5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye DİKEY SAVURMA DÖKÜM YÖNTEMİYLE ALAŞIMLI DÖKME DEMİR HADDE MERDANESİ ÜRETİMİ ALLOYED CAST IRON ROLLING ROLL PRODUCED BY VERTICAL CENTRIFUGAL CASTING Şadi KARAGÖZ a, Onur BİRBAŞAR a ve Alper KAYA a a KOÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisliği, Kocaeli, Türkiye, E-posta: karagoez@kocaeli.edu.tr, onurbir@kocaeli.edu.tr, alperkaya16@hotmail.com Özet Hadde merdanesi üretiminde çift döküm teknolojisinin kullanılmasıyla merkezde tok, dışa doğru gidildikçe sertleşen aşınmaya mukavim bir kompozit yapı elde edilir. Bu nedenle çalışma yüzeyinin ve merdane göbeğinin farklı bileşimden olmasını sağlayan çift döküm yöntemleri geliştirilmektedir. Bu çalışmada dikey santrifüj döküm yöntemiyle yaklaşık 7 cm kalınlığında alaşımlı dökme demir bileşiminde merdane çalışma yüzeyi (kabuk) dökümü gerçekleştirilmiştir. Kabuğun dış yüzeyinden iç kısmına doğru alınan numunelerde mikroyapısal incelemeler (Işık Mikroskobu, Tarama Elektron Mikroskobu) ile mekanik testler yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar ile mikroyapı oluşumlarının merdaneden beklenen özellikler üzerine etkileri analiz edilmiştir. Grafit, karbür ve matriks oranlarının tayini için yapılan görüntü analizi ile döküm yapısının %30-40 karbür (ağırlıklı olarak Fe 3C), %3-7 grafit ve perlitik-beynitik matriksten oluştuğu belirlenmiştir. Alınan sertlik değerleri ile çalışma yüzeyinde maksimum olmak üzere sertlik profilinin iç kısma doğru düştüğü gözlemlenmiştir. Bu düşüş grafit miktarı ve morfolojisindeki değişimden kaynaklanmaktadır. Ayrıca ikincil kollar arası mesafeden yola çıkılarak katılaşma hızı belirlenmiş, kabuk dış yüzeyinde oluşan katılaşma hızının merkez ve iç kısma oranla daha yüksek olduğu ortaya çıkmıştır. Anahtar kelimeler: Hadde merdaneleri, Dökme demir, Mikroyapı, Görüntü analizi, Savurma döküm. Abstract By using dual casting technology for producing rolling rolls, a wear resistance composite structure which is tough in the roll centre and hard at the shell is obtained. Therefore, dual cast methods were developed in order to obtain different composition of shell and roll centre. In this study, the shell part of roll with 7 cm thickness was casted with composition of an alloyed cast iron using horizontal centrifugal casting method. Mechanical and microstructural observations (Light Microscope, Scanning Electron Microscope) were carried out at specimens taken from shell cross section. The influence of microstructural phases on the roll properties were analyzed with the results of mechanical and microstructural observations. Image analysis was carried out to determine the volume fractions of graphite, carbide and matrix. Cast structures exist of %30-40 carbide (Mainly Fe 3C), %3-7 graphite and pearlite-bainite matrix has been determined. It was observed that the hardness profile decreased from the outer layer where the maximum hardness obtained. This decrease of hardness is caused by the amount of graphite and its morphology. Furthermore, solidification rate have been determined from the secondary arms of dendrites. It was observed that the solidification rate is the highest on the outer of shell. Keywords: Rolling Rolls, Cast iron, Microstructure, Image analysis, Centrifugal casting. 1. Giriş Hadde merdanelerinde, merdanenin çalışma yüzeyini oluşturacak olan kabuk bölgesinin sert yapıda, iç kısımları ve muyluları oluşturacak gövde kısmının ise tok yapıda olması istenir. Bu iki farklı özelliği aynı merdanede oluşturmak için farklı bileşimde metaller gerekmektedir. Çift döküm teknolojisi ile kabuk ve göbeğin farklı bileşimde metallerden oluşması sağlanır. Endüstride kullanılan merdane çift döküm yöntemlerinden biri olan savurma merdane döküm yönteminde, merdanenin çalışma yüzeyini oluşturacak olan kabuk metalinin dökümü, dönen bir kokil kalıbın içine yapılmaktadır. Savurma merdane dökümü kalıbın dönme eksenine göre yatay ve dikey olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Yatay eksenli savurma döküm yönteminde, kabuk metali serbest dönen kokil bir kalıbın içine yapılmaktadır. Kabuk metali dökümü bittikten sonra kalıp düşey duruma getirilip içi göbek metali ile doldurulur. Bazı makinalarda kaldırma işleminde hidrolik sistemlerden yararlanılmaktadır, ancak genellikle kalıp bir vinç yardımıyla kaldırılarak düşey konuma getirilmektedir. Düşey eksenli makinalarda ise hem kabuk, hem göbek dökümü kalıp düşey konumda iken yapılmaktadır. Eriyik metal belirli bir dairesel hızla dönen kalıp içerisine dökülür [1]. Savurma döküm esnasındaki merkezkaç kuvvetiyle sıkı ve boşluksuz dökümler elde edilir. Döküm için besleyici ve yolluk gerekmemesi metodun en önemli avantajlarındandır. Santrifüjle dökülmüş malzemenin katılaşması statik dökümümün katılaşmasından farklıdır. Çünkü kalıp malzemesi, kalınlığı, kaplaması, kalıp ön ısıtma sıcaklığı, kalıp dönüş hızı, metal döküm sıcaklığı gibi birçok parametre katılaşmayı etkiler. Santrifüj dökümde ısı dış çaptan başlayarak kalıba doğru yayılır ve IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
katılaşma kalıp yüzeyinde başlayarak döküm parçasının içerisine doğru devam eder [2]. Hadde merdanelerinin üretiminde dökülebilirliği ve geniş alaşım çeşitliliği nedeniyle dökme demirler yaygın olarak kullanılmaktadır. İç yapıda yer alan yüksek miktarda grafit dökme demir merdanelerin karakteristiklerindendir. Dökme demirler katılaşma esnasında östenit, sementit ve/veya grafitten meydana gelen bir iç yapı oluştururlar. Soğuma sırasında sementit ve grafit fazları fazla dağılım göstermese de östenit perlit, beynit ve martenzit gibi yapılara dönüşebilir. Sonuçta ortaya çıkan döküm yapısı katılaşma ve soğuma hızları ile ergiyik metalin kimyasal bileşimine bağlı olmaktadır. Bu şekilde dökme demir merdanelerinin yapısı matriks, karbür ve grafit olmak üzere üç temel yapıda incelenebilir [3,4]. Grafitler, dökme demirlerde lamelli veya küresel şekilde bulunurlar. Bazı durumlarda bu ikisinin arasında (vermiküler) bir şekil alırlar. Lamel grafitler çentik etkisinden dolayı malzemenin tokluğunu düşürürlerken küresel grafitli dökme demirler lamel grafitli dökme demirlere göre daha tok bir yapı oluştururlar [3]. Kütle % C Si Mn Cr Mo Ni Mg 3,58 1,44 0,59 0,46 0,28 2,04 0,05 Çizelge 1 Deney numunesi kimyasal kompozisyonu. Numuneler metalografik olarak hazırlanarak parlatılmış ve dağlanmış konumda (%3 lük nital) Zeiss Axiotech 100 tipi ışık mikroskobu ve JEOL 6060 tipi tarama elektron mikroskobu ile mikroyapı incelemeleri gerçekleştirilmiştir. Grafit ve karbür miktarlarının belirlenmesi ve katılaşma hızının tayini için Leitz Quantimet 501 görüntü analiz programı kullanılmıştır. Sertlik ölçümleri Vickers sertlik ölçüm cihazı ile 10kg yük altında 3 sertlik izi ortalaması alınarak gerçekleştirilmiştir. Ayrıca Fischerscope HV100 mikrosertlik cihazı ile mikroyapıda bulunan karbür ve matriks sertlikleri yine 3 sertlik izi ortalaması alınarak ölçülmüştür. Çalışmada kullanılan dökme demir bileşimi perlitik sfero merdane grubuna girmektedir. Perlitik sfero merdaneler esasta belirsiz sert katılaşmış (indefinite chill) merdanelere benzemektedir. Ancak bir tür alaşımlı dökme demir olan bu malzemede dökümden evvel ıslahı ve aşılanması neticesinde grafitin bütün bünyede yaprakçık şeklinden küresel şekle dönüşmesi sağlanmaktadır. Küresel grafitin iç çentik dayanımının yaprakçık grafite kıyasla çok üstün olması nedeniyle perlitik sfero merdaneler son derece yüksek mekanik ve burulma mukavemetleriyle haddehanelerde merdane kırılması olayını asgariye indirmiştir [5]. Bu çalışmanın amacı, modern bir teknoloji olan savurma döküm ile kompozit merdane üretimini gerçekleştirmek ve bu doğrultuda veri oluşumuna katkıda bulunmaktır. Çalışmada hadde merdaneleri üretiminde kullanılan dökme demir bileşiminde merdane çalışma yüzeyi dökümü gerçekleştirilerek yüzeyden iç kısma doğru alınan numunelerde mikroyapı ve mekanik özellikler incelenmiştir. Faz oluşumları ve miktarları belirlenerek merdaneden beklenen özellikler ilişkisi kurulmaya çalışılmıştır. 2. Deneysel Çalışma Bu çalışmada Tablo 1 de deney numunesi kimyasal kompozisyonu verilen küresel grafitli düşük alaşımlı dökme demir merdane malzemesi kullanılmıştır. Dikey santrifüj döküm makinasında yaklaşık 7 cm kalınlığında merdane çalışma yüzeyi kabuk (shell) dökümü gerçekleştirilmiştir. Döküm parçasının dış kısmından iç kısmına doğru olmak üzere (Numune 1 2 3) üç bölgeden eşit boyutlarda küp şeklinde numuneler alınmıştır (Şekil 1). Numunelerin ısıdan etkilenip dekarbürizasyona uğramamaları için tel erozyonuyla kesme işlemleri gerçekleştirilmiştir. Şekil 1. Dökümü yapılan merdane göbeği kabuk (Shell) kısmı ve alınan numune konumları. 3. Deney Sonuçları ve Tartışma Merdane kabuğunun dıştan içe doğru elde edilen mikroyapı görüntüleri parlatılmış konumda Şekil 2 de ve %3 lük nital ile dağlanmış konumda Şekil 3 de verilmiştir. Parlatılmış konumda mikroyapıda küresel halde grafitler bulunmaktadır. 1 nolu numune görüntüleri incelendiğinde hızlı katılaşma nedeniyle küçük boyutta çok sayıda grafitin heterojen bir şekilde yapıda dağılmış konumda oluştuğu görülmüştür. Yer yer küresellikten uzak grafitlere de rastlanmaktadır. 2 ve 3 nolu numuneler kabuk merkezine doğru katılaşma hızının düşmesi ve difüzyona fırsat bulmaları nedeniyle daha büyük boyutlu daha homojen bir grafit dağılımı göstermektedir. Savurma döküm ile üretilmiş merdanelerde katılaşma mekanizması kabuk dış yüzeyinden başlayarak içe doğru yönlenme göstererek, soğuma hızına bağlı olarak grafit
yapısı ve hatta perlit lamelleri arası mesafe kabuk et kalınlığında değişmektedir [6,7]. Dökme demir merdanelerinin mikroyapısını matriks, karbür ve grafitler oluşturmaktadır. Matriks östenit, perlit, beynit ya da martenzit olabilir. Bu yapı ya doğrudan dökümden elde edilir veya ısıl işlem sonucu elde edilir. Oluşacak yapı kimyasal bileşime ve soğuma hızına bağlıdır. Karbürler çok sert bir yapıya sahiptirler ve merdanelerin sertliğini artırmak için kullanılırlar [3,8]. Dökme demir merdanelerde iki tür karbür bulunur. Bunlar M 3C tipi ve M 7C 3 tipi karbürlerdir. İkinci tip karbürler genellikle yüksek kromlu merdanelerde görülürler. M 3C karbürleri katılaşma sırasında plakalar halinde oluşurlar ve bu plakalar büyüyerek birbiri ile kesişirler. Bu sayede östenit tanelerinin kenarında ağ yapısı oluştururlar [4]. M 7C 3 tipi karbürler ise altıgen çubuklar şeklinde oluştuğundan ağ dokusu oluşturmazlar ve M 3C karbüre göre malzemenin tokluğuna olumsuz etkileri daha azdır [9]. ötelenmesiyle oluşmuş karbürler görülmektedir. Şekil 4 de dağlanmış konumda numune 1 e ait karbür-matriks yapısını gösteren elektron mikroskobu görüntüsü verilmiştir. Görüntüde sementit tipi karbürler (koyu gri kontrastlı) ile perlitten oluşan matriks yapısı (alacalı aydınlık kontrastlı) görülmektedir. Karbürler bu tür merdanelerde genelde sementit karbürlerden oluşmakta ve doğal ledeburit şeklinde katılaşma formuyla uzun çubuksu morfoloji sergilemektedir. Bunun yanında katılaşma hızının ve difuzyonun etkisiyle karbür miktarında ve boyutunda mikroyapıdan da görüldüğü gibi merdane iç kısmına doğru artış görülmektedir. Çizelge 2 de dendrit ikincil kolları ara mesafesinden yararlanılarak görüntü analizi ile katılaşma hızları belirlenmiştir. Yüksek hız çelikleri için hesaplanan değerler için düzenlenmiş diyagramdan faydalanılarak yaklaşık soğuma hızı değerleri elde edilmiştir (Şekil 5) [10]. Kabuk dış yüzeyine doğru artan katılaşma hızıyla dendrit kolları ara mesafesinin kısaldığı görülmektedir. Şekil 2. Parlatılmış konumda numunelere ait görüntüler; Numune 1, Numune 2, Numune 3. Şekil 3 de aynı büyütme oranlarında kabuk dış yüzeyinden iç kısmına olmak üzere mikroyapı görüntüleri dağlanmış konumda görülmektedir. Dendritik katılaşmış döküm yapısında dendrit gövdeleri, yani matriks perlitik-beynitik yapıda oluşmuştur. Dentrit ikincil kolları arasında, yani interdentritik uzaylarda alaşım elementlerinin bu bölgelere Şekil 3. %3 lük Nital ile dağlanmış konumda numunelere ait görüntüler; Numune 1, Numune 2, Numune 3.
grafikten de görüldüğü gibi kabuk dış kısmından içe doğru artmaktadır. Bununla beraber istatistiksel olarak belirgin olmasa da karbür miktarının numune 2 de arttığı ve numune 3 de yani kabuk iç kısmında azaldığı görülmektedir. Şekil 6 daki sertlik profili ile karşılaştırdığımızda grafit miktarının artmasıyla kabuk iç kısmında sertliğin düştüğü açıktır. Numune 2 de karbür miktarının artmasına rağmen sertlik numune 1 e göre biraz düşüktür. Numune 1 deki yüksek sertliğin hızlı katılaşma etkisiyle matriksten gelmektedir. Mikrosertlik ölçümlerinin de bunu desteklediği görülmektedir. Çizelge 3 de numunelerden elde edilen karbür ve matriks sertlikleri Şekil 8 de de alınan sertlik izlerinin mikroyapı görüntüleri verilmiştir. Şekil 4. Dağlanmış konumda numune 1 e ait elektron mikroskobu görüntüsü. Sementit karbür ve perlitik matriks. Çizelge 2. Dentrit ikincil kolları ara mesafesi ve soğuma hızı değerleri. Numune İkincil kollar arası mesafe, µm Soğuma hızı K/s 1 40,32 2 2 54,73 0,08 3 65,08 0,04 Çizelge 3. Mikroyapı karbür ve matriks sertlikleri. Mikroyapı Sertlik HV0,1 Numune 1 Numune 2 Numune 3 Karbür 813,5 765,0 753,1 Matriks 381,4 352,8 346,4 Sertlik HV10 600 500 400 300 497,6 SERTLİK PROFİLİ Dış Orta İç 486,7 475,3 200 0 1 2 3 4 Numune Şekil 6. Merdane kabuk kesiti boyunca sertlik profili. Grafit Dağılımı Hacim-% 7 6 5 4 3 2 1 0 6,32 5,24 3,99 1 2 3 Numune Konumu Şekil 5. Yüksek hız takım çelikleri için hesaplanan ikincil dendrit kolları arası mesafe-soğutma hızı arasındaki ilişki Şekil 6 da dağlanmış ve parlatılmış mikroyapılardan alınmış görüntüler üstünden analiz yapılıp karbür ve grafit dağılımları kabuk kalınlığı boyunca belirlenmiştir. Her bir numunenin parlatılmış ve dağlanmış konumundan 10 görüntü incelenerek ortalamaları alınmak suretiyle veriler elde edilmiştir. Döküm yapısında bulunan karbürlerin %30-40 (ağırlıklı olarak Fe 3C) grafitlerin ise %3-7 oranında olduğu ortaya çıkmıştır. Grafit dağılımı Şekil 7'deki Hacim-% 37 35 33 31 29 27 25 Karbür Dağılımı 35,62 34,3 34,36 1 2 3 Numune Konumu Şekil 7. Karbür ve grafit dağılımları.
grafit miktarının düşük olması silisyumun grafit yapıcı etkisinin yerine tahminen sertliğe katkıda bulunduğunu göstermektedir. Dolayısıyla grafit miktarının düşük olması (ve tahminen silisyumun matriks içi zenginleşmesi) en yüksek sertliğin kabuk dış kısmında oluşmasına neden olmaktadır. Bu çalışmada perlitik-beynitik sfero hadde merdanesinin kabuk kısmı incelemelere tabi tutularak mikroyapısal veriler elde edilmiş ve bu verilerin mekanik özellikler ile bağıntısı kurulmuştur. Elde edilen veriler ile değişik hadde merdanesi malzemeleri üretimine yönelik çalışmaların yapılması planlanmıştır. Merdane malzemesinden beklenen özelliklerin elde edilmesinde mikroyapıyı alaşım elementi ve döküm koşullarının etkilediği ve bu nedenle yapılacak ısıl işlemin mikroyapıyı belirlemesi nedeniyle alaşım dizaynını saptadığı sonucuna varılmıştır. Teşekkür Hadde merdanesi üretimi ve numunelerin temini için Anadolu Döküm San. ve Tic. A.Ş. firması fabrika müdürü Sn. Mustafa Günhan AKYÜREK e teşekkür ederiz. Şekil 8. Karbür ve matriks mikrosertlik ölçüm görüntüleri Numune 1, Numune 2, Numune 3. 4. Sonuçlar Mikroskobik incelemeler sonucunda perlitik sfero hadde merdanesi malzeme mikroyapısının kaba ve ince perlitik matriks, küserel formda grafit, uzun çubuksu ve ledeburitik katılaşmış sementit karbürlerden oluştuğu görülmektedir. Görüntü analizi sonuçlarından da görüldüğü gibi bu mikroyapı oluşumları merdane kabuk et kalınlığı boyunca dıştan içe doğru farklılık göstermiştir. Grafit miktarı iç kısma doğru artış göstererek bu tür merdanelerde görülen sertlik düşüşüne neden olmuştur. Sertleşebilmeyi kesit boyunca değiştiren bu etken bileşimin yanında soğuma hızına da bağlı olduğundan döküm parametreleri de bu özelliği etkilemektedir. Elde edilen sertlik değerlerinden görüldüğü gibi merdane dış kısmında sertliğin iç kısma oranla daha yüksek olduğu görülmüştür. Bunun nedeni bu bölgedeki katılaşmanın hızlı gerçekleşmesi olarak izah edilebilir. Ayrıca bu bölgede Kaynaklar [1] TAN E., Hadde Merdanelerinin Üretiminde Kullanılan Çift Döküm Teknolojileri ve Merdanelerin Çalışma Koşullarının İyileştirilmesinde Önemli Hususlar, Metal Dünyası, Sayı:141, s:134-139, Şubat, 2005. [2] BAŞPINAR S. M., Grafitleştirme Tavlamasının Santrifüjle Dökülmüş Gri Dökme Demirin Mikroyapı ve Sertlik Dağılımına Etkisi, TMMOB Bildiriler kitabı, yayın no:221, s:73, Mayıs, 1999. [3] TAN E., DORUK İ., Hadde Merdanesi Metalurjisi ve Hadde Merdanesi Malzemesi Seçim Kriterleri, Metal Dünyası, Sayı:146, s:129-135, Temmuz, 2005. [4] Durand-Charre M., Microstructure of Steels and Cast Irons, p:357-361, 2003. [5] Özdoğan, N., Modern Merdane Döküm Yöntemleri, Tübitak Marmara Bilimsel ve Endüstriyel Araştırma Enstitüsü Malzeme Bölümü, Gebze, s.960-970, 1987. [6] İZGİZ S., Silindir Gömleği Malzemeleri, s:1-4, Ağustos, 2006. [7] Scho n C. G., Sinatora A., Hot rolling mill roll microstructure interpretation: A computational thermodynamics study, Journal of Phase Equilibria Vol. 22, No. 4, 2001. [8] Perks C. M., NCC Duplex Rolls for Roughing Rod/Bar Mills, 39 Seminario de Laminacao Processo Produtos e Revestidos, Brazil, 2002. [9] KIM C. K., LEE S., JUNG J., Effects of heat treatment on wear resistance and fracture toughness of duo-cast materials composed of high-chromium white cast iron and low-chromium steel, Metallurgıcal And Materıals Transactıons A, vol: 37A, p:633-635, 2006. [10] GAHM H., LÖCKER K. D., FISCHMEISTER H., KARAGÖZ Ş., GRUBER A., Jeglıtsch, Morphologie, Sekundärdendritenarmabstand und Kühlrate von Gasverdüsten Metallpulvern, Prakt. Metallographie, Sonderband 18, p:479-496, Federal Republic of Germany, 1987.