8. TAKIM MALZEMELERİNDE MİKROYAPISAL TANIMLAMA VE
8.1. Faz Kontrastlanması
8.1.1. Renkli metalografi
8.1.1.3. Renkli dağlamanın takım çeliklerine uygulanması
Takım çelikleri adı altında toplanan çelikler genellikle dövme, haddeleme, delme gibi diğer metallerin şekillendirilmesi ile ilgili uygulamalarda ve kağıt, ahşap, çimento gibi malzemelerin kesilmesinde kullanılırlar. Çok değişik kullanım alanları olan bu çeliklerden istenen özelliklerde farklıdır. Bu nedenle ucuz olan yüksek karbonlu çeliklerden, pahalı ve karmaşık bir yapıya sahip olan yüksek hız çeliklerine kadar çok çeşitli türler içerirler.
Takım çeliklerinin ısıl işleminde amaç aşırı tane büyümesine neden olmadan östenit içinde mümkün olduğu kadar fazla karbür çözündürerek matriksin karbon ve alaşım elementi açısından zengin olmasını sağlamaktır.
Karbürler, karbon atomunun alaşım elementleri ile yaptıkları bileşiklerdir. Yalın karbonlu çeliklerde tek karbür türü karbonun demir ile oluşturduğu sementit’dir (Fe3C). Krom, molibden, vanadyum gibi karbür yapıcı elementlerin katıldığı alaşımlı çeliklerde ise çok daha karmaşık yapılı karbürler oluşur. En çok karşılaşılan karbür türleri şunlardır : M6C, M23C6, MC, M2C.
Karbürlerin diğer bir özelliği de çok sert olmalarıdır. Aşınma dayanımının yüksek olması istendiği uygulamalarda bir miktar karbürün matrikste çözünmeden kalması özellikle istenir. Su verme işlemi sonrası yüksek hız çeliklerinde çözünmemiş karbürlerin oranı %10-%20 arasında değişir. Östenitleştirme sırasında çözünmeye
başlayan ilk karbür türü M23C6 dır. Bu karbür türünü M6C takip eder. En zor çözünen MC türüdür. Çok yüksek sıcaklıklarda çözünmeye başlayan MC karbürü aynı zamanda karbürler içinde en sert olanıdır.
Cr, Mo, W, V içeren takım çeliklerinde su verme işlemi sonrası yapıda yalnızca M6C ve MC türü karbürler kalır. Molibden ve wolfram gibi elementler çeliğin ergime noktasını yükselterek bu tür çeliklerin 1200-1300 °C gibi yüksek sıcaklıklarda bölgesel ergimelere neden olmadan östenitlenebilmesini sağlamakta ve böylece M23C6 gibi karbürler matrikste tam olarak çözünebilmektedir. Ayrıca geç çözünen M6C ve MC gibi karbürlerin östenit tanelerini oldukları yere çivilemeleri ve tane büyümesini önlemeleri de yüksek sıcaklıklarda östenitleştirme yapılabilmesinin bir diğer nedenidir.
Takım çeliklerinin çalışma performanslarını karbür dağılımı, hacim yüzdesi ve boyutları doğrudan doğruya etkilemektedir. Bu nedenle yapılan araştırmalar genellikle bu parametrelerin belirlenmesine yöneliktir. Karbür türlerinin belirlenmesinde renkli dağlama yöntemi yardımcı olabilmektedir. M6C ve MC türü karbürler için genellikle kullanılan dağlayıcılar KMnO4-NaOH ile kromik asit çözeltileridir. Tablo 8.1’de bu çözeltilerin bileşimleri ile kullanımları özetlenmiştir.4
Tablo 8.1. Renkli Dağlama Yöntemi için Kullanılan Dağlayıcılar
Çözelti Yöntem Amaç
4 gr NaOH 10 gr KMnO4 85 ml H2O
10 saniye Yalnızca M6C türü karbürleri renklendirir.
%1’lik kromik asit sulu
çözeltisi 3 volt ile 5 saniye elektrodağlama MC karbürleri siyah yada gri olarak belirir.
Örneğin numune yüzeyine ZnSe gibi bir ince film kaplanmasıyla yüksek hız çeliklerindeki çok değişik karbür türleri birbirinden net bir biçimde ayrılabilmektedir. Bu teknikle mikroyapıyı meydana getiren partiküllerin kontrastı artırılır. Dielektrik bileşiklerin (ZnSe gibi) ince bir tabakası vakum haznesinde numunenin yüzeyi üzerine buharlaşıp birikir. Tabaka kalınlığının artmasıyla numune yüzeyindeki renk açık sarıdan maviye kadar uzanır; burada tabaka kalınlıkları birkaçyüz nanometredir.
Kırmızıdan mor’a oluşan renkler en iyi sonucu verir [57]. Şekil 8.1’de bu teknikle elde edilen mikroyapı görüntüleri verilmiştir.
Şekil 8.1 a, ZnSe ile kaplanmış ve aydınlık alanda görüntülenen bir mikroyapı görüntüsünü karakterize etmektedir. Görüldüğü gibi martenzitik matriks kırmızıdır. Ledeburit esas olarak büyük kiremit kırmızısı M2C karbürlerinden oluşmaktadır (1 numaralı partikül). Sadece ayrılmış M6C benekleri (sarı renkte) görülebilmektedir. Arka planda, ince dağılmış, koyu kırmızı MC karbürleri (2) 1-2 iri karbürle birlikte görülebilmektedir. Şekil 8.1 b de yine 8.1 a daki aynı numune 570 nm da görüntülenmiştir. MC: koyu gri, M2C : açık gri ve M6C: beyaz olarak görülmektedir. Şekil 8.1 c deki görüntü de yine aynı numunenin 550 nm de görüntülenmesiyle elde edilmiştir. Burada MC : siyah, M2C: koyu gri ve M6C ise açık gri bir kontrastta görülmektedir.
Şekil 8.1 d de görülen numune mikroyapısı; 8.1a, 1b ve 1c deki numunelerden farklı bir ısıl işleme tabi tutulmuştur. Şekil 8.1d, ZnSe ile kaplanmış ve aydınlık alanda görüntülenen bir mikroyapıya aittir. Bu mikroyapıda martenzitik matriks kırmızıdır. M2C: koyu turuncu (1), M6C: sarı (2) ve MC ise koyu kırmızı (3) olarak görülmektedir. Şekil 8.1e, aynı numunenin aynı alanında 580 nm de görüntülenmiş bir mikroyapıya aittir. Burada M2C: açık gri (1), M6C: beyaz (2) ve MC: koyu gri (3) kontrasta sahiptir. Şekil 8.1f, aynı numunenin, aynı alanının 540 nm de görüntülenmesiyle elde edilmiştir. Görüldüğü gibi MC ve M2C: siyah (1) M6C ise gri (2) kontrasttadır. Görüldüğü gibi bu görüntüleme modunda MC ve M2C karbürlerini birbirinden ayırt etmek olanaksızdır.
(a) (d)
(b) (e)
(c) (f)
Şekil 8.1. a,b,c: 1125 ºC de 15 dak östenitleştirilmiş ve su verilmiş + yumuşak tavlanmış HS 6-5-2 türü yüksek hız çeliği mikroyapısı. d,e,f: 1125 ºC de 7 saat östenitlenmiş ve su verilmiş
+ yumuşak tavlanmış S 6-5-2 çeliğinin mikroyapı görüntüleri.
Bütün bu görüntülerden anlaşılmaktadır ki bazen monokromatik ışıkla elde edilen görüntüler daha avantajlı iken bazen de renkli metalografi uygulanarak elde edilen görüntüler avantajlı hale gelmektedir. Ayrıca monokromatik ışığın dalga boyu da kontrasta büyük ölçüde etki etmektedir.
Takım çelikleri, karbon ve alaşımlı çelikler için gerçekleştirilen prosedürler kullanılarak mikroskobik ve makroskobik incelemeler için hazırlanabilirler. Yine de birçok takım çelikleri yüksek oranda alaşımlandırılmış ve genellikle birçok karbonlu
ve alaşımlı çelikten daha yüksek sertliklere sahip olduğu için metalografik olarak hazırlanmaları diğer çeliklere oranla biraz farklılık gösterir.
Şekil 8.2 ve 8.3’de ise değişik kontrastlama mekanizmalarının karbür türleri ve karbür konsantrasyonlarının ayırt edilebilirliğine etkisi görülmektedir. [58]
a) b)
c)
Şekil 8.2. HS 6-5-2 numunesinden farklı kontrastlarda alınmış mikroyapı görüntüleri; a) IM, enterferans kontrastı, b) potansiyostatik dağlama c) SEM, parlatılmış numune. Burada, görüldüğü gibi klasik aydınlık alan kontrastı yerine enterferans kontrastı modu ile çalışılan numunede primer MC karbürü içinde çekirdeklenen tabakalı yapı açıkça ortaya çıkmıştır. Merkezdeki Al2O3’in etrafında Ti(CN) çekirdeklenmiş ve onun en dıştada vanadyumca zengin MC fazı oluşmuştur. Potansiyostatik dağlanan mikroyapıda ise bu çekirdeklenme karakteristiğinin görülmesi oldukça zorlaşmıştır. Bu iki ışık mikroskobunda M6C karbürlerini görmek oldukça zordur. SEM’de
görüntülenen dağlanmamış numunede ise MC ve M6C karbürlerini ayırt etmek mümkün olmuştur, ancak heterojen çekirdeklenmeyi görebilmek imkansızlaşmıştır.
a) b)
c) d)
Şekil 8.3. HS 2-9-1+1Nb alaşımına ait farklı kontraslarda alınmış mikroyapı görüntüleri; (a) IM, nital ile dağlanmış, (b) IM, ZnSe ile enterferans kaplaması yapılmış, (c) SEM, nital ile dağlanmış, (d) SEM, parlatılmış numune. Fazlar- A: Karbürce zengin matriks, B: M2C, C:
Şekil 8.3’de çok çeşitli karbür ve kalıntı türleri karakterize edilmiştir. en optimum kontrast d şıkkındaki mikroyapıda elde edilmiştir. Görüldüğü gibi MC, M2C, M6C ve MnS fazları oldukça iyi bir şekilde ayırt edilebilmektedir.