Ostemperlenmiş Küresel Grafitli Dökme Demir-OKGDD AUSTEMPERED DUCTILE IRON-ADI. Grafit küreleri

(1)

AUSTEMPERED DUCTILE IRON-ADI

Grafit küreleri

Ostemperlenmiş Küresel Grafitli Dökme Demir-OKGDD

(2)

Dökme Demirin Kimyasal Bileşimi:

Fe C Si Mn P S Mg val. 3.5 2.5 0.25 0.038 0.015 0.05

Gri dökme demir

Küresel Grafitli D.D.

Mg veya Ce ilavesi

Grafitin Küreselleşmesini sağlar

Sadece KGDD

Mg veya Ce ilave edilmezse

Çekme Muk.: 150-400 MPa

Çekme Muk.: 350-800 MPa

% Uzama: 3-20 %

% Uzama: 0 %

(3)

Küresel Grafitli Dökme Demir Mikroyapıları

(4)

1930 ve 1940 yıllarında gri dökme demire kalıpta soğuma süresince Ni, Mo, Cu, Mn gibi alaşım

elementlerinin ilavesi ile g-perlit dönüşümü kısmende

olsa engellenerek yüksek mukavemetli asiküler gri

dökme demir elde edilmiştir. Bu dökme demirlerde

nihai yapı, asiküler ferrit (beynit), martensit ve kalıntı

ostenitten meydana gelir.

(5)

Asiküler demirlerin yüksek mukavemet ve tokluğun yanısıra son derece yüksek aşınma direnci vardır. Bu da ostenitin deformasyon karekterinden ileri

gelmektedir.

Ancak, bu dökme demirlerin üretimini sınırlandıran birçok neden bulunmaktadır. Bunların en önemlisi,

soğuma hızındaki en küçük bir değişimin nihai yapıda büyük farklılıklar meydana getirmesi ve dolayısıyla

mekanik özellikleri etkilemesidir

(6)

Alaşım elementi ilavesi ve sürekli soğuma ile elde

edilen asiküler dökme demirlerin yüksek mukavemet göstermelerine karşın, "östemperleme" yolu ile elde edilen beynitik yapılı KGDD hem daha yüksek

mukavemet hem de yüksek tokluk özellikleri

göstermektedir. Bu sebeple, ÖKGDD`ler aynı tokluk ve süneklikteki standart KGDD`in sahip olduğu

mukavemetin yaklaşık iki katını gösteren bir dökme demir grubunu oluşturmaktadır. Ostemperlemiş

küresel grafitli dökme demir mükemmel bir tokluk

ve mukavemetle birlikte olağanüstü yorulma direnci

ve aşınma mukavemeti de gösterir

(7)

1. 850 ve 950 °C Sıcaklık aralığında 60 dak. ostenitleme

2. Bir tuz banyosunda 450 - 250 °C Sıcaklık aralığında 0.5 ve 3 saat zaman aralığında su verme

3. Oda sıcaklığına soğutma

Ostemperlenmiş Küresel Grafitli D.D. (ADI)

Ostemperleme adı verilen izotermal ısıl işlemle özelliklerin iyileştirilmesi

Şekil 2-2: Alaşımsız KGDD`in şematik izotermal dönüşüm diyagramı[1].

(8)

Dökme demirlerin Ostemperleme, Su verme ve Temperlenmesi

Austenite

Ausferrite Pearlite

Ferrite

Martensite

Bainite

(9)

(10)

Alaşım elementlerince etkilenen östemperleme sıcaklığı, yaklaşık 330 °C nin altında olduğunda ferrit tabakçılarının (plates) çekirdekleşme hızı yüksek ve karbonun diffüzyon hızı nisbeten

düşüktür. Bu nedenle karbon beynitik ferritden çok az atılır ve geri kalanı ferrit tabakçıklarında sementit olarak çökelir. Oluşan beynitik yapı alt beynit olarak bilinir ve maksimum tokluğun elde edildiği şartlarda % 10-20 oranında yüksek

karbonlu östenit içerir.

(11)

Yüksek östemperleme sıcaklıklarında ( 330-400 °C) farklı bir dönüşüm mekanizması vardır ve yukarı beynit oluşumu ile sonuçlanır. Yüksek sıcaklıklarda karbon diffüzyonu çok hızlıdır. Böylece, karbonun tamamına yakın bir kısmı büyüyen ferrit çıtalarının (lath) dışına doğru yayınır ve östeniti zenginleştirir.

Bu sıcaklıklarda yüksek karbonlu östenit oranının

maksimum tokluğun elde edildiği konumda % 45

seviyesine kadar ulaştığı görülmüştür.

(12)

Dönüşüm süresi ilerledikçe östenit karbonca

zenginleşmeye devam eder ve bu esnada yapıdaki yüksek Si miktarı karbür oluşumunu engeller. Ancak östenitin karbon oranı denge diyagramında max.

karbon çözünürlük oranına ( % 1.7 - 2) ulaştığında yüksek karbonlu östenit ferrit ve karbüre ayrışır.

Sonuç olarak Küresel Grafitli Dökme Demirlerde beynit reaksiyonu östemperleme zamanına bağlı olarak iki kademeli bir reaksiyon olarak

gerçekleşmektedir.

(13)

Proses Aralığı

beynitik dönüşüm 2 kademeli bir reaksiyon olarak devam eder

1. Kademe : Östenit, beynitik ferrit ve karbonca zengin östenite ayrışır.

g ₊

2. Kademe : Daha sonra yüksek karbonlu östenitin ferrit ve karbüre ayrışması gelir.

g ₊

_Karbür

g

_yk

a

(14)

I. kademe ferrit tabakçıklarının veya çıtalarının, grafit kürelerinin etrafında veya östenit tane

sınırlarında çekirdeklenmesini ve büyümesini içerir.

Demetler veya koloniler halinde oluşan bu ferrit tabakçıklarının büyümesi diğer tabakçıklara temas edene değin sürer ve karbonun ostenite atılması ileriki büyümelerde itici gücü azaltır. I. kademenin sonuçlanmasında östenit oda sıcaklığına doğru

soğuma sırasında martensite dönüşmeyecek ölçüde

kararlıdır ve " tam östemperlenmiş" küresel grafitli

dökme demir yapısını oluşturur.

(15)

Tokluğu arttırmasından dolayı bazı araştırmacılar reaksiyonu tokluk reaksiyonu olarak

tanımlamışlardır.

II. kademe reaksiyon da, dönüşüm süresinin

uzamasıyla yüksek karbonlu östenitten, ferrit ve karbüre ayrışmayı içerir. I.kademe reaksiyon

süneklik ve tokluğu azaltmasından dolayı gevreklik

reaksiyonu olarakta isimlendirilmiştir.

(16)

Closed processing window

(17)

OKGDD ASTM Standartları

The properties of each grade are affected by the Austempering process – NOT the chemistry of the iron

Grade Çekme Muk.

(MPa / Ksi)

Akma Muk.

(MPa / Ksi) Uzama (%)

Darbe Enerjisi (Joules / lb.-

ft.)

Tipik sertlik (HB)

1 ^{850 / 125} ^{550 / 80} ¹⁰ ^{100 / 75} ^{269 – 321}

2 ^{1050 / 150} ^{700 / 100} ⁷ ^{80 / 60} ^{302 – 363}

3 ^{1200 / 175} ^{850 / 125} ⁴ ^{60 / 45} ^{341 – 444}

4 ^{1400 / 200} ^{1100 / 155} ¹ ^{35 / 25} ^{388 – 477}

5 ^{1600 / 230} ^{1300 / 185} ^N/A ^N/A ^{444 - 555}

(18)

OKGDD-(ADI) Mikroyapıları

Grade 1 Grade 5

(19)

OKGDD Mikroyapısı

¥ Beynit

¥ Yüksek karbonlu ostenit

¥ Martensit

¥ Karbür

¥ Perlit

(20)

Element Cell boundary Close to graphite

Mn 1.73 0.40

Si 1.75 2.45

Mo 0.60 0.07

Element Cell boundary Close to graphite

Mn 0.81 0.57

Si 2.31 2.49

Mo 0.16 0.12

Fe-3.5C-2.5Si-0.55Mn-0.15Mo

(21)

homogenised at 1000 C for 3 days Austempered at 350 C for 64 min

o

(22)

Mekanik Özellikler

MUKAVEMET : Çeliğinkine eşit veya daha büyük

% UZAMA : aynı uzamada su verilmiş ve

temperlenmiş KGDD in mukavemetinin iki katı TOKLUK : KGDD den daha iyi. Döküm ve dövme

çeliğinkine eşit veya daha iyi

YORULMA MUKAVEMETİ: dövme çeliğinkine eşit veya daha büyük

SÖNÜM KAPASİTESİ : Çelikten 5 kere daha büyük

(23)

(24)

Young’s Modulu

(25)

(26)

R. Elliott, 1988

(27)

OKGDD Aşınma Direnci

(28)

OKGDD İşlenebilirliği

0 20 40 60 80 100 120

65-45-12 Ductile

Iron

AISI 1110 Free Machining

Steel

100-70-03 Ductile

Iron

ASTM 897 125-80-10

AISI 4140 Steel at

30Rc

(29)

Dişlilerde ses azalması -

sönüm kapasitesi

(30)

Oda (gece) Konuşma

Jet

Alarm Saat Silah sesi, siren

Testere, matkap, fabrika ortamı

Fısıltılı konuşma, kütüphane

Yağmur Yoğun trafik, elektrikli süpürge Çim biçme mak, kamyon

Küçük uçaklar, Rock müzik

kırıcı konser

Acı eşiği (threshold of pain)

20 yaprak hışırtısı

DESİBEL

(31)

Weight Per Unit of Yield Strength

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

CAST ALUMINUM

FORGED ALUMINUM

CAST STEEL

DUCTILE IRON

FORGED STEEL

HEAT TREATED

STEEL

ADI

(32)

Cost per Unit of Yield Strength

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

FORGED ALUMINUM

CAST ALUMINUM

CAST STEEL

FORGED STEEL

HEAT TREATED

STEEL

DUCTILE IRON

ADI

(33)

Relative Material Prices

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50

Gray Iron Ductile Austempered Gray Iron Malleable Iron C Steel Forgings ADI Grades 1- 4 ADI Grade 5 L.A. Steel Forgings H.T. C Steel Forgings C & L.A.Steel Castings H.T. L.A.Steel Forgings Carb.L.A. Steel Forgings Mn Steel Castings H.T. C & LA Steel Cast. Die Cast Aluminum Sand Cast Aluminum

Profit

Commission

Heat Treat & Transport Material Cost

(34)

(35)

ÖKGDD ler daha iyi mekanik özellikler göstermelerinden dolayı birçok alanda kullanılmakta ve kullanılmaları da düşünülmektedir. Bugüne kadar dişli yapımında oldukça yaygın olarak kullanılan, dövme yada yüzey sertleştirilmiş çeliklerin yerine bu yeni malzemenin kullanılması oldukça büyük ilgi uyandırmıştır. Örneğin; demiryolu taşıtlarındaki bağlantı elemanları bu malzemeden yapıldığı takdirde aşınma

direncinin iki kat arttığı, ayrıca trenlerdeki fren pabuçlarının da bu malzemeden yapılması halinde aşınma direncinin normal dökme

demirlere nazaran yaklaşık 6.5 kat arttığı gözlenmiştir. Aynı zamanda bu fren pabuçlarının tekerleri çok daha az aşındırdığı tesbit edilmiştir.

Bunun yanısıra tren tekerleri krank mili gibi yüksek mukavemetli

parçalar ve iş makinaları kepçe ve paletleri gibi aşınan parçalarda bu tür malzemelerden imal edilmektedir. Dişli olarak kullanıldıklarında çeşitli avantajlara sahip oldukları görülmüştür. Bunlar teknik ve ticari avantajlar olarak şöyle sıralanabilir.

AVANTAJLARI VE KULLANIM ALANLARI

(36)

A- TEKNİK AVANTAJLARI

1. Küresel Grafitli Dökme Demir % 10 daha hafiftir

2. KGDD' dişliler, çelik dişlilerden daha sessiz çalışmaktadır. Çünkü, yapıdaki grafit sönüm kapasitesinin % 40 artmasını sağlar.

3. KGDD' in çelikten daha az çentik duyarlılığı vardır. Bu yüzden yüzey işlemlerinin çelikteki kadar hassas yapılmasına gerek yoktur.

4. ÖKGDD in yorulma ömrü püskürtmeli sertleştirme ve yüzey haddeleme işlemleri ile arttırılabilir. Hatta dişlilerin çalışma esnasında dahi yüzeyleri sertleşebilir.

5. 300 Brinel sertliğindeki ÖKGDD malzemenin aşınma direncinin 500 Brinell sertliğindeki dövme çeliğe eşdeğer olduğu görülmüştür.

6. OKGDD in elastisite modülü çeliğinkinin yaklaşık % 70-80' i kadardır.

(37)

B- TİCARİ AVANTAJLARI

1. Hammadde olarak dökme demir çelikten daha ucuzdur.

2. Belirli dişliler nihai şeklini verecek şekilde (near-net shape) dökülebilir. Mesela, döküm işlemi sırasında dişler oluşturulabilir.

3. Isıl işlem görmeden önce dahi,KGDD in işlenebilirliği tavlanmış çelikten oldukça iyidir.

Bu nedenle pahalı işleme takımlarının sarfiyatı da az olmaktadır.

4. KGDD dişlilerin üretiminde kullanılan enerji, çelik dişlilerin üretiminde kullanılan enerjiden daha az olmaktadır . Bu yüzden % 50 ye varan enerji tasarrufu

yapılabilmektedir.

HARCANAN ENERJİ KWh/t

İŞLEM KGDD ÇELİK

Üretim 2500 4500

Tavlama -- 500

Östemperleme 600 --

yüzey sertleştirme -- 800-1200

TOPLAM 3100 5800-6200

(38)

Madencilik pervane ve pompa karteri, maden vagon tekerleri, haddeler, zincir baklaları

Tarım ve Ormancılık pulluk, pulluk bıçakları,kepçeler, çeşitli tarım makinaları, Makina kılavuzlar, taşıyıcı silindirler, kalıplar, çeşitli hidrolik ,

parça, kompresör ve soğutma makinaları üretimi, tekstil makinaları

Ulaşım demiryollarında ve trenlerde bağlantı elemanları, fren pabuçları, vagon tekerleri, şaftlar

Savunma Sanayii Abrams M1 tanklarının paletleri, tahrik dişlileri ve süspansiyon kolları

Otomotiv dişli, krank mili, amortisör, kumanda mili çatalı,direksiyon parçaları, kardan milleri, göbek dişlisi, dingil, otomatik dişli kutuları, dizel motorların zamanlama dişlileri, ayna dişlisi, pinyon takımı

Ostemperlenmiş Küresel Grafitli Dökme Demir-OKGDD AUSTEMPERED DUCTILE IRON-ADI. Grafit küreleri

AUSTEMPERED DUCTILE IRON-ADI

Grafit küreleri