Fırat Üniv. Fen ve Müh. Bil. Dergisi Science and Eng. J of Fırat Univ. 19 (3), 417-423, 2007 19 (3), 417-423, 2007 AISI 4142 Çeliğinin Elektrik Ark Kaynağı ile Yüzey Modifikasyonu Sonrası Aşınma Davranışının İncelenmesi Tülay YILDIZ 1, Abdülaziz KOÇ 2 ve Ali Kaya GÜR 2 1 Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Metal Eğitimi Bölümü 23119, Elazığ 2 Milli Eğitim Müdürlüğü Baskil Öğretmenevi, Elazığ tyildiz@firat.edu.tr (Geliş/Received: 02.04.2007; Kabul/Accepted: 18.05.2007) Özet: Bu çalışmada, AISI 4142 çeliğine elektrik ark kaynak yöntemiyle C-Si-Cr ca zengin elektrot ile silisyum karbür (SiC) tozu kullanılarak yüzey alaşımlama işlemi uygulanmıştır. Kaplama sonrası kaplama tozları ve soğutma ortamı ilişkilendirilerek kaplama tabakasının aşınma davranışı incelenmiştir. Sonuç olarak; kaplama tabakasının aşınma direnci pim disk test metoduyla bulunmuştur. Aşınma testleri sonrası numunelerin kütle kayıpları tespit edilerek aşınma oranları elde edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Yüzey Kaplama, C-Si-Cr, SiC Tozu, Aşınma. The Examination of Wear Behavior after Surface Modification by Smelting Arc Welding Method of an AISI 4142 Steel Abstract: In this study, on the surface of an AISI 4142 steel with a silicon carbid (SiC) powder layer was coated in use of Smelting Arc Welding method by use of a chromium, carboni silicon rich electrode. After coating the wear behavior examined were in connected with cooling environment, coating flatt. As a result, the abrasion resistance of coating surface has been found by the pim disc tests. After abrasion tests, the wear rates of specimens have been obtained extracting the mass losses. Keywords: Surface Modification, C-Si-Cr, SiC Powder, Wear. 1. Giriş Elektrik ark, TIG ve lazer gibi yüksek enerji yoğunluklu ergitme kaynakları; yüzey sertleştirmede, korozyon ve aşınma direncini yükseltmede kullanılırlar [1 3]. Yüzey alaşımlamada kullanılan kompozit kaplamaları, metal matris ve takviyelerini içerir. Takviye malzemesi genelde sert metal tanelerinden oluşur [4,5]. Elektrik ark kaynak yönteminin kullanılmasıyla oluşturulan kaplama yüzeyi diğer yöntemlere (GTAW ve Tozaltı) göre, seramikmatris karışımı, aşınmaya dirençli, sertliği yüksek ve mikroyapısı ince tanelidir [6]. Yüksek kromlu dökme demirler, yapılarında yüksek oranda sert birincil karbürlerini içermeleri nedeniyle aşınmaya çok dirençlidirler. Genellikle birincil iri taneli karbürler tokluğu düşürdüklerinden ötektik üstü alaşımların kullanımını kısıtlar. Ancak, yapılan son çalışmalarda, az miktarda da olsa birincil M 7 C 3 karbürlerini içeren yüksek Cr lu dökme demirlerin kırılma tokluğu ötektik altı alaşımların kırılma tokluğundan daha yüksek olduğunu göstermiştir [7]. Kaynak teknolojisinin önemli bir bölümünü oluşturan metal ve alaşımları farklı ortamlarda ve farklı amaçlar için kullanılırlar. Metal yüzeylerinin dış ortamlardan korunması veya kullanım alanına göre; maruz kaldığı yorulma, sürtünme ve aşınmaları ortadan kaldırmak veya minimuma indirmek amacıyla çeşitli yüzey işlemlerine ve üretim yöntemlerine ihtiyaç duyulmaktadır [6]. Birçok tekniği içeren yüzey sertleştirme işlemleri özellikle çeliklerde yüzeyin sert ve aşınmaya dayanıklı, alt tabakanın ise sünek ve yeterli mukavemette olması istenilen malzemelere uygulanmaktadır. Dişli parçalarda olduğu gibi aşırı sert yüzey aşınmaya karşı koyarken, tok olan iç kısım ise darbeleri absorbe edebilmektedir. Yüzey sertleştirmede normal şartlarda yeterli düzeyde sertlik elde edilemeyen çeliklerin yüzeyine karbon verilerek (sementasyon ve karbürleme) [8] veya yüzeye
T. Yıldız, A. Koç ve A. K. Gür sertliği arttırıcı element atomları nüfuz (nitrürüleme) [9] ettilerek sağlanabilir. Ayrıca sertleştirilme kabiliyeti iyi olan çeliklerin yüzeyinde, istenen sertleştirme derinliğine kadar olan kısmı östenitleştirme sıcaklığını kadar ısıtılıp ani soğutma ile yalnızca bu bölgenin sertleştirilmesi (fırında, alevle veya indüksiyonla yüzey sertleştirme) [10] yapılabilir. Abrasive aşınma, tüm aşınma türleri içerisinde maliyetin yaklaşık % 63 ünü oluşturur. Abrasive aşınma, sert partiküllerinin veya sert çıkıntılarının katı bir yüzey boyunca hareket etmesi ve karşı koymasından dolayı oluşur [11]. Rutil tip Citodur elektrotları yüksek aşınma direncine ve yüksek tokluğa sahip kaynak metali veren, kalın örtülü sert dolgu elektrodudur. Darbelere, metal-metal sürtünmesine, orta abrazif aşınmaya karşı dirençlidirler ve yüksek sertlik aranan yerlerde kullanılır [12,13]. Bu çalışmada, yüksek mukavemetli düşük alaşımlı AISI 4142 çeliğinin yüzeyine elektrik ark kaynak yöntemiyle, yüksek Cr lu bazik tip elektrotla SiC tozu geçiştirilmiş ve kaplama tabakasının abrasiv aşınma davranışlarına olan etkileri araştırılmıştır. Bu çalışmada ana malzeme olarak, AISI 4142 çeliği kullanılmıştır. Kaplama işlemi elektrik ark kaynağıyla rutil tip Citodur 600 marka elektrot kullanılarak yüzeye SiC tozu geçiştirilerek yapılmıştır. Çalışmada kullanılan malzemelerin kimyasal bileşimi Tablo 1 de gösterilmiştir. Şekil 1 de şematik olarak verilen elektrik ark kaynak yöntemiyle yapılan modifikasyonda, yüzeye yapıştırılan SiC tozlarının, Citodur 600 elektrot ile kaynak bölgesine ana malzemeye nüfuziyeti sağlanmıştır. Bu işlemde ergimiş halde bulunan toz karışımının uygun elektrot-el hareketiyle kaynak bölgesinde hapsedilmesine dikkat edilmiştir. Yüzey alaşımlama işleminden sonra numuneler yağ ve hava ortamında soğutulmuştur. 2. Deneysel Çalışmalar 2.1. Yüzey Kaplama İşlemi Tablo.1.Çalışmada kullanılan malzemelerin kimyasal bileşimleri Şekil 1. Elektrik ark kaynak yöntemiyle yüzey alaşımlama işleminin şematik resmi Çalışmada yüzey kaplama işlemi için numune yüzeylerine 10 mm lik freze çakısıyla 1 mm derinliğinde 90 mm uzunluğunda kanal açılmış, açılan kanal ve yan yüzeyleri aseton banyosunda yıkanmıştır. Kanal ıslatılan tozların kurutulması esnasında tozların yüzeyden uzaklaşmamaları için açılmıştır. Kaplama tozu alkolle ıslatılarak numune yüzeyine yapıştırılmış 50 C sıcaklıkta ve 30 dakika süreyle fırında kurutulmuştur. Bu çalışmada kullanılan üretim parametreleri Tablo 2 de verilmiştir. Tablo 2. Yüzey alaşımlamada kullanılan üretim parametreleri 418
AISI 4142 Çeliğinin Elektrik Ark Kaynağı İle Yüzey Modifikasyonu Sonrası Aşınma Davranışının İncelenmesi 2.2. Abrasiv Aşınma İşlemleri Yüzeyi alaşımlanmış numunelerin abrasiv aşınma oranları oda sıcaklığında kayma sistemli pim disk deney aparatıyla bulunmuştur. Bir torna tezgahı yardımıyla çalışan bu düzenek, Şekil 2 de verilmiştir. Abrasiv aşınma deneylerinde 10x10x20 mm ebatlarında aşınma numuneleri kullanılmıştır. Numune hazırlama ve boyutlandırma işlemi Şekil 3 te şematik olarak görülmektedir. Şekil 2. Abrasiv aşınma testi aparatı Şekil 3. Abrasiv aşınma deneylerinde kullanılan numunenin ölçüleri 10-5 gr ağırlığa duyarlı Scaltec marka elektronik terazi ile tartılıp, kütle kaybından aşınma miktarları tespit edilmiştir. Kütle kayıplarından gidilerek numunelerin aşınma oranları saptanmıştır. 3. Deney Sonuçları Ve Tartışma 3.1. Abrasiv Aşınma Sonuçları Elektrik ark kaynak yöntemi ile yüzeyi alaşımlandırılan AISI 4142 çeliğinin abrasiv aşınma testleri sonrası 10N, 20N ve 30N luk yük değerlerinde, 20 metre aşınma mesafesine bağlı olarak kütle kaybı değişim grafiği Şekil 4 te verilmiştir. Yüzey alaşımlama yapılan numunelerden S3 numunesi diğer numunelerle kıyaslandığında aşınması en düşük olan numune olduğu görülmektedir. SiC oranının fazlalığı ve yağda, havaya göre daha hızlı soğutma yapılarak sert tabakaların elde edilmesi, aşınma oranının düşük çıkmasına yol açmıştır. Elde edilen sonuçlardan da görüldüğü gibi, toz miktarının ve soğutma ortamının aşınma testine olan etkisi oldukça yüksektir. Şekil 4 deki kütle kaybı-yük ilişkisinden de görüleceği gibi, 20 m lik aynı aşınma mesafesinde, aşınma miktarı artan yükle yaklaşık olarak doğrusal bir artış göstermektedir. Yüzeyi alaşımlandırılan malzemelerin aşınma davranışları arasında önemli bir farklılığa rastlanılmamıştır. Ancak, yağda soğutularak sertleşen parçalarda aşınma etkileri daha az olmuştur. Aşındırıcının bağlı olduğu disk, torna tezgahının aynasına ve aşındırılacak deney numunesi ise bir numune tespit yuvası içerisinde, kater tutucusuna tespit edilmiştir. Aşınma testleri öncesi, her bir numune, aşınma yüzeyinin abrasiv aşındırıcı yüzeyine tamamen temas etmesini sağlamak için, 600 ve 800 gritlik silisyum karbür (SiC) taneli abrasiv aşındırıcıyla işleme tabi tutulmuştur. Deneyler 10 N, 20 N ve 30 N luk üç farklı yükte 20 metre kayma mesafesinde yapılmıştır. Aşındırıcı olarak 120 mesh lik abrasif aşındırıcı kullanılmış, aşınan numunenin yüzeyi alkol ve basınçlı hava ile temizlenerek kalıntı metallerden arındırılmıştır. Aşınma numuneleri, aşınma öncesi ve sonrası 419
T. Yıldız, A. Koç ve A. K. Gür Şekil 6. S1 numunesinin SiC taneciği (EDS) analizi Şekil 4. Numunelerin 20 m aşınma mesafesine bağlı kütle kaybı değişim grafiği Şekil 5. S1 numunesinin 10 N yük sonrası aşınma Şekil 7. S2 Numunesinin 10 N yük sonrası aşınma 420
AISI 4142 Çeliğinin Elektrik Ark Kaynağı İle Yüzey Modifikasyonu Sonrası Aşınma Davranışının İncelenmesi Şekil 5-10 da S1-S2-S3 numunelerinin 10 N yük altında SiC katkısı artırılmış olan üç numunenin aşınma SEM ve EDS analizleri verilmiştir. Bu numuneler kaplama işleminden sonra yağda soğutulmuşlardır. Resimlerden de görüldüğü gibi artan SiC miktarı ile S1 ve S2 numunelerinde yüzeyde kopan SiC tanecik sayısı artmıştır. Buna da gevrek SiC tanelerinin kırılgan olması ve yüzeyden kolayca ayrılması neden olmuştur. Aşınmanın oluşturduğu çizgiler açısından bakıldığında ilk iki S1 ve S2 numunesinin aşınmış yüzeyleri arasında önemli bir farkın bulunmadığı görülmektedir. S3 numunesinin aşınmış yüzeyinden de SEM ve EDS analizleri alınmış ve bu numunede kaplama bölgesinde oluşması muhtemel metalkarbürler (MxCy türü) [7] ve Cr-Mn içeren sünek alt katın iyi enerji absorbe yeteneği nedeniyle S3 numunesinin en iyi aşınma dayanımını göstermiş ve aşınma çizgilerinin bu numunede diğer numunelere oranla derin olmadığı belirlenmiştir. EDS analizleri incelendiğinde S1 numunesinden kopan taneciklerin tamamen SiC olduğu dolayısıyla ana kütlede SiC un çözünmeden kaldığı dikkat çekmiş ve S2 numunesinde SiC tanecikleri fazlalığı aşınma direncini arttırmışsa da S3 numunesi kadar arttırmamıştır. Bu durum S2 numunesininde S1 numunesindeki gibi SiC lerin yeterince çözünmediğini göstermektedir. Bu durumun sonucu olarak S3 numunesinin aşınma dayanımı S1 ve S2 ye oranla daha yüksek çıkmıştır. Şekil 8. S2 numunesinin aşınma kanalı (EDS) analizi Şekil 9. S3 numunesinin 10 N yük sonrası aşınma Şekil 11. S 4 numunesinin 10 N yük sonrası aşınma Şekil 10. S3 numunesinin aşınma (EDS) analizi 421
T. Yıldız, A. Koç ve A. K. Gür Şekil 15. S 6 numunesinin 10 N yük sonrası aşınma Şekil 12. S4 numunesinin aşınma kanalı (EDS) analizi Şekil 16. S6 numunesinin SiC taneciği (EDS) analizi Şekil 13. S5 numunesinin 10 N yük sonrası aşınma Şekil 11-16 da S4-S5-S6 numunelerinin 10N yük altında SiC katkısı artırılmış olan üç numunenin aşınma SEM ve EDS analizleri verilmiştir. Bu numuneler kaplama işleminden sonra havada soğutulmuşlardır. S4 numunesinde kaplama bölgesine ilave edilen SiC miktarı az olduğundan kaplama tabakası kısmen sünekliğini korumuş ve daha iyi enerji absorbe etmiştir. Sonuçta S4 numunesindeki aşınma S5 numunesinden daha az olmuştur. S6 numunesinde ise Si, Fe ve Cr elementlerinden oluşan bir kaynak bölgesi elde edilmiştir. Bu da kritik soğutma hızını düşürmüş, oluşması muhtemel metalkarbürler (MxCy türü) [7] sertliği daha da artırmış ve ayrıca tabaka kalın olduğundan ana kütle içerisine daha az miktarda SiC ve Cr geçişmesi söz konusu olmuştur. Ana kütleye daha az oranda Cr ve C un geçişmesi Şekil 14. S5 numunesinin aşınma kanalı (EDS) analizi 422
AISI 4142 Çeliğinin Elektrik Ark Kaynağı İle Yüzey Modifikasyonu Sonrası Aşınma Davranışının İncelenmesi sünekliğin azalmasını önlemiş ve bu alaşım yüksek bir aşınma direnci göstermiştir. 4. Sonuçlar Bu çalışmada, alt tabaka malzemesi olarak seçilen AISI 4142 çeliğinin yüzeyine SiC tozu kullanılarak elektrik ark kaynak yöntemi yüksek Cr lu bazik tip elektrot kullanılarak yüzey modifikasyonu yapılmıştır. Kaplama tabakaları abrasiv aşınma testine tabi tutulmuş ve şu sonuçlar elde edilmiştir; a. Aşınma özellikleri birbirine yakın çıkan S4 ve S5 numunelerinde; S5 de daha kalın bir SiC katının çözünmeden kalması ve kaplama bölgesinde yeterince çözünmediğinden ve bölgeye iyi tutunamadığından aşındırma esnasında silisyum karbür tanecikleri daha yüksek oranda kopma göstererek aşınma kayıplarını artırmıştır. b. En iyi aşınma dirençlerini veren S3 ve S6 numunelerinde oluşması muhtemel metal karbürlerin (M x C y türü) [7] dengeli dağılması, kısmen aşınmaya dayanıklı sert martenzit katının oluşması ve modifikasyonla kaplama katı oluşturulan kısmen de olsa hâlâ sünek özellikte bulunduğu ve enerji absorbe özelliğini koruduğu belirlenmiştir. c. S3 ve S6 numunelerinde aşınma direncinin yüksek çıkmasının nedeni de yine aynı kaynak koşulları altında kaplama tozu miktarının (SiC) artması ile kaynak etki derinliğinin azalmasıdır. Bu nedenle ana malzeme sünekliğini yitirmemiştir. Öneri olarak, sonraki çalışmalarda; d. Başka elektrodlarla çalışarak kaynak ve aşınma yeteneğinin araştırılması yapılabilir. e. Kaynak parametreleri ve nüfuziyet derinliği değiştirilerek incelenebilir. Teşekkür: Bu çalışma 1121 no lu FÜBAB projesi tarafından desteklenmiştir. Kaynaklar 1. Atony K.C., Antony A.N., Bhansali K.J., Messler R.W., Miller A.E. and Price M.O., (1983). In:Hardfacing, 6, ASM, Handbook, 771. 2. Hallen H., Eugscheider E., Ait-Mechideche A., Hettiger F., Morkramer U., Lugscheiderin E., (1992). Proceedings of the International Thermal Spray Conference, Orlando, FL, USA, 893. 3. Shin, J.C., Doh J.M., Yoon J.K., Lee D.Y. and Kim J.S. (2003). Effect of molybdenum on the microstructure and wear resistance of cobalt-base Stellite hardfacing alloys, Surface and Coatings Technology, 117 126. 4. Lu, S.P., Kwon, O.Y., Guo Y., (2003). Wear behavior of brazed WC/NiCrBSi(Co) composite coatings, Wear, 421 428. 5. Buytoz S., Gür A.K.., Sarsılmaz F., (2005). Tungsten Asal Gaz Yöntemiyle Üretilen SiC p Esaslı Kaplamaların Mikroyapısı, Metal Makine Dergisi, 180-187. 6. V.V. Çay, H. Çelik, M.S. Gök, (2004). Elektrik ark kaynak yöntemiyle yüzeyi alaşımlandırılan AISI 1010 çeliğinin abrasiv aşınma Davranışının araştırılması, Denizli Malzeme Sempozyumu, 101-109. 7. Buytoz S., Yıldırım, M.M ve Eren H., (2006). TIG metodu kullanılarak yapılan Fe-Cr-C kaplamalarının karakterizasyonu, Fırat Üniv. Fen ve Müh. Bil. Dergisi, 267-270. 8. Surian,B.E., Trotti, J., (1994). İnfluence of Chorium on the Mechanical Properties and Microstructure on Metal Form AHigh-Strenght SMA Elektrode, Welding Research, 45-53. 9. Heitkemper, M., Fischer, A., Bohne, C., Pyzalla, A., (2001). Wear Mechanism of Laser Hardened Martensitic High-Nitrogen-Steels Under Slidding Wear, 250, 477-484. 10. Richard, R.B., Doane, D.V., (1994). ASTM Handbook; Heat Teratting, ASM İnternational. 4, 705. 11. Recep KOÇ, İbrahim MUTLU, (2005). Poli- Oksi-Metilen (POM) Ve Kompozitlerinin Abrasiv Aşınma Davranışları, Teknoloji Dergisi, 199 205. 12. Yıldız,T., Gür, A.K., (2007). AISI 4142 Çeliğinin Elektrik Ark Kaynağı İle Yüzey Modifikasyonu Sonrası Sertlik ve Mikroyapının İncelenmesi, Doğu Anadolu Bölgesi Araştırmaları (DAUM Dergisi), 5 (2), 147-152. 13. www.oerlikon.com.tr 423