6 th Intrnational Advancd Tchnologis Symposium (IATS 11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turky Laml Grafitli Dökm Dmirlrin MoSi 2 v Çşitli Sicakliklarda Sintrlnmiş B 4 C il Gaz Tungstn Ark Kaynak Yöntmi Kullanilarak Yüzy Modifikasyonu M. Erdoğan 1, M. Karabaş 2 1 Afyon Kocatp Ünivrsitsi, Tknik Eğitim Fakültsi Mtal Eğitimi Bölümü, Afyonkarahisar 2 Hakkari Ünivrsitsi, Mühndislik Fakültsi, Malzm Bilimi v Mühndisliği Bölümü, Hakkari Surfac Modification Of Vrmicular Cast Iron With Mosi2 And B4c Which Wr Sintrd At Various Tmpraturs By Using Gas Tungstn Arc Wlding Mthod Abstract In this study, invstigation on surfac of vrmicular cast iron with alloyd MoSi 2 and B 4 C compounds of various of microstructur and mchanical proprtis is prsntd. Sampls which wr prpard and mchanical cland wr drilld to th cylindrical dimnsions 3mm x 2,5 mm by using drilling machin. MoSi 2 powdrs, B 4 C powdrs sintrd at 1200 C, 1300 C and 1400 C, B 4 C%50 + MoSi 2 powdrs %50 sintrd at 1400 C placd in a prpard cylindrical bor. This powdrs ar alloyd on th surfac of th sampls by using gas tungstn arc wlding mthod. Surfac of th cast iron was mtallurgical r-alloyd and alloy layrs wr invstigatd on th bas of microstructur and micro hardnss. Important hardnss incrmnts wr obsrvd aftr surfac alloying on th alloyd zon. it is possibl to incras th surfac hardnss and srvic lif of th vrmicular cast irons by various surfac tratmnt way. Kywords Vrmicular Cast Iron, Gas Tungstn Arc Wlding Mthod, Surfac Alloying kabiliytinin arttırıldığı gözlmlnmiştir. Bu durum is laml grafitli dökm dmirlr kullanılarak imal diln makin parçalarının çşitli srvis şartlarında uzun sür kırılmadan çalışmalarına ngl olmaktadır. Bazı uygulamalarda kullanılan makin parçalarının hm aşınma dirnçlrinin hm d darb dayanımlarının yüksk olması istnir. Bunun için bu parçaların yüzyd srt,iç v mrkz bölglrd is daha yumuşak v daha tok olması istnir. Makin parçalarına bu tür özlliklri kazandırmak için çşitli yüzy işlmlri uygulanır. Bu yüzy işlmlrind n önmlisi yüzyi alaşımlandırarak istnn özlliklri ld tmktir. Yapılan araştırmalar nticsind MoSi 2 v B 4 C bilşiklri kullanılarak laml grafitli dökm dmirlrin yüzylrinin alaşımlandırılması sonucunda bu malzmlr daha üstün özlliklr kazandırabilcği düşünülmüştür. MoSi 2 bilşiği yüksk sıcaklık dayanımı çok iyi, rgim sıcaklığı yüksk, düşük trmal gnlşm gibi özlliklri ndniyl yüksk sıcaklık malzm tknolojisind sıkça kullanılan bir bilşiktir. Yüksk sıcaklıklara ısıtılan fırınlarda dirnç lmanı olarak yaygın olarak kullanılan MoSi 2 2020 C gibi yüksk bir rgim sıcaklığına sahiptir[8-9-10]. Şkil 1 d Mo-Si dng diyagramı vrilmiştir. I. GIRIŞ Endüstrid kullanılan dökm dmirlrin % 90'ından fazlasını laml grafitli dökm dmirlr oluşturur. Yüksk basma mukavmti, titrşim sönümlm kabiliyti, ısıya karşı dirnçlri, sürtünm v aşınma dirnçlrinin iyi oluşu,yoğunluklarının düşük olması v diğr dökm dmirlr gör iyi işlnbilm özlliklrindn dolayı özllikl otomotiv ndüstrisind kullanılan birçok makin parçası laml grafitli dökm dmirlr kullanılarak imal dilir. Piston halkaları, silindir gömlklri, krank şaftlar, dişlilr gibi uygulamalardaki kullanılışı bunun n güzl örnğidir. Bu ndnl laml grafitli dökm dmirlrin çşitli srvis şartlarında kullanım ömürlrini arttırmak büyük önm taşımaktadır. Bu amaçla yapılan çalışmaların bir çoğu laml grafitli dökm dmirlrin ısıl işlmi üzrind yoğunlaşmıştır. Bu malzmlr için yapılan ısıl işlmlrin sonucunda laml grafitli dökm dmirlrin srtliğinin önmli drcd azaldığı fakat işlnbilm Şkil 1 Mo-Si dng diyagramında MoSi 2 ara bilşiği [10] B 4 C is Yüksk rgim sıcaklığı, yüksk srtlik, düşük yoğunluk, kimyasal maddlr karşı üstün dirnç, yüksk 426
Laml Grafitli Dökm Dmirlrin MoSi2 v Çşitli Sicakliklarda Sintrlnmiş B4C il Gaz Tungstn Ark Kaynak nötron absorpsiyonu özlliğin sahip olma v üstün mkanik özlliklri ndniyl bor karbür, günümüzd ilri tknolojinin önmli bir malzmsidir. Bor karbür, mtalik karaktristikt olmayan bir bilşik olup, n srt malzmlrdn biridir. Ayrıca B 4 C ün mkanik özlliklri sintrlm sıcaklığına gör dğişiklik göstrmktdir. B 4 C inrt v oksitlyici ortamlarda oda sıcaklığındaki mukavmt dğrini 1100 C y kadar koruyabilmktdir. Yüzy bilşiminin dğiştirilbilcği birçok yöntm ndüstriyl olarak uygulanmaktadır. CVD, PVD gibi yüzy kaplama işlmlri yaygın olarak kullanılırkn, nitrürlm, karbürlm, iyon implantasyonu, plazma puls dmti, plazma taşınımlı ark, lazr il yüzy alaşımlaması gibi diğr tkniklrd kullanım alanı bulmaktadır [1]. Gaz Tungstn Ark Kaynak (GTAW) yöntmi olarak bilinn tknik yüzy alaşımlamasında karmaşık donanım grktirmyn ısı kaynağı olarak kullanılan yöntm olarak araştırma konusu olmaktadır [2-4-7]. Tablo 2 Yüzy modifikasyonunda kullanılan TIG kaynak dğrlri Dökm Dmirlr 1. Kalit 2. Kalit Kaynak Esnasında Uygulanan Şartlar 1.şart 2.şart 3.şart 4.şart 5.şart 90A, 90A, Bu çalışmada laml grafitli dökm dmirlrin yüzylrinin MoSi 2 v B 4 C bilşiklri il alaşımlandırılması sonucu mkanik özlliklrinin dğişimi inclnmiştir. Hazırlanan v mkanik olarak tmizlnn numunlr matkap yardımı il 3x2,5 mm boyutlarında silindirik dliklr açılmış v bu dliklr MoSi 2, 1200 C, 1300 C v 1400 C d sintrlnmiş B 4 C v 1400 C d sintrlm sonucu ld diln %50 B 4 C %50 MoSi 2 tozları gaz tungstn ark kaynağı kullanılarak v kaynak paramtrlri sistmatik olarak dğiştirilrk numun yüzylri alaşımlandırılmıştır (Şkil 2). Bu işlmdn sonra numunlr tam kaynak bölglrini ksck şkild ortalarından ksilmiştir. lktrot 110A, 25sn, 110A, 25sn, 20sn, 20sn, 25sn, 25sn, Koruyucu Gaz(Ar) Yüzy modifikasyonu sonucu oluşan kaplamaların mikro yapıları (sas, gçiş v kaynak bölglri) mtalografik olarak inclnmiştir. Son aşamada numunlrin 3 farklı bölgsindn Vickrs srtlik dğrlri ölçülrk grkli dğrlndirmlr yapılmıştır. II. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Dnysl çalışmalarda kullanılmak üzr blirlnn iki farklı laml grafitli dökm dmir numunlrin kimyasal kompozisyonları Tablo 1 d vrilmiştir.,, Tablo 1 Dnylrd kullanılan laml grafitli dökm dmirlrin kimyasal kompozisyonları. Dökm Kimyasal Kompozisyon, % Ağırlıkça Dmirl C Si Mn P S Cr Ni Mo V W r 1.Kalit 3 6 0 2,10 0,463 0,036 0,104 0,0026 0,001 0,0008 0,003 0,0054 2.Kalit 3 1 3 1,94 0,818 0,101 0,0834 0,0269 0,0406 0,0008 0,01 0,0054 İki farklı kalitdki laml grafitli dökm dmirlr gruplara ayrılarak silindirik numunlrin mrkzlrin glck şkild matkap yardımıyla 3x2,5 mm boyutlarından boşluklar açılmıştır. Daha sonra numunlr tmizlnrk alaşımlama işlmin hazır duruma gtirilmiştir. Daha önc hazırlanan farklı sıcaklıklarda sintrlnmiş MoSi 2, B 4 C v %50MoSi 2 +%50B 4 C tozları tmiz bir kapta çok az saf su kullanılarak pasta halin gtirilmiş v açılan boşluklara tozlar arasında hiç boşluk kalmayacak şkild doldurulmuştur. Laml grafitli dökm dmirlrin yüzy alaşımlaması TIG kaynak kipmanları kullanılarak 15 volt grilim, farklı ampr v sürlrd uygulanmak surtiyl grçklştirilmiştir. Tablo 2 d TIG paramtrlri v dny grupları göstrilmiştir. Tungstn uç gomtrisi olarak daha drin nüfuziyt sağlayan konik uç sçilmiştir. Isı girdisinin numunlrd daha fazla olmasını sağlamak amacıyla TIG kaynak lktrotu ( ), parça is (+) kutuba glck şkild bağlanmıştır. Koruyucu gaz olarak argon gazı kullanılmıştır. İşlm sonrası alınan mtalografik ksit boyunca Vikrs srtlik yöntmi kullanılarak srtlik ölçümlri yapılmış v içyapıdaki dğişim optik ışık mikroskobu il inclnmiştir. Koruyucu Gaz Nozulu numun Havşa Boşluğu (3x2,5mm) III. DENEYSEL SONUÇLAR VE TARTIŞMA A. Mikroyapı Analizi Bu çalışmada iki faklı kalitd kürsl grafitli dökm dmir numunlr kullanılmıştır. Kullanılan numunlrin alaşımlama öncsi mikroyapıları aşağıda vrilmiştir (Şkil 3). Şkil 2 GTAW yöntmiyl yapılan yüzy alaşımlama işlminin şmatik göstrimi 427
M. Erdoğan, M. Karabaş a) b) kaynak bölgsind ld diln iç yapı fotoğrafını göstrir. Burada ilav diln %50B 4 C, %50MoSi 2 tozları kaynak bölgsind mydana gln ısıl işlm d bağlı olarak srtliğin sas v gçiş blglrin oranla daha da artmasına ndn olmuştur. Alaşımlama işlmin hazırlanan numunlrin 1200 C d sintrlnrk ld dilmiş B 4 C tozları il alaşımlanması il ld diln mikroyapı rsimlri aşağıdaki gibidir. Şkil 3 İki farklı sınıf dökm dmirin orijinal içyapıları, a: 1. Kalit, b: 2. Kalit kürsl grafitli dökm dmir Laml grafitli dökm dmir numunlrin MoSi 2 tozları kullanılarak yüzy alaşımlaması sonucunda aşağıdaki mikroyapı rsimlri ld dilmiştir. Şkil 6 Laml Grafitli Dökm Dmir numunsinin 1200 C d sintrlm sonucu ld diln B 4 C tozları il 90A, 15sn, ta TIG kaynağı il yapılmış yüzy modifikasyonu sonunda çkilmiş içyapı fotoğrafları; a) Esas malzmsinin, b) Gçiş bölgsinin, c) Kaynak bölgsinin ) a) b) Şkil 4 Laml Grafitli Dökm Dmir numunsinin MoSi 2 tozları il 90A, 15sn v ta TIG kaynağı il yapılmış yüzy modifikasyonu sonucunda çkilmiş içyapı fotoğrafları; a) Esas malzmsinin içyapı fotoğrafı, b) Gçiş bölgsinin, c) Kaynak bölgsinin Hazırlanan numunlrin %50 B 4 C + %50 MoSi 2 tozları karışımı il yüzy alaşımlaması sonucu aşağıda görüln mikro yapılar ld dilmiştir. c) Yukarıda L.G.D.D numunsinin 1200 C B 4 C tozları il alaşımlandırılması sonucu ld diln içyapı fotoğrafları göstrilmiştir (Şkil 6). a şkli laml grafitli dökm dmirin içyapısını göstrir.burada laml yapılı grafitlr dökm dmir içrisind blirgin olarak görülmktdir.b fotoğrafı gçiş bölgsini göstrir.burada L.G.D.D klnn B 4 C tozları a fotoğrafında görünün çizgisl yapılı lamllrin parçalanarak dağılmasını v mukavmtin bu parçalanmaya bağlı olarak artmasını sağlamıştır. Numunlrin 1300 C d sintrlnrk ld dilmiş B 4 C tozları il alaşımlanması il ld diln mikroyapı rsimlri aşağıdaki gibidir a) b) Şkil 5 Laml Grafitli Dökm Dmir numunsinin 1400ºC d sintrlm sonucu ld diln B 4 C tozları il MoSi 2 tozlarının 90A, 15sn, ta TIG kaynağı il yapılmış yüzy modifikasyonu sonunda çkilmiş içyapı fotoğrafları; a) Esas malzmsinin (L.G.D.D), b) Gçiş bölgsinin, c) Kaynak bölgsinin Yukarıda prlitik L.G.D.D numunsinin sintrlnmiş tozlar il alaşımlandırılması sonucu ld diln içyapı fotoğrafları göstrilmiştir (Şkil 5). a fotoğrafı sas mtalin içyapısını göstrir.burada laml grafitlr nt bir şkild görülmktdir.b fotoğrafı gçiş bölgsini göstrir. Burada L.G.D.D klnn %50B 4 C v %50MoSi 2 tozları kürsl grafitlrin küçülmsini sağlamış v gçiş bölgsind srtliğin 272.5HV dn 395.2HV yükslmsin ndn olmuşlardır. b fotoğrafında gçiş bölgsind klnn tozların iç yapıyı yarı homojn bir hal gtirdiği görülmktdir. c şkli inclnn numunnin c) Şkil 7 Laml Grafitli Dökm Dmir numunsinin B 4 C tozları il 90A, 15sn v ta TIG kaynağı il yapılmış yüzy modifikasyonu sonunda ld diln içyapı fotoğrafları; a) Esas malzmsinin içyapı fotoğrafı, b) Gçiş bölgsinin, c) Kaynak bölgsinin Yukarıdaki iç yapı fotoğrafları laml grafitli dökm dmirin B 4 C tozları il alaşımlandırılması sonucu ld dilmiştir (Şkil 7). a fotoğrafı laml grafitli dökm dmirin sas malzmsini göstrir. Burada iç yapıda laml yapılı grafitlr nt bir şkild blirlnbilmktdir. b fotoğrafı numunnin gçiş bölgsini ifad dr. Bu bölgd klnn B 4 C tozları birinci fotoğrafta görünn laml grafitlrin boyutlarının küçülmsini sağlamıştır. Kırılgan yapılı grafitlrin küçülmsiyl malzmnin gçiş bölgsind daha mukavmtli v daha homojn dağılımlı bir bölg ld dilmiştir. 428
Srtlik(HV) Laml Grafitli Dökm Dmirlrin MoSi2 v Çşitli Sicakliklarda Sintrlnmiş B4C il Gaz Tungstn Ark Kaynak Aşağıda Numunlrin 1400 C d sintrlnrk ld dilmiş B 4 C tozları il alaşımlanması il ld diln mikroyapı rsimlri göstrilmktdir (Şkil 8). Şkil 8 Laml Grafitli Dökm Dmir numunsinin B 4 C tozları il 90A, 15sn v ta TIG kaynağı il yapılmış yüzy modifikasyonu sonunda ld diln içyapı fotoğrafları; a) Esas malzmsinin içyapı fotoğrafı, b) Gçiş bölgsinin, c) Kaynak bölgsinin L.G.D.D in klnn tozlar il alaşımlanması sonucu kırılgan yapılı lamllr parçalanarak dağılmış v L.G.D.D nin mkanik özlliklri arttırılmıştır. Eklnn B 4 C tozlarının mkanik özlliklr tkisini srtlik dğrinin artması il ifad dbiliriz. Esas mtald ld diln srtlik dğri 338.7 HV ikn gçiş bölgsind ld diln srtlik dğri yaklaşık olarak 2 kat artmıştır. Dökm dmir ilav diln B 4 C tozları bu bölgd iyi bir alaşımlama sağlayarak homojn bir şkild dağılım göstrmişlrdir. Laml yapılar tamamn parçalanarak dağılmıştır. TIG kaynağının uyguladığı yüksk sıcaklığında tkisi (hızlı soğuma) il srtlik sas v gçiş bölglrin gör önmli drcd artmıştır B. Srtlik Dnyi Sonuçları Laml Grafitli Dökm Dmir numunlrin blirtiln bilşiklrl alaşımlanması sonucunda aşağıda blirtiln srtlik grafiği ld dilmiştir (Şkil 9). Şkil 8 d göstriln srtlik dğrlri grafiği inclndiğind yüzy alaşımlaması yapılan bölglrd srtliğin numunlrin diğr bölglrin nazaran daha fazla olduğu gözlnmiştir. Bir başka ifadyl alaşımlama yapılan bölg v ara bölgnin srtlik dğrlri sas malzmnin srtliğin gör büyük artış göstrmiştir. Özllikl alaşımlama yapılan dolgu bölglrind srtliğin n yüksk dğr ulaştığı tspit dilmiştir. MoSi 2 il yapılan yüzy alaşımlamasının kaynak bölgsindki srtlik artışının diğr numunlr gör daha büyük oranda olduğu görülmüştür. En yüksk srtlik dğri is 1400 C sintrlnmiş B 4 C il yapılan yüzy modifikasyonu sonucunda ld dilmiştir. 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 MoSi2 B4C(1200 C) B4C(1200) B4C(1300 C) B4C(1300) B4C(1400 C) B4C(1400) B4C+MoSi2 Alaşım Bölgsi Gçiş Bölgsi Esas Mtal Şkil 9 Laml Grafitli Dökm Dmirlrin yüzy modifikasyonu sonucu ld diln srtlik dğrlri IV. SONUÇLAR Laml grafitli dökm dmirlrin MoSi 2 v B 4 C tozları kullanılarak yüzy alaşımlaması yapılarak ld diln mikroyapı fotoğrafları v srtlik dğrlri göz önün alınarak aşağıda sıralanan sonuçlar ld dilmiştir. Laml grafitli dökm dmirlrd, gaz tungstn ark yöntmi kullanılarak yapılan yüzy modifikasyonu sonucu 300 Hv srtlik dğrindn 900 Hv srtlik dğrlrin kadar artış ld dilmiştir. Laml grafitli dökm dmir yapısında mvcut olan çizgisl v inc yapılı grafitlr, yüksk sıcaklık tkisiyl çözünrk alaşım bölgsind MoSi 2 çözünmsiyl ortaya çıkan molibdn il birlşrk molibdn karbür bilşiklri oluşturduğu mikroyapı görüntülrinin analizi sonucunda görülmüştür. Başlangıç içyapısı daha prlitik v daha fazla karbon içrn (1K) laml grafitli dökm dmird srtlik artışının daha fazla olduğu, frritik yapıya sahip laml dökm dmird srtlik artışının daha az grçklştiği tspit dilmiştir. KAYNAKLAR [1] Zhonghou Li, Yanmi Zhang, Pinz Zhang, Zhong Xu, Effct of carbon contnt of substrat on alloying layr in doubl glow plasma surfac alloying, Vacuum 80, 568 573, 2006. [2] X.H. Wang, M. Zhang, Z.D. Zou, S.L. Song, F. Han, S.Y. Qu, In situ production of F TiC surfac composit coatings by tungstn-inrt gas hat sourc, Surfac & Coatings Tchnology 200,6117 6122, 2006. [3] S.Mridha, H.S.Ong, L.S.Poh, P.Chang, Intrmtallic coatings producd by TIG surfac mlting, Journal of Matrial Procssing Tchnology 113, 516-520, 2001. [4] Wang Xinhong, Zou Zngda, Song Sili, Qu Shiyao, Microstructur and war proprtis of in situ TiC/FCrBSi composit coating prpard by gas tungstn arc wlding., War 260 25 29, 2006. [5] F.T. Chng, K.H. Lo, H.C. Man, NiTi cladding on stainlss stl by TIG surfacing procss,part II. Corrosion bhavior, Surfac and Coatings Tchnology 172, 316 321, 2003. [6] Sonr Buytoz, Mustafa Ulutan, In situ synthsis of SiC rinforcd MMC surfac on AISI 304 stainlss stl by TIG surfac alloying, Surfac & Coatings Tchnology 200, 3698 3704, 2006. 429
M. Erdoğan, M. Karabaş [7] M. Eroğlu, N. Özdmir, Tungstn-inrt gas surfac alloying of a low carbon stl, Surfac and Coatings Tchnology 154, 209 217, 2002. [8] C.W. Wgst, Stahlschlüssl, Vrlag Stahlschlüssl Wgst, Marbach, 1989. [9] A.A. Sharif, A. Misrab, J.J. Ptrovic, T.E. Mitchll, Alloying of MoSi 2 for improvd mchanical proprtis, Intrmtallics 9, 869 873, 2001. [10] Erik Ström, Mchanical proprtis of Mo5Si3 intrmtallics as a function of composition Matrials Charactrization 55, 402 411, 2005. [11] Aran A., Doç. Dr., Mtal Döküm Tknolojisi, İstanbul Tknik Üniv. Kütüphansi, Sayı: 1395, 1989. [12] Ersümr A., Prof., Dmir Döküm, Birsn Kitabvi Yayınları, İstanbul 1981. [13] Askland D., R., Çviri: Mhmt Erdoğan, Malzm Bilimi V Mühndislik Malzmlri, Th Scinc And Enginring Of Matrials, Cilt.1, 3. Baskı, Nobl Yayınvi, Ankara 1998. [14] Smith W., F., Prof., Çviri: Mhmt Erdoğan, Mühndislik Alaşımlarının Yapı V Özlliklri, Smith Structur And Proprtis Of Enginring Alloys, Cilt:1, 2. Baskı, Nobl Yayınvi, Ankara 2000. [15] Çtin M., Gül F., Kuru Kayma Şartlarında Matris Yapısının Kürsl Grafitli Dökm Dmirin Sürtünm Katsayısına V Pim Sıcaklığına Etkisi J. Fac. Eng. Arch. Gazi Univ, Vol 22, No 3, 273-280, 2007. [16]http://www.mtt.gazi.du.tr/Drs_notlari/Karisik/Dokmdmirlr.htm [17] Şn, U., 1997, Kürsl Grafitli Dökm Dmirlrin Bor Kaplanması v Kaplama Özlliklri, Doktora tzi İ.T.Ü., Fn Bil. Ens., İstanbul. [18] Kayalı Y.,2006, Bortmprlnmiş Kürsl Grafitli Dökm Dmirin Mkanik Özlliklri v Aşınma Davranışının Araştırılması Yüksk Lisans Tzi, A.K.Ü., Fn Bil. Ens., Afyonkarahisar. [19] Özl, A., 1994, GGG 40-80 Sınıfı Kürsl Grafitli Dökm Dmirlrd Östmprlm Isıl İşlminin Darb Dirnci v Darb Gçiş Sıcaklığına Etkisinin İnclnmsi, Doktora Tzi, İ.T.Ü., Fn Bilimlri Enstitüsü, İstanbul. [20] Stafnscu, D. M., 1990, Classification and Basic Mtalurgy of Cast Iron, Mtals Handbook, 10th dition, ASM İntrnational, USA, pp. 3-55. [21] İzgiz, S., 2006, Silindir Gömlği Malzmlri [22] Ucun İ., Aslantaş K., Taşgtirn S., Gök K., Östmprlnmiş Kürsl Grafitli Dökm Dmirin Sintrlnmiş Karbür Ksici Takım İl Tornalama İşlmind Takım Prformansının İnclnmsi J. Fac. Eng. Arch. Gazi Univ, Vol 22, No 4, 739-744, 2007. 430