Östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirlerde küresellik

Birim alana düşen küre sayısı, sekli ve dağılımı; homojen bir yapısal dağılım ve segregasyonu önlemede çok büyük bir önlem taşımaktadır. Küre sayısı ve şeklinin mekanik özelliklerin iyileştirilmesinde önemli bir etkiye sahip olduğu ve ASTM A 395-70’ na göre birim alana düşen küre sayısının 150 – 250 küre/mm² olması gerektiği belirtilmektedir. Küre sayısının artması, döküm parçada döküm durumunda ferrit oluşumunu arttırdığı bilinmektedir. Buna paralel olarak izotermal işlemde de dönüşümün kürelere yakın yerlerde ve tane sınırlarında olması nedeniyle, küre sayısının dönüşüm süresin de bir kısalmaya neden olacağı düşünülmektedir (Mallia 1998 ).

Küresel grafitli dökme demirin kalitesi ve başlangıç yapısının, östemperleme işlemi sonrasında elde edilecek mekanik özellikleri önemli ölçüde etkilendiği bilinmektedir. östemperleme sonunda küre sayısı azalması, aynı döküm kalitesinde olan malzemeler için, darbe enerjisinin artmasına yol açar. Çünkü, küre sayısının artması ile birlikte, çatlak başlangıcı olarak davranabilecek milyonlarca atomik boyutlu hatalar da artmaktadır.

Ayrıca östemperleme işlemi sonunda küre boyutlarında meydana gelen artış, darbe enerjisini olumsuz yönde etkiler. Bununla birlikte, bazı malzemelerin östemperleme sonrasındaki küreselliğinin başlangıca göre arttığı gözlenmiştir. Küreselliğinin artmasının mekanik özellikleri arttırdığı bilinen bir olaydır. Çünkü

küresellik arttıkça boşluk diye tabir edilen grafik modülleri etrafındaki gerilme konsantrasyonu, modül çevresine homojen olarak dağılmaktadır.

Östemperleme ısıl işlemi ile meydana gelen küre sayısının azalması ve küreselliğin artışı, küre boyutunun yapmış olduğu olumsuz etkiyi, beynitik matris ile birlikte gidermekte ve darbe enerjilerinde artış meydana getirmektedir.

Partikül boyut dağılımı analiz yöntemlerinin birçoğu partiküllerin bir şekle sahip olduğu varsayımına dayanır. Doğal olarak bir numune yüzeyinde partikül boyut dağılımı için yapılan düzlemsel ölçümde her bir partikülün kesilmiş bir küre parçasını simgeleyecek şekilde dairesel bir şekle sahip olması beklenmeyecektir. Bu durumda partiküllerin boyutsal ölçümünde kullanılan boyut dağılımı tekniğinin gerektiği tarzda yapılmalıdır.

5.2.6. Üretim parametrelerinin ÖKGDD etkisi

Optimum mikro yapı mekanik özelliklere sahip ÖKGDD’lerin üretilmesi için östenitleme sıcaklığı ve süresi, östemperleme sıcaklığı ve süresi ayrıca ilave edilen alaşım elementleri gibi parametrelerin kontrol edilmesi çok önemlidir.

5.2.6.1. Östenitleme sıcaklığı ve süresinin etkisi

Östenitleme sıcaklığı ve süresi, östenitin karbon içeriğini belirlemede ve ÖKGDD’lerin mikro yapı ve mekanik özelliklerin iyileştirilmesinde önemli bir parametredir. Uygun kimyasal kompozisyona sahip ve döküm hataları içermeyen KGDD malzemenin östemperleme işleminin ilk aşamasında 815-950 °C sıcaklık aralığında Östenitleme işlemi yapılır. Östenit matrisin karbon içeriğinin belirlenmesinde en önemli faktör Östenitleme sıcaklığıdır. Östenitleme sıcaklığı ÖKGDD yapısına ve özelliklerini belirlemede etkili olan östenitin karbon içeriğini kontrol eder. Yüksek sıcaklıklarda östenitleme, östenitin veya matrisin karbon

içeriğini yükseltir. Buna bağlı olarak da östemperleme aşamasında reaksiyon hızı düşer (Çetin 2005).

Östenitleme sıcaklığının azalması sonucunda düzenli östemperlenmiş yapı elde edilir. Bu yapı daha kararlıdır ve daha az martenzit içerir. Bununla birlikte östenitleme sıcaklığının azalmasıyla östemperlenebilme özelliği azalır. Matris içerisinde ferritin östenite dönüşmeden kalması olasıdır. Düşük sıcaklıkla östenitleme sonucu işlem aralığı genişler. Bu durum, ÖKGDD malzemelerin mekanik özelliklerinin iyileşmesine katkı sağlar. Östenitleme sıcaklığının düşürülmesiyle işlem aralığına daha az sürede ulaşır ve östemperlemeden sonra elde edilen mikro yapı daha kararlı olur ve daha az martenzit içerir (Çetin 2000).

Östenitleme sıcaklığının azalması mikro yapı üzerindeki etkileri aşağıda belirtilmiştir.

• Östemperlenmiş yapı incelir, iğnemsi ferrit ile östenit tane büyüklüğü azalır, her iki fazın sayısı ve homojen dağılımı azalır.

• Kalıntı östenit oranı azalır. • Blok halinde östenit içeriği azalır.

• Özellikle blok halindeki östenit merkezinde ve hücreler arası bölgelerde oluşan martenzit azalır (Çetin 2005).

Östenitleme sıcaklığının arttırılmasının mikro yapı üzerindeki etkileri aşağıda verilmiştir.

• Östemperlenmiş yapı kabalaşır. Ferrit plakaları östenit tanelerine kadar uzar, östenit tane boyutu arta. Ferrit plakalarının sayısı ve dağılımının homojenliği azalır.

• Yüksek karbonlu östenit/kalıntı östenit hacim oranı artar.

• İki tür kalıntı östenit oluşur. Düşük Östenitleme sıcaklıklarında, hâkim olan komşu ferrit plakalarının arasında film şeklinde oluşan östenit ve farklı yönlerde büyüyen etrafı sarılmış blok şeklinde östenittir.

• Hücreler arası bölgelerde ve blok halindeki östenit bölgeleri içerisinde veya merkezinde martenzit oluşumu artar (Çetin 2005 ).

Östenitleme süresi karbonca doymuş östenite tamamen dönüşmüş dökümleri sağlayacak minimum süre olarak tespit edilmelidir. 900 °C sıcaklıkta 2,5 cm çapında KGDD malzemeyi östenitlemek için 60 dakika süre yeterli olmaktadır. Ancak östenitleme sıcaklığının düşmesiyle birlikte alaşım elementlerinin segregasyonunu azaltmak için östenitleme süresi arttırılmalıdır. Östenitleme süresi döküm yapı içerisinde perlit içeriğinin artmasıyla önemli miktarda azalmakta, Si içeriğinin artmasıyla artmaktadır. Küre sayısının artmasıyla ise östenitleme süresinde çok az artış olmaktadır. Bu parametrelerden en önemlisi perlit miktarıdır. Perlit içeriği artınca östenitleme kinetiği çok hızlı gerçekleşir (Çetin 2005).

5.2.6.2. Östemperleme sıcaklığı ve süresinin etkisi

Östenitleme süresi ve sıcaklığının yanı sıra östemperleme sıcaklığı ve süresinin KGDD malzemenin mekanik özellikleri ve aşınma performansları üzerinde etkileri vardır. Bu nedenle genel anlamda östemperleme işleminin optimum kontrolü arzu edilen nihai ÖKGDD ürününün elde edilmesi için önemli olduğu yapılan çalışmalarda belirtilmiştir. Mekanik özellikler üzerinde östenitleme sıcaklığının etkisi, östemperleme sıcaklığı ve süresine bağlı olarak belirlenmektedir. Bu nedenle, östemperleme sıcaklığı ve süresinin mekanik özellikler üzerindeki etkisi östenitleme sıcaklığına göre daha önemlidir. Optimum mekanik özellikler ve aşınma direncinin elde edilebilmesi için östemperleme sıcaklığı ve süresinin seçimi önemli bir parametredir. Östemperleme ve östenitleme sıcaklığına bağlı olarak östemperleme süresinin yüksek karbonlu östenit içeriği sırasıyla yaklaşık, 80, 60 ve 40 dakika östemperleme süresinde elde edilmiştir. Östemperleme süresinin uzamasında yüksek karbonlu östenit içeriğinin alacağı söylenebilir (Çetin 2005).

Östemperleme sıcaklığı nihai mikro yapının ve buna bağlı olarak da mekanik özelliklerin belirlenmesi açısın dan östemperleme çevriminde birinci önceliğe sahiptir. 250-400 °C sıcaklık aralığında gerçekleştirilen östemperleme ısıl işleminde 330°C altında elde edilen yapı alt ösferritik yapı, yüksek dayanımlı, sert ve aşınmaya karşı dirençli iken, üst ösferrit yapının dayanımı daha düşük, bunun yanı sıra sünekliği ve tokluğu daha yüksektir. Östemperleme sıcaklığının artışına bağlı olarak

üst ösferrit yapısı, alt ösferrit yapısına göre matris içerisinde daha az martensit ve daha fazla yüksek karbonlu östenit içerir.

Östemperleme süresinin seçiminde oldukça önemlidir. Östemperleme süresi belirli östenitleme ve östemperleme sıcaklıkları işçin mekanik özellikleri optimize etmek için seçilir. Östemperleme süresinin artmasıyla birlikte dayanımı, süneklik ve darbe direnci artarken sertlik azalır. Sürenin çok az seçilmesi durumunda, mekanik özellik düşer. Bu düşüş matriste büyük oranda martenzit oluşumuyla açıklanmıştır. Oluşan martenzit, östemperleme sıcaklığında oda sıcaklığında soğutma sırasında dönüşmemiş ve düşük karbon içeriğine sahip östenitten ileri gelmektedir. Östemperleme süresi arttıkça martenzit içeriği azalır. Bunun yanın da ferrit ve yüksek karbonlu östenit miktarı artar. Uzun östemperleme süresine dayanım sabit kalırken süneklik ve darbe enerjisi azalır.

5.2.6.3. Alaşım elementlerinin etkisi

Östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirlerde en uygun mikro yapı ve mekanik özellikleri de elde etmek için malzemenin kimyasal yapısı önemli bir faktördür.

Karbon: KGDD’lerde karbon içeriği % 3.6-3.8 arasında kontrol edilmelidir. %3-4 aralığında karbon içeriği malzemenin çekme dayanımını artırırken uzama ve sertliğe etkisi oldukça azdır (Çetin 2005).

Silisyum: ÖKGDD’lerde silisyum içeriği % 2,4-2,8 aralığında değişir.

Silisyum grafit oluşumunu teşvik eder. Karbonun östenitteki çözünürlüğünü düşürür ve ösferritik yapı içindeki karbür oluşumunu engeller. Silisyum içeriğinin artmasıyla darbe dayanımı arterken sünek-gevrek geçiş sıcaklığı düşer (Çetin 2005).

Manganez: ÖKGDD’lerde manganez içeriği % 0,3’ü geçmemelidir. Bu sınır istenilen döküm kalitesi ve östemperleme sırasında katı hal reaksiyon kinetiği üzerinde etkilir.

Molibden: Molibden sertleştirilebilirlik kabiliyetine ve aşınma direncini

Bakır: Bakır yeterli sertleşebilirliği sağlamak için 2,5 mm çapında döküm parçalarda östemperleme işleminin başarılı şekilde gerçekleşmesi amacıyla ilave edilirken nikel ve molibden ile birlikte ilave edilmesinin daha etkili olabileceği söylenebilir.

Nikel: Ötektit karbürlerin önlenmesi için ÖKGDD’lere ilave edilir.

Sertleşebilirliği artırmak için % 2 oranın da katılır. Bakır ile birlikte ilave edilmesinde yarar vardır.

Krom: Dayanım ve östenitin sertleşme kabiliyetini artırır. % 0,5-0,8

aralığında ilave edilebilir.

5.2.7. Östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirlerin teknolojik