• Sonuç bulunamadı

4. YÜKSEK HIZ ÇELİKLERİNİN MİKROYAPISI

4.1. Yüksek Hız Çeliklerinin Katılaşması

Yüksek hız çelikleri pratikte uygulanabilen soğuma hızlarında genelde dendritik katılaşmaktadır. Böylece kristalizasyon cephesinde ferrit dendritleri sıvı metalin içine doğru büyürken, dendritlerin önündeki veya arasındaki kalıntı (artık) ergiyik karbonca ve karbür oluşturucu elementlerce zenginleşir. Katılaşma sürecinde kalıntı ergiyik içinde (interdendritik uzaylarda) birincil karbürler olarak adlandırılan, kaba boyutlu olabilen ve katılaşmaya bağlı olarak ağ biçimde düzenlenmiş ötektik karbürler oluşmaktadır. Bu düzen malzemenin mekanik özelliklerini kötü yönde etkilemektedir ve özellikle düşük tokluğa (düşük eğme mukavemetine) neden olmaktadır. Bu nedenle döküm yüksek hız çeliği takımlarında malzemenin tokluğunu artırmak için homojenizasyon tavlamasının uygulanması gerekmektedir (karbür ağlarının olumsuz etkilerini azaltmak için).

Yüksek hız çeliklerinde göze çarpan en önemli mikroyapısal karakteristik, MC ve M6C (ve bazı Mo esaslı alaşımlarda M2C) tipi karbürlerdir. Bu karbürler katılaşma sırasında oluştuklarından genellikle primer karbür olarak anılırlar. Bu birincil karbürler ya primer blokvari bir şekilde direkt ergiyikten, yada dejenere ötektik olarak “γ+karbür” şeklinde oluşurlar. Karbür tipleri, fazlarının bileşenleri, boyutu, şekil ve uzaysal dağılımları alaşımın bileşimi ve katılaşma yönüne bağlı olarak değişir [19]. Bunların yanısıra döküm ingotun sıcak deformasyon ile değişik kesitlere şekillendirilmesiyle de karbür boyut ve yer dağılımları etkilenir [20]. Yüksek hız çeliklerinin kesme performansı, blok tipi karbür yoğunluğu ve temperleme (menevişleme) sırasında oluşan ikincil sertliğin derecesi ile tespit edilir. Blok tipi

karbürlerin dağılımı takımların tokluğuna kesin olarak etki etmektedir. Kümelenmiş iri karbürler mikroçatlak oluşumuna neden olmakta, bu mikroçatlaklar ise kırılmalara yol açmaktadır. Yüksek hız çeliklerinin birçok önemli özelliğini anlamanın yolu mikroyapılarının etüdünden geçmektedir [19].

4.1.1. Katılaşma sırası

Horn ve Brandis [19] tarafından ampirik olarak belirlenmiş olan bir çoklu denge diyagramı kesiti Şekil 4.4’de verilmiştir. Bu denge diyagramının kesiti AISI M2 (DIN HS 6-5-2) tipi yüksek hız çeliğine ait olup yüksek hız çeliklerinin büyük bir grubunun katılaşma davranışını tanımlayabilmektedir.

Şekil 4.4. AISI M2 çeliğine ait denge diyagramı ve oluşması öngürülen faz türleri. % 6 W, % 5 Mo ve % 2 V’den oluşan bu alaşımın tipik karbon oranı % 0,8- % 1,0 arasındadır. Bu çeliklerde sıcaklığın düşmesiyle sırasıyla aşağıdaki reaksiyonlar meydana gelir:

(1) primer delta ferrit oluşumu başlar.

(3) ötektik ledeburitin kristalizasyonuyla, kalan interdentritik sıvı katılaşmaya başlar (γ+C, C = M2C ve/veya M6C, MC de olabilir). Bu reaksiyon ötektik noktadan aşağıya doğru faz kompozisyonlarını değiştirerek solidiüs sıcaklığına ulaşana dek devam eder ve,

(4) ledeburit kristalizasyonuyla aynı zamanda, dendrit merkezlerindeki kalıntı ferrit östenit ve karbüre dönüşür. Buradaki morfolojik yapı ötektik yapıyla benzerlik gösterdiğinden, bu reaksiyon “delta-ötektoid dönüşüm” olarak bilinir.

Yüksek hız çeliklerinin çok bileşenli denge diyagramları çoğunlukla bilinmemektedir. Şekil 4.4’deki kesit karbon miktarına bağlı olarak faz alanlarının değişimini göstermekte ancak oluşan karbür tipleri ve bu karbür fazlarının oranları hakkında ayrıntılı bilgi vermemektedir [19].

4.1.2. Birincil dendrit uzayları

Geleneksel olarak döküm ve haddeleme yoluyla üretilen yüksek hız çeliklerinin karakteristik yapısı olan karbür dizileri, ingottaki interdentritik sıvının (nihai katılaşan artık sıvının) çoklu ötektik dönüşümü sonucu oluşurlar. Bu karbürler haddelemede karbür dizileri halinde mikroyapıda yeralır. Karbür dizilişinin, çeliğin tokluk ve kullanım alanı üzerinde direkt etkisi vardır [19] ve tüm bu nedenlerden dolayı dendrit yapısını etkileyen çeşitli parametrelerin bilinmesi ve tanımlanması önem kazanmaktadır. Dendrit yapısı iki parametre ile karakterize edilebilir. Dendrit gövdeleri arasındaki uzaylar (primer dentrit gövdelerarası mesafe, S1) ve bu alan arasında oluşan dentrit kolları (ikincil dentrit kollararası mesafe, S2).

Dendrit gövde alanları üzerinde yapılan deneysel çalışmalar, primer dendrit oluşumunun, gradyan GL ve büyüme hızı V ile bağıntılı olduğunu göstermiştir. Genel tanımlaması aşağıdaki gibidir.

S1 = sbt . V-c. GL-d (4.1) Çelikler ve demir alaşımları üzerinde yapılan ölçümler sonucu sabit, c’nin 0.2 < c < 0,5 ve d’nin 0,5 < d < 0,75 olduğu saptanmıştır. Hunt, Kurz ve Fisher ve Trivedi’nin teorik çalışmaları [19] V ve GL parametrelerinin dendrit oluşumu üzerindeki etkisi konusunda aynı fikirde olduklarını göstermektedir, fakat katılaşma aralığı ∆T, sıvı

içindeki difuzyon DL, arayüzey enerjisi γLS, ve ergime enerjisi ∆S de primer dendrit oluşumunu etkilemektedir: S1 = sbt. kn ( LS TDL S ∆ ∆ γ )1/4 −1/4 −1/2 L G V (4.2)

Bazı farklı çalışmalar denge bölümü sabiti k = cS / cL’nin rolü açısından farklı görüştedirler (cS, cL = sıvı ve katının verilen sıcaklıklardaki denge konsantrasyonları), burada n = + ¼ yada n = - ¼ olabilir. Ana değişkenlerin yanında, sıcaklık gradyanı ve soğuma hızı, ∆T ve k sıvının kimyasal kompozisyonuyla bağıntılıdır.

4.1.3. İkincil dendrit kol uzayları

Genel olarak ikincil dendrit kol uzaylarına etki eden parametreler, sıcaklık gradyanı ve katılaşma hızıdır. Bu iki parametre arasındaki bağıntı ampirik olarak ifade edilirken soğuma hızı T = G.V yada katılaşma süresi τf = (TL – TE(max)) / T ile ifade edilir ve ikincil dentrit kollararası mesafe:

S2 = A. T-b (4.3)

olarak yazılabilir.

Farklı alaşımlar arasında A ve b değerleri arasında çok az farklılıklar vardır ve A değeri 30,6 < A < 47,4 µm.s/K, b değeri ise 0.34 < b < 0,38 µm.s/K arasında değişmektedir. A değeri ana alaşım elementinin konsantrasyonuyla değil, katılaşma süresiyle belirlenmektedir. İkincil dendrit kollararası mesafenin oluşumunda diğer önemli değişkenler ise karbür oluşumu ve oluşum sıcaklığıdır.

Katılaşma zamanını ikincil dendrit kolları yapısının kabalaşma süresi belirler. Yüksek hız çeliklerinde katılaşma başladığında çapraz olarak peritektik reaksiyon araya girer. Genellikle çeliklerde ikincil dendrit yapısını, östenit fazında katılaşma ferrit fazındaki katılaşmadan daha fazla kabalaştırır. Yönlendirilmiş katılaşmış yapılarda kabalaşmış dendrit kollarının ölçümü daha basittir. Dendrit kabalaşmasında aşağıdaki mekanizmalar etkilidir:

(1) arayüzey enerjisi ve difuzyon taşınımı ile kabalaşma devam eder (Oswald olgunlaşması).

(2) dendrit kol uçlarının yakınındaki büyüme değişimlerini, uzun kolların hızlı büyümesi izler.

(3) dendrit kol ve gövdesi arasında oluşan boyunun tekrar ergimesiyle kaybolan dendrit kollarını, dendrit gövdelerinden dendrit kollarının ayrılması izler.

(4) sıcaklık etkisi ile yan yana olan bitişik kollar birleşir ve, (5) sıcaklık gradyanı bölgesinde ergimeyle dendrit kolları uzar.

Şekil 4.5’de niobyum ve vanadyum alaşım elementleri ilavesiyle gerçekleşen katılaşma sırası şematik olarak gösterilmiştir.

Şekil 4.5. Ortalama %0,9 C, % 6 W ve % 5 molibden içeren niobyum alaşımlı yüksek hız çeliklerinde katılaşma sırasının şematik gösterimi. a) % 1,5-3 Nb, vanadyumsuz b) % 1 Nb

ve %1 V.

Şekilden de görüldüğü gibi saf niobyum katıldığında (Şekil 4.5.a) veya etkili yabancı çekirdek varolduğunda, sıvıdan ilk olarak düzlemli kristaller halindeki birincil MC tanecikleri çökelir. Bu tip alaşımlarda delta ferritin oluşum sıcaklığının hemen altında, ancak peritektik reaksiyonun başlamasından önce ötektik MC (deltaferit + MC karbürü) çökelir. Vanadyumun yarısının 1:1 oranında niobyumla yerdeğiştirdiği sıvı alaşımda (Şekil 4.5.b) MC oluşum sıcaklığı standart M2 tipi çeliğe kıyasla yükselmişse de, “γ+MC” olarak peritektik reaksiyonun başlamasından sonra gerçekleşir.