Politeknik Dergisi Journal of Polytechnic Cilt: 4 Özel Sayı 53-57, 2002 Vol: 4 Special Issue pp. 53-57, 2002 BİLYALI FİLTRELERLE YAPILAN METAL FİLTRASYONU İŞLEMİNİN KGDD LERİN MİKROYAPI VE MEKANİK ÖZELLİKLERİNE ETKİSİ Ferhat GÜL, Hasan HASIRCI, Neşet AKAR, Necati YALÇIN Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Metal Eğitimi Bölümü 06500 Teknikokullar, ANKARA ÖZET Sıvı metalin temizlenmesi için bir çok yöntem kullanılmaktadır. KGDD de kirliliklerin bulunması mekanik özellikleri ciddi şekilde azaltabilmektedir. KGDD den filtrasyon yoluyla inklüzyonların giderilmesi gelişmiş mekanik özellikler sağlamaktadır. Filtrasyon için birçok farklı tip filtreler bulunmaktadır. Bu çalışmada filtrasyon işleminde seramik bilyalı filtre kullanılmıştır. Bilyalı filtre KGDD dökümlerde inklüzyon gidermede yüksek performansa sahiptir. Gözlemlere göre; bilyalı filtre kullanımı ile çekme mukavemeti artarken darbe dayanımı azalmıştır. Anahtar kelimeler: Küresel grafitli dökme demir, filtrasyon, mikro yapı, mekanik özellikler EFFECT OF METAL FILTRATION BY BALL-FILTER ON MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF DUCTILE IRONS ABSTRACT Many methods of purifying the melt has been used. The presence of dross in ductile iron can seriously decrease the mechanical properties. Inclusion removal from ductile iron by filtration results in developed mechanical properties. Many different type filters are available for the filtration. In this study, ceramic ball-filter was used in filtration process. Ball-filter has high performance on inclusion removal in ductile iron castings. According to observations, by using ball-filter impact strength was decreased while tensile strength was increased. Keywords: Ductile Iron, filtration, microstructure, mechanical properties GİRİŞ Mühendislik malzemelerinde üretimin kaçınılmaz bir sonucu olan kirliliklerin, mikroyapı, mekanik özellikler ve kullanım ömrü bakımından olumsuz etkisi olduğu bilinmektedir (1,2). Bu kirlilikleri genellikle cüruf, oksit ve inklüzyonların oluşturduğu söylenebilir (1,3). İnklüzyonlar genellikle fırın kirliliği, tuzlar, oksitler ve ergimiş elementlerden oluşurlar (1-6). Dökümden önce sıvı içerisinde bulunan kirlilikler üretimin kaçınılmaz bir sonucudur. Katı inklüzyonlar, refrakter malzeme, tane inceltici ve aşılayıcılar meydana getirir. Sıvı inklüzyonlar, filtreden geçebilen küresel şekle sahip ve şekil değiştirebilen kirliliklerdir. Flakslar ve tuzlar ise gaz giderme ve koruyucu gibi sıvı işlemlerinin sonucunda oluşan atıklardır (1,2,3,5). Seramik filtrelerin kullanımından önce demir ve demir dışı alaşımlarda kirliliklerin giderilmesi için özgül ağırlık prensibine dayanan değişik yolluk sistemleri kullanılmıştır. Yolluk metodunun maliyeti yüksek olmakla birlikte yeterli temizleme sağlamadığı bilinmektedir (1,3,5,7,8). KGD de sıvı temizleme işlemleri, maliyeti artırdığından dolayı etkili yöntem olan filtrasyon işlemi kullanılmaktadır (1,6,9). Bu güne kadar sıvı metalin temizlenmesinde daha önce de ifade edildiği gibi birçok yöntem uygulanmakta olup filtrasyon en son uygulanan ve en etkili yöntem olarak ortaya çıkmaktadır (1,3,5,7,9). KGDD lerin üretiminde cüruf, magnezyum ve silisyumun magnezya (MgO) ve silisyumdioksit (SiO 2 ) şeklinde oksitlenmesiyle meydana gelir. Bu oksitlenme miktarı küreselleştirme yöntemiyle değişebilmektedir (1,9). KGDD de kirliliklerin bulunması süneklik, tokluk, çekme, yorulma dayanımı ve korozyon direncini önemli oranda azaltmaktadır (1,9,10). İnkizyonlar gerinim altında yorulma çatlak başlangıcını oluştururlar. Buna ilave olarak döküm parça içerisinde dağılmış kirlilikler parçanın işlenebilme kabiliyetini azaltır. Bu durum KGDD parçalarında erken yorulma meydana getirir (1,2,10). Kirliliklerin bu istenmeyen etkilerini yok etmek için filtrelerin kullanılması ile sıvı metalin temizlenmesi en uygun yol olmaktadır (1,2,5,7). 53
Ferhat GÜL, Hasan HASIRCI, Neşen AKAR, Necati YALÇIN /POLİTEKNİK DERGİSİ,CİLT 4, ÖZEL SAYI, 2002 Bu amaçla çeşitli tip ve özellikte filtreler kullanılmakdır. Bu çalışmada bilyalı tip filtre kullanımının KGDD in mikroyapı ve mekanik özellikleri üzerine etkilerinin tespiti amaçlanmıştır. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Tablo 1 de bileşimi verilen KGDD malzeme filtre kullanılarak ve kullanılmadan döküm yoluyla elde edilmiştir. Ergitme işlemi için Inductotherm ergitme tipi orta frekanslı indiksiyon ocağı kullanlmıştır. Küreleştirme işlemi %5 Mg içeren FeSiMg malzeme ilavesiyle Tundish tipi işlem potasında yapılmıştır. Aşılama işlemi standart FeSi aşılama malzemesi ile döküm potasında ilave edilerek gerçekleştirilmiştir. Sıvı metal, küreleştirme ve aşılama işlemlerinden sonra TS- 526 da belirtilen standarda uygun olarak hazırlanmış (Şekil 1) Y-blok yaş kum kalıplara dökülmüştür. Filtre uygulamasında kullanılan yolluk sistemi ve kullanılan filtre şematik olarak Şekil 2 de görülmektedir. Tablo 1: KGDD malzemenin bileşimi %C %Si %Mn %S %P 3,5 2,6 0,7 0,02 0,02 Şekil 1:Y-blok dökümün şematik çizimi ve mekanik test lerinin alındığı yerlerin göste-rimi Filtrasyon işlemi için, şematik olarak Şekil 2 de verilen 70 x 50 x 20 mm dış boyutlara, 60 x 40 x11 mm hazne iç boyutlarına sahip ve içerisinde ortalama 3 mm çapında seramik bilyalar ve geniş yüzeyi üzerinde 2.5 mm çapında delikler bulunan bilyalı filtre kullanılmıştır. Yaklaşık olarak 570-595 adet bilya filtre haznesine döküm sırasında bilya hareketi oluşturmayacak şekilde doldurulmuştur. TSE 2308 e göre hazırlanan kum kalıplarda filtrenin giriş ve çıkışında uygun genişletmeler yapılarak metal akışını sınırlamayacak yolluk sistemi uygulanmıştır. a) Yolluk Sistemi b) Bilyalı filtre Hazne Seramik Bilya Filtre Haznesi Hazne Şekil 2: Sıvı metal filtrasyonu için kullanılan yolluk sistemi ve bilyalı filtre Şekil 1 de gösterilmiş olan Y-Bloklardan ASTM-A327-72 standardına uygun olarak darbe ve çekme deney leri hazırlanmıştır. Mikroyapı incelemeleri için Y-bloklardan alınan lerin metalografik incelemeleri optik mikroskopta yapılmıştır. Çekme testi için TSE 138 e göre hazırlanan 13.82 mm çapa ve 69 mm ilk ölçü uzunluğuna sahip silindirik ler 2 mm/dk. çene hızında çekilmiştir. Her döküm için 3 ayrı çekme testi uygulanmıştır. SONUÇLAR VE TARTIŞMA 1) Bilyalı filitrasyonun mikroyapı üzerine etkileri Şekil 3 te filtre edilmiş ve filtre edilmemiş malzemelerin mikroyapıları görülmektedir. Tablo 2 de ise faz hacim oranları ve küre sayısı ile ilgili sonuçlar verilmiştir. Şekil 3 ve Tablo 2 de filtre edilmiş ve edilmemiş dökümler arasında küre sayısı ve dağılımı açısından önemli oranda farkların olduğu görülmektedir. Filtre edilmemiş malzemede küre sayısı ortalama 48 küre/mm 2 olarak elde edilmesine rağmen, bilyalı filtre ile işlem yapılmış malzemede ortalama küre sayısının 67 küre/mm 2 olduğu tespit edilmiştir 54
BİLYALI FİLTRELERLE YAPILAN METAL FİLTRA... / POLİTEKNİK DERGİSİ, CİLT 4, ÖZEL SAYI, 2002 A) Filtre edilmemiş (dağlamasız x50) B) Filtre edilmiş (dağlamasız x50) C) Filtre edilmemiş (%2 nital dağlama x50) D) Filtre edilmiş (%2 nital dağlama x50) Şekil 3: Filtre edilmiş ve edilmemiş lerin mikroyapı görüntüleri Tablo 2: Filtre edilmiş ve edilmemiş lerin faz hacim oranları ve küre sayıları Faz Hacim % % % Küre sayısı Oranları ferrit perlit grafit (küre/mm 2 ) Numune adı Fitre edilmiş 19.5 67 13.5 67 Fitre edilmemiş 24.7 63.53 11.75 48 Küre sayısı, boyutu ve dağılımına birçok faktör etki etmektedir. Bunlar genel olarak yapılan küreleştirme ve aşılama yöntemi, kullanılan malzemeler, döküm süresi, döküm sıcaklığı, soğuma hızı ve parça kesit kalınlığı olarak sıralanabilir. Bu çalışmada bahsedilen faktörlerin hepsi filtre edilmiş ve edilmemiş malzemelerin her ikisinde de aynı tutulmaya çalışılmıştır. Ancak burada filtre edilmiş malzemede daha farklı faktörlerin de etkili olabileceği küre sayılarındaki farktan anlaşılmaktadır. Bunlar; döküş hızı, filtre gözenekliliği, filtre alanı, filtre malzemesi ve tipi olarak sıralanabilir (11,12). Bu çalışma diğer şartlar dışında küre sayısındaki değişimde en önemli faktörün filtre malzemesi ve filtrenin etkisiyle soğuma hızınında meydana gelebileceği düşünülen değişimin bu farklılığa sebep olabileceği düşünülmektedir. Matris yapı bileşenleri incelendiğinde (Şekil 3 ve Tablo 2) filtre edilmemiş malzemeye göre filtre edilmiş malzemenin küre sayısının artmasıyla perlit miktarının attığı görülmektedir. Normal şartlarda küre sayısının artmasıyla, ferrit miktarının artması gerekirken (11-14), bu çalışmada ferrit miktarı azalmıştır. Perlit çekirdeklenme teorisine göre, alt soğuma miktarı arttıkça perlit miktarı artmaktadır (15). Filtre edilmiş malzemede kullanılan filtrenin alt soğuma miktarını arttırarak perlit miktarını arttırdığı düşünülmektedir. 2) Bilyalı filtrasyonun mekanik özellikler üzerine etkileri Tablo 3 te filtre edilmiş ve filtre edilmemiş malzemelerin mekanik özellikleri ile küre sayıları arasındaki ilişkileri gösterilmektedir. Tablo 3: Filtre edilmiş ve filtre edilmemiş malzemelerin mekanik özellikleri ile küre sayıları arasındaki ilişki Mekanik özellikler Numune adı Fitre edilmiş Fitre edilmemiş Çekme Dayanımı (Mpa) Darbe Dayannımı (Joule) Küre sayısı (küre/mm 2 ) 711,7 55 67 657,5 61 48 55
Ferhat GÜL, Hasan HASIRCI, Neşen AKAR, Necati YALÇIN /POLİTEKNİK DERGİSİ,CİLT 4, ÖZEL SAYI, 2002 Tablo 3 ten de görüleceği üzere filtre edilmemiş de önceki kısımda ifade edilmiş olan nedenlerden dolayı küre sayısında artış meydana gelmiştir. Bunun yanında filtre edilmiş de filtre edilmemiş ye göre çekme dayanımında % 8.3 artış, darbe dayanımında % 8.2 azalma olmuştur. Ancak küre sayısındaki artış ile birlikte kırılma mekanizmasına bağlı olarak darbe dayanımı azalmaktadır. Çünkü kırılma sırasında çatlak başlangıcı ve ilerlemesinin grafit küresi ile matris arayüzeyinin daha az dayanıma sahip olması nedeniyle arayüzeyleri takip ettiği belirtilmektedir. Bu nedenle darbe dayanımı küre sayısındaki artışa bağlı olarak azalmaktadır (14,16). Çekme dayanımındaki artışın nedeninin ise malzeme yapısındaki yapı bileşenlerinden kaynaklanmaktadır. Filtre edilmiş de perlit miktarının artmasıyla birlikte çekme dayanımı artmıştır (Tablo 3). Diğer taraftan kullanılan malzemenin Mn miktarı kesitine göre bir miktar yüksektir. Bu kesit kalınlığı ve karbon eşdeğerliği için yaklaşık olarak % 0.5 Mn önerilmektedir (17). Yüksek Mn içeriğinden (%0,7) dolayı, filtre edilmiş de meydana gelen hızlı soğuma neticesinde karbür oluşum eğiliminin artabileceği ve bu şekilde darbe dayanımında kirliliklerin giderilmiş olmasına rağmen beklenen yüksek gelişmenin sağlanamadığı düşünülmektedir. SONUÇLAR 1. Bilyalı filtre kullanımı ile KGDD de kirliliklerin giderilmesi sağlanmıştır. 2. Bilyalı filtre kullanımı küre sayısında artışa neden olmuştur. 3. Bilyalı filtre ile filtre edilmiş KGDD de perlit miktarında artış meydana gelmiştir. 4. Perlit miktarın artmasıyla birlikte çekme dayanımında artış, darbe dayanımında azalma meydana gelmiştir. KAYNAKLAR 1. Khan, P.R., Su, W.M., Kim, H.S., Kang, J.W., Wallace, J.F., Flow of Ductile Iron Through Ceramic Filters and the Effects on Dross and Fatique Properties, AFS Transactions, 87-172, 105-116, 1987. 2. Apelian, D., Choi K.K., Metal Refining by Filtration Ed. By Katz, S. And Landafeld, F., Foundry Processes Their Chemistry and Physics,, New York, GM Symposia Series, 1988, 467-493. 3. Shivkumar, S., Wang, L., and Apelian, D., Molten Metal Processing of Advanced Cast Aluminum Alloys Journal of Metals, 26-32, 1991. 4. Flexsil Refractory Cloth Filters, Low cost, high efficiency filtration for metals, Product Cataloge. 5. Suschil, A.L., Plutshack L.A., Gating Design, Metals Handbook Casting Section, 15, 589-597, 1994 6. Hearn, M., Williams, B., Tackaberry, T., Use of Extruded Cellular Ceramic Filters to Reduce Inclusion Defects in Ductile Iron Crankshafts, AFS Transactions, 94-78, 81-85, 1994. 7. Morris, J., Sahu, S., Sievers, U.S., Advanced Reticulated Ceramic Metal Filters and Performance Results from Select Steel Foundries, AFS Tran., 671-675, 1990. 8. Gül,F., Akar, N. ve Yalçın, N., Döküm Parçalarda İnklüzyonların Giderilmesinde Bilyalı Filtrelerin Etkisi, 10. Uluslararası Metalurji ve Malzeme Kongresi bildiriler kitabı, Cilt I, 419-426, 2000. 9. Nikolai, M.F., Effect of Metal Filtration on ASTM Test Bars, AFS Transactions, 96-145, 1017-1029, 1996. 10. Hofmann Seramik Filtre kataloğu. 11. Venugopalan, D., Modelling of ferrit formation in Ductile Iron, AFS Transactions, 89-43, 271-276, 1989. 12. Doubrava, J.H. and Carter, Jr. S.F., Wallace, J.F., The Influence of Processing Variables on the Matrix Structure and Nodularity of Ductile Iron, AFS Transactions, 81-48, 229-250, 1981. 13. Guo, X. and Stefanescu, D.M., Solid Phase Transformation in Ductile Iron, AFS Transactions, 97-81, 533-543, 1997. 14. Hasırcı, H. ve Erdoğan, M., Alaşım Elementleri Tür (Cu,Ni) ve Miktarlarının Küresel Grafitli Dökme Demirlerde Mikroyapı ve Mekanik Özellikler Üzerine Etkileri 10. Uluslararası Metalurji ve Malzeme Kongresi Bildiriler Kitabı, Cilt I, 393-402, 2000. 56
BİLYALI FİLTRELERLE YAPILAN METAL FİLTRA... / POLİTEKNİK DERGİSİ, CİLT 4, ÖZEL SAYI, 2002 15. Callıster, W.D.Jr., Materials Scıence and Engineering an Introduction, Jhon Wıley and Sons Inc, New York, 1994. 16. Venugopalan, D. and Alagarsamy, A., Effect of Alloying Additions on Microstructure and Mechanical Properties of Commercial Ductile Iron AFS Transactions, 90-120, 39-40, 1990. 17. Karsay, S.I., Ductile Iron-I Production, Qıt-Fer Et Tıtane Inc., Canada, 42-50, 1985 57