenebilmesi bu malzemelerin optimum seviye çekilebilmesini sağlamaktadır. Çift fazlı östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirler (ÇMKGDD) yüksek dayanım ve süneklilik kombinasyonuna sahip olmalarından dolayı otomobil sanayisinde süspansiyon parçalarında, dişli, kam mili vb makine parçalarında yaygın olarak kullanılmaktadır [5-9]. Erdoğan ve arkadaşları çift fazlı küresel grafitli dökme demirlerde ösferrit hacim oranın mekanik özellikler üzerindeki etkisini ve östemperleme sıcaklık ve süresinin etkilerini incelemek amacıyla bazı çalışmalar yapmıştır. Yaptıkları çalışmalar sonucunda ösferrit hacim oranı ile akma dayanımın arttığı, östemperleme sıcaklığının artması ile daha kaba bir ösferrit yapının elde edildiği bununda dayanımı olumsuz yönde etkilediğini belirlemişlerdir. Bunun yanında alaşım elementlerinin östemperleme işlem aralığı üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu belirlemişlerdir [9-21]. Literatürde küresel grafitli ve östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirlerin mekanik özellikleri hakkında birçok çalışma bulunmasına rağmen yüzey özellikleri hakkında çok az çalışma bulunmaktadır. Bu çalışmanın amacı, farklı arakritik östenitleme sıcaklıklarından östemperleme ısıl işlemi sonrası oluşturulan çift fazlı küresel grafitli dökme demirlerin yüzey pürüzlülüğü açısından yüzey form özelliklerinin incelenmesidir. 1 DÖKÜM İŞLEMİ II. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Deneysel çalışmalarda Tablo 1 de kimyasal kompozisyonu verilen GGG 40 ferritik küresel grafitli dökme demir kullanılmıştır. Döküm işlemleri yaş kum kalıplara yapılmış olup kum kalıp tasarımı TS 526 da belirtilen Y bloklardan Y-II tipine göre hazırlanmıştır. Tablo 1. Çalışmalarda kullanılan küresel grafitli dökme demirin kimyasal kompozisyonu (Ağırlıkça %) 156
Ösferrit Hacim Oranın Çift Fazlı Küresel Grafitli Dökme Demirlerin 2. ISIL İŞLEMLER Östenitleme ısıl işlemlerinde elektrik direnci ile çalışan ±1 C duyarlıkta ve 0-1350 C ler arasında tavlamanın yapılabildiği atmosfer kontrolü olmayan bir fırın kullanılmıştır. Isıl işlemlerde sıcaklık kontrolü mineral izoleli K tipi ısıl çift telleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Isıl işlem deney seti Şekil 2.1 de gösterilmektedir. Leica DFC 320 dijital kamera bağlantılı Leica DM 4000 M marka optik mikroskop kullanılmıştır. III. DENEYSEL BULGULAR VE İRDELEME 1. Arakritik Östenitleme Sıcaklıklarından Östemperlemenin ve Östemperleme Sıcaklığının Mikroyapı Üzerindeki Etkisi Deneysel çalışmalarda kullanılan küresel grafitli dökme demirin mikro yapısı şekil 3.1 den de görüleceği üzere ferrit+perlit+küresel grafitten meydana gelmektedir. Yapıda bulunan perlit miktarının % 5.1 olduğu ve GGG 40 küresel grafitli dökme demir türüne ait olduğu belirlenmiştir. Şekil 2.1: Isıl işlem deney setinin ve sıcaklık kontrol sisteminin şematik gösterimi; a) tavlama ünitesi, b) Östemperleme ünitesi. Numuneler arakritik östenitleme sıcaklıklarında (810 ºC, 820 ºC ve 830 ºC) 90 dakika östenitlemenin ardından hızlı bir şekilde 375 C östemperleme sıcaklığında %50 KNO3 + %50 NaNO3 içeren tuz banyosunda 120 dakika süre ile östemperleme ısıl işlemi yapılmıştır. II.III. YÜZEY FORM ÖZELLIKLERIN ÖLÇÜLMESI Östemperleme ısıl işlemi yapılmış numunelerin yüzey form özellikleri yüzey pürüzlülüğü açısından değerlendirilmiştir. Yüzey pürüzlülük ölçümlerinin yapılması için önce tüm deney numuneleri 210 m/dk kesme hızı ve 0,30 mm/rev ilerleme de tornalanmıştır. Tornalanmış parçaların yüzey pürüzlülükleri Hommel Tester T8000 lazer yüzey form ölçüm cihazı ile ölçülmüştür. Şekil 3.1:Dökülmüş haldeki malzemenin mikroyapısı. (Dağlama: % 2 Nital) 810,820 ve 830 arakritik östenitleme sıcaklarından 315 C de 120 dk östemperlenmiş yapıların mikroyapı değişimleri Şekil 3.2-3.5 görülmektedir. Ösferrit hacim oranın artan arakritik östenitleme sıcaklılığı ile artığı açıkça görülmektedir. Ösferrit yapının grafit etrafında bir bariyer şeklinde oluştuğu Şekil 3.2-3.5 de görülmektedir. Bu oluşum resimler üzerinde beyaz ok ve daireler ile gösterilmiştir. Bunun yanında artan arakritik östenitleme sıcaklığı ile birlikte östenitten ösferrite dönüşüm oranında arttığı gözlenmiştir. II.III. METALOGRAFİK ÇALIŞMALAR Isıl işlem uygulanmış numuneler standart metalografik yöntemlerle (zımparalama+polisaj) mikroyapı incelemeleri için hazır hale getirilmiştir. Isıl işlem uygulanmış numunelerin yüzeyinde oluşabilecek dekarbürize bölgeden en az 0.5 mm lik kalınlıktaki bir kısmı taşlama ile uzaklaştırılarak metalografik inceleme sonuçlarının etkilememesi sağlanmıştır. Şekil 3.2: 810 C de 90 dk Östenitlenmiş ve 375 C de 120 Polisaj yapılmış numunelerde mikroyapının açığa çıkarılması amacıyla dağlayıcı olarak % 2 lik Nital çözeltisi kullanılmıştır. Ösferrit hacim oranı hesaplanmasında görüntü analiz programı (Leica Q550 MW) kullanılmıştır. Arakritik sıcaklıklardan östemperlenmiş numunelerin faz hacim oranı ölçümlerinde 100 büyütmede 10 ayrı bölgeden mikroyapı resmi çekilerek ölçüm alınmıştır. Bütün mikroyapıların görüntülenmesinde 157
I. Ovalı, A. Mavi Şekil 3.3: 820 C de 90 dk Östenitlenmiş ve 375 C de 120 Şekil 3.4: 830 C de 90 dk Östenitlenmiş ve 375 C de 120 ösferrit hacim oranı ile birlikte yüzey pürüzlük değerinin azaldığı ve arakritik tavlama sıcaklıklarından östemperlenmiş numuneler içersinde en iyi yüzey pürüzlülük değerinin 830 C den östemperlenmiş numunede elde edildiği görülmektedir. Bunun yanında, tüm numuneler içerisinde ise en iyi yüzey form özelliğinin geleneksel östemperleme ısıl işlemi ile elde edildiği görülmüştür. Bunun sebebi de arakritik östenitleme numunelerinin yapısında bulunan ötektoid öncesi ferrit atfedilmektedir. Yüzey topografi özelliklerini daha kapsamlı bir yorumlama için Rz, Rt,Rq gibi bazı özel Yüzey pürüzlük değerleri tabla 1 de ayrıca verilmiştir. Tablo 1: Yüzey pürüzlülüğünün arakritik östenitleme sıcaklarına göre değişim değerleri Numune Kodu Yüzey Pürüzlülük Değerleri (μm) Ra Rp Rs Rv Rt Rc Rz Dökülmüş Halde 5.1618 8.2543 56.58 7.4768 29.051 9.2185 23.7329 810-315 3.3045 7.4230 49.08 5.9789 20.3268 8.7579 13.4019 820-315 2.3067 6.7052 48.65 5.7067 17.1234 7.8369 12.4118 830-315 2.0240 5.1217 40.23 4.094 15.1998 6.9341 10.6710 900-315 1.5647 0.2836 59.25 3.6742 10.8879 5.8597 7.6160 Şekil 3.5: 900 C de 90 dk Östenitlenmiş ve 375 C de 120 2. Arakritik östenitleme sıcaklığının yüzey pürüzlülüğü üzerindeki etkisi Özellikle yorulma ve aşınmaya maruz kalan makine parçalarında yüzey topografı özellikleri kullanılan parçanın servis süresini önemli ölçüde etkilemektedir. Yüzey form özelliklerinin anlaşılmasını kolaylaştırmak amacıyla yaygın olarak kullanılanlarından bazıları şekil 3.6 üzerinde gösterilmiştir. a) b) Şekil 3.6:Yüzey topografı özelliklerin şematik olarak gösterimi. Bu çalışmada çift fazlı östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirlerin yüzey topografı özellikleri yüzey pürüzlüğü açısından değerlendirilmiş ve yapıda bulunan ösferrit ve ötektoid öncesi ferrit hacim oranların yüzey pürüzlülüğünü önemli derecede etkilediği belirlenmiştir. Tablo 1 den artan c) 158
Ösferrit Hacim Oranın Çift Fazlı Küresel Grafitli Dökme Demirlerin d) e) Şekil 3.7. Yüzey pürüzlülük grafikleri; a) Dökülmüş halde, b) 810 C, c) 820 C, d) 830 C, e) 900 C Arakritik östenitleme sıcaklarının yüzey form özellikleri üzerindeki etkisini daha anlaşılır hale getirmek amacıyla şekil 3.7 de yüzey pürüzlülük grafikleri verilmiştir. 3. Arakritik östenitleme sıcaklığının sertlik üzerindeki etkisi Arakritik östenitleme sıcaklığının sertlik üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu tablo 2 den açıkça görülmektedir. Artan arakritik östenitleme sıcaklığı ile sertliğin arttığı görülmektedir. Bu değişim artan sıcaklıkla birlikte ösferrit hacim oranın artmasına ötektoid öncesi ferrittin ise azalmasına dayandırılmaktadır. En yüksek sertlik değerinin ise geleneksel östemperlenmiş numunelerde elde edildiği görülmüştür. Bu sonuçta geleneksel numunelerde yapıda hiç ötektoid öncesi ferrit bulunmamasına dayandırılmaktadır. Tablo 2: Arakritik östenitleme sıcaklığı ile sertlik Değişimi Numune Kodu Östemperleme Sıcaklığı ( C) Östemperl eme Sıcaklığı ( C) Sertlik (Hv) 810-315 810 315 218 820-315 820 315 225 830-315 830 315 286 900-315 900 315 465 IV. SONUÇLAR Çift fazlı östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirlerde mikroyapı hacim oranlarının yüzey form özellikleri üzerindeki etkisinin yüzey pürüzlülüğü açısından araştırıldığı bu çalışma sonucunda aşağıda belirtilen sonuçlar elde edilmiştir; GGG 40 küresel grafitli dökme demir türünde arakritik östenitleme sıcaklarından östemperleme ile çift fazlı küresel grafitli dökme demir üretilebileceği görülmüştür. Artan ösferrit hacim oranı ile birlikte yüzey pürüzlülük değerlerinde önemli bir iyileşme olduğu belirlenmiştir. Ösferrit hacim oranı ile sertlik arasında bir doğru orantı olduğu belirlenmiştir. Ösferrit ve ötektoid öncesi ferrit ve hacim oranını kontrol ederek istenilen yüzey form özelliklerinin elde edilebileceği belirlenmiştir. Ösferrit hacim oranı ile ötektoid öncesi ferrit hacim oranı arasında ters orantı olduğu belirlenmiştir. Ösferrit hacim oranı arttıkça sertliğin arttığı belirlenmiştir. Teşekkür Yüzey Pürüzlülük ölçümlerinin yapılmasında gösterdiği katkılarından dolayı Ortadoğu Rulman Sanayi A.Ş teşekkür ederiz. KAYNAKLAR 1. Bak, C., Schissler, J.S., Chabaut, J., Gouvenel, D., Stability of ADI structures at room temperatures 2nd International Conference on Austempered Ductile Iron, Ann Arbor, USA, 149-155 (1986). 2. Schissler, J.M., Saverna, J., The effect of segregation on the formation of austempered ductile iron, Journal of Heat Treating, 4:167-176 (1985). 3. Hasırcı. H., Erdoğan M., Alaşım Elementleri Tür (Cu, Ni) ve Miktarlarının Küresel Grafitli Dökme Demirlerde Mikroyapı ve Mekanik Özellikleri Üzerine Etkisi, TMMOB Metalurji Mühendisleri Odası, 10. Uluslar arası Metalurji ve Malzeme Kongresi, 24-28 Mayıs 2000 İTÜ, Bildiri Kitabı, Sayfa: 393-401. 4. Hasırcı. H., Erdoğan M., Östemperlenmiş Küresel Grafitli Dökme Demirlerde Alaşım Elementleri (Cu, Ni) ve Östemperleme Süresinin Mikroyapı ve Çekme Özellikleri Üzerine Etkisi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, Ekim 2000, Cilt:13, Sayı:4, Sayfa: 1035-1079. 5. Erdoğan M., Hasırcı. H., Östemperlenmiş Küresel Grafitli Dökme Demirlerde Alaşım Elementleri (Cu, Ni) ve Östemperleme Sıcaklık ve Süresinin Mikroyapı Oluşumuna Etkileri, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, Ocak 2001, Cilt:14, Sayı:1, Sayfa: 147-161. 6. Shih T.S., Lin C.K., Twan H.Z., Mechanical properties of various-section ADI s, AFS Transactions, 97(26), 367-376. 7. Ductile Iron Data for Design Engineers Sorel metal, Canada, section 4 (1990). 8. Dorazil E., Barta B., Munsterova E., Stransky L., Havar A., High strength bainitic ductile cast iron, 159
I. Ovalı, A. Mavi AFS International Cast Metals Research, 7:52-60 (1982). 9. Kılıçlı V. Küresel grafitli dökme demirlerde kısmi östenitleme ve östemperleme ısıl işleminin mikroyapı ve mekanik özelliklere etkisi Tez (Yük. L.) Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Metal Eğitimi, Ankara, (2004) 10. Sahin Y., Kilicli V., Ozer M., Erdogan M., A Comparative Study of Abrasive Wear Behaviour of Ductile Iron with Different Dual Matrix Structures, WEAR, 2010, 268(1-2), 153-165, 11. Kilicli V., Erdogan M., The Nature of the Tensile Fracture in ADI with Dual-Matrix Microstructure, JOURNAL OF MATERIALS ENGINEERING AND PERFORMANCE, 2010, 268 (1), pp. 153-165. 12. Erdogan M, Kilicli V and Demir B, Transformation Characteristics of Ductile Iron Austempered From Intercritically Annealing Temperature Ranges, JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE, 2009, Journal of Materials Science 44 (5), pp. 1394-1403. 13. Hakan Gür, Melika Ozer, Mehmet Erdogan, Investigation of the variations in microstructure and mechanical properties of dual-matrix ductile iron by magnetic barkhausen noise analysis, RESEARCH IN NONDESTRUCTIVE EVALUATION, Volume 19, Issue 1, January 2008, Pages 44-60. 14. Kilicli V., Erdogan M., The Strain-Hardening Behavior of Partially Austenitized and Austempered Ductile Iron with Dual Matrix Structures, JOURNAL OF MATERIALS ENGINEERING AND PERFORMANCE, 2008, 17 (2), pp. 240-249. 15. Y. Sahin, M. Erdogan, M. Cerah, Effect of martensite volume fraction and tempering time on abrasive wear of ferritic ductile iron with dual matrix, 2008, WEAR, (1-2), pp. 196-202. 16. B. Demir, M. Erdogan, The hardenability of austenite with different alloy content and dispersion in dual phase steels, JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY, 2008, 208 (1-3), pp. 75-84. 17. Erdogan M., Kilicli V., Tensile Fracture Behavior Austempered Ductile Iron with Dual Matrix Structures, JOURNAL OF MATERIALS ENGINEERING AND PERFORMANCE, 2008, 17 (2), pp. 240-249. 18. Erdogan M., Kilicli V., Demir B., The Influence of Austenite Dispersion on Phase Transformation During Austempering in Ductile Cast Iron with Dual Matrix Structure, RESEARCH IN MATERIALS SCIENCE, 2008, 99 (7), pp. 751-760. 19. Kocatepe K, Cerah K and Erdogan M, The Tensile Fracture Behaviour of Intercritically Annealed and Quenched+Tempered Ferritic Ductile Iron with Dual Matrix Structure, accepted for publication, MATERIALS & DESIGN 28 (1): 172-181 2007. 20. M. Kaplan, C.H. Gür, M. Erdogan, Characterization of Dual-Phase Steels Using Magnetic Barkhausen Noise Technique, J NONDESTRUCT EVAL (2007) 26: 79 87. 21. Kilicli V., Erdogan M., The Effect of Ausferrite Volume Fraction and its Morphology on The Tensile Properties of Partially Austenitized and Austempered Ductile Irons with Dual Matrix Structures, International JOURNAL OF CAST METAL RESEARCH, 2007 VOL 20 NO 4 202-214. 160