Kimyasal kompozisyonun karbür reaksiyonlarına etkisi

Toplam ötektiğin hacim yüzdesi, her bir farklı ötektiğin hacim yüzdeleri ve bunların çökelme sıralaması; kimyasal kompozisyona, soğuma hızına ve kalıntı elementlerin varlığına bağlıdır.

Genellikle, toplam ötektik hacim yüzdesi, artan C bileşimi, artan W/Mo oranı, artan V bileşimi ve azalan soğuma hızı ile artar. Şekil 4.13, C bileşiminin ve katılaşma hızının bir fonksiyonu olarak AISI M2 çeliklerinde toplam ötektik hacim yüzdesini göstermektedir. Şekil 4.13’deki toplam ötektik hacim yüzdesi değerleri, katılaşması

su verme ile tamamlanmış olan numunelerdeki zayıf olarak veya tamamen birleşmiş ötektiğin oluşum başlangıcından hemen önce kalan sıvının hacimsel yüzdesi doğrultusunda dolaylı olarak elde edilmiştir, yani MC ötektiği hesaba katılmamıştır. Bu ölçüm metodu % 0,90’dan % 0,75’e kadar azalan bir karbon bileşimiyle artan hacim yüzdesini açıklamaktadır: düşük karbon bileşimiyle peritektik reaksiyon daha erken sona erer, böylece kalan sıvının hacimsel yüzdesi daha yüksek olur.

Şekil 4.13. Karbon bileşiminin ve soğuma hızının bir fonksiyonu olarak birleşmiş ötektiğin hacimsel yüzdesi.

Bu üç ötektik tipinin her birinin hacimsel yüzdesi, bu çerçevede, aralarında bir kıyaslama yapılarak belirlenir. Ortaya çıkan ilişkiler şunlardır:

1. M2C ötektiği M6C ötektiğine, artan Mo/W oranı, artan V bileşimi veya karbon bileşimi ve artan soğutma hızı ile tercih edilir. Şekil 4.14’de V bileşimi ve Mo/W oranı için gösterildiği gibi, bu değişkenlerin karşılıklı bir dayanışması, onların ötektik oluşum üzerindeki etkilerinin kantitatif limitlerini belirlemede mutlaka hesaba katılmalıdır [7].

Şekil 4.14. Sabit bir W eşdeğeri için, W, Mo ve V bileşimlerinin yüksek hız çeliklerindeki ötektiklerin oluşumu üzerindeki etkileri arasındaki ilişki.

Artan soğuma hızı ile M2C ötektiğinin hakimiyetini açıklamak için farklı teoriler öne sürülmüştür. Fredriksson ve Brising, artan soğuma hızının, peritektik reaksiyondan kalan sıvının içinde vanadyum segregasyonunun artışına sebep olduğunu, böylece, M2C karbürü M6C karbürüne göre vanadyumca daha zengin olduğundan dolayı, M2C ötektiğinin oluşumunu kolaylaştırdığını öne sürmüşlerdir [25]. Daha sonra Fredriksson ve Nica AISI M2 çeliğinde çok düşük vanadyum bileşimleriyle bile M2C ötektiği çökeltisinin artan soğuma hızları ile ilerletildiğini gözlemlediklerinden dolayı bu açıklamayı gözden geçirmişler ve metastabil M2C ötektiği çökeltisinin kinetik olarak tetiklendiğini ileri sürmüşlerdir [26].

Golczewski ve Fischmeister zamanla farklı açıklamalar sunmuşlardır [35]. İlk önerileri artan soğuma hızı ile artan segregasyona dayanmaktaydı; AISI M2 çeliğinin denge dışı katılaşmasında kalıntı sıvının kompozisyonunu hesaplamışlar ve C, Mo ve V bileşimleri için sırasıyla kütle-% 5, 7 ve 5 gibi yüksek değerler elde etmişlerdir. Daha sonra, M6C ve M2C ötektikleri arasındaki rekabeti çekirdeklenme için itici güç ile ilişkilendirmişlerdir (yüksek itici gücü olan ötektik diğerine üstünlük kurar). Buna dayanarak, yüksek soğuma hızının bir sonucu olarak kalıntı sıvının aşırı soğuması ne kadar yüksekse, M2C ötektiğinin çekirdeklenmesi için itici güç de o kadar fazla olduğu söylenebilir (Şekil 4.15).

Şekil 4.15. M6C ve M2C ötektik karbürlerinin oluşumu için itici güç: M2C ötektik

karbürünün oluşumu için itici güç artan soğuma hızı ile artar (a) T1; (b) T1<T2 ; ∆GM2C , M2C

ötektiği oluşumu için Gibbs serbest enerji değişimi.

Şekil 4.15, M2C ötektiğini tetiklemede V etkisini açıklamak için makul bir hipotez olanağı sunar. M2C karbürünün alaşımdaki tüm bileşim oranında V’u birleştirdiği ve termodinamik kararlılığının artan C bileşimi ile arttığı bilinmektedir. Bu sebeple, tüm V bileşiminin artması M2C karbürünün serbest enerji eğrisini aşağılara çekecek (Şekil 4.15) ve böylece verilen bir aşırı soğumada M2C karbürünün çekirdeklenmesi için itici güç artacaktır. Diğer bir deyişle, V bileşimi ne kadar yüksekse, M6C’nin yerine M2C oluşumuna izin vermek için gereken minimum aşırı soğuma o kadar düşük olacaktır ve aynı etkiyi elde etmek için gerekli olan soğutma hızı da o kadar küçük olacaktır

2. MC ötektiği; artan V bileşimiyle M6C ve M2C’ye tercih edilir. Tüm V bileşimini artırmak, peritektik reaksiyondan kalan sıvıyı V’ca zengin yapar, bu da hem oluşum sıcaklığını hem de hacimsel yüzdesini arttırarak MC ötektik oluşumu için itici gücü artırır; sonuç olarak, M6C ve M2C ötektiklerinin hacim yüzdeleri azalır. Genellikle, MC karbürünün hacimsel yüzdesi artan soğuma hızıyla artar; bununla birlikte AISI M2 çeliğinde düşük V bileşimi ile (%1,4’den daha az) bunun tersi gözlenmiştir . 3. Alaşımın nominal kimyasal kompozisyonunun etkileri yanında, ötektikler arasındaki mukayese eser alaşım elementlerinin varlığı ile de etkilenir. M6C ötektiğinin oluşumu silisyum, niobyum, nadir toprak metalleri ve yitrium tarafından

M2C ötektiği aleyhine kolaylaştırılır; azot, kalsiyum ve aluminyum ilaveleri ile bunun tersi gerçekleşir.

M2C, M6C ve MC öteklerinin bulunduğu çökelmedeki sıralama, ferrit ve östenit oluşumundan kaynaklanan segregasyon profillerinin ve bu ötektiklerin ayrışma reaksiyonlarının bir fonksiyonudur. Bu profiller aynı zamanda tüm kimyasal kompozisyon ve soğuma hızından etkilenir.

Şekil 4.16, 0,09 K.s-1 de, AISI M2 çeliğinin katılaşması süresince segregasyon profilleri üzerinde ve ötektiklerin çökelme sıralaması üzerinde V bileşimi etkisini göstermektedir. Vanadyum bileşimi ne kadar yüksekse, MC ötektiğinin oluşum sıcaklığının o kadar yüksek olduğu görülmektedir. Yüksek soğuma hızlarında %1,44 V içeren AISI M2 çeliğinin katılaşmasında hiç MC ve M6C ötektiği gözlenmemiştir, yalnızca M2C ötektiği oluşmuştur. Tüm düşük V bileşimi için, MC ötektiğinin oluşumu önceki M6C ötektik oluşumuna bağlıdır. M6C ötektiği bir kere oluştuğunda (düşük soğuma hızları), kalıntı interdendritik sıvı vanadyumca zenginleşir ve MC ötektiğinin oluşumuna yol açar. Diğer yandan eğer M6C ötektiği mevcut değilse (yüksek soğuma hızının bir sonucu olarak), peritektik reaksiyondan veya M2C ötektiğinin çökelmesinden kalan sıvı MC ötektiğinin oluşumunu sağlayamaya yetecek kadar bir V bileşimine sahip olmaz.

Şekil 4.16. M2 çeliğinin yönlendirilmiş katılaşması boyunca interdentritik sıvının kimyasal kompozisyonunun evrimi (a) 0,89C-1,44V; (b) 0,85C-3,15V (1) katılaşmanın başlangıcı; (2)

peritektik reaksiyonun başlangıcı; (3) M6C ötektiğinin başlangıcı; (4) MC ötektiğinin